MAKİNA DAİRESİ DİZAYNINDA EKONOMİK OLARAK BORU BOYUTLARININ BELİRLENMESİ

Transkript

1 Gemi Mühendisliği ve Sanayimiz Sempozyumu, 4-5 Aralık 004 MAKİNA DAİRESİ DİZAYNINDA EKONOMİK OLARAK BORU BOYUTLARININ BELİRLENMESİ Doç.Dr. Osman Azmi ÖZSOYSAL 1 ÖZET Günümüzde boru kayıplarının hassas ve doğru hesaplanması son derece önemli olmakla birlikte, boru devresinin tasarımı sırasında seçilecek boyutların ekonomik açıdan önemi de inkar edilemez. Bu makalede devre tasarımı sırasında sürtünme kayıplarının ekonomi kavramı ile birlikte nasıl değerlendirilebileceği sunulmaktadır. Makina dairesi yerleşimi ve devre tasarımı yapılırken, öncelikle ekonomik açıdan en az uzunlukta boru tesisatı çekilmesi öngörülmeli, devre ihtiyacına göre seçilecek boru tipi belirlendikten sonra en az sürtünmeye sahip borunun kullanılması öngörülmeli, daha sonra bu makalede kullanılması önerilen hesaplama yolu ile boru çapı belirlenerek ilk maliyet ve işletme masraflarının en az olması sağlanmalı ve ancak ondan sonra sürtünme kayıpları hesabına geçip en uygun pompa seçilmelidir. Anahtar kelimeler : Boru iç çapı, Sürtünme kaybı, Amortisman, Ekonomik analiz 1. Giriş Gemilerin seyrini sağlayan sevk sistemidir. Sevk sisteminde ana makinanın önemli yeri vardır. Ana makinanın işlevlerini yerine getirebilmesini ve yardımcı makinalarla tam uyum içerisinde çalışabilmesini sağlayan donanım ise boru devreleridir. Boru devrelerinin hesabı hem seyir güvenliği hem de ekonomik açıdan ayrı öneme sahiptir. Makina dairesi yerleşimi yapılırken boru devre elemanlarının dağınıklığına izin verilemez. Devreyi oluşturan ve tamamlayan elemanların olabildiğince birbirine yakın ve toplu konuşlandırılması, gerektiğinde devre elemanlarına tamir-bakım-tutum amaçlı müdahaleler için erişim ve çalışma kolaylığı sağlanacak şekilde yerleştirilmesi istenir. Genel yerleştirmenin nasıl yapılacağına karar verildikten sonra, ana makina ve yardımcı donanımı 1 İstanbul Teknik Üniversitesi, Gemi İnşaatı ve Deniz Bilimleri Fakültesi, Ayazağa Kampüsü, Maslak 4469, İstanbul Tel : (01) , e-posta : ozsoysal@itu.edu.tr 65

