Chiller boru çapı ve debi hesabı: 5 K ΔT neden standart?

Chiller devresinde debi, ısı yükünün sıcaklık farkına bölünmesiyle bulunur. kcal/h ile çalışırken debi, kapasitenin 1.000 çarpı ΔT değerine bölümüdür; 5 K rejiminde kcal/h değerini 5.000'e bölmek yeterlidir. Boru çapı bu debiyi 1,0 ile 2,5 m/s bandında geçirecek şekilde seçilir. Uzun hatlarda bandın alt yarısı tercih edilir, çünkü basınç kaybı kabaca çapın beşinci kuvvetiyle ters orantılıdır.

Bir su soğutma grubunun kapasitesini doğru seçmek işin yarısıdır. Diğer yarısı, o kapasiteyi prosese taşıyacak devrededir: kaç m³/h su dolaşacak, hangi çapta boruyla, ne kadar basınç kaybıyla. "Chiller yetmiyor" diye çağrıldığımız işlerin azımsanmayacak bir kısmında makine değil, hat sorunludur.

Bu üç büyüklük birbirine kilitlidir. Isı yükü ile sıcaklık farkı debiyi belirler, debi ile boru kesiti akış hızını belirler, akış hızı ile hat uzunluğu basınç kaybını belirler, basınç kaybı da pompanın basması gereken yüksekliği. Zincirin herhangi bir halkasını keyfî seçerseniz diğerleri sizin yerinize karar verir.

Kapasitenin kendisi ayrı bir hesap; onu kapasite hesabı sayfasında ayrıntılı ele aldık. Aşağıdaki zincir, ısı yükünün ölçülmüş olduğu yerden başlıyor.

Chiller devresinde ΔT neden 5 K seçilir?

Katalog kapasitelerinin altında hemen her zaman 12/7 °C yazar: su prosesten 12 °C dönüyor, cihazdan 7 °C çıkıyor. Aradaki 5 K fizikten gelen bir zorunluluk değil, üç ayrı baskının ortasında bulunmuş bir denge noktasıdır.

Birinci baskı devrenin maliyetidir. Aynı ısı yükünü daha küçük bir sıcaklık farkıyla taşımak için daha çok su dolaştırmanız gerekir; su arttıkça boru büyür, pompa büyür, kayıp büyür. ΔT'yi 5 K'den 10 K'ye çıkarırsanız debi yarıya iner ve hat çoğu zaman bir iki ölçü küçülür.

İkinci baskı prosesten gelir. Su kalıptan ya da ceketten geçerken 10 K ısınıyorsa, o parçanın giriş tarafı ile çıkış tarafı arasında 10 K'lik bir sıcaklık farkı oturur. Aynı kalıbın iki ucu farklı sıcaklıkta çalışır; plastikte çarpılma, kaplamada banyo düzensizliği, baskıda renk kayması buradan doğar. Enjeksiyon kalıbı soğutmasında 3–4 K'lik farkların tercih edilmesinin sebebi budur.

Üçüncü baskı evaporatör tarafındadır. Debiyi düşürerek ΔT büyütmek, eşanjör içindeki su hızını da düşürür; ısı transferi zayıflar ve donma marjı daralır. Üreticiler bu yüzden bir alt debi sınırı verir. ΔT'yi büyütme hevesi pratikte çoğu zaman önce bu sınıra çarpar.

5 K, üç baskıyı da kabul edilebilir bölgede tutan değer olduğu için yerleşti. KPLN serisinin kcal/h değerleri de bu noktaya, yani 12/7 °C su rejimi ve 35 °C ortam sıcaklığına göre verilir. Su daha soğuk istenirse ya da ortam 35 °C'nin üzerine çıkarsa kapasite bu değerin altına düşer.

