Borulu Eşanjör Çeşitleri: U Borulu, Sabit Aynalı, Yüzer Kafalı

Borulu eşanjör çeşitleri, ısıyı boru duvarı üzerinden aktaran cihazların gövde, boru demeti ve kafa yapısına göre ayrılmış tipleridir. Başlıcaları sabit aynalı, U borulu ve yüzer kafalı gövde-borulu tipler ile çift borulu, kanatlı borulu ve serpantinli modellerdir. Doğru borulu eşanjör tipi; ısıl genleşme, basınç, sıcaklık ve temizlik ihtiyacına göre seçilir.

Borulu eşanjör çeşitleri nasıl sınıflandırılır: TEMA harf kodu

Gövde-borulu (shell and tube) cihazlar dünyada büyük ölçüde TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) standardına göre tanımlanır. Temel çalışma prensibini ve parçalarını merak ediyorsanız önce borulu eşanjör nedir yazımıza göz atabilirsiniz. TEMA, her cihazı üç harfle özetler ve shell and tube tipleri bu üç harfle birbirinden ayrılır:

• 1. harf, ön kafa (sabit kafa): A = sökülebilir kapaklı kanal, B = bonnet (tek parça kapak), C ve N = boru aynasıyla bütünleşik kanal, D = yüksek basınç için özel kapama.
• 2. harf, gövde tipi: E = tek geçişli gövde, F = boyuna şaşırtmalı iki geçişli gövde, G ve H = bölünmüş akış, J = ayrık akış, K = kettle tipi kaynatıcı, X = çapraz akış.
• 3. harf, arka kafa: L, M, N = sabit boru aynası; U = U boru demeti; S = split ring (ayırma halkalı) yüzer kafa; T = çekilebilir (pull-through) yüzer kafa; P ve W = dıştan salmastralı yüzer kafa.

Bu mantıkla BEM, bonnet kapaklı, tek geçişli gövdeli, sabit aynalı bir eşanjörü; BEU, bonnet kapaklı, tek geçişli gövdeli U borulu bir cihazı; AES ise sökülebilir kapaklı kanalı, tek geçişli gövdesi ve split ring yüzer kafası olan bir cihazı anlatır. Bu üç harf, cihazın nasıl genleşeceğini ve hangi tarafının mekanik temizlenebileceğini tek bakışta söyler.

TEMA ayrıca mekanik tasarım sınıflarını da tanımlar: R sınıfı rafineri ve ağır proses, C sınıfı genel ticari uygulama, B sınıfı kimya prosesi içindir. Avrupa’da PED 2014/68/AB ile EN 13445 veya ASME Sec. VIII Div. 1 esas alınır.

Sabit aynalı borulu eşanjör (BEM, AEL, NEN)

Sabit aynalı tipte boru demetinin iki ucu da gövdeye kaynaklı boru aynalarına bağlanır. Borular aynaya mandrinlenir (expanded), kaynaklanır ya da hem kaynak hem mandrinleme uygulanır. Yapı basit, parça sayısı az ve aynı gövde çapına en fazla boru sığdırılabilen tiptir; bu nedenle gövde-borulu tipler içinde birim yüzey maliyeti en düşük olanıdır.

Isıl genleşme davranışı: En kritik nokta budur. Gövde ve borular farklı sıcaklıkta çalıştığında farklı miktarda uzar, ancak iki uç sabit olduğu için bu fark boru aynalarına ve boru-ayna bağlantılarına yük olarak biner. Karbon çelikte uzama katsayısı yaklaşık 12 × 10⁻⁶ 1/°C’dir; 4 m boyundaki bir demette gövde ile boru duvarı arasında 60 °C fark, kabaca 2,9 mm’lik bir uzama farkı demektir. Pratikte gövde ve boru ortalama metal sıcaklıkları arasındaki fark 30–50 °C’yi aşıyorsa ya da işletmede sık ısıl şok varsa gövdeye genleşme körüğü (expansion joint) eklenir.

Temizlenebilirlik: Boru içi, kanal kapağı ya da bonnet sökülerek çubuk, fırça veya yüksek basınçlı su jetiyle mekanik temizlenir. Gövde tarafı ise açılamaz; yalnızca kimyasal sirkülasyonla temizlenebilir. Bu yüzden kirli akışkan boru içine, temiz akışkan (buhar, arıtılmış soğutma suyu, temiz yağ) gövdeye verilir.

Tipik kullanım: Kondens soğutucuları, temiz akışkanlı yağ soğutucuları, gemi motor ceket suyu soğutucuları, sıcaklık farkının sınırlı olduğu proses ısıtıcıları ve kompresör ara soğutucuları.

