Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 8, No: 4, 2011 (53-64) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 8, No: 4, 2011 (53-64) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde Boru Çaplarının Termoekonomik Optimizasyonu Celil YAVUZ *, Kemal ATİK ** * Sinop Üniversitesi Meslek Yüksekokulu, 57000 Sinop/TÜRKİYE ** Erciyes Üniversitesi Mustafa Çıkrıkçıoğlu Meslek Yüksekokulu, 38039 Kayseri/TÜRKİYE kemalatik@erciyes.edu.tr Geliş Tarihi: 01.11.2011 Kabul Tarihi: 09.12.2011 Özet Sıcak sulu ısıtma sistemlerinde su boru içerisinden geçerken iki tür enerji kaybı oluşmaktadır. Bu kayıplardan biri boru içi yüzey pürüzlülüklerinden dolayı sürtünme ve basınç kayıpları; diğeri boru dış yüzeyi ile ortam sıcaklık farkından dolayı oluşan ısı kayıplarıdır. Boru çaplarının küçük seçilmesi sonucu çapın azalmasıyla yüzey alanının azalışı ısı kayıplarını azaltırken su akış hızı arttığı için basınç kayıpları artırmaktadır. Boru çaplarının büyük seçilmesi durumunda ise su akış hızı azaldığı için basınç kayıpları azalırken, çapın artmasıyla yüzey alanının artışı da ısı kayıplarını artırmaktadır. Bu çalışmada, pompalama ve ısı kayıplarının toplamlarının en az olduğu boru çaplarının tespiti için Visual Basic 6.0 kodlarında bir program hazırlanmıştır. Bu program kullanılarak belirli bir ısı kapasitesini belirli bir mesafeye taşıyan boru sistemi için çeşitli boru türlerine göre yalıtımlı ve yalıtımsız optimum boru çapı değerleri hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Sıcak sulu ısıtma, Termoekonomik optimizasyon, Boru çapı. Thermo-economic Optimization of the Pipe Diameters of Hot Water Heating Systems Abstract There are two types of energy loss from hot water passing through a pipe in a hot water heating system. One of them is the friction and pressure losses due to the roughness of pipe's inner surface. The other one is the heat loss due to the temperature difference between the pipe's outer surface and the environment. Choosing smaller pipe diameters decreases the surface area and thus the heat loss while increases the pressure losses due to consequent increase in flow speed of the water. On the other hand, increasing the pipe diameter decreases the flow speed and pressure losses but increases the heat loss due to increased surface area. In this study, a program is written by Visual Basic 6.0 code to determine the pipe diameter at which the sum of the pumping losses and heat losses is the lowest. Using this program, insulated and non-insulated pipe diameters were calculated for a pipe system which is to transfer a certain amount of heat capacity for a certain distance. Keywords : Heating with hot water, Thermoeconomic optimization, Pipe diameter. 1. GİRİŞ Sıcak sulu ısıtma sistemleri genelde 90/70ºC ve daha düşük sıcak su gidiş-dönüş şartlarında çalışan ısıtma sistemleridir. Bu tip ısıtma sistemlerinde kazanda hazırlanan sıcak su pompa ve borular vasıtasıyla ilgili mahallerdeki ısıtıcılara iletilmektedir. Bu sistemlerin ilk kurulum ve işletme esnasındaki giderleri sistemin tasarımı ve çalışması esnasında hesaba katılması gereken önemli parametrelerdendir. Isı merkezlerinde ısıtılan su ısıtılacak mahallere taşınırken çevreye ısı kaybı gerçekleşmekte, ayrıca Bu makaleye atıf yapmak için Yavuz C. * Atik K. **., Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde Boru Çaplarının Termoekonomik Optimizasyonu Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2011, 8(4) 53-64 How to cite this article Yavuz C. * Atik K. **., Thermo-economic Optimization of the Pipe Diameters of Hot Water Heating Systems Electronic Journal of Machine Technologies, 2011, 8(4) 53-64
