BORU ÇAPI HESABI VE BORU TESİSATI Prof. Dr. Ahmet ARISOY İTÜ Makina Fakültesi 6 Mart 1992
BUH,^R TESİSATINDA BORU ÇAPI HESABI VE BORU HATTI ÖZELLİKLERİ BUHAR DAĞITIM HATTI Hazan dairesindeki buhar kollektöründen, buharın kullanım yerine kadar olan hatta buhar dağıtım hattı denir. Bu hat istenilen miktarda ve şartlarda buharı kullanım yerine temin etmelidir. Dağıtım hattında buharın taşınması sırasında ısı kaybı ve bakım gereksinimi minumum olmalıdır. Isıtma amaçlı buhar kullanımında buhar basıncı arttıkça ısı transferindeki iyileşmeye bağlı olarak cihaz boyutları küçülür. Aynı şekilde dağıtım borusu çapları küçülür. Buna karşılık gizli buharlaşma ısısının azalması nedeniyle ısı taşıma kabiliyeti azalır, kondenste flanş buhar problemleri ortaya çıkar. Basıncın artması sistemin mukavemetinin de artmasını gerektirdiğinden aynı zamanda sistem maliyetini de arttırıcı bir rol oynar. Bu nedenle çözümlerden bin* buharı yüksek basınçta taşıyıp, kullanım yerinde istenilen basınca düşürmektir. Ancak bu her zaman doğru değildir. Borudan olan ısı kayıpları gibi başka faktörlerin de gözönüne alınması gerekir. Genel bir kaide olarak sistemdeki basıncın mümkün olan en düşük değerde seçilmesi tavsiye olunur. Doymuş Buhar Borularının Boyutlandırılması: Buhar borularının boyutlandırılmasında çeşitli yöntemler kullanılabilir. Burada eş basınç düşümü yöntemi anlatılacaktır. Verilecek bu yöntem bazı kabulleri içerdiğinden yaklaşık bir yöntemdir. Ancak pratik açıdan yeterlidir. Yöntem aşağıda adımlar halinde özetlenmiştir. 1- Buhar hattı şematik olarak çizilerek her bölüme bir numara verilir. 1 2- Bölümlerin uzunlukları ve taşıdıkları buhar debisi işaretlenir. 3- Kritik hat belirlenir. U- Başlangıç ve son basınçları p ş ve P (kazan çıkış ve kullanım yeri basınçları) belirlenir. 79
5- p ve P basıncına karşı gelen P g ve P«basınç faktörleri Tablo i 1 den okunur, 6- Kritik hat eşdeğer uzunluğu, L bulunur. Bunun için gerçek hat uzunluğuna; kısa sistemlerde (50 m'nin altında) % 20, uzun sistemlerde % 10 mertebesinde özel kayıplar için bir pay ilave edilir. 7«p - p SA = F ifadesinden basınç kaybı faktörü bulunur* L 8- Tabla 2 de en saldaki F sütununda yukarıda bulunan değere en yakın F değeri belirlenir. Aradaki değerlerde küçük alan tercih edilmelidir. 9- Belirlenen F değeri satırında sağa gidilerek debi değerleri içinde 1 nalu hattaki debi değerine en yakın ve büyük değer bulunur. Bu debinin bulunduğu sütun başındaki boru çapı, aranılan çaptır. 10- Sıra ile kritik buhar hattındaki bütün boru çapları madde 9'da anlatılan şekilde belirlenir. 11- Kritik hat dışındaki hatların bayutlandırılmasında; ayrım noktasına K, hesaplanan hattın san noktasına B denilirse, F =F L* fl KB KB Şeklinde bu hat için alan F^Q basınç kaybı faktörü bulunur. Burada L A K ve A noktaları arasındaki; L u K ve B noktaları arasındaki eşdeğer mesafedir. 12- F^Q değeri ile K-B hattı daha önce anlatıldığı şekilde bayutlandırılır. Herhangi bir borudaki hız bulunmak istenirse, 1- Tabla 2 1 de söz konusu baru çapının bulunduğu sütunda x buhar debisi değeri, a borudaki buhar debisine en yakın olanı bulunur. 2- Aynı kutuda bulunan y hız faktörü okunur. 3- Tablo IV den p^ basincindaki p buhar yoğunluğu okunur. * - Gerçek hız = y p # ifadesinden borudaki yaklaşık buhar hızı bulunur. -80-