U borulu eşanjör (BEU, AEU)

U borulu eşanjörde borular firkete gibi bükülür ve iki ucu da tek bir boru aynasına bağlanır. Demetin arka ucu serbesttir; her boru gövdeden bağımsız olarak uzayıp kısalabilir. Bu tasarım, ısıl genleşme sorununu körüğe ya da yüzer kafaya gerek kalmadan çözer ve U borulu eşanjörü gövde-borulu tipler içinde en ekonomik “genleşmeye dayanıklı” çözüm yapar.

Isıl genleşme davranışı: Gövde ile boru arasındaki sıcaklık farkı yüksek olsa da gerilme oluşmaz; buhar-su ve yüksek sıcaklıklı kızgın su uygulamalarında bu yüzden sık tercih edilir. Tek boru aynası olduğundan boru tarafında yüksek basınç (100 bar ve üzeri) için de uygundur; sızdırmazlık yüzeyi azdır.

Temizlenebilirlik: Demet gövdeden çekilebildiği için gövde tarafı dışarıda mekanik olarak yıkanabilir. Boru içi ise düz kısımlarda temizlenebilir, ancak U dirseklerinde çubukla mekanik temizlik zordur; esnek fırça, su jeti veya kimyasal yöntem gerekir. Dış sıradaki borular dışında tek tek boru değişimi de pratik değildir; arızalı boru genellikle tapalanır.

Tipik kullanım: Buhar-su ısıtıcıları, boyler ve depo içi ısıtıcı demetler, yüksek basınçlı besi suyu ısıtıcıları, temiz akışkanlı proses ısıtıcıları. Boru tarafında her zaman çift sayıda geçiş (en az 2) vardır.

Yüzer kafalı eşanjörler: split ring ve pull-through

Yüzer kafalı tipte bir boru aynası gövdeye sabittir, diğeri gövde içinde serbestçe kayabilen “yüzer” bir kafaya bağlıdır. Hem ısıl genleşme serbestçe karşılanır hem de düz borular sayesinde iki taraf da mekanik olarak temizlenebilir. Bedeli daha fazla parça, conta yüzeyi ve ilk yatırımdır.

Split ring (backing device) yüzer kafa: AES

Yüzer kafa kapağı, iki parçalı bir ayırma halkasıyla boru aynasına bağlanır. Demeti çekmek için önce gövde kapağı, sonra ayırma halkası ve yüzer kafa kapağı sökülür. Demet ile gövde arasındaki boşluk küçük tutulabildiği için aynı gövde çapında T tipine göre daha fazla boru sığar ve gövde tarafı by-pass akışı daha azdır. Rafinerilerde en yaygın görülen yüzer kafa tipidir.

Pull-through yüzer kafa: AET

Yüzer kafa, gövde içinden bütün halinde geçebilecek şekilde tasarlanır; demet, kafa sökülmeden doğrudan çekilir. Bakım daha hızlıdır, ancak kafanın flanşı nedeniyle gövde ile demet arasında büyük bir halka boşluk kalır. Bu boşluktan kaçan akışı azaltmak için sızdırmazlık şeritleri (sealing strips) kullanılır; yine de aynı gövdede daha az boru bulunur. Kirlenmenin yoğun olduğu ve demetin sık çekildiği servislerde tercih edilir.

Dıştan salmastralı tipler: AEP ve AEW

Yüzer kafanın sızdırmazlığı dışarıdaki bir salmastra veya fener halkası ile sağlanır. Basit ve ekonomiktir, ancak kaçak ihtimali nedeniyle yalnızca düşük basınç ve tehlikesiz akışkanlarda (tipik olarak 20 bar altı, su ve benzeri) kullanılır.

Çift borulu, kanatlı borulu ve serpantinli tipler

Çift borulu (hairpin) eşanjör

Bir iç boru, daha büyük çaplı bir dış borunun içine eş eksenli yerleştirilir; bir akışkan iç borudan, diğeri halka kesitten akar. Modüller U biçiminde “hairpin” olarak birleştirilir. Saf karşı akış sağladığı için sıcaklıkların kesiştiği (soğuk çıkışın sıcak çıkışı geçtiği) görevleri tek cihazda yapabilir; yaklaşım sıcaklığı 3–5 °C’ye iner. Isıl genleşme, U dönüşü sayesinde serbesttir. Modül eklenerek kapasite artırılabilir. İç boru mekanik temizlenebilir; çok borulu hairpin versiyonlarında demet çekilebilir. Küçük ısı yükleri, viskoz ve çamurlu sıvılar, yüksek basınçlı küçük debili hatlar için uygundur.

