SULU SİSTEMLERİN TASARIMI
SULU SİSTEMLERİN TASARIMIAhmet ARISOY
İstanbul Teknik Üniversitesi Makina Fakültesi
1972 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Makimi Fakültesi mezunudur. Doktora çalışmasını aynı yerde tamamlamış ve yine aynı yerde doçent ve daha sonra profesör Unvanı almıştır. 1972 yılından bu yana üniversitede asistan ve öğretim üyesi olarak çalışmaktadır. Tesisat konusunda çeşitli yayınları bulunmaktadır. Makina Mühendisleri Odası ve Tesisat Mühendisleri Derneği üyesidir.
ÖZET
Genel olarak sulu sistemler kapalı devre çevrimlerdir, Dolaşan su bir generatörde ısıtılır veya soğutulur. Buradan elde edilen sıcak veya soğuk su kullanıcı elemanlara gönderilir. Burada çevreye ısı vererek veya çevreden ısı alarak soğuyan veya ısınan su tekrar kazana veya su soğutucuya döndürülür.
Sulu sistemler başlangıçta tek boru üzerine seri olarak dizilmiş kullanıcı elemanlardan oluşan basit devrelerdir. Basit akış biçimi, kontrol elemanlarının olmayışı ve genellikle doğal dolaşımlı oluşları bu sistemlerin karakteristiği olmuştur. Ancak zamanla sulu sistemlerin boyutları çok büyümüş, iki borulu sistemlere geçilmiştir. Burada kullanıcılar devreye paralel bağlanmakta ve akış kontrol elemanları kullanılabilmekledir. Yüz yılı aşkın süredir kullanılan iki borulu sistemlerde, bu uzun tecrübeye rağmen, hala taşınan akışkanın ve dolayısı ile ısı enerjisinin kullanıcılara en uygun bir hiçimde dağılımı problem olmakta ve bu konuda hatalar yapılmaktadır. Bu bildiride temel prensipler üzerinde durulacak ve çeşitli sulu sistem çözümleri anlatılarak tartışılacaktır. Bu çerçeve içinde sulu sistemlerde basınç dağılımı birinci bölümü oluşturacaktır. İkinci bölümde pompaların yerleşimi; seri, paralel ve değişken debili pompalama üzerinde durulacaktır. Üçüncü bölüm dağıtım sistemlerine ayrılmıştır. Bu bölümde paralel çift borulu ve Tischelman sistemleri; sabit ve değişken debili pompalama sistemleri; primer-sekonder devre dağıtım sistemleri üzerinde durulacaktır.
Son Cevap: marlo
Sulu sistemler tesisat mühendisliğinin temel çözümlerinden biridir. Gerek ısınma ve soğutma, gerekse sıhhi tesisatla sulu sistemler hemen her tesisat mühendisi tarafından kullanılsa da; uygulamada ve projelerde karşılaşılan yanlışlıklar, konunun temel bilgilerinde çoğu kişide eksiklikler olduğu kanaatini doğurmaktadır. Bu bildiride sulu sistemlerde uygulamaya dönük bazı temel kavramlar tartışılacaktır. Her şeyden önce sulu sistemlerin boyutlandırılmasında esas olan ana kriterler ve sistemin tasarımında esas olan prensipler üzerinde durulmalıdır. Sulu sistemlerin boyutlandırılmasında ana kriter ekonomidir. Eğer boru çaplan büyük seçilirse ilk yatırım maliyetleri arlar. Buna karşılık basınç kayıpları azaldığından suyun dolaşımı için gerekli pompalama gücü azalır. Dolayısı ile işletme maliyetleri azalır. Optimum çözüm toplama maliyeti minimum yapan boyuttur. Optimum çözümler çoğu zaman standardlar tarafından empoze edilirler. Bu optimum çözümle beraber başka kriterlerin de sağlandığının belirlenmesi gerekir. En önemli sınırlayıcı iki kriter ses ve boru aşınması ile ilgilidir. Boru içinde su akışı eğer su içinde hava veya buhar kabarcığı yoksa çok sessizdir. Örneğin içindeki hava iyice alınan kaynar su sistemlerinde 4,5-5 m/s hızlara kadar rahatlıkla çıkılabilir veya soğutulmuş su sistemlerinde hızlar ses problemi olmaksızın yüksek olabilir. Ses aynı zamanda erozyonla da iç içedir. Sistemde hava varsa, yüksek hızlarda bu aynı zamanda erozyon problemi de yaratacaktır.
