Plakalı Eşanjör Nedir? Çeşitleri – Çalışma Prensibi

Plakalı eşanjör çeşitleri: Akışkanlar arasındaki ısı transferini kullanım ihtiyacına göre sağlamasında kullanılan plaka çeşididir. Farklı formlarda tasarlanan eşanjör plakaları sayesinde etkin ısı transferi gerçekleşir.

Plakalar üzerindeki özel balık sırtı tasarım ile akış sırasında akışkanın hızı, devamlı değişir. Bu sebeple elde edilen çalkantı ve yüksek türbülans sayesinde daha küçük hacim ile gereken ısıyı transfer eder.

Plakalı eşanjör de ısı geçişinin olduğu yüzeyler ince metal plakalardan (levhalardan) yapılır. Bu metal yüzeylerin şekli dalgalı-düz veya girintili-çıkıntılı olabilir. Plakalı eşanjörlerin, borulu ısı eşanjörü gibi yüksek basınç ve sıcaklıklara karşı dayanımları azdır. Bu plakalar titanyum, alüminyum, nikel, paslanmaz çelik veya zirkonyumdan yapılabilir.

Eşanjör gövdeleri, plakalar ve alışkan giriş çıkış nozülleri değişik yapılarda birleştirilerek farklı eşanjör tipleri elde edilebilir. Bu eşanjörlerin en önemli özelliği, çalışma koşullarındaki değişime bağlı olarak, kolayca plaka eklenmesi veya çıkarılmasıdır. Bunun sonucu yeni koşullara uygun duruma getirilebilmesidir.

Ayrıca temizlik ve bakım içinde kolayca açılabilmesidir. Isı değiştirmeye yarayan patentli plakalar, saplamalar ile çelikten yapılmıştır. Ön ve arka baskı plakaları arasında, alt ve üst taşıyıcı barlar üzerine dizilerek bağlanır. Plakalardan her biri yekpare olarak preslenmiş olması yüksek mukavemet için önemlidir. Plakalar üzerinde hiçbir kaynak veya bağlantı yoktur.

Standart bir ünitede her plakanın üzerinde, her köşede bulunan dört delik vardır. Ayrıca sızdırmazlığı sağlamak ve ısı transfer kanallarını oluşturmak için lastik contalar vardır. Bu contalar plakanın etrafındaki conta yuvasının içinde bulunur. Giriş ve çıkış nozulları, uygulamaların çoğunda ön baskı plakası üzerinde yer alır.

Bazı özel durumlarda ısı değiştiricinin çok geçişli olarak imal edilmesi gerekebilir. Bu durumda da giriş-çıkış nozulları her iki ön ve arka baskı plakaları üzerinde bulunur. Plakalı ısı eşanjörün yapısı bu şekildedir. Bu konstrüktif yapı, kontrol ve temizleme amacı ile eşanjörün kolay bir şekilde açılmasını sağlar.

Plakalı ısı eşanjörlerinde kullanılan malzeme

Belirlenen ısıl koşullarda uzun yıllar sorunsuz çalışmasını sağlayan etkenlerden biri de eşanjörü oluşturan malzemedir. Malzemelerin ISO 9001 gereği kalite testlerinin yapılması gerekir. Bunun için her bir malzemenin üstünde geriye dönük inceleme için markalama olması gerekmektedir.

Eşanjör Gövdesi

Sistemin çalışma basıncına göre farklı malzemelerden yapılabilir. Eşanjör gövdelerinin kalitesi minimum St 37-2 olmalıdır. (St 44 ve St 52 gibi farklı malzemelerden olabilir). Eşanjörün maksimum çalışma basıncına uygun, mukavemet hesaplamaları yapılır ve uygun gövde kalınlığı hesap edilir.

Eşanjör imalatı, kullanılan prosese göre gövde malzemeleri paslanmaz olarak da yapılmaktadır. Paslanmaz çelik plakaların ömürleri 20–30 sene arasındadır. Maliyetin daha düşük olması istenen uygulamalarda ise, gövde karbon çelikten yapılır. Paslanmaz malzemeden kaplanır. Gövde imalatı için, önce delik merkezlerinin işlenmesi, kumlama, yağ alma, fosfatlama ve boyama işlemleri gerçekleşir.

