Erik Pavlovič, PhD
Egon Venko, B. Sc.
Hidria Institute Klima, Godovič, Slovenia

Isı değiştirici, doğal konveksiyon prensibine dayalı olarak çalışan, ısı yönetim moduna ve tasarım özelliklerine bağımlı bir oda ısıtma cihazını meydana getiren ana parçalardan biridir. Genellikle, dikey hava akımına istinaden çok uygun karakteristikleri bulunan kanatlı ısı değiştiriciler kullanılmaktadır. Isı değiştiricilerin hava aralıkları ve kanat geometrileri, cihazın değişik genişlik ve uzunluklardaki en yüksek ısıtma gücünü sağlaması için en uygun şekilde tanımlanabilir. Isı değiştiricisine ek olarak hava yönündeki basınç düşmesi de egzoz ızgaraları tarafından etkilenir, bunun sebebi de güvenliktir. Isı değiştirici optimizasyonuna bir örnek vermek gerekirse bu örnek doğal konveksiyonlu bir ısı yayıcı olabilir. Cihazın yüksek sayıdaki genişlik ve yükseklik kombinasyonlarından ötürü ısı yayıcının ısıtma gücüne değişik geometrilerin etkisi CFD analizleriyle belirlenir. Optimizasyon için, doğal konveksiyonda sıcak hava jetinin salınım etkilerinden dolayı sabit olmayan görüntüleme prosesleri gerekmektedir. Doğal konveksiyonlu ısı yayıcı ile geleneksel radyatör arasındaki doğrudan karşılaştırma gösterilmiştir.

Oda ısıtma için yeni ürünlerin geliştirilmesi, belirli bir ürünün kullanımını en iyi gören son kullanıcının istekleri ve ihtiyaçları kadar tasarımcısının da istek ve ihtiyaçlarına göre belirlenir. Tasarımcılar tasarladıkları ürünlerde uygun ısıtma cihazını seçerken üç parametreye dikkat ederler: ısıtma gücü, ses seviyesi ve maliyet. Genellikle, bu üç parametrenin birleşimi uygun ısı cihazının ortaya çıkması için gereklidir.

Radyatör ısı yayıcılar ve doğal konveksiyonlu ısıtma gövdeleri, iş yeri ve alış veriş merkezleri ısıtmasında,  araba galerilerinde, otellerde ve diğer iki borulu ısıtma sistemlerinin kullanıldığı tüm yerlerde kullanılırlar. Birincil ya da  diğer ısıtma cihazlarının (fanlı ısıtıcılar, klimalar) bulunduğu yerlerde ikincil ısıtma gövdeleri olarak kullanılabilirler. Dış cepheye bakan duvarlara sahip, dışarıdan yüksek derece düşük ısıya maruz kalan odalarda kullanılmaya uygundurlar. Bağımsız, yere monte edilebilen çeşitlerinin yanı sıra duvara monte edilebilen tipleri de mevcuttur. Değişik uzunluklara, genişliklere ya da yüksekliklere bağlı olarak  geometrik olarak farklı 600’den fazla değişik ünite bir radyatör ısıtıcısı ailesinde bulunabilir. Doğal konveksiyonlu radyatör ısıtıcılar sessiz çalışırlar. Egzoz ızgaraları, güvenlik sebebiyle gömmedirler, genellikle delikli plakalardan ya da uzunlamasına profilden yapılırlar. Geleneksel radyatörlere göre avantajları ise kolay kurulumu ve kolay temizlenmesidir. Isı gücünün kontrolü gömme bir  termostatik başlıklı valf yardımıyla yapılır.

Şekil 1: doğal konveksiyonlu bir ısıtıcının şematik görünümü

Doğal konveksiyonlu benzer ısıtıcı ünitelerinin sayısının fazla olması sebebiyle, ısıtıcının ısıtma gücüne etki eden bireysel parametrelerin etkilerinin CFD ile analiz edilmeleri gerekmektedir. Isı değiştiricisinin kanatlarının alternatifsiz oluşu ve ısının üç boyutta değişmesi sebebiyle ısı değiştiricilerin problemi üç boyutlu bir uzayda hesaplamaların ve ağ çalışmasının belirlenmesi gereklidir.

Şekil 2: doğal konveksiyonlu bir ısıtıcının tek bir diliminin geometrisi ve nümerik gözenekleri

Bir çok parametrenin yanı sıra ısıtıcının ısı gücünü etkileyen nedenler ısı değiştiricinin bireysel kanatları, ısı değiştirici kanatlarının boyutu ve ısıtıcı yüksekliği arasındaki karakter sıklığıdır. Kanatlar arasındaki karakter sıklığı doğrudan ısı değiştiricinin tüm alanını belirler. Kanatlar arasındaki sıklığın azaltılması ile beraber aynı düzlemdeki kanat sayısı arttırılabilir, fakat bu sırada hava tarafındaki basınç düşmesi de artacaktır. Düşük hava akışı ya da yüksek basınç düşüşü yüzünden hava akışı ve sonuç olarak değiştirilen ısı azaltılabilecektir. Böylece her bir ısıtıcı için kanatlar arasındaki optimal basamak belirlenebilecektir.