Tasarımda esas olan prensip ise sistemde dirençlerin dengelenmesidir. Sistemde paralel olarak oluşturulan kolların her birinde bütün çalışma şartlarında başlangıçta belirlenen debiler geçmelidir. Pratik sistemlerin başarısı bu temel prensibe ne kadar yaklaşıldığına bağlıdır. Bu temel sorunun yanında sistemden havanın tahliyesi, basınç darbeleri, korozyon ve işletme ekonomisi gibi pek çok diğer problemin de alınacak önlemlerle çözülmesi gerekir.
Bu bildiri çerçevesinde sadece kapalı su devreleri üzerinde durulacaktır. Su devresi atmosfere açık veya kapalı olabilir. Ancak su alt bir seviyeden, yüksekteki bir seviyeye basılmamaktadır. Sadece devrede dolaştırılmaktadır. Dolayısı ile bu sistemde kullanılan pompalara dolaşım veya sirkülasyon pompası adı verilmektedir. Dolaşım pompası sadece devrede suyun dolaşım sırasında ortaya çıkan sürtünme kaybı, yerel kayıp gibi dinamik yükleri karşılar. Su hareketi azaldıkça bu yükte azalır. Kapalı devrelerde pompa için göz önüne alınması gerekli statik yük sadece sıcaklık farkı dolayısı ile ortaya çıkan yoğunluk farkından kaynaklanır. Bu değer kayıp veya kazanç yönde etkili olabilir ve çoğu zaman pompalı devrelerde ihmal edilir.
Sulu sistemlerdeki basınç ilişkisi Bernoulli denklemi ile verilir ki aslında bu enerjinin korunumu denklemidir. Bernoulli denklemi;
ile gösterilebilir. Burada ilk terim sürtünme kaybını, ikinci terim yerel kayıpları ve son terim düşey doğrultuda yoğunluk farkının doğurduğu kaldırma kuvvetini ifade etmektedir.
Görüldüğü gibi aynı kotta olan ve pompa çalışmazken aynı statik basınçta olan 1, 2, 3, 4, 5 noktaları arasında, pompa çalışmaya başlayınca basınç farkları oluşmaktadır. Pompanın sağladığı basınç, 1'den 5'e boru hattında sürtünmelerle kaydedilmektedir. Sonuçta 1'den 0'a kadar devrede hep azalan eğimle ilerlemekte ve O'da kapanmaktadır. Ayrıca aynı noktalara bağlı paralel kollarda meydana gelen basınç düşümleri birbirine eşittir. Örneğin 4, 22, 23, 24, 12 hattı ile 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 hattında eşit basınç düşümü vardır. Bu kendiliğinden oluşan bir dengedir. Bu dengenin oluşumu için her iki koldaki su debileri kendilerini ayarlar. Dolayısı ile bu kollardan herhangi birinde olacak direnç değişimi diğer kollardaki debilerin değişmesine neden olur. İşte sulu sistem tasarımında en önemli problem bu debi değişimlerinin kontrolüdür.
Şekil 2'de aynı sistemin 2 yollu kontrol vanalarını kısılması suretiyle debisinin yarıya inmesi durumunda basınç diyagramı verilmiştir. Bu durumda sabit devirli pompada debi alırken, basma yüksekliği biraz artmakta, buna karşılık kullanım yerlerinde basınç düşümü esas 2 yollu kontrol vanalarında meydana gelmektedir. Debi düşmesi nedeniyle borudaki ve ısıtıcılardaki basınç kayıpları azalmıştır.