Kanatlı borulu ve hava soğutmalı eşanjör

Hava tarafının ısı transfer katsayısı düşük olduğu için boruların dışına alüminyum veya çelik kanatlar eklenir; yüzey 10–20 katına çıkar. Kanat tipleri L-ayaklı sarmal, gömme (G-fin) ve ekstrüzyon kanat olarak ayrılır; yüksek sıcaklık ve korozif ortamda gömme veya ekstrüzyon kanat seçilir. Fan düzeni itmeli (forced draft) veya emmeli (induced draft) olabilir. Başlık kutuları tapalı (plug type) ya da sökülebilir kapaklı (cover plate) yapılır; tapalı başlık yüksek basınca daha uygundur, kapaklı başlık boru içi temizliğini kolaylaştırır. Akışkan dış hava sıcaklığının altına soğutulamaz; yaz tasarımına göre 8–15 °C yaklaşım kabul edilir.

Serpantinli (tank içi) eşanjör

Spiral veya helisel bükülmüş bir boru, depo, boyler ya da proses tankının içine yerleştirilir. Tank içindeki akışkan çoğunlukla doğal taşınımla ısındığı için ısı transfer katsayısı gövde-borulu tiplere göre belirgin şekilde düşüktür; buna karşın yapı basittir ve ayrı bir pompa devresi gerektirmeyebilir. Serpantin serbest uçlu olduğundan genleşme sorunu yoktur. Flanşlı ve sökülebilir serpantinlerde dış yüzey kolayca temizlenir; kaynaklı serpantinlerde yalnızca kimyasal temizlik yapılır. Sıcak su depoları, akaryakıt tankları ve kimyasal banyolar tipik kullanım alanlarıdır.

Geçiş sayısı, gövde tipleri ve boru düzeni

Boru tarafı geçiş sayısı: 1, 2 ve 4 geçiş

Geçiş sayısı, boru tarafı akışkanın gövde boyunca kaç kez gidip geldiğini gösterir. Tek geçişte saf karşı akış mümkündür, ancak düşük debide boru içi hız yetersiz kalır. 2 ve 4 geçişte hız ve dolayısıyla ısı transfer katsayısı artar; bedeli, geçiş sayısıyla hızla yükselen basınç kaybıdır. Su için boru içi hız genellikle 1–2,5 m/s aralığında tutulur; 1 m/s altı kirlenmeyi hızlandırır, bakır alaşımlarında 2–2,5 m/s üstü erozyon riski taşır. Çok geçişli düzende akış kısmen paralel hale geldiği için LMTD bir F düzeltme faktörüyle çarpılır; F değeri 0,75–0,80’in altına düşüyorsa seri bağlı ikinci bir gövde ya da F tipi gövde gerekir. Yüzey hesabının adımlarını LMTD hesabı yazımızda bulabilirsiniz.

Gövde tipleri: E, F, J ve K

• E gövde: Giriş bir uçta, çıkış diğer uçtadır. En yaygın ve en ekonomik tiptir.
• F gövde: Boyuna bir şaşırtma levhası gövdeyi ikiye böler, gövde tarafı da iki geçiş yapar. 2 geçişli boru tarafıyla birlikte saf karşı akışa yaklaşır; ancak levhanın kenarından kaçak riski vardır.
• J gövde: Akış ortadan girer, iki uca ayrılır (veya tersi). Gövde tarafı basınç kaybını yaklaşık sekizde birine indirir; düşük basınçlı buhar ve vakum kondenserlerinde kullanılır.
• K gövde (kettle): Demetin üstünde geniş buhar hacmi bulunan kaynatıcı tipidir. Reboiler ve soğutucu akışkan evaporatörlerinde görülür.

Boru düzeni: üçgen ve kare adım

Borular aynada üçgen (30°), döndürülmüş üçgen (60°), kare (90°) veya döndürülmüş kare (45°) düzende dizilir. Boru adımı genellikle boru dış çapının 1,25 katıdır; 19,05 mm (3/4″) boruda 23,8 mm, 25,4 mm (1″) boruda 31,75 mm. Üçgen düzen aynı gövdeye yaklaşık yüzde 10–15 daha fazla boru sığdırır, ancak borular arasında temizlik aparatının geçeceği düz koridor bırakmaz; bu yüzden gövde tarafının kimyasal olarak temizlendiği sabit aynalı tiplerde kullanılır. Kare düzende TEMA’nın öngördüğü en az 6,35 mm’lik temizlik koridoru oluşur; demeti çekilebilen U borulu ve yüzer kafalı tiplerde, kirli gövde tarafı akışkanıyla birlikte tercih edilir.

