Doğal çekişli bacaların hesabı, gerekli baca yüksekliği ve kesintinin belirlenmesi anlamına gelir. Burada söz konusu olan kesit net baca kesiti olup, baca konstrüksiyonunda sıva vs. payları gözönüne alınmalıdır.
Baca yüksekliği ise efektif yükseklik olup, duman kanalının bacaya bağlandığı nokta ile baca şapkası arasındaki mesafedir. Tabandan kanal bağlantısına kadar olan yükseklik hesaba girmez.
DIN 4705 standardında modern kazanların baca hesabında kullanılabilecek son derece detaylı ve gelişmiş bir yöntem verilmektedir. Bu standardın hemen hemen birebir tercümesi şeklinde yeni bir Türk standardı taslağı da hazırlanmıştır. Bu standarda göre, kazan bağlantı kanalı – baca sistemindeki basınç kayıpları ve ısı kayıpları hesaplanmakta ve bu durumda ortaya çıkan doğal çekişin yeterli olup olmadığına bakılmaktadır. Teorik çözüm deneme – yanılma yöntemine dayanmaktadır. Bu arada sistemin, anma yükleri dışında, düşük yüklerdeki durumu analiz edilebilmektedir.
Bu yönteme göre baca hesabının elle yapılması son derece zor ve yorucudur. En iyi yol bu standarta göre hazırlanmış bilgisayar programları kullanmak veya çeşitli durumlar için standartta verilmiş hazır diyagramların birinden yararlanmaktır.
Ayrıca bu yöntemin uygulanması ile ilgili Türkiye açısından bir başka engel, baca malzemeleri ile ilgili verilerin eksik olmasıdır. Bu nedenle hesabı basitleştirmek üzere, aşağıda verilecek baca hesabı yönteminde bacada ısı kayıpları ihmal edilmiş ve izotermal hal dikkate alınmıştır. Hesap sadece basınç kayıplarına dayanmaktadır. Bu yol Almanya’da birçok firmanın hazırladığı baca boyutlandırma diyagramlarında da kullanılmaktadır. Burada verilen hesap yöntemine göre bulunan baca kesiti DIN 4705’e uygundur. Bu kesitten çok daha büyük kesit seçilirse, düşük yüklerde bacanın ısıl olarak çekmeme tehlikesi vardır. Ayrıca yine büyük baca kesitlerinde 2 m/s mertebesindeki hız değerinin altında ters rüzgar basıncı nedeni ile baca tepmesi olayı ortaya çıkabilir. Bulunan kesitten daha küçük bir kesit seçilmesi durumunda ise basınç kayıpları karşılanamayacağından baca çekişinde zorluklar, özellikle ilk devreye girişlerde ses ve sarsıntı halleri ile karşılaşılabilir. DIN 18160’a göre bacada en küçük tasarım gücünde hız 0.5 m/s değerinin altına kesinlikle düşmemelidir.
BASİTLEŞTİRİLMİŞ DIN 4705’E GÖRE BACA HESABI
olarak verilmiştir. Bu denklem bacadaki doğal çekişin, söz konusu olabilecek basınç düşümlerine eşit olması gerektiğini ifade etmektedir.
1. Duman Gazı Miktarının Belirlenmesi
Hesaba başlayabilmek için öncelikle duman gazı miktarının belirlenmesi gerekir. Farklı yakıtlar için duman miktarı yaklaşık olarak m=k.Q/1000 (kg/sn) ifadesi ile bulunabilir. Burada Q(kW) kazan ısıl gücüdür. Formüldeki katsayısı ise şekil 10.2’den okunabilir.
2. Bacadaki Duman Gazı Sıcaklığının Belirlenmesi
Kazanı terk eden dumanların sıcaklığı (baca gazı sıcaklığı) kazan üreticisi firma tarafından verilir. Baca gazları içinde bulunan su buharının ve asit buharlarının baca iç yüzeylerinde yoğuğmaması için, minimum iç yüzey sıcaklıkları şekil 10.3 ve şekil 10.4’de verilmiştir.
3. Gaz Akışı İle İlgili Büyüklüklerin Belirlenmesi
3.1. Hidrolik Çap, Dh
Dairesel kesiti olmayan baca ve kanalların eşdeğer hidrolik çapı
DH = ( 4*F ) / U (m)
şeklinde bulunur. Burada F baca kesiti (m2 ), U kesitin çevresel uzunluğudur.
3.2. Boru Ve Kanalların Pürüzlülüğü
Baca ve bağlantı kanalı yapımında kullanılabilecek malzemelerin pürüzlülük değeri Tablo 10.5’de verilmiştir.
3.3. Sürtünme Basınç Kayıp Katsayısı, λ
Baca ve bağlantı kanallarındaki sürtünme basınç kaybı katsayısı, pürüzlülük değeri ve hidrolik çapa bağlı olarak şekil 10.6’dan okunabilir.