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde akışkanın ilgili mahaldeki ısıtıcıya iletilmesi içinde pompa ile enerji harcanmaktadır. Isınmaya soğuk iklimlerde ihtiyaç duyulması ve dolayısıyla düşük dış sıcaklıkların sebep olduğu ısı kayıpları, ısı enerjisini karşılamak amacıyla ısıyı hazırlayan kazanın gereğinden fazla yakıt yakmasına sebep olmaktadır. Bu kayıplar kazan kapasitesini artırmakta buda ilk kurulumda kazan maliyetinin artırmasına sebep olmaktadır. Ayrıca kazan kapasitesinin gereğinden fazla olması durumunda daha fazla yakıt yakan kazan çevreye daha fazla atık gaz vb. salacağından bu durum çevreye de olumsuz etki etmektedir. Isı yüklü sıcak su değişik akış hızlarında boru içerisinden geçerken ilgili boruya ait iç yüzey pürüzlülüklerinden dolayı basınç kayıpları oluşmakta buda akışkanı ısıtılacak mahale ileten pompanın gereğinden fazla enerji harcamasına sebep olmaktadır. Ayrıca bu sistemlerde boru çaplarının küçük seçilmesi de boru içi akış hızını artıran bir etken olup basınç ve pompalama kayıplarına sebep olmaktadır. Sistemde boru çapı büyük seçildiğinde ise boru içi akış hızı azalıp basınç ve pompalama kayıpları azalmakla birlikte artan boru çapına paralel dış yüzey alanının artması ısı kayıplarını artırmaktadır. Bu kayıplar sistemin çalışması esnasında işletme maliyetleri içerisinde ele alınan enerji giderlerini artırmaktadır. Isı kayıplarının artan boru çapına bağlı olarak paralellik göstermesi sonucu kaybolan ısıyı karşılamak amaçlı daha fazla kapasitede kazan seçimine gidilmektedir. Isı kaybı ve pompalama kayıplarının en az olduğu durumlarda işletme kayıpları en aza ineceğinden bu tür sistemlerde optimum çap hesaplamaları bu kriterler esas alınarak yapılmalıdır. Isı kayıplarının yalıtım yapılarak en aza indirilmesi kazan kapasitesini ve fiyatını azaltırken, yalıtım giderlerini artırmaktadır. Bu giderler ilk yatırım ve işletme giderleri içerisinde olup, en az kayıpla çalışan sistem belirli bir süre sonra ilk yatırım giderlerini amorti ettikten sonra daha az yakıtla daha ekonomik çalışmakta ve çevresine daha az atık yanma ürünleri yaymaktadır. Buda temiz ve ucuz enerjiye olan ihtiyacın had safhada olduğu günümüzde dikkat edilmesi gereken önemli bir husustur. Tüm sistemlerin çalışmasında olduğu gibi ısıtma ve soğutma sistemlerinde de optimizasyon önemli bir konudur. Bu sistemleri oluşturan kazan, pompa, kompresör, boru, radyatör vb. gibi elemanların kapasitelerinin en yeterli düzeyde seçilmeleri en uygun şatlarda sistemden faydalanmayı sağlarken, en az yakıt harcayarak bu işlemler gerçekleşmektedir. Bu sistem elemanlarının sıcaklık farkına maruz kalan tüm elemanlarının yalıtılmaları ısı kayıp ve kazançlarını azaltacak ve bu sistemleri optimize edecektir. Bu tür sistemlerde yalıtım yapılarak gerçekleştirilen sitem optimizasyonu daha az enerji harcayarak sistemden faydalanmayı sağlarken, aynı zamanda da ısı kayıp ve kazançlarına ödenen enerji giderlerini en aza indirecektir. Isıl sistemlerin optimizasyonuyla ilgili yapılan birçok çalışma bulunmakta olup, bunlardan bazıları aşağıdaki gibidir. Öztürk vd. tarafından 2006 yılında yapılan çalışmada sıcak su taşıyan boru hatlarının termoekonomik optimizasyonu için karşılaştırmalı bir çalışma yapılmıştır. Çalışmada sıcak su taşıyan boru hatlarının çaplandırılması için dört farklı çeşitte optimizasyon yöntemi kullanılmış ve bu yöntemlerin karşılaştırmaları yapılmıştır. Birinci yöntemde ısı kaybı ve yalıtım kalınlığını ele almadan sadece artan boru çapı ve maliyet ilişkisine bağlı olarak değerlendirme yapılmış, ikinci yöntemde termodinamiğin birinci kuralı, yalıtım kalınlığı ve maliyet kriterleri ele alınarak değerlendirme yapılmış, üçüncü yöntemde maliyeti ele almadan boru çapı ve yalıtım kalınlığı değişimleri sonucu en büyük exerji verimliliğine göre değerlendirmeler yapılmış, dördüncü yöntemde ise boru çapı, yalıtım kalınlığı, en