Kritik devre dışındaki kollar : KB kolunda = 220 m, 5 m VE F = Q.Q55-değerleri ile F - 0,083 bulunur. Tablo 2'de değeri ve debi 2600 kg/h için x=2599 uygundur. Buna göre boru çapı DN 80 okunur. Kritik devre dışındaki kollar için aşağıdaki tabla düzenlenmiştir. Göz Kol adı Uzunluğu f m ) F değeri Gerçek debi kg/h. 2S-., iv alınan debi kg/h B o r u 1'»5 0.083 2600 2599 80 K Z C 90 0.183 2000 2 161 65 70 0.369 860 BM UO 125 0.206 2599 65 numaralı borudaki buhar hızı hesabı : Tabla 2 f de DN 150 boru çapı sütununda gerçek buhar debisi 9^00 kg/h değerine en yakın değerler 8817 ve 9792 olup, bunlara karşı gelen hız faktörü y değerleri 135 ve 1^9.9'dur. Enterpolasyonla 9^00 için y değeri 1^3.9 bulunur. Tablo I 1 de p s = 6.6- için p = 0.252 mvkg okuru r. Gerçek hız = 0,252 9 1>43 r 9 = 36 t 2 m/s bulunur. Büyük Ana Dağıtım Boruları ve Kızgın Buhar Boruları Boyutlandırılması Kızgın buhar, yüksek basınçlı buhar veya büyük çaplı buhar boruları halinde özel diyagramlar ve yöntemler geçerlidir. Burada bu durumlar için sadece Şekil 2 'de, görülen diyagram verilmiştir. Örneğin 1** bar basınçta ve 3^0 C sıcaklıkta 20 _t/h debisinde buhar taşıyan bir boru halinde ; boru uzunluğu 300 m ve müsaade edilen basınç düşümü 0.675 bar ise, önce ı Basınç oranı = Basınç düşümü Giriş basıncı (mutlak) bulunur. -84-
Giriş baaıncı mutlak alarak 1U + 1 = 15 bar olduğuna göre, *. = Q 0^5 bulunur. Diyagramda bu noktadan sağa gif Basınç aranı = 15 dllip, koyu çizgi ile kesim noktasından yukarı çıkılır ve boru boyu 300 m ile f kestirilir. Buradan geçen yatay doğru ile diyagramda, görülen sıcaklık, basınç ve debi değerinden gelen dik doğrunun kesim noktası aranılan çap değerini verir. Bu doğru örnekte DN2üa«dür. Bu borudaki buhar hızı ise sağdan 31 m/s olarak okunur. Handen9 Hatlarının boyutlandirılrnası : r# Kondena hatlarının hassas olarak boyutlandırılması flaş buhar nedeni ile çok zordur. Buhar kapanından geçen sıvı haldeki kondens yüksek basınçtadır. Bu sıvı kapanın orifisinde dönüş basıncına açılır ki^bu basınç atmasfarik basınç civarındadır Bu basınç düşümü neticesi sıvının bir kısmı buharlaşır. Dolayısı İle kondens hattında su + flaş buhar olarak iki fazlı akış söz konusudur. Handens hatlarının boyutlandırılması için şekil 3'de. görülen diyagram kullanılabilir. Bunun için kondensin başlangıç ve san basınçları ile debisi bilinmelidir. Bu değerlerle Şekilden uygun boru çapı seçilebilir. Farh basınçtaki kondensier kesinlikle ayrı borularda toplanma!» ve kondens deposuna ayrı ayrı girmelidir. Ayrıca yüksek sıcaklıktaki kondens boyler vs. gibi bir elemanda soğutularak kondens deposuna girmelidir. - 8b-
