Boru Çapı Seçimi ve Debi Hesabı

Konu Anlatımı

Boru Çapı Seçimi ve Debi Hesabı

Bir boru tesisatının en sıkı halledilen işi, hatta ne kadar su geçeceğine karar vermektir. Verilen bu debi, borunun iç çapı ve borudaki akış hızı birlikte belirlenir; bu ikisinin arasındaki bağıntı bir kural değil, hesaplanması gereken bir sayıdır. Boru fazla küçükse su hızlı akar, basınç düşer ve boru çınlar; boru fazla büyükse su yavaşlar, tortu birikir ve tesisattaki vana montajı ile musluk montajı işleri gereksiz pahalıya gelir. Bu yüzden boru çapı, gözle değil hesapla seçilir.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste debinin hangi birimlerle ölçüldüğünü ve bunların nasıl birbirine çevrildiğini öğreneceğiz. Standart boru çapları için iç çap ve kesit alanı tablosunu kullanmayı, verilen debiye uygun çapı seçmeyi öğreneceğiz. Akış hızının neden belirli sınırlar içinde tutulduğunu açıklayacağız. Basınç kavramını su sütunu üzerinden tanıyacak, Darcy bağıntısıyla bir hat boyunca oluşan basınç düşümünü hesaplayacağız. Yerel kayıpların toplama yöntemini ve su çarpması korumasını öğreneceğiz.

Ön bilgi

Debi, birim zamanda borudan geçen su miktarıdır. Tesisat çalışmalarında yaygın birimler litre/dakika (L/dk), litre/saat (L/st) ve metreküp/saat (m³/st) olarak kullanılır. Türkiye'de konut ve okul gibi yapılarda proje debileri genellikle L/dk cinsinden verilir. Debiyi doğru okumak, hesabın ilk adımıdır; yanlış birimle çalışmak boruyu on kat küçük ya da büyük seçmeye yol açar.

Akış hızı, suyun boru içindeki hareket etme hızıdır ve debinin boru kesit alanına bölünmesiyle bulunur. Aynı debi, geniş boruda yavaş, dar boruda hızlı akar. Tesisatta hız hem çok yüksek hem çok düşük olmamalıdır: yüksek hızda akış sesi artar ve basınç düşümü büyür, düşük hızda ise boru içinde kireç ve tortu birikir, hat yılda birkaç kez tıkanır.

1. Debi ve Birim Çevrimleri

En sık kullanılan birim dönüşümleri şunlardır. L/dk değerini L/st'ye çevirmek için 60'a bölünür: 15 L/dk değeri 15 / 60 = 0,25 L/st olur. L/dk değerini L/st'ye çevirmek için 60 ile çarpılır: 15 × 60 = 900 L/st. L/st değerini m³/st'ye çevirmek için ise 1000'e bölünür, çünkü 1 m³ = 1000 L'dir.

Bir kişinin günlük su ihtiyacı konutlarda ortalama 150 litre kabul edilir. Dört kişilik bir dairede günlük ihtiyaç 4 × 150 = 600 litre olur. Bunun ortalama saatlik debisi 600 / 24 = 25 L/st olur. Bu değer en yüksek saatlik debi değildir; konutlarda su aynı anda kullanıldığı için en yüksek saatlik debi, saatlik ortalamanın yaklaşık iki katı alınır.

Bir cihazın debisi katalog değeridir ve hazır tablolardan okunur. Duş başlığı yaklaşık 8 ile 10 L/dk, lavabo musluğu 4 ile 6 L/dk, klozet 6 ile 7 L/dk, bulaşık makinesi 8 ile 10 L/dk su çeker. Bu değerler cihazların gerçek tüketimini verir; hat debisi ise bunların eşzamanlılık katsayısıyla çarpılarak bulunur.

2. Boru İç Çapı ve Kesit Alanı Tablosu

Boru seçimindeki en sık hata, anma çapını iç çap sanmaktır. Anma çap (DN) üretimde bir standardize ölçüdür; hesapta kullanılan iç çap (d) borunun gerçek boşluğudur. PPRC borularda anma çap 25 olan borunun dış çapı 25 mm, iç çapı ise yaklaşık 20 mm'dir. Kesit alanı dairesel olduğundan A = π · d² / 4 bağıntısıyla bulunur.

Kesit alanları örnek olarak hesaplanmıştır. DN32 için iç çap 33 mm alınır ve 3,1416 × 1089 / 4 = 855,3 mm² bulunur; bu 8,55 cm²'dir. DN65 için 3,1416 × 3969 / 4 = 3117,2 mm² sonucu çıkar ve 31,17 cm²'ye karşılık gelir.