3.4. Özel Kayıp Katsayısı, ξ
Dirsek vs. gibi yerel kayıp kaynaklarındaki, özel kayıp katsayıları Tablo 10.7’de verilmiştir. Gözönüne alınan bir baca veya bağlantı kanalındaki özel katsayıların toplamı, Σξ ile gösterilir.
3.5. Baca Gazlarının Yoğunluğu, ρA
Gazların yoğunluğu sıcaklığa ve dış basınca bağlıdır. Basınca olan bağlılık ihmal edilirse herhangi bir T (°C) sıcaklığındaki gazın yoğunluğu,
ifadesi ile bulunabilir.
3.6. Ortalama Gaz Hızı; W
Baca veya bağlantı kanalındaki gaz hızı, duman debisinin kesite bölünmesi ile bulunur.
W = m / ρA.F (m/s)
Burada, F kanalın kesit alanını (m2 ) göstermektedir. Doğal çekişli bacalarda gaz hızı 4 m/s değerini genellikle aşmamalıdır. Baca hesaplarında ilk yaklaşım için bu değerden yararlanılabilinir.
4. Basınç Kayıplarının Belirlenmesi
4.1. Bacadaki (PE) ve baca bağlantı kanalındaki (PA) basınç kayıpları
4.2. Kazandaki Basınç Kaybı, Pw
Kazan üreticileri tarafından kataloglarda belirtilir. Eğer bu değer kataloglarda yoksa şekil 10.2’den yaklaşık bir değer okunabilir. Kazandaki basınç kaybı sadece düşük basınçlı üflemeli brülör kullanan kazanlar için hesaba katılır. Yüksek basınçlı üflemeli brülörler ve atmosferik brülörlerde kazan basınç kaybı brülör tarafından karşılanır.
4.3. Hava Teminindeki Basınç Kaybı, Po
Sadece üflemesiz kömür kazanları için söz konusudur. Bu değer yaklaşık olarak şekil 10.8’de verilmiştir.
5. Baca Çekişinin Belirlenmesi
Doğal baca çekişi, PH gazlarının sıcaklığına ve baca yüksekliğine bağlıdır.
6. Hesap Yolu
Hesap deneme – yanılma yöntemine dayanır. Verilen bir durumda, baca kesitini belirlemek için önce baca çapı tahmin edilir. Tahmin edilen baca çapı kullanılarak basınç kayıpları ve doğal baca çekişi hesaplanır. Bulunan değerler (1) no’lu ana denklemde yerine koyularak eşitliğin sağlanıp sağlanmadığı kontrol edilir. Eşitlik sağlanıyorsa seçilen çap uygundur. Aksi halde yeni bir çapla hesap tekrarlanır.
Örnek:
200 kW gücünde, alçak basınçlı brülörlü, sıvı yakıt yakan bir sıcak su kazanında, saç bağlantı kanal çapı 20 cm olup bacaya dik bir açı ile girmektedir. Bağlantı kanalı düzdür ve uzunluğu 2 m’dir. Baca gazı sıcaklığı 200°C ve baca yüksekliği 20 m olup baca tuğla ile örülmüş ve içten sıvalıdır. Herhangi bir kesit değişimi yoktur.
Çözüm:
1. Baca kesiti 20×30 cm dikdörtgen seçildi.
2. Duman gazı miktarı,
3. Hidrolik çap (baca için)
4. Kanal ve baca pürüzlülük değerleri Tablo 10.5’den metal bağlantı kanalı için r= 0.002 ve içten sıvalı tuğla baca için r = 0.005 okunur.
5. Sürtünme basınç kayıpları katsayıları şekil 10.6 yardımı ile;
Bağlantı kanalı için (r= 0.002, DH = 0.20 m) λ = 0.047
Baca için (r = 0.005, DH= 0.24 m) λ = 0.054
6. Özel kayıp katsayıları
Baca bağlantı kanalındaki yerel kayıp olarak sadece bacaya giriş vardır.
Tablo 10.7’den 90° giriş için ξ= 0.92
Bacada ise sadece çıkıştaki şapka vardır.
Tablo 10.7’den ξ= 1 okunur
7. Baca gazlarının yoğunluğu
Gazların yoğunluğu, T = 200°C baca sıcaklığı için,
8.a. bağlantı kanalındaki ortalama gaz hızı
8.b. Bacadaki ortalama gaz hızı
9. Bağlantı kanalındaki basınç kaybı
10. Bacadaki basınç kaybı
11. Kazandaki basınç kaybı
Şekil 10.2’den PW = 48 Pa
12. Üflemeli brülör kullandığından hava teminindeki basınç kaybı hesaba katılmayacaktır.
13. Doğal baca çekişi
PH = H.g (ρH -ρA) = 20.9,81 (1,15 – 0.733)
PH = 81,8 Pa
14. Eşitliğin kontrolü
PH = PA + PE +PW olmalı
81,8 = 17,6 + 18,9 + 48
81,8 ≅ 84,5
Toplam kayıp doğal çekişten biraz daha büyük olmakla birlikte aradaki fark ihmal edilebilir ve ilk seçilen baca kesitinin uygun olduğu sonucuna varılır.