büyük exerji verimliği ve en küçük maliyet kriterlerine bağlı olarak optimizasyon işlemleri ele alınmıştır. Çalışmanın sonucu olarak sıcak su borularında boru çaplarının optimum seçilebilmesi için bu dört metodunda sonuçlarından faydalanılması gereği vurgulanmıştır [1]. Özsoysal tarafından 2004 yılında yapılan çalışmada gemilerde boru devresi tasarımı sırasında sürtünme kayıplarının ekonomi kavramı ile birlikte nasıl değerlendirilebileceği incelenmiştir. Gemi makine dairesi yerleşimi ve boru devresi tasarlanırken öncelikle ekonomik açıdan en az uzunlukta boru tesisatı çekilmesi gerektiği, devre ihtiyacına göre seçilecek boru tipi belirlendikten sonra en az sürtünmeye sahip borunun 54
Yavuz C., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 uygun çapta kullanılması gerektiği ve tüm maliyet ilişkilerini dikkate alarak en uygun özelliklerdeki pompanın seçilmesi gereği vurgulanmıştır [2]. İleri ve Kesim tarafından 1999 yılında yapılan çalışmada soğutma sistemlerindeki bağlantı borularının optimum çaplarını veren ilişkiler elde edilmiştir. Bu termoekonomik optimizasyon, boru ilk yatırım maliyeti ile soğutma sisteminin çalışma ömrü boyunca borulardaki basınç kayıplarını karşılamak için harcanacak enerji maliyetinin toplamını minimize etmektedir. Optimize edilmiş çap değerlerine termodinamik ve ekonomik parametrelerin (soğutkan, yük, yoğuşma ve buharlaşma sıcaklıkları, boru ve elektrik fiyatları, faiz oranları, vb.) etkileri ortaya konmuştur [3]. Katı, sıvı veya gaz yakıtlı ısıtma sistemlerinde kazanda hazırlanan sıcak su ısıtılacak mahallerdeki radyatörlere borular ve sirkülasyon pompası aracılığıyla taşınmaktadır. Sıcak suyun ısıtılacak hacimlerdeki radyatörlere ulaştırılıncaya kadar ısı kayıplarına maruz kaldığı ve ayrıca bu sirkülasyon işlemi içinde pompa tarafından enerji harcandığı bilinen bir gerçektir. Boru çaplarının gereğinden fazla seçilmesi sonucu artan boru yüzey alanı ısı kayıplarını artırırken, gereğinden küçük çaplı boru seçimi de borular içerisindeki suyun akış hızını ve dolayısıyla pompanın akışkanı istenen bölgelere nakletmesi için karşılaşacağı sürtünme kayıplarını artırmaktadır. Ayrıca bu kayıplardan dolayı pompalama için gereğinden fazla enerji tüketilmekte, ısı kaybını karşılamak içinde gereğinden fazla yakıt yakılmaktadır. Artan enerji maliyetleri ısınma giderlerini artırırken, yakılan fazla yakıt sonucu da çevreye salınan baca gazı miktarı artmaktadır. Bu çalışmada, sıcak sulu ısıtma sistemlerinde kullanılan boruların optimum çaplarının tespiti için bir program hazırlanmıştır. Çalışmada üç farklı boru türü ve çeşitli kazan kapasiteleri için program ayrı ayrı çalıştırılmıştır. Yalıtımlı ve yalıtımsız borularda en az kaybın olduğu çaplar ve en düşük ekonomik maliyetler hesaplanılarak karşılaştırılmıştır. 2. SICAK SULU ISITMA SİSTEMLERİNDE SİSTEM SEÇİM KRİTERLERİ VE MALİYETLER Sıcak sulu ısıtma sistemlerinde sistem seçiminde göz önünde tutulacak pek çok kriter sıralanabilir. Bunlar; Konfor, Kuruluş Maliyeti, İşletme Maliyeti, Servis Bakım Sıklığı ve Kolaylığı, İşletme Kolaylığı ve Çevre Faktörüdür [4]. Isıtma sistemlerinin kurulumu esnasında boru ve boru işçiliği giderleri, yalıtım giderleri, sistemin çalışması esnasında pompalama ve ısı kayıpları, toplam maliyetler dikkate alınarak boru çapı ve sistem elamanlarının optimum değerlerde seçilmeleri gerekmektedir. Genel olarak ısıtma sistemlerinde ilgili hacimlerin ve binanın toplam ısı kayıpları hesap edildikten sonra kazan kapasiteleri hesaplanmaktadır. Kazan ile ısıtılacak hacimler arasındaki mesafenin fazla olduğu bölgesel ısıtma sistemleri, kooperatifler, üniversite kampüs binaları vb. gibi hacimlere ısı taşıyan sıcak suyun pompalanması veya iletilmesi esnasında önemli miktarlarda ısı kayıpları gerçekleşmektedir. Bu