BORU HATTI T Buhar tesisatlarında esas olarak çelik boru kullanılir v«*söz konusu olabilecek çelik borular özelliklerine göre, farklı standardların kapsamı Dikişli siyah vidalı borular (TS 3U1 / 1,2,3) a- Orta ağır (DİN 2^0) Malzeme ST 33 çeliktir. Boru et kalınlığı orta değerdedir. Diş açılabilir. Gaz ve su tesisatlarında, sıcak su ile ısıtma tesisatlarında kullanılabilir. Buhar tesisatında, 120 C sıcaklık ve 0,5 atü basınca kadar.alçak basınçlı buhar halinde kullanılmalıdırlar, b- Ağır (DİN 21*^) Malzeme St 33 çeliktir. Boru et kalınlığı fazladır. Diş açılabilir. Buhar borusu olarak isimlendirilir. 120 C sıcaklığa kadar buhar ve kaynar su hatlarına kulanılabilir. Dikişli Siyah Vidasız Borular: Malzeme ST 37 çeliktir. Boru et kalınliğı incedir. Diş açılmaz, kaynakla bir-. leştirilir. Sıcak su kabanları imalinde duman borusu olarak kullanılır.. İşletme basıncı, P = 32 bar değerini aşmamak,. İşletme sıcaklığı, T = ^00 C değerini aşmamak, P. T <C 7200 sınırları içinde kalmak, Şartlarının sağlanması halinde büyük çaplı buhar borusu olarak bu borular kullanılabilir. Ancak 10 bar basıncın üzerinde bu boruların buhar hatlarında kullanılması tarafımızdan tavsiye edilmemektedir. Dikişsiz Siyah Çelik Borular (DİN 2^8) :, Bu borular St f 35f den St 55 f e kadar farklı malzemelerden yapılır ve malzemesine göre DİN 2M*B ile 2^57 arasında farklı standartlar kapsamına girer. St **2 malzemeden mamul dikişsiz borular tavsiye edilir. PN loo'e kadar buhar hatlarında bu borular öncelikle kullanılmalıdır. Çelik boruibr kullanım amaçlarına uygun olarak standardize edilmişlerdir. Standard bir borunun anma çapı (eskiden NlıJ şimdi DN), anma basıncı (eskiden ND Şimdi PN) ve çalışma basına belirlidir. Boru ve boru hattındaki fittings armatür ve cihazların birbirine uygunluğu açısından, borular standart anma çaplarında üretilirler. Aşağıdaki tabloda DİN 2^02' ye göre belirlenmiş anma çapları (DN) verilmiştir. 87
DN DN DN 15 80 350 20 100 100 25 125 450 32 I50. 500 % 40 200 600 50 250 * 700 60 300 800 Anma basıncı ise boru, armatür, flanş, fittings v.s.'nin dayanabileceği çalışma basmanı belirler. DİN 2^01'e göre standard anma basınçları, 1; 1,6; 2,5; k; 6; 10; 16; 25; **0; 63; 100; 160 bâr olarak belirlenmiştir. Buhar hatlarında daha çok PN I6 ve PN 25 borular kullanılır. Anma basınçları, 20 C sıcaklıktaki akışkan için verilmişlerdir. Yüksek sıcaklıktaki akışkanlar için kullanılacak borunun anma basın/u, sistemin çalışma basıncından daha yüksek almalıdır. Aşağıdaki tabloda PN 16 ve PN 25 borular içrn boru malzemesine ve sıcaklığa bağlı olarak çıkabilecek en yüksek çalışma basınçları verilmiştir. Anma basıncı PN 16 25 S S S S Çelik Boru t 35 t 35.a t 35 t 25-8 Müsade 20jçj 200 16 13 16 1/* 25 25 20 22 edilen 'el 250 11 13 18 20 çalışma basıncı (bar) \A 300 'C 10 350 *C - 11 15 " 17 10-16 Boruların ; fittings ve armatürlerin test basıncı ise anma basıncının 1,5 misli olarak tarif edilir. 83
