Boru hatlarının malzeme ve montaj giderleri, ısı tekniği ile ilgili tesislerin önemli kısmını oluşturur. Boru hatlarının payı, toplam tesis giderlerinin %30’u üzerindedir. Bu yüzden, boyutların seçiminin özenle yapılması ve ısıl genleşmelerinin en ekonomik şekilde alınması gerekmektedir. Uygulamada, boru hatlarının ısıl genleşmelerinin alınmasında, kompansatör, omega gibi elemanlar kullanılmaktadır. Hatta, bazen hattın kendisi ısıl genleşmeleri kompanze edecek yeterli esnekliğe sahip olmasına karşın, bu elemanlar gereksiz olarak kullanılmaktadır. Bu durum, hem yatırım hem de işletme maliyetinin artmasına yol açmaktadır.
Bu çalışmada, boru hatlarının ısıl genleşme lerinin alınmasında kullanılan değişik yöntemler genel hatlarıyla ele alınacaktır. Burada; özellikle, boru hatlarının yeterli esnekliğini belirlemede kullanılan yaklaşık yöntemler ile daha hassas hesap gerektiren bilgisayar destekli tasarımı üzerinde durulacaktır. Çeşitli hesaplama örnekleri verilerek, boru hattı tasarımcısına yardımcı olmaya çalışılacaktır.
Giriş
Boru hatları çok geniş bir alanda ve çok değişik basınç ve sıcaklıklardaki gaz ve sıvı akışkanların taşınmasında kullanılır. Bilindiği gibi mühendislik bir bakıma, estetiğin göz önüne alınmasıyla, ekonomik açıdan optimum çözümler bulma sanatıdır. Bu çerçevede, mühendisler, boru hatlarıyla uğraşırken, üç önemli soruna çözüm bulmaya çalışır. Bunlar; optimum boru çapının belirlenmesi, optimum yalıtım kalınlığının belirlenmesi ve gerilmelerin en ekonomik biçimde alınmasıdır. Borularda gerilmelere yol açan 4 faktör vardır:
a) İç ve dış basınç.
b) Dış yükler, borunun, valflerin, desteklerin, boru içindeki sıvının, yalıtım malzemelerinin kütleleri, deprem gibi dinamik yüklerden oluşan gerilmeler.
c) Dış kısıtlamalardan ötürü boru parçasını yapmak zorunda olduğu hareket örneğin, dinamik bir sisteme bağlı olan boru, sistemle birlikte titreşmek zorundadır.
d) Isıl genleşme
Dış yükler, ağırlık yüklerinin kontrolü basittir. Standartlaştırılmış destek ve askılarla kolayca önlemleri alınabilir. Bu çalışmada, destek ve askılardan sadece yüzeysel olarak bahsedilecektir. Literatürde, bu konuyla ilgili geniş araştırmalar, örnek modeller ve uygulamalar mevcuttur. Daha fazla bilgi ilgili literatürden elde edilebilir.
Boru hatları, tesisatın amacına uygun, en uzun ömre, en düşük işletme ve yatırım maliyetine sahip, emniyetli çalışacak şekilde tasarlanmalıdır. Söz konusu en iyi çözüm, tesisatın ısıl gerilme analizinin yapılmasını gerektirmektedir. Bu nedenle, ısıl gerilmeler, en basit ev ısıtma tesisatından, yüksek basınç ve sıcaklıktaki buhar tesisatlarına kadar her tesisatta göz önüne alınmalıdır. Nükleer tesislerdeki boru hatları, kullanılan sıvıların, özellikle sıvı metallerin yüksek çalışma sıcaklıkları ve daha fazla emniyet gerektirdiklerinden ısıl gerilme analizinin ön plana çıktığı tesisatlardır.
Isıl genleşme hesapları karışık ve zordur. Dış atmosferdeki veya boru sistemi içindeki akışkanda oluşan sıcaklık farkları, sistemin boyca uzamasına veya kısalmasına sebep olur. Eğer boru hattı sadece bir noktadan sabitlenmiş ise uzamalar sistemin serbest ucana doğru olur ve hiçbir genleşme gerilmesi oluşmaz. Fakat gerçekte boru hattı iki veya daha fazla noktadan çeşitli şekillerde sabitlenir. Bu sabit noktalar genleşmeleri engeller ve sistem içinde gerilmeler oluşur.
