Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde Boru Çaplarının Termoekonomik

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
*
[email protected]
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 m2 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
V  
A  .d 2
4
(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<2300 Laminer akış, Re>2300 Türbülanslı akış
Re 
(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].
 /D
1
2.51
 2.0 log


f
 3.7 Re f




(6)
Yukarıdaki formül düzenlendiğinde f sürtünme katsayısı aşağıdaki gibi elde edilir.
f
1
2

 6.9   / D 1.11 

 
1.8 log10   
 Re  3.7  

(7)
Sürtünmelerden dolayı meydana gelen basınç kaybı[6 ve 9].
L  .V
P  f . .
D 2
2
(8)
Sürtünmeye harcanan pompalama gücü;
Wp  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
Q
Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde…
2. .L.(Ti  T)
r2
n
1
r1  1

hi.r1
K
hd .r 2
(10)
Yalıtımlı borularda ısı kaybının hesaplanması için aşağıdaki eşitlik kullanılmaktadır [6].
Qy 
2. .L.(Ti  T)
r2
r3
n
n
1
1
 r1  r 2 
hi.r1
K1
K 2 hd .r 3
(11)
Isı kaybı hesabında boru içerisindeki akış durumlarına göre Nusselt eşitlikleri aşağıdaki gibidir[6].
Laminer akış için Edwards et al.,1979 ;
Nu  3,66 
0,065.( D / L). Re . Pr
2/3
1  0,04.( D / L). Re . Pr 
(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.
3
RaL  GrL . Pr 
g. .(Ts  T ).Lc
. Pr
v2
(14)
Laminer ve Türbülanslı akışlar için ısı taşınım katsayıları ( hi, ho ) Nusselt eşitliğine göre hesaplanmakta
olup bu eşitlik aşağıdaki gibidir [6].
Nu 
Nui 
h.Lc
n
 C .(GrL . Pr) n  C.Ra L
k
(15)
hi .Dh
k
(16)
Nuo 
ho .Dh
k
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: Ct = Cinv + Cop
(17)
Eşitliğiyle hesaplanır. Burada Cinv sermaye maliyeti, Cop 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:
Cinv 
CRF .C
QH .8760
(18)
Eşitliğiyle hesaplanır. Burada C sistem kurulum maliyeti, QH ısıtma gücü ve CRF sermaye geri ödeme
faktörüdür. CRF aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanır;
 i(1  i) n 
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:
Cop 
C yakit .Q kayip
QH
(20)
Burada Cyakıt birim yakıt fiyatı, Qkayıp kaybedilen toplam enerji, QH ısıtma gücüdür.
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
Galvanizli demir
İşlenmiş demir (Siyah boru)
Paslanmaz çelik
Pürüz yüksekliği
 ( mm )
0,15
0,046
0,002
59
Isı iletim katsayısı
(W/mºC)
58
59
15
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
(kW )
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
Galvanizli Demir Boru
İşlenmiş Demir Boru
Paslanmaz Çelik Boru
Optimum
Çap
(mm)
46
56
64
71
77
83
89
94
99
Optimum
Çap
(mm)
43
53
61
68
74
79
85
90
94
Optimum
Çap
(mm)
40
48
56
62
68
73
78
83
87
Toplam
Kayıp
(W/m)
1504.75
1770.69
1992.66
2187.11
2362.23
2522.48
2671.11
2810.31
2941.67
Toplam
Kayıp
(W/m)
1446.47
1701.14
1914.59
2101.59
2269.70
2424.02
2566.87
2700.84
2827.32
Toplam
Kayıp
(W/m)
1331.11
1565.79
1761.98
1934.11
2089.21
2231.40
2363.37
2487.11
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 )
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Galvanizli Demir Boru
Optimum Toplam
Çap
Kayıp
(mm)
( W/m )
46
1504.75
71
146.80
79
89.34
84
67.56
88
55.84
91
48.41
93
43.24
95
39.41
97
36.44
99
34.06
100
32.11
102
30.47
103
29.08
104
27.87
105
26.82
106
25.89
107
25.06
108
24.31
109
23.64
110
23.03
111
22.47
İşlenmiş Demir Bo
Optimum Toplam
Çap
Kayıp
( mm )
(W/m)
43
