Genel Isı Transfer Katsayısı
Genel ısı transfer katsayısı veya U değeri, ısının bir dizi dirençli ortam boyunca ne kadar iyi iletildiğini ifade eder. Birimleri W/(m 2 °C) [Btu/(hr-ft 2 °F)]’dir.
Buhar ve Sıcak Su
Aşağıdaki makale, film katsayıları ve gerçek duvar malzemesi de dahil olmak üzere farklı türdeki ortamlarda buhar ve sıcak suyun ısı transferi için U değerinin nasıl hesaplanacağını ve karşılaştırılacağını göstermektedir.
Genel ısı transfer katsayısı, ısının aktarıldığı ortamların kalınlığı ve ısıl iletkenliğinden etkilenir. Katsayı ne kadar büyükse, ısı kaynağından ısıtılan ürüne o kadar kolay aktarılır. Bir ısı değiştiricide, genel ısı transfer katsayısı (U) ile ısı transfer oranı (Q) arasındaki ilişki aşağıdaki denklemle gösterilebilir:
Neresi
A = ısı transfer yüzey alanı, m 2 [ft 2 ]
U = genel ısı transfer katsayısı, W/(m 2 °C) [Btu/(saat-ft 2 °F)]
ΔTLM = logaritmik ortalama sıcaklık farkı, °C [°F]
Bu denklemden, U değerinin ısı transfer oranı olan Q ile doğru orantılı olduğu görülebilir. Isı transfer yüzeyi ve sıcaklık farkının değişmeden kaldığı varsayıldığında, U değeri ne kadar büyükse, ısı transfer oranı da o kadar büyük olur. Başka bir deyişle, bu, belirli bir ısı değiştirici ve ürün için daha yüksek bir U değerinin daha kısa parti sürelerine ve artan üretim/gelire yol açabileceği anlamına gelir.
U-değerinin hesaplanması
U değerini belirlemek için çeşitli denklemler kullanılabilir, bunlardan biri şudur:
burada
h = konvektif ısı transfer katsayısı, W/(m 2 °C) [Btu/(hr-ft 2 °F)]
L = duvar kalınlığı, m [ft]
λ = ısıl iletkenlik, W/(m°C) [Btu/(hr-ft°F)]
| Metal bir duvardan ısı transferi |
|---|
|
Örneğin sıcak su oluşturma durumunda, ısı transferi temel olarak sıvı 1’den (ısı kaynağı) iletken bir katıdan (metal duvar) sıvı 2’ye (ısıtılan ürün olan su) gerçekleşir. Ancak, film direnci de dikkate alınmalıdır. Bu nedenle, bazen film katsayısı olarak da adlandırılan konvektif ısı transfer katsayısı (h), bir sıvı ile iletken bir duvar arasındaki ısı transferini hesaplarken dahil edilir.
Ek olarak, farmasötik veya biyoteknoloji proses ısıtması gibi belirli benzersiz uygulamalarda, bu ısı transferi duvar malzemesinin birkaç katmanından meydana gelebilir. Bu gibi durumlarda, yukarıdaki denklem, katının kalınlığının (L) her katmanının termal iletkenliğine (λ) bölünmesiyle uyarlanabilir.
Aşağıdaki örnek hesaplamaları kolaylaştırmak için, konvektif ısı transfer katsayıları için referans olarak aşağıdaki değerler kullanılabilir:
| Sıvı | Konvektif ısı transfer katsayısı (h) |
|---|---|
| su | yaklaşık 1000 W/(m 2 °C) [176 Btu/(saat-ft 2 °F)] |
| Sıcak su | 1000 – 6000 W/(m 2 °C) [176 – 1057 Btu/(saat-ft 2 °F)] |
| Buhar | 6000 – 15000 W/(m 2 °C) [1057 – 2641 Btu/(saat-ft 2 °F)] |
Farklı ısı kaynaklarının, buhar veya sıcak suyun U üzerindeki etkisini karşılaştıran örnek
İç duvar kalınlığı 15 mm [0,049 ft] olan iki karbon çeliği (λ = 50 W/(m °C) [28,9 Btu/(hr-ft °F)]) ceketli kazan suyu ısıtmak için kullanılıyor. Biri ısı kaynağı olarak sıcak su kullanırken, diğeri buhar kullanıyor. Isıtılan su için 1000 W/m 2 °C [176 Btu/(hr-ft 2 °F)], sıcak su için 3000 W/m 2 °C [528 Btu/(hr-ft 2 °F)] ve buhar için 10000 W/m 2 °C [1761 Btu/(hr-ft 2 °F)] ısı transfer katsayıları varsayıldığında, her iki ısıtma işlemi için de U değerlerini hesaplayalım.