2 birbirine bağlayan boru hattının toplam uzunluğunun olabildiğince kısa olması tercih edilmelidir. Boru hattının izleyeceği yol makina dairesi yerleşiminin ancak izin verebildiği ölçüde kısa olacaktır. Genel yerleştirme planı pompalar tarafından hareketlendirilen akışkanların emildiği ve basıldığı noktaları sabitler. Dolayısıyla emiş noktası ile basma noktası arasındaki geometrik kod farkı sabit kalır. Gemi İnşaatı ve Gemi Makinaları Mühendisleri tarafından nerelerden geçeceği kararlaştırılan boru devresinin toplam uzunluğu ise pompanın karşılaması gereken sürtünme yükünün büyüklüğünü gösterir. Pompanın karşılaması gereken toplam basma yüksekliği hem sürtünme kayıplarının hem de geometrik kod farkının fonksiyonu olup; hidrolik bilgisini gerektirir ve Bernoulli denklemi ile bulunur. Boru devresinde dolaşan akışkanın kütle debisi ya da hacim debisi miktarı ana makina ve yardımcıların işlevlerini yerine getirebilmeleri için bizzat üreticisi tarafından belirlenir. Günümüzde pompa seçimi yapılırken, pompanın karşılaması gereken toplam basma yüksekliği, akışkan debisi ve akışkan yoğunluğu gözönüne alınmaktadır. Yalnızca sözü edilen üç etkene göre pompayı seçmek, ekonomik gözlükle probleme bakılmadığını gösterir. Pompalama problemlerinde ve pompa seçiminde ekonomik faktörler de gözönüne alınırsa, her devre için ayrı ve özel bir boru iç çapı değerinin bulunacağı görülür. Makale isminde ekonomik değerlendirmeler ışığında boru boyutlarının saptanması yer almaktadır. Boyut kavramı uzunluk ve çaptan oluşan iki özelliği kapsar. Kullanılacak borunun uzunluğunun ekonomik açıdan irdelenmesi, geçeceği yolun en kısa olmasını gerektirir. Ekonomik değerlendirmeler ışığında ilk maliyet ve işletme masraflarını en aza indiren sadece tek bir boru çapı vardır ve boru devresine özgü bu çap değerinin nasıl bulunacağı ilerleyen bölümlerde ele alınacaktır.. Ekonomik Açıdan Masrafların En Aza İndirilmesi Her bir boru devresine özgü ve özel bir boru çapı değerinin olabileceği ve o çap değerinin ekonomik açıdan en uygun, ilk maliyet ve işletme masraflarını en aza indiren değer olacağını düşünmek şüphesiz mühendislik açısından ihmal edilemeyecek bir değerlendirmedir. Aranılan çap değeri için öncelikle amortize edilmiş ilk maliyeti formüle etmek gerekir. Boru devresinin ilk maliyeti üzerine çalışmalar eski tarihli olmasına rağmen Claude[1] tarafından ortaya konulan ampirik formül günümüzde de geçerliliğini korumaktadır. İşletme masraflarıyla da uyumlu olması açısından; ilk maliyetin amortisman halinde değerlendirilmesi daha uygun olup, yıllık bazda toplam maliyetin saptanmasını da ayrıca kolaylaştırır. Claude tarafından verilen amortize edilmiş ilk maliyet, temelde boru iç çapının üstel değişiminin bir fonksiyonudur ve aynı zamanda amortisman oranı, bakımtutum masrafları ve donanım maliyeti ile doğru orantılı değişmektedir. M ilk ( a + b)( F + 1) χd = (1) Burada : M ilk : Amortize edilmiş ilk maliyet (YTL/yıl) a : Amortisman oranı (%) b : Bakım-tutum masraflarının donanım ilk maliyetine oranı (%) 66

3 F : Vana, dirsek, flenç, kaynak, destek vs. donanımın ilk maliyet içerisindeki payı (%) χ : İç çapı inç veya 0.05 m olan borunun 1 metresinin bedeli (YTL) D : Tasarlanan boru devresindeki borunun iç çapı (m) olmaktadır. Boru iç çapı (D) değişken seçilerek amortize edilmiş ilk mal oluş bedelinin değişim grafiği Şekil 1 de verilmiştir. Grafik değişimin görülmesi amacıyla, 1 nolu formüldeki değişkenlerden amortisman oranı (a) için %10, yıllık bakım-tutum masraflarının toplam ilk mal oluş bedeline oranı (b) için %1, vana vs cinsinden donanımın bedelinin toplam ilk mal oluş bedeline oranı (F) için %675, çapı inç olan borunun 1 metresinin fiyatı olarak 1 YTL olarak alınmıştır. Şekil 1. Amortize edilmiş ilk mal oluş bedelinin boru iç çapına bağlı değişimi Benzer düşünceler işletme masrafları için de sergilenebilir. İşletme masraflarının sadece pompayı tahrik eden elektrik motoruna verilen gücün maliyeti olarak düşünebiliriz. Küresel ölçekte ekonomik açıdan bakıldığında birim kwh enerjinin maliyeti 0.1 $ veya günümüzde eşdeğeri olan yaklaşık olarak 0.15 YTL alınmaktadır. Pompa gücü (P) karşılanması gereken basma yüksekliği, hacimsel debi ve yoğunlukla doğru orantılı olup; 67