Plakalı Eşanjör Seçimi

Seçim yapılırken plaka malzemesi kullanılan akışkana göre ve istenen maksimum çalışma mukavemetine uygun seçim yapılır. Bu malzemelerden en çok kullanılan malzeme tipi 1.440 /AISI 316’dır.

Plakalı Eşanjör Çeşitleri

Plakalı ısı değiştiriciler, kaynaklı (lehimli) ve contalı olmak üzere iki grupta incelenir.

Lehimli Plakalı Isı Eşanjörü

Klasik contalı plakalı ısı değiştiricilerden maliyeti düşük olan diğer bir alternatif de lehimli plakalı ısı eşanjörlerdir. Sıvı-sıvı, sıvı-buhar ve sıvı-soğutucu gaz uygulamalarında ısı eşanjörleri teknolojisinin en etkin ve verimli ısı transferi başında yer alır. Lehimli tip ısı eşanjörleri, ön ve arka frameler arasındaki bir plaka demetinden oluşur.

Bu tip ısı eşanjörler, yüksek sıcaklıkta ve çalışma basıncında görev yapabilirler. Çalışma prensipleri contalı plakalı ısı eşenjörler ile aynıdır. Tek farkı burada contaların yerine bakır lehim malzemesi kullanılmıştır. Paslanmaz çelik plakaları lehimlemek için kullanılan bakır film ile beraber vakum altında yüksek sıcaklıkta fırınlanır. Böylece contasız ve son derece kompakt yapıda bir ısı değiştirici elde edilir.

Lehimli Isı Değiştiricilerin Avantajları

Lehimli ısı eşanjörlerin verimleri; sökülebilir tip eşanjörlere göre %25, klasik borulu tip eşanjörlere göre 10 kat daha fazladır. Boyut olarak borulu tip eşanjörlerin %5-10’ u kadar bir hacmi kaplar ve daha hafiftirler.

Düşük maliyet,
Yüksek çalışma basıncı,
Düşük çalışma ağırlığı,
Düşük sıcaklık yaklaşımı ve yüksek ısı transfer verimi.

Lehimli Plakalı Isı Eşanjörleri Kullanım Alanları

Lehimli plakalı ısı ve contalı plakalı ısı eşanjörlerinde contaların maksimum çalışma sıcaklığı ve basıncı üzerindeki uygulamalarda kullanılır.

Endüstriyel tip soğutucular da kondenser ve evaporatör
Hava soğutucular ve soğutma uygulamaları, Isı pompaları
Fabrika atık ısısından faydalanma, Binaların havalandırılması,
Gemilerde ısıtma soğutma, Bölgesel ısıtma, Yağ soğutulması uygulamaları gibi.

Contalı Plakalı Isı Eşanjörler

Doğru bir sistem tasarımı için, ısı iletim plakaları, contalar, gövde ve bağlantı elemanları için uygun malzeme önemlidir. Bu nedenle, plakalı ısı değiştirici seçimi yapılırken, akışkanlara ve sisteme ait teknik özellikler net olmalıdır.

Plakalı ısı eşanjörler de kullanılan conta seçimi önemlidir. Eşanjör contalarının imalatı normal, sülfürlü ve peroksitli olarak farklı kalitede yapılır. Bu contalardan peroksitli conta, çalışma koşulları açısından iyi performansı sağladığı için tercih edilmektedir.

Plakalı ısı eşanjörlerinde yaygın olarak kullanılan conta malzemeleri:

Nıtrıle (Nbr), Hnbr, Etilen Propilen (Epdm), Florokarbon (Fpm), Vıton Gf, PTFE Encapsulated NBR

Plakalı ısı değiştiriciler, maliyet ve verimlilik konusunda en çok yaygınlık kazanan ve en başarılı olandır. Günümüzde plakalı ısı değiştirici, kimyasal sanayinin her kolunda ısıtma ve soğutma sistemlerinde kullanılır. Resimde yüksek yapılardaki ısıtma ve soğutma sistemlerinde basınç kırıcı olarak kullanılan plakalı eşanjör bağlantı şeması görülmektedir.