kayıpların en aza indirilmesi ilgili binalara ısıyı hazırlayan kazan kapasitelerini de beraberinde düşürmektedir. Kazan kapasitelerinin düşmesine paralel olarak azalan yakıt miktarı ve yakıt giderleri sonucu ısınma maliyetleri azalmaktadır. Teknik şartname ve kurallar dikkate alınmadan yapılan ısıtma tesisatı uygulamalarında gereğinden fazla kapasiteli seçilen kazan fazla yakıt yakıp çevresine hem fazla atık salmakta, hem de ısınma için gerekli yakıt maliyetini artırmaktadır. Bazı uygulamalarda da sistemde sıcak suyu ısıtılacak mahallerdeki ısıtıcılara ileten pompa gereğinden fazla güçlerde seçildiğinde işletme esnasındaki pompalama giderleri artmaktadır. İlk kurulumda toplam ısı kapasitesine göre seçilen kazan fiyatları kapasiteleri ile orantılı olarak değişmektedir. Ayrıca kazan kapasitesi büyüdükçe sirkülasyon için kullanılacak pompaların kapasiteleri ve fiyatları da artmaktadır. Büyük kapasiteli kazanların sıcak su giriş-çıkış çapları daha büyük olduğu için 55
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde dağıtım borularından çevreye olan ısı kaybı da artmaktadır. Bu bilinenler paralelinde teknik esaslara göre hesap edilen değerlerden daha üst ısıl değerlerdeki kazan seçimi tesisattaki devre elemanlarının da maliyetini artırmakta, ayrıca ısı kayıpları da artarak toplamda ele alınan genel giderleri artırmaktadır. Bayındırlık ve İskân Bakanlığının hazırladığı ve 2009 yılı başında yürürlüğe giren Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliğine göre (BEP) 1000 m 2 ve üzeri yaşam alanı olan binalara merkezi ısıtma sistemi zorunlu hale gelmiştir. Ayrıca bu sistemlere ilave olarak her daireye ısı pay ölçer sistemlerinin montajı da gerekli kılınmıştır. Kazanda elde edilen toplam ısı ile dairelerin ısı pay ölçerlerinden okunan toplam ısı miktarları arasındaki fark dağıtım borularında kaybolacağı bilinen bir gerçektir. Kazanda sıcak su elde etmek için harcanan yakıt vb. masraflar dairelerin ısı pay ölçerlerinden okunan toplam ısı miktarıyla ilişkilendirileceği için, aradaki fark olan dağıtım borularındaki ısı kaybı miktarının en aza indirilmesinin önemi daha da açığa çıkmaktadır. Dağıtım borularındaki ısı kaybının en aza indirilebilmesi için ısı yalıtımının da önemi büyüktür. Binalarda ve ısıtma sistemlerinde genelde ısı kaybını azaltma amacı ile yapılan yalıtım işlemlerinin genel amaçları kısaca; Emniyet ve güvenli çalışma, Isı ekonomisi, Çevre kirliliğini engelleme, Isıl konfor şartlarının sağlanması, Ses yalıtımı, Yangın önleme, Terleme-yoğuşma ve donmanın önlenmesi, Isıl kapasitenin etkin kullanımı, Isı köprülerinin yalıtılması, Yiyeceklerin saklanması ve tıbbi yalıtım, Borularda-kanallarda ve depolarda sıcaklık düşüşünü en aza indirme olarak özetlenebilir [5]. Isı taşıyıcı akışkan borularına ısı kayıplarını azaltma amaçlı yapılan yalıtım; ilk kurulumda boru ve yalıtım maliyetlerini artırırken, azalan ısı kaybı sonucu düşen kazan kapasitesi de ilk kurulumda kazan ve sirkülasyon pompası maliyetlerini azaltmaktadır. Ayrıca ısı kayıplarının azalması sonucu düşen kazan kapasitesine oranla azalan yakıt miktarı da işletme maliyetlerini azaltacaktır. 3. ÇALIŞMADA KULLANILAN YÖNTEM VE EŞİTLİKLER Çalışmada yöntem olarak boru içerisinde akış, akış sürtünme kayıpları ve ısı transferi eşitliklerinden yararlanılarak program yazılmıştır. Farklı boru türleri, çeşitli yalıtım kalınlıklarında optimum boru ve yalıtım kalınlıklarını hesaplayarak sistem elemanlarının optimum seçilebilmesi için çeşitli sonuçlar elde edilmiştir. İlgili programda boru içerisinde akış ve ısı transferi hesaplamaları için aşağıdaki formül ve eşitlikler kullanılmıştır. 3.1 Pompa için gereken enerji ve kayıplar Sıcak suyun boru içerisindeki akış hızı ve akış türüne bağlı olarak formülize edilen f sürtünme katsayısı hesaplandıktan sonra basınç kaybı ve sürtünmeye harcanan pompalama gücünün hesaplanmasında aşağıdaki eşitliklerden faydalanılmıştır [6,7 ve 8]. Q V.. Cp. T (1) eşitliği ile kazan kapasitesi ve kazan gidiş dönüş suyu sıcaklık farklarına göre dağıtım boruları içerisinden geçen sıcak suyun hacimsel debisi hesaplanmaktadır [6]. V Q. Cp. T (2) Boru içi su akış hızı aşağıdaki eşitlik ile hesaplanmaktadır [6]. 56