Buhar Hatlarının Düzenlenmesi: Buhar hatlarında buhar ve su halindeki bir kısım yoğuşmuş buhar bir Brada bulunur. Boru içindeki bu iki fazlı akış, tasarımda ve işletmede önemli problemlere neden olur. Bunlar arasında en başta gelenlerden biri koç darbesi veya su koçu olarak isimlendirilen ve borularda ve fittingste önemli zararlara yol açan olaydır'. Su koçu buhar borusundaki birikmiş suyun buhar tarafından sürüklenerek, bir piston şeklinde, yüksnk hizla ilerlemesidir. Bu su kütlesi önüne çıkan herhangi bir engelde önemli tahribatlara yol açabilir. Bu olay buhar hatları iyi duzenlenmemişse, askı ve mesnetler yetersizse gerekli eğim ve drenaj sağlanmamışsa ortaya çıkar. Aşağıda buhar hatlarının düzenlenmesi ile ilgili bazı basit kurallar verilmiştir. 1- Buhar hatlarına akış yönünde bir eğim verilmelidir. Eğimin yaklaşık olarak 10 metrede ko mm. düşü şeklinde olması tavsiye olunur. Eğer Şantiye şartları dolayısıyla eğim verilemiyorsa, veya ters eğim varsa, çok daha fazla drenaj noktası gereklidir. 2- Doymuş buhar hatlarında 3D - 50 m. ara ile drenaj noktaları yerleştirilmelidir. 3- Drenaj noktaları için en etkili yerler boruların yön değiştirdiği noktalardır. i.- Düz borularda drenaj için bir cep oluştur _ mak çok faydalıdır. Bu cep DN 100 çapa kadar aynı çaplı, daha büyük boru çapları İçin 2-3 çap daha küçük çaplı borudan yapılabilir. - Boru hattı içinde su birikmeyecek şekilde düzenlenmelidir. Eş eksenli re- 89
duksiyonlar ve DN 25 f in üzerindeki borularda yanlış bağlanmış pislik tutucu vanalar bu açıdan uygun değildir. 6- Ana borulardan yapılacak kal ayırmalar daima üstten almalıdır. Ana borudan ayrılan kal aşağıya doğru gidiyorsa, cihaz bağlantısından önce drenaj noktası oluşturulmalıdır. 7- Kullanma noktasından önce suyu tutmak üzere bir seperatör konulması tavsiye edilir. Otoklav gibi bazı cihazlardan önce ise mutlaka seperatör kullanılır. 8- Su koçu tehlikesi dolayısıyla ana buhar dağıtım hatlarında dayanıklı kandenstaplar (buhar kapanı) kullanılmalıdır. Bu hatlarda termodinamik veya ters kovanlı tip kandenstoplar tercih edilir. Hondens Hatlarının Düzenlenmesi: İyi düzenlenmiş bir kandens dönüş hattında, buhar kapanları (kondenstop) üzerine gereksiz bir geri basınç uygulanmaz. Bunun anlamı boru çaplarının uygun seçilmiş olması ve kondensin gravite ile kendiliğinden kandens kabına akabilmesidir. Genellikle kandensin kendiliğinden kandens kabına kadar akabilmesi mümkün almaz. Bunun için iki yöntem vardır; Birinci yöntemde kandensin daha yüksekteki kandens kabına dönmesi buhar kapanındaki geri basınçla sağlanır. Kapan çıkışında her 1 bar basınç kandensin yaklaşık 10 m. yükseltilmesini sağlar. Buhar girişindeki basınç çıkıştaki geri basınçtan daha yüksek olduğu için bu mümkündür. Ancak kullanma yerindeki basınç, yani kapan girişindeki basınç, buhar beslemesi ile bağlantılı olduğundan; özellikle elle beslemeli sistemlerde ve özellikle ilk devreye girişlerde basıncın çok düşmesi hatta vakuma geçiş bile mümkündür. Bu gibi durumlarda su darbesi */e -90 -