4 P 1000 = 1 QH γ g () formülüyle hesaplanır. Burada Q : Basılan akışkanın hacimsel debisi (m /s), H : Karşılanan toplam basma yüksekliği (mss), γ : Basılan akışkanın yoğunluğu (kg/m ), g : Standard yerçekimi ivmesi (9.8 m/s ) olarak tanımlanır. Toplam basma yüksekliği (H) emilen ve basılan depolar arasındaki geometrik kod farkı (h geometrik ) ve sürtünmeden ağırlıklı kaynaklanan basınç düşmesinin (h kayıp ) lineer toplamından oluşur. Geometrik kod farkı, genel yerleştirme planına göre değişmeyen sabit değere sahiptir. Fakat basınç düşmesi hem kapasite, hem boru boyutları, boru iç yüzey sürtünme profiline, yaşlanma vs gibi etkilere bağlı olarak değişim gösterir. İşletme masrafları M işletme hesaplanırken M işletme 1 1 = κqh 1000 kayıpγg () η pompa formülü yeterli bir yaklaşım verecektir. Burada yeni tanımlanan κ sembolü birim kwh enerjinin maliyetini göstermektedir. Kayıpları gösteren basınç düşme terimi h kayıp ise literatürde ilk kez 1775 yılında Chezy taraından ortaya atılan daha sonraları Darcy, Eytelwein, Weisbach, Fanning gibi araştırmacıların isimleriyle anılan formül ise hesaplanır. L V h kayıp = λ D g veya (4) 8 Q h kayıp = λl 5 π g D Burada λ boyutsuz sürtünme katsayısı olup, ABD de Hazen-Williams, AB de Colebrook- White tarafından geliştirilen ampirik formüllerle yeterince hassas hesaplanır. Yukarıdaki (4) nolu formülde L sembolü ile devredeki montajlanan toplam boru uzunluğu ve dirsek vana gibi donanımın yarattığı basınç düşmesini yaratacak eşdeğer boru uzunlukları toplamı da gözönüne alınmıştır. Eğer (4) nolu formül () de yerine konulursa, işletme masrafları M işletme 8 κγλlq = (5) π η D pompa bağıntısından kolaylıkla hesaplanabilir. İşletme masraflarının grafik değişimini görebilmek için, 5 nolu formüldeki değişkenlerden; birim kwh enerji maliyeti (κ) için 0.15 YTL, 68

5 devrede dolaşan akışkanın yoğunluğu (γ) için 1000 kg/m, boru içi sürtünme katsayısı (λ) için 0.00, eşdeğer boru uzunluğu (L) için 100 metre, devrede dolaşan akışkan hacimsel debisi (Q) için 0.0 m /s, π katsayısı yerine.14 ve pompa mekanik verimi (η pompa ) için %90 değerleri uygun bulunarak seçilmiştir. Yukarıdaki veriler kullanılarak işletme masraflarının boru iç çapına bağlı değişimi Şekil de gösterilmiştir. Şekil. İşletme masraflarının boru iç çapına bağlı değişimi Eğer amortize edilmiş ilk maliyet değerleri ile işletme masrafları toplanacak olursa yıllık bazda belirli bir boru devresi için yapılacak harcama ortaya çıkar. Yıllık toplam giderin (M toplam ) hesaplanması için (1) ve (5) nolu denklemleri birleştirmek gerekir. toplam κγλlq π η D ( a + b)( F + 1) χd M = (6) pompa Yıllık toplam harcamaları gösteren (6) nolu formülün grafik değişimi Şekil de verilmiştir. Görüleceği üzere sadece örnek veriler kullanılarak yapılan değerlendirme ışığında örnek devre için masrafları en aza indiren sadece tek bir boru iç çapı değeri olduğu görülmektedir. Toplam işletme masraflarında enerjinin birim fiyatının kullanıldığı, boru 69

6 devresinin yılda kaç gün ve kaç saat hizmet verdiğine ilişkin bir düzeltmenin yapılması gerektiği de unutulmamalıdır. Şekil. Yıllık toplam masrafların boru iç çapına bağlı değişimi. Sonuç Günümüzde boru devre hesaplarına yeterli özen gösterilmediği için, ekonomik analiz yapılamamakta, mevcut durumda boru çapları pompa giriş-çıkış ağız çap değerlerine bağlı olarak seçilmektedir. Makina dairesi yerleşimi sırasında boru devreleri tasarımlanarak, pompa seçimine geçmeden önce mutlaka ekonomik analiz yapılarsa, yıllık bazda toplam giderleri en aza indiren sadece tek bir boru çapı değerinin var olduğu açığa çıkmıştır. Mühendislerin ekonomik analize önem vermesi, yatırım masraflarını azaltan, işletme masraflarını en aza indiren boru çap değerini tasarladıkları boru devrelerinde kullanmaları önerilir. Kaynak : [1] Claude B.N., Optimum Pipe Size Selection, Gulf Publishing Company Book Division, Houston, ISBN ,