Karbon Çelik Ceketli Su Isıtıcısı – Sıcak Su ile Buhar Isı Kaynağının Karşılaştırılması
Sıcak su:
Buhar:
Bu durumda buhar, hesaplanan U-değerinde %17 oranında bir iyileştirme sağlamaktadır.
Şimdi aynı kazan transfer duvarının 1 mm [0,0033 ft] kalınlığında camla kaplandığını hayal edin (λ = 0,9 W/(m °C) [0,52 Btu/(hr-ft °F)]). Bu değerleri yukarıdaki U-değeri denklemine dahil etmek aşağıdaki sonuçları verir:
Cam Kaplamalı Ceketli Su Isıtıcısı – Sıcak Su ile Buhar Isı Kaynağının Karşılaştırılması
Sıcak su:
Buhar:
İletkenliğe karşı ek direnç durumunda, U değeri yine de iyileşir, ancak yalnızca %9 oranında; ve bu, cam gibi zayıf bir ısı iletkeninin ısı transferini ne kadar büyük ölçüde etkileyebileceğini gösterir.
Bu nedenle, karbon çelik kazan gibi belirli ısı değişim ekipmanları için, duvar malzemesi oldukça iletkense, ısı kaynağını sıcak sudan buhara değiştirmek, U değerini ve ısı transferini önemli ölçüde iyileştirebilir. Ancak, aynı çarpıcı etki, yüksek iletkenliğe sahip olmayan malzeme katmanları (örneğin cam astarlı kazan) içeren birkaç duvar katmanına sahip bir ısı değiştiricinin kullanıldığı durumlarda beklenmez.
Bununla birlikte, bazı işlemler ürünle reaktiviteyi önlemek için cam astar gibi belirli bir duvar malzemesi gerektirir. Yine de, üretimi optimize etmek için ısı kaynağını sıcak sudan buhara değiştirerek bu gibi durumlarda ısı transfer oranı yine de iyileştirilebilir.
Gelişmiş Anlayış
Kirlenme
Duvar malzemesi yüzeyinin kirlenmesi, ısı transferine karşı ek bir bariyer oluşturabilir. Bu sorun, hem ısıtma ortamı tarafında hem de ürün tarafında birden fazla nedenden dolayı meydana gelebilir. Bazı nedenler, ısıtma tarafında parçacık birikintileri ve ürün tarafında aşırı yüksek veya düşük sıcaklıklar olabilir.
Örneğin, buhar basıncı bazen kondensatı düz bir kaptaki çıkış kontrol vanasından itmek için gerekli basıncı oluşturmak için yükseltilir. Ancak, ısı eşanjörü içindeki basınç arttıkça, buhar sıcaklığı da buna göre yükselir ve bu aşırı ısı ürün tarafında artan kirlenmeye neden olabilir. Tersine, kondensatın ekipman içinde birikmesine izin verilirse, havuzlanmış kondensatta sürüklenen döküntüler tarafından ısıtma tarafında ve gerekli ürün viskozitesi sağlanmadığında ürünün yüzeyde kekleşmesine neden olan daha düşük sıcaklıklar tarafından ürün tarafında kirlenme meydana gelebilir.
Kirlenme, kalınlığının (L F ) iletkenliğine (λ F ) oranının eklenmesiyle yukarıdaki denkleme eklenebilir , tıpkı cam astarının yukarıda eklendiği gibi, ancak tipik olarak “hizmette” olan bir eşanjör için bir kirlenme faktörü olarak dahil edilir ve ifade edilir. Genellikle, U’daki azalmayı karşılaştırmak için yapılan hesaplamalar temiz görev ile hizmette görev içindir.