Yavuz C., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 V V A V. d 4 2 (3) Boru içerisinden akan suyun akış türü aşağıdaki eşitlik ile hesaplanmaktadır. Boru içerisinden akan suyun hızı arttıkça akış türbülansa yönelmekte ve buda ısı kayıplarını artırmaktadır[7,8 ve 9]. V.D Re Re<2300 Laminer akış, Re>2300 Türbülanslı akış (4) Laminer akış şartlarında tüm borularda tüm akışkanlar için sürtünme katsayısını veren eşitlik aşağıdaki gibidir [6 ve 8]. f 64 Re (5) Türbülans akışta pürüzlü borular için sürtünme katsayısını veren aşağıdaki Colebrook denklemi ve Haaland eşitliği kullanılmaktadır [7, 8 ve 9]. 1 f / 2.51 2.0 log D 3.7 Re f (6) Yukarıdaki formül düzenlendiğinde f sürtünme katsayısı aşağıdaki gibi elde edilir. f 1.8log 10 1 6.9 / D Re 3.7 1.11 2 (7) Sürtünmelerden dolayı meydana gelen basınç kaybı[6 ve 9]. P f. L D. V. 2 2 (8) Sürtünmeye harcanan pompalama gücü; W p V. P (9) 3.2. Akışkan taşıyan borularda ısı kaybı Yalıtımsız borularda ısı kaybının hesaplanması için aşağıdaki eşitlik kullanılmaktadır [6]. 57
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde Q 2.. L.( Ti T) r2 n 1 r1 1 hi. r1 K hd. r2 (10) Yalıtımlı borularda ısı kaybının hesaplanması için aşağıdaki eşitlik kullanılmaktadır [6]. Qy 2.. L.( Ti T) r2 r3 n n 1 r1 r2 1 hi. r1 K1 K2 hd. r3 (11) Isı kaybı hesabında boru içerisindeki akış durumlarına göre Nusselt eşitlikleri aşağıdaki gibidir[6]. Laminer akış için Edwards et al.,1979 ; 0,065.( D / L).Re.Pr Nu 3,66 1 0,04. ( D / L).Re.Pr 2 / 3 (12) Türbülanslı akış için colburn eşitliği [6]; Nu 0,023.Re 0,8. Pr n (13) Burada n ısıtma işlemleri için 0,4 ve soğutma işlemleri için 0,3 alınır. Ra L Gr g..( T Pr s L. 2 T). L v 3 c.pr (14) Laminer ve Türbülanslı akışlar için ısı taşınım katsayıları ( hi, ho ) Nusselt eşitliğine göre hesaplanmakta olup bu eşitlik aşağıdaki gibidir [6]. h. L k c n Nu C.( GrL.Pr) C. Ra n L (15) Nu i hi. D k h Nu o ho. D k h (16) 4. EKONOMİK ANALİZ Termoekonomik analiz ısıl sistemlerin termodinamik ve ekonomik açıdan analiz edilmesidir. Üretim maliyetinin minimize edilmesi amacıyla kullanılır. Toplam maliyet; yatırım ve işletme maliyeti olmak üzere iki bileşenden oluşmaktadır. Toplam maliyet: C t = C inv + C op (17) Eşitliğiyle hesaplanır. Burada C inv sermaye maliyeti, C op işletme maliyetidir. Birim ısıtma maliyetindeki 58
Yavuz C., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 sermaye maliyetini hesaplayabilmek için, toplam yatırım maliyetinin yıllık sermaye maliyetine dönüştürülmesi gerekir. Bu çalışmada sabit yıllık sermaye maliyeti metodu kullanılmıştır. Sermaye maliyeti: C inv CRF. C Q.8760 H (18) Eşitliğiyle hesaplanır. Burada C sistem kurulum maliyeti, Q H ısıtma gücü ve CRF sermaye geri ödeme faktörüdür. CRF aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanır; n i(1 i) CRF n (1 i) 1 (19) Burada i yıllık faiz, n sistemin çalışma süresidir. İşletme maliyeti birim ısıtma gücü için harcanan elektrik enerjisi fiyatıdır ve şöyle hesaplanır: C op C yakit. Q Q H kayip Burada C yakıt birim yakıt fiyatı, Q kayıp kaybedilen toplam enerji, Q H ısıtma gücüdür. (20) 5. SONUÇLAR Bu çalışmada belirli bir miktar ısının belirli bir uzaklığa taşınması işlemi incelenmiştir. 90/70 ºC su giriş çıkış şartları da dikkate alınarak 1000-5000 kw ısı ihtiyacı için yalıtımsız optimum boru çapı değerleri hesaplanmıştır. Tüm borulara ait yüzey pürüzlülük ve ısı iletim katsayısı değerleri ayrı ayrı işleme katılarak sonuçlar elde edilmiştir. Tüm hesaplamalarda dış ortam hava sıcaklığı -3 ºC, birim boru boyu için, boru et kalınlığı ortalama 4 mm dir. Tablo 1 deki boru türlerine ait veriler programa ayrı ayrı girilerek Tablo 2 ve Tablo 3 deki sonuçlar elde edilmiştir. Tablo 1. Bazı borulara ait pürüz yükseklikleri [6]. Boru Malzemesi Türü Pürüz yüksekliği Isı iletim katsayısı ( mm ) (W/mºC) Galvanizli demir 0,15 58 İşlenmiş demir (Siyah boru) 0,046 59 Paslanmaz çelik 0,002 15 59