Pompalar sulu sistemlerin kalbidir. Dolayısı ile sistem dizaynının en önemli bölümünü pompaların seçimi ve yerleşimi oluşturur. Her şeyden önce günümüzde pompanın yeri kazanlardan veya soğutma gruplarından sonra olmalıdır. Genleşme kaybı kazan veya soğutma grubu dönüş hattında olduğundan bu durumda bütün boru sistemi basınç altındadır. Bu özellikle sıcak sulu ısıtma devrelerinde önem kazanır.
Santrifüj dolaşım pompalarında bilinmesi gereken aşağıdaki genel özellikler geçerlidir:
a. Pompa debisi pompa devir sayısı ile orantılıdır.
b. Pompa basma yüksekliği pompa devir sayısının karesi ile orantılıdır.
c. Pompanın çektiği güç pompa devir sayısının kübü ile orantılıdır.
Örneğin bir pompanın devir sayısı % 50 azaltılırsa, pompaladığı su % 50 oranında azalırken, basma yüksekliği orijinal değerin % 25'ine, güç ihtiyacı ise orijinal değerin % 12,5'una iner.
Pompa karakteristiği denilen kapasiteye karşılık pompa basıncının değişimi, sirkülasyon pompalarında geniş bir aralıkta meydana gelir. Dolayısı ile bir dolaşım pompası çok geniş bir aralıkta çalışabilir. Şekil 3'te örnek bir pompa karakteristiği verilmiştir. Bu eğri üzerinde pompa verim değerleri de işaretlenmiştir. Sıcak sulu ısıtma sistemi devresi için aynı eksen takımında sistemin karakteristiği çizildiğinde yine Şekil 3'teki sistem eğrisine benzer bir eğri elde edilir. Bu iki eğrinin kesim noktası, (A) çalışına noktasıdır. Sistem karakterinin değişmesi (örneğin bir motorlu vananın kısılması) veya pompa karakterinin değişmesi (Örneğin pompa devir sayısının azalması) halinde çalışma noktası da (sırası ile B ve C noktalan) değişecektir. Pompalar çalışma noktalan pompa eğrisinin maksimum verim bölgesinde olacak şekilde seçilmelidir.
Şekil 4'te değişken devirli bir pompanın % 100, % 90, % 75 ve % 55 hızdaki karakteristik eğrileri verilmiştir. Aynı şekilde sıcak sulu ısıtma yapılan kampus tipi bir uygulamada primer devre sistem eğrisi de görülmektedir. Isıtma ihtiyacı dış sıcaklığa bağlı olarak azaldıkça 2 yollu kontrol vanaları kısılarak debiyi azaltmakta, buna bağlı olarak pompanın devri de azalarak gerekli olacak kadar debi sağlamaktadır. Devir azaldıkça çalışma noktası sistem eğrisi boyunca aşağı kaymakta, kapasite azalırken paralel olarak çekilen güç de azalmaktadır. Bu durumda değişken devirli pompa sistem eğrisine mükemmel uymakta ve sabit devirli bir pompaya göre büyük enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Halbuki klasik sabit devirli sulu sistemlerde 3 yollu vanalarla ısıtma kontrolü yapılır. Primer devrede debi sürekli sabit kalırken, ısıtıcılardan dolaştırılan akışkanın sıcaklığı değiştirilir. Her iki sistemde de ısıtma aynı mükemmellikte kontrol edilirken, değişken debili sistemde aynı zamanda pompalama gücünden tasarruf sağlanmaktadır. Özellikle son yıllarda değişken devirli pompa fiyatları hızla düşerek makul değerlere gelirken, enerji maliyetlerinin yükselmesi bu pompaların daha fazla kullanılmasına yol açmıştır. Eğilim önümüzdeki yıllarda bu pompaların daha yaygın kullanılması yönündedir. Örneğin Almanya'da 50 kW gücün üstünde domestik ısıtma sistemlerinde bile sabit devirli veya elle ayarlanabilen kademeli devirli pompaların kullanımı 1.1.1996'da yasaklanmıştır. Hiç olmazsa 3 kademeli otomatik devir ayarlı pompa kullanımı istenmektedir. Yine Almanya için verilen rakamlara göre sabit devirli dolaşım pompalarının değişken devirli hale getirilmesi durumunda yıllık 2,5 milyar kWh elektrik enerjisi tasarrufu yapılabilecektir. Sabit devirli pompa aslında omurunun sadece % 2-5'inde tam kapasitede çalışmak zorundadır. Geri kalan zamanlarda hep düşük kapasite talebi vardır.