Debi hesabı: Q = m × c × ΔT'yi doğru yönde kullanmak

Q = m × c × ΔT
Q: ısı yükü · m: kütlesel debi · c: suyun özgül ısısı · ΔT: gidiş ile dönüş arasındaki sıcaklık farkı

kcal/h ile çalışırken suyun özgül ısısı 1 kcal/kg·K olduğu için hesap sadeleşir: m = Q ÷ ΔT. Bir metreküp su yaklaşık 1.000 kg geldiğine göre pratik hali şudur:

Debi (m³/h) = ısı yükü (kcal/h) ÷ (1.000 × ΔT)

5 K için bu, kcal/h değerini 5.000'e bölmekten ibarettir. 100.000 kcal/h'lik bir yük 20,0 m³/h ister, 172.000 kcal/h'lik bir yük 34,4 m³/h. kW ile çalışıyorsanız c = 4,18 kJ/kg·K alıp saniyelik debiye geçmeniz gerekir; birimler arasında gidip gelmek için kcal/h – kW – TR dönüşümü sayfasına bakabilirsiniz.

Formül ters yönde de çalışır ve sahada asıl işe yarayan kullanımı budur. Mevcut bir hatta debiyi ölçüp gidiş ve dönüş sıcaklıklarını okursanız, prosesin gerçekten ne kadar ısı attığını bulursunuz. Makine etiketlerinin toplanmasıyla çıkarılmış yük tahminleri bu ölçümle sınandığında genellikle değişir.

Soğutma suyu borusunda akış hızı kaç m/s olmalı?

Debiyi bulduktan sonra çap seçimi tek bir soruya iner: bu debi hangi kesitten, hangi hızla geçsin? Hız, hacimsel debinin kesit alanına bölümüdür; kesit alanı da A = π × d² ÷ 4.

Çelik proses hatlarında sektörde genel kabul gören bant 1,0–2,5 m/s arasıdır. Alt sınırın altına inmek hattaki havanın süpürülmesini zorlaştırır ve yüksek noktalarda hava cebi bırakır; üst sınırın üstüne çıkmak gürültü, titreşim ve uzun vadede erozyon getirir. Ne var ki bu bandı tek başına kullanmak yanıltıcıdır, çünkü aynı hızda ince boru çok daha fazla basınç kaybeder.

Aşağıdaki tablo yedi çapı aynı hızda, 1,5 m/s'de karşılaştırıyor. Değerler bir süre kullanılmış çelik boru (pürüzlülük 0,1 mm) ve 10 °C su içindir. Son sütundaki mSS, metre su sütunu demektir; 1 mSS yaklaşık 9.810 Pa eder ve pompa eğrileri bu birimle çizildiği için kayıpları buraya çevirmek işi kolaylaştırır.

Anma çapı	Yaklaşık iç çap (mm)	1,5 m/s'de debi (m³/h)	Basınç kaybı (Pa/m)	100 m hatta karşılığı (mSS)
DN40	41,8	7,4	750	7,6
DN50	53,0	11,9	550	5,6
DN65	68,8	20,1	400	4,1
DN80	80,8	27,7	325	3,3
DN100	105,3	47,0	235	2,4
DN125	130,0	71,7	180	1,8
DN150	155,4	102,4	145	1,5

Tablonun söylediği şu: hız sabit tutulsa bile metre başına kayıp DN40'ta DN150'nin beş katıdır. Bu yüzden kural iki katmanlı işler. Otuz kırk metreyi geçmeyen kısa hatlarda bandın üst yarısında kalabilirsiniz; yüz metreyi aşan hatlarda 1,0–1,5 m/s aralığı çok daha ucuza gelir. Hız değil, toplam kayıp karar verdirir.

Çapı gereğinden büyük seçmek de bedava değildir. Boru, yalıtım ve askı maliyeti çapla birlikte tırmanır; kolektör, vana ve pislik tutucu ölçüleri onunla beraber büyür. Devrenin su hacmi de artar — bu termal atalet açısından işe yarar, ama sistemin ayar noktasına oturma süresini uzatır. Doğru çap, bandın içinde kalan en küçük çaptır.

Basınç kaybı çapla nasıl değişir?