Şekil 3 : ısıtıcının bir dilimindeki ısı kapasitesi (Qh0) ve ısıtıcının giriş ve çıkışındaki basınç düşümü (p) ile ısı değiştirici kanatlarının arasındaki mesafe (l0) ilişkisi

şekil 4 : ısı değiştirici kanatların arasındaki mesafe (l0) ile ısı kapasitesi (Qh) arasındaki ilişki

Yüzdürücülüğün derecesi dış ortam havasından daha düşük özgül ağırlığına sahip havanın miktarı ile belirlenir. Isıtıcının içindeki hava sıcaklığı ile dış ortam hava sıcaklığı arasındaki 20 °C sıcaklık farkı özgül ağırlık farkından kaynaklanmaktadır. Aynı şekilde, yüzdürücülükteki basınç farkı da ısıtıcı içinde bulunan havanın niceliği ile belirlenir, bu da ısıtıcının yüksekliğine bağlıdır. Isıtıcının yüksekliğini arttırarak ısı değiştirici içindeki sıcak hava akşının hacmini yükseltebiliriz. Bu şeklide sıcak hava kütlesi artar fakat bu havanın sıcaklığı ısı değiştiricisinden dışarı atılan hava miktarına bağlıdır. Eğer ısıtıcı yüksekse yüzdürücülükte yüksektir. Yüksek yüzdürücülük doğal konveksiyonda  yüksek hava akışına olanak verir ya da kanatlar arasındaki mesafenin azaltılması ve ısı değiştiricinin yüzey alanının arttırılması soncunda oluşan daha yüksek hava basınç düşümlerinin sabit hava akışında yenmesini sağlar.

Şekil 5: doğal konveksiyonlu ısıtıcının değişik yüksekliklerde ısı kapasitesi ile ısı değiştirici kanatları arasındaki mesafe ilişkisi

Radyatör ısıtıcı oda ısıtmada kullanılan modern bir cihazdır. Radyatör ısıtıcılar genellikle yer ısıtıcılarının kurulumunun mümkün olmadığı cam yüzeylerin altına ya da soğuk duvarlara monte edilirler.radyatör ısıtıcılar düşük sıcaklıklı tipler dahil tüm ısıtma kurulumlarına bağlanabilirler.

Radyatör ısıtıcılar doğal konveksiyon yoluyla ısıtma prensibine bağlı olarak çalışırlar ve böylece sessiz olarak çalışırlar.geleneksel radyatörlerle şekil dışında hiçbir ortak noktası yoktur, çünkü bu tür radyatörler radyasyon ve doğal konveksiyonun birleşimiyle çalışırlar. Radyatör ısıtıcılar yüksek ısı gücü ile ayırt edilir ve bunu bütünleşik kanatlı ısı değiştirici sayesinde yapar( tekli ya da çift hatlı değiştiriciler). Isı gücünün kontrolü termostatik b,r valf yardımıyla yapılır. Isı değiştiricinde bulunan suyun düşük içeriği nedeniyle cihazın oda sıcaklık değişimine cevap verme süresi çok kısadır. Tüm ısıtma sistemindeki düşük seviyedeki su ve daha şiddetli ısı değişimi nedeniyle istenilen sıcaklığa ulaşma geleneksel radyatörlere nazaran daha kısa sürede olur. Isı değiştiricisinin iç düzenlemeleri sayesinde radyatör ısıtıcının gövde sıcaklığı içerideki su sıcaklığı çok yüksek olsa bile yanıklara sebebiyet vermemesi içi 45 °C ‘yi geçmez. Bu da bu cihazların kurulduğu yerde yaşamakta olabilecek çocuk ve yaşlılar için uygun bir durumdur. Radyatör ısıtıcı gövdesindeki düşük sıcaklık nedeniyle valfin termostatik başlığında, hassas mobilyalarda ya da elektronik cihazlarda radyasyon etkisini ortadan kaldırır. Fakat aynı zamanda da ısıtıcı cam altına yerleştirilmiş olsa bile sıcaklık kaybı meydana gelmez. Radyatör ısıtıcının tasarımı geleneksel radyatörler gibi kompakt olmasa da gövdesi kurulumdan sonra demonte edilebilir, böylece ısıtıcının ve ısı değiştiricinin temizlenmesi kolaylaşır.

Radyatör ısıtıcılar çeşitli ebatlarda olabilir, bunun sebebi de değişken tasarım özellikleridir. Isıtma ihtiyaçlarına göre sınırlama için kullanılacak yazılım paketi ve bireysel ünite boyutu seçimi yararlı olabilir. Proje durumu, yaşam mahali, amaç, kullanıcının ihtiyaçları ve isteklerine istinaden ünite seçimi uygun ısı değiştiricinin belirlenmesinde faydalı parametrelerdir. Diğer bir bakış açısıyla, çok sayıda değişik ısıtıcının üretilmesi ve komponent stoğu belirlenmesi son ürün fiyatına etki edecektir. Isı transferi ve Optimizasyon açısından bakılırsa her bir ünite için ısı değiştiricisinin belirlenmesi hassas bir konudur. Doğal konveksiyonlu ısıtma cihazlarındaki ısı değiştiricilerin başarılı optimizasyon örneği için bu makalede gösterilen ısı değiştirici kanatları arasındaki mesafe parametresi önemli bir husustur.