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde Tablo 2. 1000-5000 kw ısı kapasitelerinde ısı nakledecek sıcak su boruları için yalıtımsız optimum boru çapı, toplam kayıp değerleri. Isı Kapasitesi Galvanizli Demir Boru İşlenmiş Demir Boru Paslanmaz Çelik Boru Optimum Çap (mm) Toplam Kayıp (W/m) Optimum Çap (mm) Toplam Kayıp (W/m) Optimum Çap (mm) Toplam Kayıp (W/m) (kw ) 1000 46 1504.75 43 1446.47 40 1331.11 1500 56 1770.69 53 1701.14 48 1565.79 2000 64 1992.66 61 1914.59 56 1761.98 2500 71 2187.11 68 2101.59 62 1934.11 3000 77 2362.23 74 2269.70 68 2089.21 3500 83 2522.48 79 2424.02 73 2231.40 4000 89 2671.11 85 2566.87 78 2363.37 4500 94 2810.31 90 2700.84 83 2487.11 5000 99 2941.67 94 2827.32 87 2603.77 Isı ihtiyacı 1000 kw için yalıtım kalınlığı değiştirilerek optimum boru çapı ve toplam kayıplar hesaplanmıştır. Tablo 3. Kapasitesi 1000 KW olan bir kazanın ısı taşıyacak sıcak su dağıtım boruları için yalıtımlı ve yalıtımsız optimum boru çapı, toplam ısı ve pompalama kaybı değerleri (90/70 ºC çalışma şartlarında). Yalıtım Kalınlığı ( cm ) Galvanizli Demir Boru İşlenmiş Demir Bo Paslanmaz çelik Boru Optimum Toplam Optimum Toplam Optimum Toplam Çap Kayıp Çap Kayıp Çap Kayıp (mm) ( W/m ) ( mm ) (W/m) (mm) (W/m) 0 46 1504.75 43 1446.47 40 1331.11 1 71 146.80 68 141.56 63 134.36 2 79 89.34 75 86.39 70 82.58 3 84 67.56 80 65.46 75 62.84 4 88 55.84 84 54.19 79 52.18 5 91 48.41 87 47.04 82 45.41 6 93 43.24 89 42.06 84 40.68 7 95 39.41 91 38.37 86 37.17 8 97 36.44 93 35.51 88 34.45 9 99 34.06 95 33.22 89 32.26 10 100 32.11 96 31.33 91 30.46 11 102 30.47 97 29.75 92 28.95 12 103 29.08 99 28.41 93 27.67 13 104 27.87 100 27.24 94 26.55 14 105 26.82 101 26.22 96 25.58 15 106 25.89 102 25.32 96 24.71 16 107 25.06 103 24.52 97 23.94 17 108 24.31 104 23.80 98 23.25 18 109 23.64 104 23.15 99 22.63 19 110 23.03 105 22.56 100 22.06 20 111 22.47 106 22.02 101 21.54 Tablolardan da görüldüğü gibi yalıtımlı ve yalıtımsız tüm durumlar için paslanmaz çelik boruların optimum çaplarda kullanımı en az kayıpla sistemin çalışmasına olanak sağlamaktadır. Boru çapının artışına bağlı olarak boru içi sürtünme kayıpları azalmakta buda pompalama kayıp gücünü azaltmaktadır. Aynı esnada boru çapının artışına bağlı olarak ısı kaybı artmaktadır. Tüm bu artış ve azalışların toplamının en küçük olduğu çap tercih edilmesi gereken optimum çaptır. Hazırlanan program aracılığıyla paslanmaz çelik borular için elde edilen verilerden oluşturulan optimum çapları ve toplam kayıpları 60
Yavuz C., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 gösteren grafik Şekil 1 deki gibidir. Pompalama ve Isı K aybıtoplamı ( Watt ). 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 Pompalama ve Isı kaybı toplamı ( Watt ) Optimum çap ( mm ) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Yalıtım kalınlığı ( cm ) 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Optimum Boru Çapı (mm). Şekil 1. Paslanmaz çelik sıcak su dağıtım borusundan ısı kaybını ez aza indirmek için yapılan yalıtımın kalınlığına göre değişen optimum boru çapı ve toplam kayıp grafiği Tablo 4. Üç boru türü için birim enerji maliyetleri ve optimum çaplar (TL/kW) Yalıtım Kalınlığı cm Siyah Boru Galvenizli Boru Paslanmaz Çelik