Heat Trace/Isıl İzleme Tasarım Esasları ve Hesaplamalar
Yazan: M. Remzi Çelik (Mak. Müh) Saven Teknik Ltd. Şti.
Bu yazımızda borularda ve tanklarda donmaya karşı elektrikli ısıtma ile koruma yapmak için tasarımda dikkat edilecek konulara değineceğiz.
Dikkate Alınan Önemli Parametreler
- Sabit tutma sıcaklığı,
- En düşük ortam sıcaklığı,
- Nominal boru çapı,
- Isıl yalıtım kalınlığı,
- Isıl yalıtım malzemesi,
- Konum, içeri/dışarı,
- Emniyet katsayıları,
- Rüzgar etkisi ve deniz seviyesinden yükseklik etkisi.
Sistem için gerekli hesapları yapmak için alttaki adımların gerçekleştirilmesi gerekir:
- Boruda istenen koruma sıcaklığından, en düşük ortam sıcaklığı çıkarılarak ΔT bulunur,
- Abaklardan faydalanarak yalıtımlı metal borulardaki ısı kaybını bulunuz, W/m,
- Bulunan ısı kaybı değerinin, yalıtım malzemesinin cinsine göre, emniyet katsayıları uygulanır,
- Kurulacak sistemin iç ve dış ortamda olmasına göre katsayıyı saptayınız,
- Emniyet katsayısını ilave ediniz, aksi tanımlanmadıkça genellikle, %10 eklenir,
- Hatta kullanılan vana sayısı ve türleri göz önüne alınarak, bunların neden olabilecekleri ısı kaybı hesabı yapılır.
- Boru askı veya suportlarının neden olabileceği ısı kaybını ekleyiniz.
Boru sisteminden kaynaklanan toplam ısı kaybı:
Borudaki toplam ısı kaybı
- Vanaların, fittingslerin, flanşların neden olduğu toplam ısı kaybı
- Boru suportlarının neden olduğu ısı kaybından oluşur.
Kablo uzunluğunun bulunmasına ek olarak uygulama koşullarına en uygun kablonun bulunabilmesi için aşağıdaki bilgilerin bulunması gerekecektir;
- Tutma ( Koruma ) sıcaklığı
- Oluşabilecek maksimum sıcaklık (Exposure )
- Boru malzemesi
- Voltaj
- Kimyasal bir ortam olup olmadığının irdelelenmesi,
- Tehlike sınıfı
- Isı ihtiyacı
Büyük projelerde, kabloların hazırlanmasında, herhangi bir yanlışlığa neden olmamak için ayrıntılı bilgilerin yer alacağı bilgi formunun titizlikle doldurulmasında yarar vardır. Bazı durumlarda, hesaplanan ısı kaybı değeri Q, seçilen kablo değerlerinden daha yüksek olabilir.
Bu durumlarda;
- Daha kalın bir yalıtkan seçerek hesapları yeniden yapmak,
- Yalıtkanda daha düşük değerli bir K katsayısı seçerek hesapları yeniden yapmak,
- İki veya daha fazla kablonun paralel bağlantılı bir tasarımını yapmak,
- Sabit güçlü kablonun boru çevresine spiral durumda sarılmasını sağlamak
T sınıflamasının kontrol edilmesi
Kendinden kontrollü kablolarda seçimin, IEEE Standard 515-1997 doğrultusunda yapılan T- sınıflandırmasına uygun olup olmadığının gözden geçirilmesinde mutlaka yarar vardır.
Voltaj değerlerinin belirlenmesi
Normal voltaj opsiyonları 120 ve 240 V‘tur. Bunun dışında 208 V, 220 V, 230 V, 240 V veya 277 V gibi farklı bir voltaj kullanılabilir. 120 V veya 220 V’tan farklı bir voltajın bulunduğu tesislerde voltajın, seçilen değerlerin altına düşmediğinden emin olunmalıdır. Isı kaybının belirlenen güç çıkışından fazla olduğu durumlarda, bir üst değerdeki kablonun seçilmesi daha uygun olacaktır.
Bütün hesaplamalar yapılıp, tehlike sınıfları belirtildikten sonra, kablo tipinin, üretici firmanın üretim gamından seçilmesi gerekir.