buna bağlı tahribatların önüne geçilemez Eğer bu yöntemle kondens geri döndürülüyorsa^bi değiştirgeçleri gibi kullanım alanları çıkışında sağlam ters kov/anlı buhar kapanları kullanılmalıdır. İkinci yöntem İBB, birkaç buhar kapanından çıkan kondensin bir depoda toplanıp, buradan pompa ile kondens kabına basılmasıdır. Bu sistemin birçok avantajı vardır. Özellikle uzun ana buhar dağıtım hatlarının drenajında / kondensin paralel ortak bir yüzdürmeli kondens hattı ile toplanması pratikte uygulamaktadır. Eğer gerekli önlemler alınmazsa bu tehlikeli bir yöntemdir. En iyisi dönüşün yukarıda anlatıldığı gibi yapılmasıdır. Aksi taktirde kondensi soğuyana kadar bileceği gibi, motorsuz, buharla çalışan Ogden otomatik pompaları da kullanılabilir. Santrifüj pompalar kullanıldığında pompa emişindeki basınç düşümü dolayısıyla buharlaşma olmamasına dık^t edilmelidir» Farklı basınçtaki kondensier ayrı borularda toplanmalı ve kondens deposuna ayrı ayrı girmelidir. tutacak buhar kapanlarının kullanılması tavsiye edilir. Bu arada uygun bir drenaj cebi ue uzun bir bağlantı borusu kullanılmalıdır. Veya alternatif olarak sürekli boşaltma yapan şamandıralı buhar kapanı da kullanılabilir. Kondensin parçalanmasında elektrik motoru tahrikli santrifüj pompalar kullanılaı 9ı
Boruların yerlerinde güvenli biçimde kalabilmeleri için kelepçe, askı ve konsollar kullanılır* Dik borular duvara boru kelepçeleri ile tutturulur, yanyana birlikte geçen borulara konulacak kelepçeler aynı seviyede olmalıdır. Kelepçelerin boru çapına uygunluğu ve boruyu tam kavraması kontrol edilmelidir. Kelepçe için açılacak montaj delikleri içeriye doğru genişleyen kani biçiminde delinmelidir. Kelepçeyi tutucu harç yeterli _ dozajda yapılmalı ve iyice sıkıştırılmalıdır. Yatay bir boru hattı askılarla muhtelif noktalardan asılarak tespit edildiğinde, iki askı noktası arasında borunun Garktığı görülür. Meydana gelen sehim boru içindeki su ve izolasyonun ağırlığına, iki nokta arasında bulunan vana veya fittingsin miktarına bağlıdır. Eğer boruya bir eğim,.verilmemiş ise sarkmanın arta noktasında cep. meydana gelir. Buhar hatlarında bu ceplerde yağuşan su toplanır. Bu bakımdan boruya verilecek eğim ve iki destek noktası arasındaki mesafe çak önemlidir. Deneysel alarak çeşitli çaptaki borularda,(su dolu) değişik destek aralıklarında meydana geleni sarkma Şekil 4 *de verilmiştir. Ayrıca bu abakta ceplerin önlenmesi için boruya verilmesi gerekli eğim kesikli çizgilerle işaretlenmiştir. Tavana askılarla bağlanmış yatay borularda, askıların birbirleriden uzaklıkları pratik olarak Tablo 4'den alınabilir. Farklı çaplardaki borular aynı konsola taşıtılacaksa, iki konsol arasındaki mesafeyi küçük çaplı boru belirler. Ancak uygulamada küçük çaplı borular, büyük çaplı borulara taşıtılarak, iki konsol arasındaki mesafe artırılabilir. -92-
BUHAR SU IZOLELI ÇIPLAK IZOLELI ÇIPLAK NW 300_ 250 200 12" 10" 8" 7.7 8.2 8.0 7,6 7.2 9.0 8.1 7.5 150 6" 6.1 B.I 5.8 12 5 100 80 5" V 3' 5.3 4.4 7.1 6.5 5.8 5.1 4.2 6.4 5. 9 5.3 _50_ 3.2 3 3.1 3 4.0 32 25 20 15 r 3/4 1/2.3 3 3 3 3-4 3,0 3 3 3 3 3 3.0 3 3 3 3 Tabo 4: MAKSİMUM BORU MESNET AÇIKLIĞI Bdru askıları boruların uzayıp kısalmaları sırasında sallanabilecek bi - çimde yapılır.,boruların geçeceği yerde krişler varsa ankraj demiri kit İş yüzeyine monte edilmelidir. Ağır borular söz konusu olduğunda askının ankraj demiri betonarme demirine kaynakla bağlanmalıdır. Borularda Isı Kaybı ; ı Buhar tesisatındapiçinden sıcak buhar geçen çıplak borulardan etrafa ısı kaybı olur. Bu hem