Sürtünme kaybı akış hızının karesiyle artar ve çapla ters orantılıdır. Debi sabitken hız da çapın karesiyle ters orantılı olduğundan iki etki üst üste biner: kayıp, kabaca çapın beşinci kuvvetiyle ters orantılı hale gelir. Sahadaki karşılığı nettir — boruyu bir ölçü küçültmek metre başına kaybı iki ila dört katına, iki ölçü küçültmek sekiz kat civarına çıkarır.

Toplam kayıpta düz boru tek kalem değildir. Dirsekler, T bağlantılar, vanalar, pislik tutucu ve kolektör de pay ister. Ayrıntılı hesapta bunların her biri eşdeğer boru uzunluğuna çevrilir; hızlı boyutlandırmada düz boru kaybının üzerine %30–50 eklemek yaygın bir yaklaşımdır. Devrede glikol varsa viskozite yükseldiği için aynı debide kayıp bir miktar daha büyür; oranın nasıl seçileceğini ve devreye getirdiği yükü glikol kullanımı sayfasında ayrıca ele aldık.

Bir noktayı da ayrıca söylemek gerekiyor, çünkü sıkça karıştırılıyor: kapalı bir devrede binanın yüksekliği pompa yüküne eklenmez. Su yukarı çıkarken harcadığı yüksekliği aşağı inerken geri kazanır, pompanın yenmesi gereken tek şey sürtünmedir. Statik yükseklik yalnızca açık devrelerde, örneğin üstte açık bir depo varsa hesaba girer. Kapalı devrede kaçıncı kata çıktığınız pompa seçimini değil, sistemin doldurma basıncını ve genleşme deposunu ilgilendirir.

Sayısal örnek: 100.000 kcal/h'lik devrede çap ve pompa yükü

Atölyenin ölçülmüş ısı yükü 100.000 kcal/h. Bu yükü KPLN 125.2 karşılıyor; iki kompresörlü, hava soğutmalı bir grup ve kapasitesi 12/7 °C su ile 35 °C ortam noktası için geçerli. Chiller ile kolektör arası tek yön 60 metre, yani gidiş ve dönüş toplamı 120 metre düz boru.

Adım 1 — debi. ΔT = 5 K için m = 100.000 ÷ (1 × 5) = 20.000 kg/h. Su yoğunluğu 1.000 kg/m³ alınırsa 20,0 m³/h, saniyelik karşılığı 20,0 ÷ 3.600 = 0,00556 m³/s.

Adım 2 — üç çap adayının hızı. Kesit alanları sırasıyla 0,00221 m², 0,00372 m² ve 0,00513 m². Saniyelik debiyi bu alanlara böldüğümüzde tablo şöyle çıkıyor:

Çap	Hız (m/s)	Basınç kaybı (Pa/m)	120 m düz boruda (mSS)	Karar
DN50	2,52	1.495	18,3	Hız bandın üst sınırını aşıyor, kayıp kabul edilemez
DN65	1,49	395	4,8	Bandın ortası, bu hat için doğru seçim
DN80	1,08	175	2,1	Hat daha uzasa ya da kapasite artacaksa

Adım 3 — yerel kayıplar. DN65 için düz boru kaybı 4,8 mSS. Dirsek, vana, pislik tutucu ve kolektör payı olarak %40 eklendiğinde 4,8 × 1,4 ≈ 6,8 mSS.

Adım 4 — proses tarafı. Kalıp devreleri, kolektör ve varsa ara eşanjörün 20,0 m³/h'te ürettiği kayıp ekipman verilerinden ya da ölçümle alınır. Bu örnekte 12 mSS kabul edelim. Devrenin toplam ihtiyacı 6,8 + 12 = 18,8 mSS olur. Pompanın 20,0 m³/h debide bu yüksekliği basabildiğini eğrisinden doğrulamak gerekir.