Borulu eşanjör çeşitleri karşılaştırma tablosu

Tablodaki değerler tipik eğilimleri gösterir; kesin sınırları her projede tasarım basıncı, sıcaklık, malzeme ve uygulanan standart belirler. Borulu tiplerin plakalı tiplerle kıyasına ise tüm eşanjör tiplerinin karşılaştırması yazımızda yer verdik.

Uygulamaya göre borulu eşanjör tipi seçimi

Buhar-su ısıtma: Buhar gövde tarafında yoğuşurken su borulardan geçer. Buhar ile su arasındaki sıcaklık farkı yüksek olduğu için genleşme serbest olan BEU tipi en yaygın çözümdür; kondensin 10–20 °C aşırı soğutulması isteniyorsa gövde altına bir alt soğutma bölgesi tasarlanır. Örnek: 20 m³/h suyu 60 °C’den 80 °C’ye ısıtmak için Q = 20 × 20 × 1,163 = 465 kW gerekir; 3 bar(g) doymuş buharda (yaklaşık 144 °C, gizli ısı yaklaşık 2.133 kJ/kg) bu, saatte yaklaşık 785 kg buhar demektir. Kontrol vanası ve kapan seçimiyle birlikte ayrıntıları buhar-su eşanjörü yazımızda anlattık.

Kondens ve blöf ısı geri kazanımı: Kondens soğutucularında sıcaklık farkı görece sınırlı ve akışkan temiz olduğundan BEM tipi sabit aynalı yapı ekonomiktir. Kazan blöfü gibi kireç ve tuz yüklü akışkan boru içine verilir ki kapak açılarak temizlenebilsin; küçük debilerde çift borulu tip de iyi çalışır. Konuyla ilgili kondens hattı tasarımı ve blöf ısı geri kazanımı yazılarımız yol gösterir.

Yağ soğutma: Hidrolik, türbin ve dişli kutusu yağlarında viskoz akışkan gövde tarafına, şaşırtma levhaları arasına verilir; türbülans burada daha kolay oluşur. Soğutma suyu borulardan geçer. Temiz yağ ve kapalı devre suyunda sabit aynalı, kirli kule suyunda demeti çekilebilen U borulu tip seçilir. Deniz suyuyla soğutmada boru malzemesi CuNi 90/10 veya titanyum olmalıdır.

Proses ve petrokimya: Hidrokarbon, yüksek sıcaklık ve kirlenme eğilimli akışkanlarda TEMA R sınıfında AES veya AET yüzer kafalı tip standarttır. Buhar üreten servislerde K gövdeli kettle, vakum yoğuşmasında J gövde değerlendirilir. Petrokimya sektörü uygulamalarında malzeme olarak karbon çelik, AISI 316L, duplex 2205 ve gerektiğinde Hastelloy tercih edilir.

Gemi ve denizcilik: Ana makine ceket suyu, yağlama yağı ve şarj havası soğutucularında deniz suyu boru içine verilir; kanal kapağı açılarak midye ve tortu temizlenir. Çinko veya demir kurban anotları, CuNi 90/10 ya da titanyum borular yaygındır. Gemi inşa sektörü projelerinde sabit aynalı ve U borulu tiplerin yanı sıra titanyum plakalı contalı plakalı eşanjör de sık değerlendirilir.

Genel kural şudur: basınç 25–30 bar’ı, sıcaklık 180–200 °C’yi aşıyorsa ya da buhar yoğuşması ve iri partikül söz konusuysa borulu tip öne çıkar; bu sınırların altında plakalı tipler daha küçük hacimde daha düşük yaklaşım sıcaklığı sunar.

Seçim için gereken veriler

Doğru tipi ve boyutu belirlemek için aşağıdaki bilgilerin iki akışkan için ayrı ayrı netleşmesi gerekir:

1. Akışkan cinsi ve özellikleri: Su, glikol oranı, buhar basıncı, yağ tipi (viskozite, yoğunluk), içindeki katı madde veya klorür miktarı.
2. Debi: m³/h veya kg/h; buharda kg/h ya da kapasite (kW).
3. Giriş ve çıkış sıcaklıkları: Isıl yük bu değerlerden hesaplanır ve iki taraf dengelenir.
4. İzin verilen basınç kaybı: Genellikle sıvı tarafında 0,3–0,7 bar; pompa kapasitesini doğrudan etkiler.
5. Tasarım basıncı ve sıcaklığı: İşletme değerlerinin üzerinde, emniyet vanası ayarıyla uyumlu olmalıdır.
6. Kirlenme faktörü: Kule suyu, deniz suyu, ağır yağ gibi akışkanlarda yüzeyi yüzde 15–40 büyütebilir.
7. Malzeme tercihi: Karbon çelik (P265GH, SA-179), AISI 316L, CuNi 90/10, titanyum Gr.2.
8. Yerleşim ve bakım boşluğu: Yatay/dikey montaj, nozul yönleri ve demet çekme için gövde boyu kadar boş alan.
9. Standart ve belgelendirme: TEMA sınıfı, PED, ASME ve varsa müşteri şartnamesi.