Boru hatlarında montaj her zaman ortam sıcaklığında gerçekleştirilir. Daha sonra tesisat çeşitli sıcaklıklardaki akışkanları ve dolayısıyla da ısıyı belli bir yere taşımaya başlar. Boru hattının son sıcaklığı ve montaj sıcaklığı arasındaki fark, tesisat ve işletmede büyük gerilmeler meydana gelir. Bu gerilmeler, tesislerin planlanması, inşaatı ve işletilmesi esnasında kesinlikle ihmal edilemezler. Aksi takdirde işletmenin emniyeti tehlike altına girebilir. Boru hatlarındaki ısıl genleşmelerin alınmasında değişik yöntemler kullanılmaktadır. Kompansatörler, dengeleyiciler, metal hortumlar gibi elemanların yanı sıra, bazen hattın kendisi, şekli dolayısıyla bu genleşmeleri kompanze edebilecek yapıdadır. Bu yüzden kompansatör, dengeleyici vs.. elemanları kullanmadan önce sistemin genleşme hesapları yapılmalıdır. Bu sayede gereksiz yere genleşme elemanlarının kullanılması önlenir.
Bu çalışmada, temel olarak boru hatlarındaki ısıl genleşmelerin doğal kompanzasyon ile alınması incelenmiştir. Doğal kompanzasyon ile; sistemin kendi içerisinde, ısıl genleşmelerden oluşan gerilmelerin izin verilen maksimum gerilme değerlerinin altında tutulması amaçlanır. Isıl genleşmelerden oluşan termal gerilmeler çok değişik yöntemlerle hesaplanır. Tek bir doğru çözüm varken neden bir çok yönteme ihtiyaç duyulmuş, diye sorulabilir. Fakat en basit boru hattında bile matematiksel işlemler çok karışık bir hal almaktadır. Bu nedenle hata yapmadan bunları hesaplamak çok zor ve zaman alıcıdır. Gerçekte boru hatlarının üç boyutlu ve karmaşık şekillerde olduğu düşünülürse, bu hesaplamaları tek bir yöntemle yapmak çok fazla emek gerektirir. Bu yüzden çoğu yaklaşık çözüm veren birçok yöntem geliştirilmiştir. Bunların bir kısmı, basit formüllerle boru hattının ilk incelenmesinde karar vermeyi kolaylaştırıcı görev üstlenirler. Bazıları yaklaşık olarak sistemdeki gerilmelerin hesaplanmasını sağlar. Tam olarak sonuç verebilen uzun ve karışık yöntemler de mevcuttur. Aşağıda birkaç yaklaşık yöntemin yanı sıra Hao Hsiao’nun tam çözüm yöntemi ve bu yöntemin bilgisayar destekli uygulaması incelenmiştir.
Isıl Genleşme
Fiziğin temel kurallarından biride maddelerin sıcaklık değişimleri sonucu genleşmesi ve büzüşmesidir. Bu genleşme ve büzüşmeler maddenin cinsine, iç yapısına ve sıcaklık farkına bağlıdır. Büyük sıcaklık farklarının söz konusu olduğu uygulamalarda sistemi tehlikeye sokacak boyutlara ulaşabilirler. Bu yüzden daha planlama aşamasında hesaplanmaları ve önlemlerinin alınması gereklidir. Boruların uzunluk genişlemeleri, yaklaşık olarak sıcaklıkla orantılıdır. Örneğin; akma çeliği için 100 ˚C’lik sıcaklık farkında her m’lik boru için takriben 1.2 mm ’dir. Bakırda ise, bu değer yaklaşık olarak 1.8 mm’dİr. Isıl genişleme miktarı sıcaklıkla değişir ve malzemenin bileşimine bağlıdır. En çok kullanılan boru ve flanş çelikleri için cm/m cinsinden uygun genişleme değerleri çeşitli sıcaklıklarda Şekil 1’ de grafik olarak verilmiştir. Literatürde bunun gibi diyagramların yanı sıra doğru okunması daha kolay olan ve değişik malzemeleri içeren grafikler de mevcuttur. Şekil 2 ’de çeşitli malzemedeki boruların, 10°C’a göre mm/m cinsinden uzamaları verilmiştir.