Elektriksel Tasarımda Dikkat Gerektiren Konular:
Devre Kesicinin Seçimi:
- Tutma (Koruma) sıcaklığı
- Borunun ısı kaybı,
- Boru çapı
- Borunun boyu
- Vanaların tipi ve adetleri, bağlantı suportların sayısı
- Kabloların katalog numaraları
- Minimum start-up sıcaklığı
Öncelikle her bir devre ve kesici için hesaplanan ısıtıcı kablo uzunluğunu her bir boru için seçilen toplam kablo boyuna orantılayınız. Eğer devre kesici değeri belirlenmemiş ise minimum start-up sıcaklığındaki maksimum devre uzunluğunu seçiniz. Eğer hesaplanan kablo ihtiyacı maksimum devre uzunluğunu geçerse, o zaman gerekli devre sayısını bulunuz.
Devre Sayısı=Toplam Kablo Uzunluğu / Maksimum Devre Uzunluğu
Isıtıcı Kablonun Seçilmesi
- Yukarıdaki tablodan sıcaklık grubuna göre seçilen kabloya ait üretici firma grafiklerden uygun olanı seçiniz (Bu teknik yazıda Devi, Chromolux, Nelson, Eltherm firmalarının ticari yayınlarından yararlanılmıştır).
Isıtıcı Kablo Uzunluğunun Bulunması
Toplam kablo uzunluğunu bulabilmek için ısıtılacak boru üzerine sarılacak veya doğrusal bir şekilde monte edilecek kablo uzunluğuna ek olarak, sistemde bulunan, vana, flanş, bağlama askıları ve bazı durumlarda ısı emme özelliği olabilecek bazı yerleri ve komponentleri de hesaba katmak gerekecektir. Kablonun boru üzerine doğrusal bir şekilde monte edildiği durumlarda, kablo boyu boru boyuna eş olarak alınabilir, ancak bu uzunluğa bağlantı kısımları ve uç birleştirmeler için en az 1’er metre, dönüş kısımları için de % 5- 10 arası bir fazlalık bırakınız. Vana ve bağlantı askıları için ne kadar kablo gerektiği konusundaki rakamları üretici firmanın yayımladığı tablolardan alabilirsiniz.
Örnek olarak; kablo uzunluğunun 30 m olduğunu, 1 adet buat, 1 adet flanş, 3 adet küresel vana ve 5 adet suport kullandığımızı varsayarsak;
Kablo 30,0 m,
Bağlantı kutusu, buat 1,0 m,
Flanş, % 5 1,5 m,
3 adet vana 1,5 m,
5 adet suport 5,0 m,
TOPLAM 39,0 metre kablo gereklidir.
Elektrik Tasarımı
Isı izleme sistemi için kullanılacak her türlü malzemenin, uygulama yapılacak ülkenin bu konudaki yönetmeliklerine ve standartlarına cevap verecek değerlerde olmasına özellikle özen gösterilmelidir.
Devrenin Tanımı
Tasarımı kolaylaştırmak için eğer mümkünse her bir devrede mutlaka aynı kablo tipi kullanmaya dikkat ediniz, her bir devrenin de kendine özgü elektrik koruması olmalıdır.
Elektriksel Korumanın Boyutlandırılması
Bilindiği gibi kendinden regüleli kablolarda çıkış gücü ve çekilen akım sıcaklık yükseldikçe düşer. Buna göre seçilen elektrik koruma cihazlarının, sistemin çalışması sırasında bu değişkenlikleri koordine edebilecek durumda olması istenir. Çeşitli kabloların, kurgulandıkları maksimum kablo uzunluklarına göre çalışabilecekleri amperaj değerlerini imalatçı firma vermektedir.
Minimum Yol Verme Sıcaklığının Bulunması
Genelde bütün üretici firmalarda, çıkış gücü ve çekilen akım tasarlandıkları sıcaklıklar ile ilgilidir. Elektrik koruma cihazları borulardaki minimum yol verme sıcaklıklarına göre boyutlandırılmalıdır.
