Farklı açılarda dizayn edilmiş gövde-boru tipli ısı değiştiricilerde sütün pastörizasyonunda oluşan kirlenme dirençlerinin incelenmesi

Abstract

ÖZET Geçmişte olduğu gibi gelecek yüzyılın en önemli sorunlarının başında enerjinin üretim ve kullanım problemlerinin olacağı şüphesizdir. Üretilen enerjinin maksimum verimle kullanılabilmesi ısı değiştiricilerinin optimum dizayn ve çalışma şartlarının belirlenmesini gerektirir. Bu şartların belirlenmesinde göz önünde bulundurulması gereken faktörlerden en önemlisi olan ve `ısı transferinin gizli (sinsi, sessiz) hırsızı` olarak da tanımlanan -ısı transfer yüzeylerinde kirlenme- konusu tez çalışması olarak seçilmiştir. Çalışmalarda yapılan deneylerin amacı; gövde boru tipli bir ısı değiştiricisinde işletim süresince kir birikintilerinin oluşmasıyla meydana gelen, ısı transfer miktarım azaltan termal dirençlerin hesaplanmasıdır. Bu amaçla ısı değiştiricinin giriş ve çıkış noktalarına yerleştirilen ısıl çiftler yardımıyla ısınan akışkan(pastörize edilen süt) ve ısıtıcı akışkanın sıcaklıkları ölçülmüş ve kirlenme dirençleri hesaplanmıştır. Ayrıca ısıtma işlemi süresince kir birikintilerinin oluşumu üzerine ısınan akışkan hızının, ısı değiştiricisi içerisindeki tüplerin yerleşim düzeninin etkisi de incelenmiştir. Deneyler temizleme yöntemine göre iki büyük gruba ayrılmıştır. İlk grupla kirlenme prosesinden sonra ısı değiştiricileri `CİP` Yerinde Temizleme Yöntemine göre temizlenmiştir. İkinci grupta ise ısı değiştiricileri kirlenme prosesi süresince pozitif (+) veya negatif (-) yüklenerek 4000 V/m, 8000 V/m ve 12000 V/m değerinde elektrik alanları oluşturulmuştur. Her bir grupta 30°, 60° ve 90° lik farklı boru dizilişine sahip üç farklı tipteki ısı değiştiricisinden kirletici akışkan olarak 30 dakika süre ile süt geçirilmiş ve geçirilen sütün akış hızları 500ml/dak, 750 ml/dak, 1000 ml/dak, 1250 ml/dak ve 1500ml/dak şeklinde belirlenmiştir. Her bir boru dizilişi için bu beş farklı hızda sütün ısı değiştiricilerden pastörizasyon sıcaklığı olan ortalama 72°C ye ulaştıktan sonra çıkmasına karar verilmiştir. Oluşan aktif moleküllerin agregasyonu ile çöken birikintinin azaltılabilmesi için Re sayısının 128,45 - 285,75 (500 - 1000 ml/dak) arasındaki değerlerinde 90 °' lik açı ile dizayn edilmiş ısı değiştiricisi, Re sayısının 285,75 - 428,62 (1250 - 1500 ml/dak) arasındaki değerlerinde ise 60 °' lik açı ile dizayn edilmiş ısı değiştiricisi tercih edilmelidir. Kir birikintisinin uzaklaştırılabilmesi için uygulanan bazik yıkama işleminin ilk 30 dakikasında yıkama çözeltisinin yüzeye difüzyonunu kolaylaştırmak için düşük akış hızları, sonraki 15 dakikada ise parçalanan birikinti tabakasımn yüzeyden uzaklaştırılabilmesi için yüksek akış hızları tercih edilmelidir.

SUMMARY As experienced in the past it is certain that the question of `how produce and use energy` will be at the top of list of problems in the next century. In order to use the produced energy with maximum efficiency, it is necessary determine the optimum design and working conditions of heat exchangers. The most important factor to be considered to determine these conditions and described as ` the silent heat transfer thief, fouling of heat transfer surfaces subject is preferred for this thesis. The aim of the experiments is to determine the thermal recistances which are decreasing heat transfer amount in a shell and tube heat exchanger. For this purpose, thermal resistances are calculated from readings of thermocouples are settled at the top and lower level of the shell and tube heat exchanger and showing the temperature of the cooling and heating fluids. In addition, during the heating process the effect of the heating fluids velocity and arrangement of the tabes of heat exchangers the formation of the fouling deposits are examined. Experiments are divided in two groups. In the first group, after the fouling period heat exchangers cleaned by `CIP`, Cleaning In Place, process and the second group heat exchangers are charged positive or negative at the 4000V/m, 8000 V/m and 12000 V/m electrical fields during the fouling process. In each group milk which is taken as foulant fluid passed through three different shell and tube heat exchangers which are designed at 30°, 60° and 90° arrangement angle throughout 30 minutes periods. Flowing milks fluid velocities were 500 ml/min, 750 ml/min, 1000 ml/min, 1250 ml/min and 1500 ml/min. For the all arrangement of tubes at these different velocities raised to 72 °C temperature. For reduce the fouling which is deposit by the agregation of active molecules, the heat exchanger designed at 90° arrangement angle must be prefer between the range of 128,45-285,75 Re number. For the range of Re number 285,75 - 428,62, the heat exchanger designed at 60° arrangement angle must be prefer. At the first 30 th minute of the alkali cleaning process which is made for removal of the fouling deposition, low fluid flows could be preferred to the diffusion of the alkali fluids in to deposition layer. At the last 15 th minute of the alkali cleaning process, high fluid flows could be preferred to the removal of the deposition layer from the heating surface..