Tablodaki ağırlık değerleri metre başına yaklaşık hesaplardır ve hat maliyetini kestirmek için kullanılır. Çap büyüdükçe hem boru maliyeti hem de taşıyacağı debi doğrusal olarak değil, alanın karesiyle artar. DN20 ile DN50 arasındaki alan farkı 3,14 cm² ile 20,43 cm² arasındadır; yaklaşık altı kat. Bu yüzden gerekenden büyük çap, gereksiz maliyet demektir.

3. Akış Hızı ve Boru Seçimi

Akış hızı v = Q / A bağıntısıyla bulunur. Burada Q debi, A ise borunun kesit alanıdır. Birim tutarlılığı için debiyi cm³/s, alanı cm² cinsinden alırsak hız cm/s olarak çıkar; sonuç 100'e bölünerek m/s elde edilir.

Örnek yapalım. DN25 borunun iç çapı 26 mm, kesit alanı 5,31 cm²'dir. Bu hatta 8 L/dk debi verilirse önce debi cm³/s cinsine çevrilir: 8 / 60 = 0,1333 L/st, yani 133,3 cm³/s. Hız 133,3 / 5,31 = 25,1 cm/s olur ve bu değer 0,25 m/s'ye karşılık gelir.

Aynı hatta 30 L/dk verilirse debi 30 / 60 = 0,5 L/st yani 500 cm³/s olur. Hat DN25 olarak seçilirse hız 500 / 5,31 = 94,2 cm/s bulunur ve bu 0,94 m/s değeridir; hâlâ sınır içindedir ama dal hattı için üst sınıra yaklaşır. Hat DN32 olarak seçilirse hız 500 / 8,55 = 58,5 cm/s yani 0,58 m/s olur ve debi artışı karşılığında çap da büyütülmüş olur.

Hız sınırları amaca göre değişir. Soğuk su ana hatlarında 0,5 ile 2,0 m/s arası, dal hatlarda en çok 1,0 m/s, sıcak su hatlarında ise 0,3 ile 1,0 m/s arası önerilir. Sıcak suda hız düşük tutulur çünkü hızlı akış gürültü yapar ve kireç çökelmesini hızlandırır. Hız sınırın altında kalındığında boru içinde çökelti riski, üstünde kalındığında gürültü ve basınç kaybı riski doğar.

4. Basınç ve Su Sütunu

Basınç, birim alana etkiyen kuvvettir ve pascal (Pa) ile ölçülür. Tesisat hesabında 1 bar = 100000 Pa kabul edilir. Su sütunu yüksekliği h = p / (ρ · g) bağıntısıyla bulunur; burada ρ suyun yoğunluğu (1000 kg/m³), g ise yerçekimi ivmesidir (9,81 m/s²).

Bir bar basınç için su sütunu yüksekliği 100000 / (1000 × 9,81) = 10,19 m olarak bulunur. Buna göre 1 bar yaklaşık 10,2 metre su sütununa karşılık gelir ve günlük konuşmada kısaca 10 metre su denir. Üç bar basınç ise 300000 / 9810 = 30,58 m su sütununa denk gelir.

Bu bağıntının en somut kullanımı şudur: herhangi bir musluğun çıkış basıncı, musluğun üzerindeki su yüksekliği kadar su sütununa eşdeğerdir. Zemin katında musluğu 2,5 metre yüksekliğe monte edilmiş bir dairede statik basınç 1000 × 9,81 × 2,5 = 24525 Pa olur ve bu değer 0,245 bar'a karşılık gelir. Tepe katta ise basınç sıfıra yaklaşır; yüksek binalarda bu nedenle basınç düşürücü ve pompa gerekir.

5. Basınç Düşümü Hesabı

Boru içindeki sürtünme nedeniyle hat boyunca basınç düşer. Bu kayıp Darcy bağıntısıyla hesaplanır: Δp = λ · (L / d) · (ρ · v² / 2). Burada λ sürtünme katsayısıdır, L hat boyu, d borunun iç çapı, v akış hızıdır. Bağıntıda hızın karesi yer alır; bu yüzden hızı iki kat artırmak basınç düşümünü dört kat artırır.

Sürtünme katsayısı, borunun iç yüzey pürüzlülüğüne ve akış rejimine bağlıdır; sıhhi tesisat borularında pratik olarak 0,02 ile 0,03 arasında alınır. Hesabı yapmak için önce dinamik basınç bulunur, sonra L/d oranı hesaplanır ve bu ikisi çarpılır.

12 m boyunda, iç çapı 26 mm olan bir hatta hız 1,0 m/s alınmış ve λ 0,025 kabul edilmiştir. Birinci adımda dinamik basınç bulunur: 1000 × 1 / 2 = 500 Pa. İkinci adımda boy/çap oranı hesaplanır: 12 / 0,026 = 461,5. Üçüncü adımda basınç düşümü bulunur: 0,025 × 461,5 × 500 = 5769 Pa. Bu değer su sütunu cinsinden 5769 / 9810 = 0,588 metre, bar cinsinden ise 0,588 / 10,19 = 0,0577 bardır.