Adım 5 — DN50 seçilseydi. Aynı hat DN50 çekilirse düz boru kaybı 18,3 mSS, yerel paylarla 25,6 mSS, toplam ihtiyaç 37,6 mSS'ye çıkar. Yaklaşık iki katı. Hidrolik güce çevirirsek DN65'te 1.000 × 9,81 × 0,00556 × 18,8 ≈ 1.025 W, yani 1,02 kW; DN50'de aynı hesap 2.049 W, yani 2,05 kW veriyor. Mil gücündeki fark, pompa verimi de işin içine girdiği için daha da açılır. Sürekli çalışan bir tesiste bu, yıllık tüketimde binlerce kilovatsaate karşılık gelir ve borudan kazanılan parayı kısa sürede geri alır.

Boru çapı küçük seçilirse ne olur?

Sahada en sık gördüğüm kurgu hatası, hattın chiller üzerindeki bağlantı ağzıyla aynı çapta başlayıp o çapla proses tarafına kadar gitmesidir. Bir chiller'ın su bağlantısı, gövde içindeki yarım metrelik mesafe için yeterli olacak şekilde seçilir; sizin altmış metrelik tesis hattınız için değil. Çapa hattın uzunluğuna bakarak karar verilir, makinenin ağzına bakarak değil.

İkincisi dönüş hattında görülür. "Dönüş suyu zaten sıcak, orada kayıp önemli değil" düşüncesiyle dönüş bir ölçü küçük çekilir. Oysa dönüşten geçen debi gidişle birebir aynıdır ve kaybı da aynı ölçüde büyür. Kapalı devrede iki hat tek bir devredir.

Üçüncüsü kolektörden sonra ortaya çıkar: her makineye giden branşman düzgün seçilmiştir ama hepsini besleyen ana hat eski kapasiteye göre kalmıştır. Sonradan iki makine daha eklendiğinde toplam debi ana hattın taşıyabileceğinin üzerine çıkar ve en uçtaki makine payını alamaz.

Üç hatanın sonuç zinciri aynı işler. Pompa kendi eğrisi üzerinde sola kayar, debi düşer. Isı yükü değişmediğine göre sıcaklık farkı büyür: 20,0 m³/h yerine 14,0 m³/h dolaşan bir devrede ΔT 5 K'den 100.000 ÷ 14.000 = 7,1 K'ye çıkar. Chiller çıkışı hâlâ 7 °C'yi tutuyor olabilir, ama kalıp çıkışındaki su artık 12 °C değil 14,1 °C'dir. Panele bakan operatör her şeyin yolunda olduğunu görür; üretim tarafında çevrim süresi uzar ve parçalar arasındaki fark açılır.

Debi daha da düşerse evaporatörde alçak basınç arızaları ve donma korumaları devreye girmeye başlar. Belirtilerin nasıl ayrıştırılacağını arıza rehberinde anlattık. Cihaz suçlu görünür, oysa sorun boruda başlamıştır.

Devreye almadan önce doğrulanacak beş şey

1. Isı yükünü mümkünse ölçümle doğrulayın; debi doğrudan buradan çıkar ve yanlış yük bütün hattı yanlış yapar.
2. Hat uzunluğunu gidiş ve dönüşün toplamı olarak alın. Kat geçişleri, şaft yükselmeleri ve makine etrafındaki dolanmalar kâğıt üzerindeki mesafeyi kolayca ikiye katlar.
3. Çapı seçtikten sonra hızı geri hesaplayın. Bandın neresinde olduğunuzu görmeden çap kararı tamamlanmış sayılmaz.
4. Düz boru kaybına yerel kayıp payını ekleyip toplam basma yüksekliğini çıkarın ve pompanın o debideki eğrisiyle karşılaştırın. İki eğrinin kesiştiği nokta, sistemin gerçekte çalışacağı debidir.
5. Hat uzayacaksa ya da makine eklenecekse çapı bugünün debisine göre değil, o senaryoya göre seçin. Boruyu sonradan büyütmek pompayı büyütmekten her zaman pahalıdır.

Elinizde ısı yükü, hat uzunluğu ve proses tarafının kayıp değeri varsa hangi KPLN modelinin hangi debiye oturduğunu ve hattın nasıl çıkması gerektiğini birlikte kontrol edebiliriz; teklif formundan iletmeniz yeterli.

Sıkça sorulanlar

Tüm yazılar