Soğutma gruplarında suyun dolaşımı aynı primer devre pompası ile gerçekleştiğinden, grubun direnci her kapasitede sürekli var olacaktır. Sonuç olarak değişken debi karakteristiği sadece ana dağıtım devresi için geçerlidir ve bu devrede toplam devre direncinin ancak yansına eşit olduğundan kapasite değişimi ile pompanın karşıladığı dirençte değişim azdır ve kapasite azaldıkça sıfıra gitmez. Bu durumda görüldüğü gibi değişken debili pompa çok fazla karlı değildir. Sistem karakteristiği nedeniyle pompa devir hızı belirli bir değerin altına inemez.
Soğutulmuş su sistemlerinde değişken debili pompalar ancak çok büyük kampus tipi uygulamalarda primer ana dağıtım devrelerinde kullanılabilir veya primer-sekonder devreli sistemlerde sekonder dağıtım devresinde kullanılabilir.
Sonuç olarak değişken debili sistemlerin uygulanmasında sistem karakteristiği mutlaka göz önüne alınmalı ve karakteristik uygunsa kullanılmalıdır. Aksi halde yatırım boşa gitmiş olacaktır.
Değişken devirli pompaların ekonomik yararlan yanında iki önemli fayda bulunmaktadır : 1. Tesisattaki kontrol karakteristiğine bağlı olmakla birlikte, yüke bağlı olarak debi düştükçe ses ve titreşim problemleri de hızla azalır. Sistem daha yüksek bir konfora ulaşır. 2. Hidrolik devredeki dengenin (kapasite kontrolü cinsine bağlı olmakta birlikte) yük değişimini en aza indirilmiştir.
- Gidiş veya dönüş suyu sıcaklıkları
- Gidiş-dönüş suyu sıcaklık farkı
- Gidiş veya dönüş suyu basınçları
- Gidiş-dönüş suyu basınç farkı
- Çevre sıcaklığı
- Zaman
olabilir. Dolayısı ile sistem; kontrol edilecek büyüklüğü uygun bir sıcaklık veya basınç sensörü, frekans konvertörü ve pompa-motor grubundan oluşmaktadır. Kuru rotorlu santrifüj pompalarda genellikle devir hızı ayarında kullanılan sensör ve konvertörler ayrı birimler halindedir. Yeni nesil ıslak rotorlu dolaşım pompalarında ise bütün sistem pompaya entegre vaziyetledir.
Kullanılan kontrol cihazları isteğe bağlı olarak birden fazla pompaya kumanda edebilmekte, bunları sıra ile devreye alabilmekte ve çalışına noktasını serbest olarak belirleyebilmektedirler.
Değişken devirli pompalarda kapasite hiç bir zaman % 0'a kadar indirilemez. Pratikte değişken devirli pompalarda kapasite % 100-% 40 arasında değişebilmektedir.
POMPALARIN PARALEL BAĞLANMASI
Pompalar paralel bağlandığında toplam debi pompaların her birinin aynı basma yüksekliğindeki debilerinin toplamına eşittir. Şekil 5 üç eşit pompanın paralel bağlanması halindeki tipik çalışmasını göstermektedir. Pompalar yükü kendi basınç-debi karakteristiklerine göre paylaşmaktadırlar. Kararlı bir çalışma için çalışma noktasını net olarak belirlenebilmesi gerekir. Bu nedene pompa karakteristiklerinin orta derecede dik olması gerekir. Düz karakterli pompaların paralel çalışması halinde yük paylaşım noktalarının kayması eğilimi ortaya çıkar. Çok dik karakterli pompalarda ise kararsızlık oluşabilir.