Herhangi bir sebeple akışkanların birbirine karışması, özel conta tasarımı sayesinde giderilmiştir. Plakalı ısı değiştirici de conta sistemi sayesinde iki akışkan birbirine karışmaz. Kapasiteyi artırmak için contalı tiplerde plaka ilave edilir.

Contalı plakalı eşanjörlerin gruplandırılması;

Contalı plakalı,
Spiral plakalı,
Lamelli.

olmak üzere üç farklı tipte eşanjör imalatı yapılmaktadır. En yaygın kullanılan eşanjör tipi contalı eşanjörlerdir. Bu eşanjör tipi genel olarak plakalı eşanjör olarak isimlendirilir.

Contalı Plakalı Isı Eşanjörler

Contalı plaka veya levhalı ısı değiştiriciler, ince metal plakalardan bir paket yapılarak elde edilir. Bu plakaların dört köşesinde akışkanların geçebilmesi için delikler bulunur. Uygun contalarla akışkanlar yönlendirilir ve birbirlerine karışmaları engellenir. Sıkıştırma çubukları ile sıkıştırılır. Kapasite artırmak gerekirse contalı tiplerde plaka eklenerek artırılabilir.

Çalışma prensibi: Plakalı ısı değiştiricilerin ana elemanı dalgalı bir yüzeye sahip metal plakalardır. Her bir plakanın üzerinde akışkan giriş/çıkış nozulları ve ayrıca sızdırmazlığı sağlayan bir conta bulunmaktadır. Kullanılan conta sistemi nedeni ile her iki akışkan da birbirleri ile karışmaz.

Farklı kanallar arasından akar. Bu sırada arzu edilen ısı transferi elde edilir. Sızdırmazlık gövde üzerinde bulunan ve plaka paketini sıkıştıran saplamalar vasıtası ile sağlanır. Bu sebeple bu saplamaların sökülmesi ile tüm ısı transfer yüzeylerine bakım ve temizlik için kolayca ulaşmak mümkündür.

Spiral Plakalı Isı Eşanjörleri

Spiral levhalı ısı değiştiricilerde, iki uzun metal şerit plaka helisel sarılır. İki akışkan için spiral akış yolu çifti oluşturulur. Bu spiral dönüşlerden dolayı spiral plakalı ısı değiştiricilerin çapı çok fazladır. Sistemin ısı transfer katsayıları; gövde-boru tip ısı değiştiricilerinden fazladır. Böyle olsa da plakalı ısı değiştiricilerinden azdır.

Lamelli Isı Eşanjörleri

Lamelli ısı değiştiriciler; bir grup boruyu saran bir plaka gövdeden oluşur. Ama bu borular düzleştirilmiş ince borulardır. Bu tip ısı değiştiriciler selüloz veya kağıt endüstrisinde kullanılırlar.

Plakalı Eşanjör Çalışma Prensibi

Ana elemanını dalgalı bir yüzeye sahip metal plakalar oluşturmaktadır. Plakalı ısı eşanjörü; plaka boyutu ve plaka sayısı, içinden geçen akışkanın debisine, giriş-çıkış sıcaklık değerlerine, fiziksel özelliklerine, basınç düşümlerine ve arzu edilen maksimum güç değerine göre belirlenir.

Plakalar üzerindeki simetrik veya asimetrik dizaynlar, akışkanların türbülanslı akmasını sağlayacak yapıdadır. Bu da yüksek ısı transfer katsayılarının elde edilmesine sebep olur. Plakalar arasında oluşan temas noktaları, plaka paketinin istenen mukavemete ulaşmasını sağlar. Bu plakaların her birinin üzerinde akışkan giriş/çıkış nozulları ve ayrıca sızdırmazlığı sağlayan bir conta bulunur.