Vefa Heat olarak bu verilerle ısıl ve mekanik hesabı yapıyor, projeye özel borulu ısı eşanjörü imalatını sabit aynalı, U borulu ve çift borulu tiplerde gerçekleştiriyoruz. Standart ölçülere uymayan gövde, nozul veya malzeme ihtiyaçları için özel imalat hizmetimizden yararlanabilirsiniz. Tedarik ettiğimiz diğer eşanjör modelleri arasında plakalı ve lehimli tipler de bulunur. Fiyat; kapasite, gövde ve boru malzemesi, tasarım basıncı ve belgelendirme kapsamına göre değiştiğinden, sıcaklık programınızı ve debinizi iletişim sayfamızdan paylaşmanız en hızlı yoldur.

Sık sorulan sorular

Borulu eşanjör çeşitleri nelerdir?

Borulu eşanjör çeşitleri başlıca sabit aynalı, U borulu ve yüzer kafalı gövde-borulu tipler ile çift borulu, kanatlı borulu ve serpantinli modellerdir. Gövde-borulu tipler TEMA standardında ön kafa, gövde ve arka kafayı gösteren üç harfle (örneğin BEM, BEU, AES) tanımlanır. Seçim ısıl genleşme, basınç ve temizlik ihtiyacına göre yapılır.

U borulu eşanjörün avantajı nedir?

U borulu eşanjörün en büyük avantajı, borular tek aynaya bağlı olduğu için ısıl genleşmeyi körük veya yüzer kafa olmadan serbestçe karşılamasıdır. Demet çekilebildiğinden gövde tarafı mekanik temizlenebilir ve yüksek boru tarafı basıncına uygundur. Dezavantajı, U dirseklerinde boru içinin mekanik olarak temizlenmesinin zor olmasıdır.

Sabit aynalı eşanjörde genleşme körüğü ne zaman gerekir?

Gövde ile boruların ortalama metal sıcaklıkları arasındaki fark yaklaşık 30–50 °C’yi aştığında veya sık ısıl şok olduğunda genleşme körüğü gerekir. Kesin karar, TEMA veya EN 13445’e göre boru aynası ve boru-ayna bağlantısı gerilme hesabıyla verilir. Körük eklemek yerine U borulu ya da yüzer kafalı tipe geçmek de bir seçenektir.

TEMA’daki BEM, AES ve BEU kodları ne anlama gelir?

Bu kodlar sırasıyla ön kafa, gövde tipi ve arka kafa tipini gösterir. BEM bonnet kapaklı, tek geçişli gövdeli ve sabit aynalı; AES sökülebilir kapaklı kanallı, tek geçişli gövdeli ve split ring yüzer kafalı; BEU ise bonnet kapaklı, tek geçişli gövdeli ve U borulu bir eşanjörü ifade eder.

Kirli akışkan boru içine mi gövdeye mi verilmelidir?

Kirli, korozif veya yüksek basınçlı akışkan genellikle boru içine verilir. Boru içi kapak açılarak mekanik temizlenebilir ve pahalı alaşım yalnızca borularda kullanılarak maliyet düşer. Viskoz yağ ve yoğuşan buhar ise ısı transferi açısından gövde tarafında daha iyi çalışır.

Üçgen ve kare boru düzeni arasındaki fark nedir?

Üçgen düzen aynı gövdeye yaklaşık yüzde 10–15 daha fazla boru sığdırır, kare düzen ise borular arasında mekanik temizlik koridoru bırakır. Bu nedenle gövde tarafı temiz olan sabit aynalı tiplerde üçgen, demeti çekilen ve gövde tarafı kirlenen U borulu veya yüzer kafalı tiplerde kare düzen tercih edilir.

İlgili içerikler

• Plakalı mı borulu mu: tip seçimi karşılaştırması
• Gövde-borulu eşanjör rehberi: parçalar ve çalışma prensibi
• Borulu eşanjör fiyatlarını belirleyen etkenler
• Plakalı, lehimli ve borulu eşanjör tipleri