1446.47
68
141.56
75
86.39
80
65.46
84
54.19
87
47.04
89
42.06
91
38.37
93
35.51
95
33.22
96
31.33
97
29.75
99
28.41
100
27.24
101
26.22
102
25.32
103
24.52
104
23.80
104
23.15
105
22.56
106
22.02
Paslanmaz çelik Boru
Optimum Toplam
Çap
Kayıp
(mm)
(W/m)
40
1331.11
63
134.36
70
82.58
75
62.84
79
52.18
82
45.41
84
40.68
86
37.17
88
34.45
89
32.26
91
30.46
92
28.95
93
27.67
94
26.55
96
25.58
96
24.71
97
23.94
98
23.25
99
22.63
100
22.06
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.
Optimum çap ( mm )
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
14000
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
Optimum Bo ru Çapı (mm) .
Pompalam a ve Isı K aybıToplam ı ( Watt ) .
Pompalama ve Isı kaybı toplamı ( Watt )
16000
20
Yalıtım kalınlığı ( cm )
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
Siyah Boru
Kalınlığı
cm
Yatırım
0.000015
0.000026
0.000027
0.000029
0.000030
0.000031
0.000043
0.000045
0.000047
0.000049
0.000051
0.000053
0.000056
0.000058
Galvenizli Boru
İşletme
0.007679
0.000749
0.000455
0.000344
0.000284
0.000246
0.000220
0.000200
0.000185
0.000173
0.000163
0.000154
0.000147
0.000141
Toplam
0.007694
0.000775
0.000482
0.000372
0.000314
0.000277
0.000263
0.000245
0.000232
0.000221
0.000214
0.000208
0.000203
0.000199
Çap
46
71
79
84
88
91
93
95
97
99
100
102
103
104
Yatırım
0.000022
0.000028
0.000053
0.000055
0.000056
0.000058
0.000059
0.000061
0.000063
0.000065
0.000067
0.000069
0.000072
0.000074
Paslanmaz Çelik Boru
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Çap
43
68
75
80
84
87
89
91
93
95
96
97
99
100
İşletme
0.007524
0.000734
0.000447
0.000338
0.000279
0.000242
0.000216
0.000197
0.000182
0.000170
0.000161
0.000152
0.000145
0.000139
Toplam
0.007546
0.000762
0.000500
0.000393
0.000335
0.000300
0.000275
0.000258
0.000245
0.000235
0.000228
0.000222
0.000217
0.000213
Çap
40
63
70
75
79
82
84
86
88
89
91
92
93
94
Yatırım
0.000016
0.000029
0.000036
0.000037
0.000044
0.000045
0.000047
0.000048
0.000050
0.000055
0.000057
0.000059
0.000061
0.000064
İşletme
0.006656
0.000672
0.000413
0.000314
0.000261
0.000227
0.000203
0.000186
0.000172
0.000161
0.000152
0.000145
0.000138
0.000133
Toplam
0.006672
0.000701
0.000449
0.000351
0.000305
0.000272
0.000250
0.000234
0.000223
0.000216
0.000209
0.000204
0.000200
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
cp
d
D
e
f
g
hd
hi
L
: Özgül ısı kapasitesi (j /kg. ºC)
: Boru iç çapı (m)
: Boru çapı (m)
: Pürüz yüksekliği (m)
: Sürtünme katsayısı
: Yerçekimi ivmesi (m/s2)
: Boru dışı ısı taşınım katsayısı (W/m2 ºC)
2
: Boru içi ısı taşınım katsayısı (W/m ºC)
: Boru boyu (m)
63
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2011 (8) 53-64
n
Q
QK
Qy
r1
r2
r3
Ra
Re
Ti
T∞
v
Sıcak Sulu Isıtma Sistemlerinde…
: Nusselt sayısının hesaplanmasında kullanılan soğuma-ısı kaybı katsayısı
: Borudaki yalıtımsız ısı kaybı (Watt)
: Kazan kapasitesi (Watt )
: Borudaki yalıtımlı ısı kaybı (Watt)
: Boru iç yarı çapı (m)
: Boru dış yarı çapı (m)
: Boru ısıl yalıtımı sonrası yarıçapı (m)
: Grashof ve Prandtl sayılarının çarpımı
: Reynold sayısı
: Gidiş suyu sıcaklığı (ºC)
: Dış ortam sıcaklığı (ºC)
: Boru içi su akış hızı (m/s)

V
Wp
P

v
: Pompalanacak suyun hacimsel debisi (m3/s)
: Basınç kayıplarını yenmek için pompanın harcadığı güç (Watt)
: Basınç kaybı (N/m2)
: Suyun yoğunluğu (kg/m3)
: Dinamik viskozite ( m2/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