Contalar sayesinde plakalarda oluşan akış ve kanallardan geçen akışkanlar, birbirine karışmaz. Farklı kanallar arasından akar. Bu esnada sıcaklık farkından dolayı istenilen ısı transferi elde edilir. Sızdırmazlık, gövde üzerinde bulunan ve plaka paketini sıkıştıran saplamalar aracılığı ile sağlanır. Bu nedenle bu saplamaların sökülmesi sureti ile tüm ısı transfer yüzeylerine bakım ve temizlik için kolayca ulaşmak mümkündür.

Plakalı Isı Eşanjörün Avantajları

Akışkanların birbirine karışmasını engelleyen özel conta tasarımı
Kompakt tasarımı sayesinde düşük ağırlık ve küçük montaj hacmi.
Tam türbülans sayesinde düşük maliyet, yüksek verim.
Kapasite artırımına imkan sağlanması.
Eşanjör bakımı kolay daha düşük maliyet.

Borulu ve Plakalı Isı Eşanjör Farkı

Plakalı eşanjör, patentli plaka dizaynlarında oluşturulan yüksek türbülanslı akıştan dolayı, borulu ısı değiştiricilerden daha verimlidir. Borulu eşanjörlerin kullandığı hacmin %20 – %30‘ unu kaplarlar. Plakalı eşanjörler de kullanılan malzemeler ağırlık olarak borulu eşanjörlerden daha hafiftir. Fiyatları daha ucuzdur.

Plakalı Eşanjör

Isı transfer katsayısı 3-5 kat daha fazladır
1ºC’lik sıcaklık yaklaşımını başarabilir.
Bakım için fazladan yer ihtiyacı gerektirmez.
Onarımı ve bakımı çok kolaydır. Sadece saplamaların sökülmesi ve arka baskı plakasının destek kolonuna doğru itilmesi yeterlidir.
Plakalı eşanjör (plate heat exchanger) yüksek türbülanstan dolayı, kirlenme hızı daha azdır.
Conta dizaynından dolayı, iki akışkanın birbirine karışması olanaksızdır.
Plaka eklenerek kapasite artırımı yapmak mümkündür
Pratik olarak ısı kaybı yoktur. İzolasyon gerektirmez.

Borulu Eşanjör

Verimi düşüktür
5- 10 ºC’lik sıcaklık yaklaşımını başarabilir.
Boru demetini çıkarmak için, kendi boyu kadar fazladan yere ihtiyaç vardır.
3-10 kata varan daha yüksek kirlenme hızına sahiptir.
Akışkanlar, hem kaynak yerlerinden hem de borulardan karışabilir.
Kapasite arttırımı yapmak mümkün değildir.
Isı kaybının yüksekliğinden dolayı izolasyon gerektirir.

Plakalı Eşanjör İçin Gerekli Ortam ve Çalışma Şartları

Standart plaka eşanjörler kapalı ve donmaya karşı korunmuş mekânlarda kullanılmak için tasarlanmıştır.
Açık alanlarda veya montaj yapılacak yerde atmosferik nem oranı %70’in üzerinde ise plaka eşanşör için özel tasarım ve emniyet tedbirleri alınmalıdır.
Standart plaka eşanjörler düz bir zemin üzerine dikey konumda yerleştirilmeli ve bu durumda çalışmalıdır.
Ortam sıcaklığının plaka eşanjör için istenilen maksimum işletme sıcaklığını aşmaması sağlanmalıdır.
Plaka eşanjörün contaları dış mekanik etkilerden, çevresel gaz ve asitlerin agresif/zararlı etkilerinden uzak olmalıdır.
Ozon, elastomer contaların erken sertleşmesine ve özelliğini kaybetmesine neden olur. Güneş ışığı ve ultraviyole ışık da uzun sürede aynı etkiyi yapar. Bu sebeple ozon yayan cihazlardan ve doğrudan güneş ışığından uzak kalmasına özen gösterilmelidir.
Plakalı eşanjör açık alana montajı yapılacaksa buzlanma, nem ve direkt güneş ışığı gibi çevresel etkilerden korunmalıdır.
Montaj sonrası, sıkıştırma civataları paslanmaya karşı gres yağı ile kaplanmalıdır.
Özellikle kategori–1 grubuna giren akışkanların (tehlikeli maddeler) kullanıldığı eşanjörlerin bulunduğu yerlerde iş yeri emniyet ve yangın talimatlarına uyulmalıdır.
Herhangi bir sızıntı işletme koşulları açısından tehlike arz ediyorsa plaka eşanjör etrafına/altına sıçrama ve sızıntıya karşı koruma yapılmalıdır.
Bu cihazların büyüklüğü, ısıtılacak ortamın büyüklüğüne ve gerekli kapasiteye uygun seçilmelidir.