6. Yerel Kayıplar ve Toplam Kayıp

Yalnızca sürtünmeden doğan kayıp hesaba katılmaz. Dirsek, tee, dirsekli redüksiyon, çap değiştirici ve vana gibi elemanlarda akış yönü değişir veya türbülans oluşur; bunun yol açtığı kayıba yerel kayıp denir. Yerel kayıp da aynı biçimde Δp_yerel = ΣK · (ρ · v² / 2) bağıntısıyla hesaplanır.

Her elemanın bir kayıp katsayısı vardır ve bunlar standart tablolarda verilir. Yaygın olarak kullanılan değerler şunlardır: 90 derecelik dirsek için 0,5, tee için 1,0, giriş için 0,5, çıkış için 1,0, küresel vana için 0,2, çap geçişi için 0,3. Bu katsayılar toplanır ve dinamik basınçla çarpılır.

Örnek olarak 12 m'lik hatta 4 adet 90 derecelik dirsek (4 × 0,5 = 2,0), 3 adet tee (3 × 1,0 = 3,0) ve 1 adet giriş (1 × 0,5) bulunsun. Katsayı toplamı 2,0 + 3,0 + 0,5 = 5,5 olur. Yerel kayıp 5,5 × 500 = 2750 Pa hesaplanır. Sürtünme kaybıyla toplandığında toplam kayıp 5769 + 2750 = 8519 Pa olur ve bu 8519 / 9810 = 0,868 metre su sütununa karşılık gelir.

Uzun sistemlerde yerel kayıp ihmal edilmez; kısa hatlarda ise sürtünme kaybına göre daha küçük olsa da ihmal etmek hesabı eksik bırakır. Ayrıca borunun kılıf boru içinden geçmesi ek yalıtım ve işçilik maliyeti getirir; bu yüzden çap seçimi yapılırken montaj koşulu da düşünülür.

7. Su Çarpması ve Korunma

Sıcak su hatlarında musluk aniden kapatılırsa hareket eden su kütle hareketini sürdürmek ister ve hatta basınç darbesi oluşur. Bu darbe su çarpması denir ve boruya ağır zarar verir; hortum çatlar, bağlantı yerleri açılır. Çarpma basıncının büyüklüğü su hızına bağlıdır, dolayısıyla hız sınırına uymak çarpmayı da azaltır.

Korunmanın en yaygın yolu sistemde hava kabı bulundurmaktır. Hattın üst noktasına konan hava kabı (küresel kab), sıkışan suyun enerjisini alır ve basınç darbesini söndürür. İkinci yöntem, hızlı kapanan muslukların önüne küresel vana ya da çek valf takmaktır. Üçüncü yöntem boru hattını ısıtma sistemi mantığıyla sürekli düşük debide çalıştırmaktır.

Basınç düşümü hesabı bu nedenle yalnız tasarım değil, güvenlik de içerir. Projede hesaplanan kayıp, musluğun gerekli çıkış basıncının üstüne eklenir; 3 bar şebeke basıncında musluk çıkışında en az 1 bar isteniyorsa, hat boyunca en fazla 1,5 bar kayıp bırakılmalıdır.

Basit örnek

DN32 iç çaplı (33 mm) bir hatta 15 L/dk debi veriyoruz. Önce debiyi saniyelik litreye çeviriyoruz: 15 / 60 = 0,25 L/st, yani 250 cm³/s. Kesit alanını tabloadan alıyoruz: 33 mm iç çaplı borunun kesiti 8,55 cm². Hız 250 / 8,55 = 29,2 cm/s bulunur ve bu 0,29 m/s'dir. Sıcak su hattları için önerilen 0,3 ile 1,0 m/s bandının hemen altında olduğunu görürüz; bu hatta DN25 kullanılsaydı hız 250 / 5,31 = 47,1 cm/s yani 0,47 m/s olurdu ve gürültü şikâyeti çıkabilirdi.

İleri örnek

On iki dairelik bir bloğa ana besleme hattı çekeceğiz. Her dairede 8 kişi ve kişi başına günlük 150 litre su tüketimi vardır. Toplam günlük tüketim 12 × 8 × 150 = 14400 litre olur. Saatlik ortalama 14400 / 24 = 600 L/st olur ve en yüksek saatlik debi buna yaklaşık iki katı, yani 1200 L/st olarak alınır. Bu değer dakikaya çevrilir: 1200 / 60 = 20 L/dk. Bu debi için DN65 boru denendiğinde kesit alanı 31,17 cm²'dir ve hız 3333 / 31,17 = 107 cm/s yani 1,07 m/s olur; hız 0,5 ile 2,0 m/s bandının içindedir. DN50 kullanılsaydı hız 3333 / 20,43 = 163 cm/s yani 1,63 m/s olurdu; bu da kabul edilebilir ama anma çap küçülürse ilerideki ilave taleplerde sıkışma riski doğar.