Boru Çap Yatırım İşletme Toplam Çap Yatırım İşletme Toplam Çap Yatırım İşletme Toplam 0 43 0.000015 0.007679 0.007694 46 0.000022 0.007524 0.007546 40 0.000016 0.006656 0.006672 1 68 0.000026 0.000749 0.000775 71 0.000028 0.000734 0.000762 63 0.000029 0.000672 0.000701 2 75 0.000027 0.000455 0.000482 79 0.000053 0.000447 0.000500 70 0.000036 0.000413 0.000449 3 80 0.000029 0.000344 0.000372 84 0.000055 0.000338 0.000393 75 0.000037 0.000314 0.000351 4 84 0.000030 0.000284 0.000314 88 0.000056 0.000279 0.000335 79 0.000044 0.000261 0.000305 5 87 0.000031 0.000246 0.000277 91 0.000058 0.000242 0.000300 82 0.000045 0.000227 0.000272 6 89 0.000043 0.000220 0.000263 93 0.000059 0.000216 0.000275 84 0.000047 0.000203 0.000250 7 91 0.000045 0.000200 0.000245 95 0.000061 0.000197 0.000258 86 0.000048 0.000186 0.000234 8 93 0.000047 0.000185 0.000232 97 0.000063 0.000182 0.000245 88 0.000050 0.000172 0.000223 9 95 0.000049 0.000173 0.000221 99 0.000065 0.000170 0.000235 89 0.000055 0.000161 0.000216 10 96 0.000051 0.000163 0.000214 100 0.000067 0.000161 0.000228 91 0.000057 0.000152 0.000209 11 97 0.000053 0.000154 0.000208 102 0.000069 0.000152 0.000222 92 0.000059 0.000145 0.000204 12 99 0.000056 0.000147 0.000203 103 0.000072 0.000145 0.000217 93 0.000061 0.000138 0.000200 13 100 0.000058 0.000141 0.000199 104 0.000074 0.000139 0.000213 94 0.000064 0.000133 0.000197 14 101 0.000061 0.000136 0.000197 105 0.000077 0.000134 0.000211 96 0.000066 0.000128 0.000194 15 102 0.000063 0.000131 0.000195 106 0.000079 0.000129 0.000209 96 0.000069 0.000124 0.000192 16 103 0.000077 0.000127 0.000204 107 0.000082 0.000125 0.000208 97 0.000080 0.000120 0.000200 17 104 0.000080 0.000123 0.000204 108 0.000085 0.000122 0.000207 98 0.000083 0.000116 0.000199 18 104 0.000084 0.000120 0.000203 109 0.000088 0.000118 0.000206 99 0.000086 0.000113 0.000199 19 105 0.000087 0.000117 0.000203 110 0.000112 0.000115 0.000228 100 0.000089 0.000110 0.000199 20 106 0.000090 0.000114 0.000204 111 0.000116 0.000112 0.000228 101 0.000092 0.000108 0.000200 Yapılan ekonomik analizler sonucu elde edilen verilere ait grafikler işlenmiş boru(siyah boru) için Şekil 2. de, galvanizli boru için Şekil 3. de ve paslanmaz çelik boru için Şekil 4. de görülmektedir. 61
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde Şekil 2. Siyah boru için ekonomik analiz grafiği Siyah boru için: 73 mm çapa kadar toplam maliyet (işletme + ilk yatırım) hızla düşmektedir. Bu çaptan sonra düşüş hızı azalmaktadır. En iyi maliyet 0.000195 TL/kW ile 102 mm çapta 15 mm yalıtım kalınlığında olmaktadır. yatırım maliyeti 0.0000635 TL/kW, işletme maliyeti 0.000131 TL/kW olmaktadır. Şekil 3. Galvanizli boru için ekonomik analiz grafiği Galvanizli boru için: 71 mm çapa kadar toplam maliyet (işletme + ilk yatırım) hızla düşmektedir. Bu çaptan sonra düşüş hızı azalmaktadır. En iyi maliyet 0.000206 TL/kW ile 109 mm çapta 18 mm yalıtım kalınlığında olmaktadır. Bu durumda yatırım maliyeti 0.0000882 TL/kW, işletme maliyeti 0.0001182 TL/kW dır. Paslanmaz çelik boru için: 63 mm çapa kadar toplam maliyet (işletme + ilk yatırım) hızla düşmektedir. Bu çaptan sonra düşüş hızı azalmaktadır. En iyi maliyet 0.000192 TL/kW ile 96 mm çapta 15 mm yalıtım kalınlığında olmaktadır. Bu durumda yatırım maliyeti 0.0000688 TL/kW, işletme maliyeti, 0.000124 TL/kW dır. 62