enerji kaybı nedeniyle, hem de ısı kaybeden buharın yoğuşması sanucu^daha önce sözü edilen problemler nedeniyle arzu edilmeyen bir olaydır. /Çeşitli çaptaki borularda, içindeki buharın sıcaklığına bağjlı olarak,, 10-21 C sıcaklığındaki durgun ada havasına olan ısı kaybı Tablo 5, *de U/m cinsinden verilmiştir. ( I W= 0,860 kcal/h) Çıplak borularda meydana gelen ısı kaybını azaltmak üzere borular ısı yalıtım malzemeleri ile kaplanarak izole edilir. En yaygın kullanılan boru izolasyon malzemeleri^cam yünü ve perlittir. Bu malzemeler prefabrike olup, çeşitli çaplardaki borulara hemen uygulanabilirler. İzolasyon kalınlığı arttıkça, borudan olan ısı kaybı azalır. Üte yandan izo- 94
lasyon kalınlığı arttıkça ısı kayıp yüzeyi artar, dolayısı ile IBI kaybı artar. İzolasyon kalınlığını kritik bir değerin üzerinde arttırmak^ fayda yerine zarar getirir. Öte yandan izolasyon kalınlığını belirleyen bir başka faktör ise ekonomik düşüncelerdir. Ekonomik İzoİBsyon kalınlığı faydanın en fazla olduğu değerdir. Şekil 5 f dekl çizelgede.teknik şartnamenin verdiği izolasyon kalınlıkları görülmektedir. - 96 -
Isı yalıtım malzemelerinin etkinliği.içerdiği gözeneklere, bağlı olduğundan, izolasyonun ezilip kırılmamasına ve ıslanmamasına çok dikkat edilmelidir. Bu nedenle, özellikle dış şartlara açık borulardaki izolasyon tabakası, rutubete ve dış etkilere karşı korunmalıdır. Cam yünü üzerine parlak alüminyum saç levhadan kılıf yapılır. Bu amaçla kullanıibcak alümivum levha kalınlığı 0 f 5 mm olmalıdır.depo izolasyonlarında ise, kullanılan alüminyum levha kalınlığı 0,6 mm tavsiye edilir. Belirli kalınlıkta bir izolasyon tabakası ile kaplı boruibrın birim uzunluğundaki ısı kaybı, - q = H R.à& ifadesi ile belirlenir* Burada, H a = Toplam ısı kayıp katsayısı (üj/mr) À-& = Boru içindeki buharla dış hava arasındaki sıcaklık farkıdır ( C ) Çeşitli izolasyon maddeleri ve boru çaplarf için K Rc jeğeri Şekil # * mektedir. 6 «da veril-
örneğin, Boru Buhar sıcaklığı : 200/216 mm : 350 C Oda -sıcaklığı : 20 C İzolasyonun ısı yalıtım katsayısı : 0,09 U/K İzolasyonun kalınlığı : 100 mm Bu borudan olan ısı kaybını bulmak için d / d.» **16 / 216 e 1,93 değeri ile a ı Şekil 7 «den H «0,81 U/m K bulunur. Bu değer yardımı ile yukarıdaki formülden, q = 0,81. (350-20) = 267 U/m veya = 230 kcal/hm- bulunur. Şekil 7 'da ise^am yünü ile izole edilmiş borularda izolasyon kalınlığına bağlı olarak 1 m uzunlukta boruda 1 Ğ C sıcaklık farkf* için meydana gelen ısı kaybı verilmiştir. Örneğin 50/57 boruda 30 mm kalınlıkta izolasyon halinde ^ 200 C sıcaklık farkı için ısı kaybı q * 0,39. 200 = 78 U/m olarak bulunur. Buhar boru hatlarındaki diğer önemli bir ısı kaybı da,izole edilmemiş flanş, vana ve fitttmgsten kaynaklanır. Tablo 6 1 daki çizelgede ; durgun bir ortamdaki borularda bulunan flanş ve vanalardan oibn ısı kbybı eşdeğer boru uzunluğu olarak verilmiştir. Bu kayıpların önlenmesi için.prefabrike izolasyon malzemesi mevcuttur, l/eya özel olarak yapılmış kutular kullanılabilir. Ancak bu izolasyon elemana kolayca ulaşılabilecek biçimde sökülebilir olmalıdır. 98