Boru basınç kaybı hesabı nedir ve neden yapılır?
Boru basınç kaybı hesabı, suyun bir boru hattından akarken sürtünme nedeniyle ne kadar basınç yitirdiğini bulur. Su borunun iç yüzeyinde sınır tabakada sürtünmeye uğrar ve enerjisinin bir kısmını kaybeder; bu kayıp, hattın başı ile sonu arasındaki basınç farkı olarak ölçülür. Boru uzadıkça, çap daraldıkça ve hız arttıkça kayıp büyür. Pompa, bu kaybı yenmek için gereken basma yüksekliğini sağlamak zorundadır; yani basınç kaybı pompa seçiminin ana girdilerinden biridir.
Sonuç farklı birimlerle ifade edilir. Tesisatçılar çoğunlukla birim boydaki kaybı Pa/m ya da mmSS/m olarak, toplam kaybı ise kPa, bar veya metre su sütunu (mSS) cinsinden kullanır. Dönüşüm basittir: kPa değerini 9,81 değerine bölerek mSS bulursunuz; 100 kPa bir bar eder ve bu yaklaşık 10,2 mSS karşılık gelir.
Darcy-Weisbach denklemi ve sürtünme katsayısı nasıl bulunur?
Darcy-Weisbach denklemi kaybı fiziksel büyüklüklerle açık biçimde yazar: kayıp; sürtünme katsayısı, boy-çap oranı ve dinamik basıncın (ρ·v²/2) çarpımıdır. Denklem her akışkan ve her boru için geçerlidir; bu nedenle deneysel tablolara dayanan kısa yöntemlerden daha geneldir.
Sürtünme katsayısı akış rejimine bağlıdır. Reynolds sayısı 2300 altında akış laminerdir ve f = 64/Re ile hesaplanır. Isıtma-soğutma tesisatındaki akışların neredeyse tamamı türbülanslıdır. Bu durumda Colebrook denklemi yinelemeli çözüm ister; Swamee-Jain ise yüzde bir düzeyinde doğrulukla doğrudan sonuç veren açık bir yaklaşımdır ve bu hesaplayıcıda kullanılır: f = 0,25 / [log10(ε/(3,7·d) + 5,74/Re^0,9)]².
Reynolds sayısı; hız, iç çap ve suyun kinematik viskozitesinden bulunur (Re = v·d/ν). Viskozite sıcaklığa bağlı olduğundan hesaplayıcı 0-120 °C aralığında su yoğunluğunu ve viskozitesini tablodan interpolasyonla alır.
Boru malzemesi ve su sıcaklığı basınç kaybını nasıl etkiler?
Pürüzlülük malzemeye ve yaşa bağlıdır. Aynı hat için (DN80, 20 m³/h, 100 m, 60 °C su) sonuçlar şöyledir: bakır ve cam gibi çekme borularda 114 Pa/m (11,40 kPa); PPR ve PE-X gibi plastiklerde 118 Pa/m (11,80 kPa); yeni çelikte 138 Pa/m (13,84 kPa); galvanizli çelikte 173 Pa/m (17,26 kPa); kullanılmış, kireçli çelikte 236 Pa/m (23,61 kPa). Yani yıllarca çalışmış kireçli bir hat, yeni çelik hatta göre yaklaşık yüzde 70 daha fazla kayıp üretir. Eski tesisatı yenilerken pürüzlülüğü gerçekçi seçmek bu yüzden önemlidir.
Sıcaklığın etkisi daha küçüktür ama gözden kaçırılmamalıdır. Aynı hat için birim boy kayıp 10 °C suda 158 Pa/m, 20 °C suda 152 Pa/m, 60 °C suda 138 Pa/m ve 90 °C suda 132 Pa/m çıkar. Sıcak suyun viskozitesi düşük olduğundan sürtünme katsayısı biraz azalır; soğutma devrelerinde ise kayıp, ısıtma devresine göre bir miktar yüksektir. Glikollü devrelerde viskozite belirgin biçimde arttığı için ayrıca üretici verisi kullanılmalıdır.
Çap ve debi değiştiğinde boru kaybı ne kadar değişir?
Aynı 20 m³/h debi, 100 m uzunluk, 60 °C su ve yeni çelik boru için çapa göre sonuçlar şöyledir: DN50 hattında hız 2,51 m/s, kayıp 1175 Pa/m (117,49 kPa, 12,18 mSS); DN65 hattında 1,49 m/s ve 313 Pa/m (31,26 kPa); DN80 hattında 1,08 m/s ve 138 Pa/m (13,84 kPa); DN100 hattında 0,64 m/s ve 37 Pa/m (3,66 kPa). Çap büyüdükçe kayıp yaklaşık beşinci kuvvetle azalır; DN65 yerine DN80 seçmek kaybı yarıdan fazla düşürür.
Debi ise kaybı yaklaşık karesel, daha doğrusu 1,8-2 üssüyle artırır. DN80 hat için debiye göre kayıp şöyledir: 10 m³/h debide 0,54 m/s ve 37 Pa/m; 15 m³/h debide 0,81 m/s ve 80 Pa/m; 20 m³/h debide 1,08 m/s ve 138 Pa/m; 30 m³/h debide 1,63 m/s ve 301 Pa/m; 40 m³/h debide 2,17 m/s ve 526 Pa/m. Debi iki katına çıktığında kayıp yaklaşık 3,5-4 katına çıkar. Bu yüzden ileride eklenecek yükleri hesaba katmadan boru çapını sıkı seçmek, sonradan pompa değişimi gerektirebilir.
Yerel kayıplar, hedef değerler ve sonucun yorumu
Bu araç yalnızca düz boru boyunu hesaplar. Dirsek, te, vana, süzgeç ve çek valf gibi bağlantı parçalarının kayıpları ayrıca eklenir; her parça için kayıp, yerel kayıp katsayısı ile dinamik basıncın çarpımıdır (Δp = ζ·ρ·v²/2) ve ζ değerleri üretici ya da standart tablolarından alınır. Ayrıntılı katalog verisi yoksa pratikte yerel kayıplar düz boru kaybının yüzde 20 ila 50 kadarı olarak tahmin edilir; çok sayıda armatürlü kazan dairesinde oran daha da artar.
Tasarımda birim boy kayıp için hedef belirlenir: ısıtma ve soğutma tesisatında 100-200 Pa/m yaygın bir hedeftir, büyük çaplı ana hatlarda biraz daha düşük seçilebilir. Sonuç bu aralığın çok üstüne çıkıyorsa bir üst boru çapına geçmek, kaybı çoğu zaman yarıdan fazla düşürür. Aralığın çok altında kalan sonuç ise borunun gereğinden büyük olduğunu gösterir. Kayıp hesabı tamamlandığında bir sonraki adım, toplam kayıp ile cihaz kayıplarını toplayarak pompa basma yüksekliğini bulmaktır.
100 m uzunluğunda DN80 çelik hatta boru basınç kaybı
- Veriler: Q = 20 m³/h, L = 100 m, iç çap 80,8 mm, yeni çelik (ε = 0,045 mm), su 60 °C.
- Hız: v = 0,00556 / (π·0,0808²/4) = 1,08 m/s.
- Reynolds sayısı: Re = v·d/ν = 183.146 (türbülanslı akış).
- Swamee-Jain ile sürtünme katsayısı: f = 0,0194.
- Birim boy kayıp: 138 Pa/m; 100 m için toplam Δp = 13,84 kPa = 0,138 bar = 1,43 mSS.
- Karşılaştırma: aynı hat DN100 (iç çap 105,3 mm) seçilirse hız 0,64 m/s, kayıp 3,66 kPa olur.