Yavuz C., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 Şekil 4. Paslanmaz çelik boru için ekonomik analiz grafiği Paslanmaz çelik boru aynı çap için daha pahalı olmasına rağmen, pürüzlülüğü daha az olduğu için sürtünme kayıpları daha az olmaktadır. Böylece daha küçük çap kullanılmakta, bu da daha az ısı kaybı meydana getirmektedir. Yani 109 mm çapında galvanizli boru veya 102 mm çapında siyah boru yerine 96 mm çapında paslanmaz çelik boru kullanımı daha uygundur. Aynı çaplar için paslanmaz çelik boru diğer türlerden pahalı olmasına rağmen işletme maliyeti düşük çıktığı için daha ekonomik olmaktadır. Galvanizli boru pürüzlülük değeri yüksek olduğu için ekonomik olmamaktadır. 6. SONUÇ VE ÖNERİLER Günümüzde sıcak sulu ısıtma sistemlerinde boru çapı hesap ve seçimlerine yeterli özen gösterilmediği için dağıtım borularının çapları genelde kazan veya pompa giriş-çıkış çaplarına göre seçilmektedir. Ekonomik analiz yapılmadan bu tür yanlış çap seçimi de ısıtma sistemlerinin yüksek maliyetlerde çalışmasına sebep olmaktadır. Bu çalışma sonucu elde edilen tablo ve grafiklerden de görüldüğü gibi paslanmaz çelik boruların bu sisteme ait şartlardaki optimum kullanımlarında yalıtımsız durum için 40 mm çapında 133.11 kw toplam kayıp varken, 1 cm yalıtım yapılarak optimum çap 63 mm değerine çıkmış, toplam kayıp ise 13.43 kw değerine düşmüştür. 10 cm yalıtım kalınlığında ise optimum çap 93 mm değerine çıkmış, toplam kayıp ise 3.04 kw değerine düşmüştür. Program aracılığıyla son alınan 20 cm yalıtım kalınlığı değerinde ise optimum çap 101 mm değerine çıktığı, toplam kaybın ise 2.15 kw değerine düştüğü görülmüştür. Program ile elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde bu tür sistemlerde yalıtım kalınlığı artışının ısı kayıplarını azalttığı, boru çapı artışının da pompalama-basınç kayıplarını azalttığı görülmüştür. Çalışmada da vurgulandığı gibi boru çaplarının seçiminde ısı ve pompalama kayıplarının en az olduğu ısı yalıtımlı optimum boru çaplarının seçimine dikkat edilmeli, bilinçsiz çaplandırma ve kapasite seçimlerinden kaçınılmalıdır. 7. SİMGE VE KISALTMALAR c p : Özgül ısı kapasitesi (j /kg. ºC) d : Boru iç çapı (m) D : Boru çapı (m) e : Pürüz yüksekliği (m) f : Sürtünme katsayısı g : Yerçekimi ivmesi (m/s 2 ) h d : Boru dışı ısı taşınım katsayısı (W/m 2 ºC) h i : Boru içi ısı taşınım katsayısı (W/m 2 ºC) L : Boru boyu (m) 63
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64 Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde n : Nusselt sayısının hesaplanmasında kullanılan soğuma-ısı kaybı katsayısı Q : Borudaki yalıtımsız ısı kaybı (Watt) Q K : Kazan kapasitesi (Watt ) Q y : Borudaki yalıtımlı ısı kaybı (Watt) r 1 : Boru iç yarı çapı (m) r 2 : Boru dış yarı çapı (m) r 3 : Boru ısıl yalıtımı sonrası yarıçapı (m) Ra : Grashof ve Prandtl sayılarının çarpımı Re : Reynold sayısı T i : Gidiş suyu sıcaklığı (ºC) T : Dış ortam sıcaklığı (ºC) v : Boru içi su akış hızı (m/s) V W p : Pompalanacak suyun hacimsel debisi (m 3 /s) : Basınç kayıplarını yenmek için pompanın harcadığı güç (Watt) P : Basınç kaybı (N/m 2 ) : Suyun yoğunluğu (kg/m 3 ) v : Dinamik viskozite ( m 2 /s) 8. KAYNAKLAR 1. Öztürk İ.T., Karabay H., Bilgen E., 2006, Thermo-economic optimization of hot water piping systems: A comparison study, Energy 31: 2094 2107 2. Özsoysal O.A., 2004, Makina Dairesi Dizaynında Ekonomik Olarak Boru Boyutlarının Belirlenmesi Gemi Mühendisliği ve Sanayimiz Sempozyumu, Bildiriler kitapçığı, 376-371 3. İleri A., Kesim S.C., 1999, Soğutma Sistemleri İçin Optimum Boru Boyutları IV. Ulusal Tesisat mühendisliği kongresi ve sergisi, Bildiriler kitapçığı: 529-543 4. Dağsöz A.K.,1998, Sıcak sulu kalorifer tesisatı, Demirdöküm Teknik yayınları, No:6, 1.Baskı. 5. Parmaksızoğlu C., 2005, Isı Yalıtımının Amaçları ve Tesisatlarda Sıcaklık Düşmesi, İzolasyon Dergisi, sayı 53, Mayıs-Haziran. 6. Çengel Yunus A., 2008, Heat Transfer, 2nd Edition. 7. Lienhard John H., 2008, A Heat Transfer Textbook, Third edition. 8. Soğukoğlu M., 2000, Akışkanlar mekaniği, Birsen Yayınevi. 9. Ranald V.Giles,B.S.,M.S. Tercüme: Kadri ÖRENCİK 1976, Theory and problems of Fluid Mechanics and Hydraulics, Güven Yayıncılık san. Ve Tic. A.Ş. 64