Adım adım çözülmüş örnek

İç çapı 33 mm olan 40 m uzunluğundaki bir ana hatta hız 1,2 m/s ve sürtünme katsayısı 0,030 değerleriyle basınç düşümünü hesaplayalım. Birinci adımda debi hesabından hızın uygunluğu denetlenir: v = 1,2 m/s değeri 0,5 ile 2,0 m/s bandının içindedir. İkinci adımda dinamik basınç bulunur: 1000 × 1,44 / 2 = 720 Pa. Üçüncü adımda boy/çap oranı hesaplanır: 40 / 0,033 = 1212,1. Dördüncü adımda sürtünme kaybı bulunur: 0,030 × 1212,1 × 720 = 26181 Pa. Beşinci adımda bu değer su sütununa çevrilir: 26181 / 9810 = 2,67 m su sütunu. Altıncı adımda kabul kararı verilir: 2,67 m su sütunu yaklaşık 0,26 bar kayba karşılık geldiği için musluğa giden hat için kabul edilebilir.

Kavram karşılaştırma tablosu

Sık Yapılan Hatalar

• Hata: Kesit alanını anma çap üzerinden hesaplamak. Doğrusu: Hesapta iç çap kullanılır; DN25 için 26 mm alınır.
• Hata: Debiyi L/dk olarak doğrudan alana bölmek. Doğrusu: Önce 60'a bölünerek L/st veya 1000 ile cm³/s cinsine çevrilmelidir.
• Hata: Boruyu gözle büyük seçmek. Doğrusu: Hız hesabı yapılmalı, sonuç 0,5 ile 2,0 m/s bandında aranmalıdır.
• Hata: Sıcak su hatlarında 2 m/s hıza izin vermek. Doğrusu: Sıcak suda hız 0,3 ile 1,0 m/s ile sınırlıdır.
• Hata: Sadece sürtünme kaybını hesaplamak. Doğrusu: Dirsek, tee ve vana kayıpları da ΣK ile toplanarak eklenmelidir.
• Hata: Statik basıncı musluğun gereksiniminden düşük hesaplamak. Doğrusu: En yüksek noktadaki musluğa gerekli basınçtan kayıp düşülerek bulunur.
• Hata: Tepe katta basınç problemi olduğunu görmezden gelmek. Doğrusu: Basınç düşürücü veya pompa gereksinimi projeye yazılmalıdır.
• Hata: Su çarpmasına karşı önlem almamak. Doğrusu: Hattın üst noktasına hava kabı ve hızlı kapanan musluğun önüne vana konulmalıdır.

Özet

Boru çapı, verilen debi ve kabul edilen akış hızından hesaplanır; gözle seçilmez. Debi L/dk cinsinden veriliyorsa önce 60'a bölünerek L/st, sonra 1000 ile çarpılarak cm³/s cinsine çevrilir. Kesit alanı dairesel olduğundan A = π · d² / 4 ile bulunur ve hesapta anma çap değil iç çap kullanılır: DN25 için iç çap 26 mm ve kesit 5,31 cm²'dir. Hız v = Q / A ile bulunur; soğuk suda 0,5 ile 2,0 m/s, dal hatlarda en çok 1,0 m/s, sıcak suda 0,3 ile 1,0 m/s önerilir. Basınç su sütunuyla ilişkilidir: 1 bar yaklaşık 10,2 m su sütunudur. Hat boyunca oluşan kayıp Darcy bağıntısıyla Δp = λ · (L / d) · (ρ · v² / 2) hesaplanır ve yerel kayıplar Δp = ΣK · (ρ · v² / 2) ile toplanır. Hız hızın karesiyle etki eder; bu yüzden hızı yükseltmek basınç düşümünü katlar artırır.

Kendini dene

Bir okulun erkek wc bölümünde 12 musluk ve 6 klozet vardır. Musluk başına 5 L/dk, klozet başına 6 L/dk debi alınacak ve eşzamanlılık katsayısı 0,5 kabul edilecektir. Önce armatürlerin toplam debisini bulunuz, sonra eşzamanlılık katsayısını uygulayıp hat debisini çıkarınız. Bu debi için DN32 borunun iç çapını ve kesit alanını tablo yardımıyla yazınız, hızı hesaplayınız ve hız sınırına uygunluğu yorumlayınız. En sonda bu hattın 25 m uzunluğunda λ 0,025 ile sürtünme kaybını hesaplayınız. Kendi cevabınızla kitaptaki örnek çözümü karşılaştır; debi hesabı doğruysa 6 puan, hız hesabı doğruysa 5 puan, yorum ve kayıp hesabı doğruysa 4 puan verin.