Plakalı Eşanjör Hesabı

Plakalı eşanjör hesabı yapılırken, eşanjör firmaları, kendi araştırma ve geliştirme bölümlerinin geliştirdiği bir programı kullanır. Eşanjörler bu program sonucunda boyutlandırılır.

Farklı markalarda, aynı ısıl değerlerde ve kapasitedeki eşanjörlerde, ısı transfer m²’ leri arasındaki fark % 3-5 arasında olmalıdır. Eğer bu fark çok yüksekse, bunun neden kaynaklandığı iyice araştırılmalıdır. Eşanjörün maksimum çalışma basıncına uygun, mukavemet hesaplamaları yapılarak en uygun gövde kalınlığı hesap edilir.

Plakalı Isı Eşanjör Dizaynında Basınç Kayıplarının Önemi

Plaka üzerinde yer alan şekiller, tesisattaki akışkanın akışına karşı bir direnç oluşturacağı için, sistemde basınç kaybı oluşturacaktır. Plakalı ısı eşanjörlerin dizaynlarında basınç kayıpları önemlidir. Bu basınç kayıpları plakalı eşanjörün yüzey alanını ve buna bağlı olarak da maliyetleri etkilemektedir.

Plakalı eşanjörler de, basınç kaybı ne kadar yüksek alınırsa, plakalı ısı eşanjörünün yüzey alanı o ölçüde küçülür. Basınç kaybının düşük alınması durumunda da plakalı ısı eşanjörünün yüzey alanı o ölçüde büyür. Bundan dolayı firmalardan teklif istenirken, aynı ısıl değerleri ile birlikte, istenen maksimum basınç kayıpları da verilmeli ve sonuç buna göre incelenmelidir.

Plakalı Eşanjör Kullanım Alanları

Enerji
Denizcilik
HVAC
Endüstri
Gıda ve Hijyen

Geniş Aralıklı (Wide-Gap) Plakalı Isı Eşanjörü

Geniş aralıklı plakalar, standart plaka dizaynlarında, tıkanma eğilimi gösterebilecek viskozite veya katı partiküller içeren akışkan uygulamalarında kullanılır. Klasik plakalardan iki veya daha fazla baskı derinliği olan bu özel plaka dizaynı viscosity veya katı partiküller içeren akışkanların geçişini kolaylaştırırlar.

Plakalı Isı Eşanjörlerinde Kanal Dizaynları

Plakalı ısı eşanjörlerinde, plakalarla oluşturulan akış kanallarında, akış ne kadar yüksek türbülansla akarsa, ısı transfer katsayıları da o oranda yüksek olur.

Ultraflex (Asimetrik) Dizayn; Ultraflex plaka dizaynında da hem geniş açılı hem de dar açılı plakalar vardır. Bu dizaynda karşı (diagonaal) akış yönü kullanılır.

Simetrik Dizayn; Simetrik plaka dizaynı da geniş açılı ve dar açılı plakalardan oluşmuştur. Bu dizayn da paralel yönlü veya karşı (diagonal) akış yönlü akışın ikisinden biri kullanılabilir.