Buna göre gerekli dikdörtgen baca kesiti, F = 20×30 cm olarak belirlenmiştir.
ÖZEL DURUMLARDA BACA HESABI
Yukarıda anlatılan baca çapı hesabı kazan anma gücünde yapılmıştır. Dış hava sıcaklığı da emniyetli olarak yaz dış hava hesap sıcaklığı (=33°C) alınmıştır. Gerçek çalışma şartları farklı olacaktır. Dış sıcaklık farklıdır, çalışma kısmi yüklerde olmaktadır. Kısmi yüklerde,
1. Baca gazları sıcaklığı daha düşüktür (baca çekişi azalır)
2. Baca gazlarının miktarı azalır (bacadaki direnç azdır)
Bu nedenle nominal şartlar için baca hesabı yapılarak, gerekli çap bulunduktan sonra, kısmi yük halleri kontrol edilmelidir. Kısmi yüklerde a) Çekiş yetersiz kalabilir b) bacadaki gaz hızı çok düşebilir. Bu gibi durumlarda önlem alınmalıdır.
Diğer taraftan verilen örnek çözümde hesaplar deniz seviyesinde bir uygulama için yapılmıştır. Eğer gözönüne alınan şehir deniz seviyesinden yüksekte ise, dış basınç değişecek ve buna bağlı olarak baca çekişi de etkilenecektir. Aynı şekilde dış hava sıcaklığı da çok farklı olabilir. Bu gibi durumlarda da hesapta kullanılan baca gazı yoğunluğu ve dış hava yoğunluğu terimleri, sıcaklıkla ve basınçla orantılı olarak düzeltilmelidir.
Buna göre kış şartlarında baca çekişi 188 Pa olmaktadır. Ilıman havalarda 0°C sıcaklıkta ise çekiş 140 Pa değerine düşmektedir. 1000 kW gücünde bir kazan için seçilen 45 cm çapında bacada basınç kaybı 99 Pa olup, bu çap bütün koşullarda uygundur. Kısmi yüklerde çalışmada (kazan hem kullanma sıcak suyu üretimi hem de ısıtma amaçlıdır) bacada gaz hızı kritik değerlerin (tavsiye edilen 2 m/s, kesinlikle 0,5 m/s) altına düşmemektedir.
HAZIR DİYAGRAMLAR YARDIMI İLE BACA BOYUTLANDIRMASI
DIN 4705’e dayanan baca hesabı oldukça uzun olduğundan, bazı özel durumlar için yine DIN 4705’e göre hazırlanmış baca çapı seçim tabloları kullanılmaktadır. Şekil 10.10 ve 10.11’de sırasıyla, yüksek basınçlı üflemeli brülörlü ve atmosferik doğal gaz brülörlü kazanlar için SCHIEDEL baca seçim diyagramları verilmiştir. Burada ele alınan kazanlar klasik tipli kazanlardır.
Bu diyagramlar hazırlanırken bağlantı kanalı kesiti, baca kesitine eşit alınmış ve toplam özel kayıp katsayıları değeri 2,8 ve baca gazı sıcaklığı 220°C kabul edilmiştir.
Tablo 10.12’de ise modern gaz yaktlı kazanlar için hazırlanmış paslanmaz çelik kılıflı baca ölçüleri görülmektedir. Bu diyagramlar hazırlanırken ise, baca bağlantı kanalı uzunluğu baca yüksekliğinin 1/4’ü alınmıştır. Baca ve kanalının ısı geçirgenlik direnci R = 0,65 m2 K/W, baca pürüzlülüğü r= 0,0015, toplam yerel kayıp katsayısı 2,2 kabul edilmiştir. Dış hava basıncı 94,5 kPa değerindedir.
Tablo 10.13’de ise bacalar için tarafımızca tavsiye edilen seçim tablosu verilmiştir.
Mekanik tesisat hakkında diğer blog yazılarımız
Bacalar hakkında daha detaylı bilgi için bize ulaşın.
BACA HESABI HESAPLAMA DOSYALARI
KAYNAKLAR
1) Kalorifer Tesisatı Proje Hazırlama Teknik Esasları, TMMOB Makine Mühendisleri Odası, Yayın No: 84
2) HEATING, COOLING, LIGHTING Sustainable Design Methods for Architects Norbert Lechner
3) How Buildings Work THE NATURAL ORDER OF ARCHITECTURE Third Edition EDWARD ALLEN Drawings by David Swoboda and Edward Allen4) Buderus, Handbuch für Heizung und Klimatechnik, 1975
5) ASHRAE Handbook, Fundamentals, 1993
6) Handbook of HVAC Design, N. R. Grimm, R. Rosaler, Mc. Graw Hill, 1990
7) Ventilation of Buildings Second edition Hazim B. Awbi
8) Building Construction Illustrated Fifth Edition Francis D.K. Ching
