Buhar Isıtma Mekanizması
Bu makalede, öncelikle buharın nasıl eşit ve hızlı ısıtma sağladığına bakacağız. Bunu, sıcak su ve buharı karşılaştıran deneysel verilerle desteklenen ısı transfer oranı hakkında bir tartışma izleyecektir.
Buhar Nasıl Kararlı ve Eşit Isıtma Sağlar?
Konveksiyonla ısı transferinin (örneğin sıcak su) aksine, yoğuşmayla ısı transferi (örneğin buhar) bir sıcaklık değişimi içermez. Buhar, ısı transfer yüzeyinde yoğuştuğunda, gizli ısısını ürüne aktarır. Daha sonra oluşan yoğuşma hala duyulur ısısını içerir, bu nedenle üretildiği buharla aynı sıcaklıktadır. Bu, tüm ısı transfer yüzeyinde eşit ısıtma sağlar.
Ekipmanın ısı transfer yüzeyindeki (örneğin ceket, kabuk veya bobin) basınç sabit tutulursa, ısı transfer yüzeyinin her yerinde sabit sıcaklıkta sürekli ısıtma gerçekleşebilir.
Öte yandan, sıcak su veya yağ ısıtmasıyla, ısıtma ortamından ürüne duyarlı ısı aktarıldığı için ısıtma ortamının sıcaklığı düşer. Sıcaklık gradyanı bu nedenle sürekli düşer çünkü aktarılan her bir ısı birimi aynı zamanda ısıtma ortamının sıcaklığını da düşürecektir. Bu, ısıtılan ürünü olumsuz etkileyebilecek eşit olmayan bir ısıtmaya neden olabilir.
Buhar Hızlı Isınmayı Nasıl Sağlar?
Yoğuşmadan (Buhar) Isı Transferi
İşin sırrı, yoğuşma sonucu oluşan ısının transferinde gizli.
Buharda bulunan gizli ısı, buhar sıvı hale yoğunlaştığı anda serbest bırakılır. Serbest bırakılan gizli ısı miktarı, yoğuşmadan sonra sıcak sudan (doymuş su) elde edilebilen duyulur ısı miktarından 2 ila 5 kat daha fazladır. Bu gizli ısı anında serbest bırakılır ve ısı transfer yüzeyi aracılığıyla ısıtılan ürüne aktarılır.
Konveksiyonla Isı Transferi (Sıcak Su ve Yağ)
Buna karşılık, sıcak su ve yağ, bir durum değişikliği içermeyen konvektif ısıtma ile ısıyı aktarır. Doğal konveksiyona bırakılırsa, ısı transferi son derece yavaştır. Bu nedenle, ısı transfer hızını artırmak için genellikle ısı transfer yüzeyine karşı akış oluşturmak için bir pompa kullanılır. Bu, zorlamalı konveksiyon ısıtması olarak bilinir.
Isı Transfer Oranı
Hareket eden bir akışkan ile bir katı arasındaki ısı transfer oranı genellikle konvektif ısı transfer katsayısı ile gösterilir. Değerleri kabaca şu şekilde kabul edilir:
- Sıcak su için 1000 — 6000 W/(m 2 °C) [176-1057 Btu/(hr-ft 2 °F)] ve
- Buhar için 6000 — 15000 W/(m 2 °C) [1057 – 2641 Btu/(hr-ft 2 °F)].
Ancak bir ısı değiştiricide, ısı transferi süreci yalnızca konvektif ısı transferi katsayısı ile özetlenemez çünkü ısı transferi birkaç ortam aracılığıyla gerçekleşir. Bu nedenle aşağıdaki üç mekanizmanın birleşimidir:
- ısıtma ortamından ısı değiştiricinin yüzeyine ısı transferi
- ısı değiştiricinin duvarları içindeki ısı transferi ve
- Isı değiştiricinin duvar yüzeyinden ısıtılacak ürüne doğru ısı transferi.
Bu nedenle bir ısı değiştiricideki ısı transferini değerlendirmek, üç mekanizmayı da hesaba katan genel ısı transfer katsayısını (yani U-değerini) gerektirir. Birimleri aynıdır: W/(m 2 °C) veya Btu/(hr-ft 2 °F).
Deneysel Veriler
U değeri bir ısı değiştirici uygulamasından diğerine büyük ölçüde değişebilir, ancak deneysel veriler buhar ısıtmasının sıcak su ısıtmasının 1,7 katına kadar U değerlerine ulaşabileceğini göstermiştir. İşte şirket A’da ceketli bir su ısıtıcısının ısıtma ortamını sıcak sudan vakum buharına değiştirmenin içerdiği iyileştirmelere bir örnek:
Görev: Bir kimyasal maddeyi bir çözücüde seyreltilerek yoğunlaştırmak için gereken işlem süresini azaltarak üretim oranını iyileştirmek.
Sektör: İnce Kimyasallar
Ekipman: Cam Kaplamalı Ceketli Kazan (10m 3 )
| Konvektif Isı Transfer Katsayısı | Genel Isı Transfer Katsayısı | İşlem Süresi | |
|---|---|---|---|
| Sıcak su | 500 W/m 2 °C [88,1 Btu/(saat-ft 2 °F)] | 213 W/m 2 °C [37,5 Btu/(saat-ft 2 °F)] | 10 saat |
| Vakumlu Buhar | 10000 W/m 2 °C [1761 Btu/(saat-ft 2 °F)] | 356 W/m 2 °C [62,7 Btu/(saat-ft 2 °F)] | 7 saat |
Verilerde görüldüğü üzere U değeri 1,7 kat artmış, bu da üretim süresini önemli ölçüde azaltmıştır.
Toplam Isı Transfer Katsayısı ile ilgili daha detaylı hesaplamalar ve denklemler için buradaki makaleyi okuyun .