Örnek: 0ᵒ C
Koruma Sınıfının Belirlenmesi
Seçilen kablo tipine göre, önerilen yol verme sıcaklığı ve kablo uzunluğuna göre kaç A’lik bir devre kesici kullanılabileceği bulunur. Burada dikkat edeceğimiz nokta, seçtiğimiz devre kesicinin amperajının, ısıtıcı kablo uzunluğunun, önerilen maksimum kablo uzunluğundan az veya eşit olması durumuna göre seçilmesi gereğidir. Bu arada seçilen her türlü cihazın sistemin bulunduğu ülkenin bu konudaki yönetmelik ve standartlarını karşıladığından emin olmalıyız.
Komponent ve Aksesuarların Seçimi
Sistemin güvenli bir şekilde çalışmasını sağlamak, sık sık arızalanmasına engel olmak ve de ortamdan gelecek her türlü darbe veya neme karşı koymak için üretici firmalar çeşitli bağlantı elemanları geliştirmiştir.
Tank ve Siklondaki Isı Kayıplarını Bulabilmak için Gerekli Bilgiler
- Isıtılacak depolama tankının çapı, boyu ve şekli veya alanı,
- Taşıyıcı suportların sayısı ve ölçüleri,
- Yürüyüş yollarının sayısı ve ölçüleri,
- Merdivenlerin sayısı ve ölçüleri,
- Tankın altındaki veya üstündeki konik veya küresel bölümler,
- Malzeme tipi,
- İstenen koruma sıcaklığı,
- En düşük ortam sıcaklığı,
- Konum: İçerisi/dışarısı,
- Yalıtım malzemesi,
- Yalıtım kalınlığı,
- Yalıtım malzemesinin ısıl direnci,
- Rüzgar hızı (gerekli ise)
Sıcaklığın yükseltilmesi istenen uygulamalarda ısı kaybını bulabilmek için yukarıdaki istenenlere ek olarak;
- İstenen nihai sıcaklık,
- İstenen ısıtma süresi,
- Hacim veya debi,
- Ortamın özgül ısı değeri,
- Ortamın özgül ağırlığı,
- Boru, tank veya siklon ağırlığı,
Sıcaklığın korunması istenen depo, tank veya siklondaki hesapların yapılması:
Sıcaklığın korunması istenen depo, tank veya siklondaki hesapların yapılması:
ΔT)’nin hesaplanması, koruma sıcaklığı ile ortam sıcaklığı arasındaki farktır,
ΔT= Tm- Ta,
Tanklardaki Isıl Tasarım
Tanklardaki ısıl tasarımın yapılabilmesi için altta belirtilen değerlerin bilinmesi gerekir:
Tutma/ Koruma Sıcaklığı, En düşük ortam sıcaklığı, Lokasyon: İçerisi/ Dışarısı, Rüzgar Hızı: Gerekirse, Tank Formu ve yüzey alanı, Ek güvenlik faktörü: Gerekli olduğu hallerde.
Depolama tankı veya siklonlar çoğu zaman birden fazla geometrik cismin birleşmesiye oluşur, bu durumlarda her bir cismin alanları ayrı ayrı hesaplanarak bulunan değerler birleştirilir. Bunlardan birkaç tane örnek verelim:
Alan= Yanal Alan + Üst Yüzey + Taban Alanı
Uç kısımları düz olan silindirik tanklar:
Alan = Yanal Alan + 2 Düz Dairesel Yüzey
Hacim = 
Bombeli tanklarda:
Alan= 2 Adet Bombe Yüzeyi + Yanal Alan
Alan= 
Kare prizma tanklar:
Alan= 6 yüzeyin alanların toplamı,
=2 (WH + HL + WL)
Hacim= L x W x H
Silindirle birleşmiş konik tanklar:
Alan=Üst Yüzey + Yanal Alan + Konik Kısmın Alanı
Piramit Siklonlar:
Yalıtılmış yüzeylerin ısı kaybının hesaplanması
Q= ısı kaybı, W,
A= Yalıtılmış alan, m²,
ΔT= sabit tutma sıcaklığı- en düşük ortam sıcaklığı,˚K,
ℷ = ısıl direnç, WmK
Diso= yalıtım kalınlığı, m,
Yalıtılmamış yüzeylerin ısı kaybının bulunması;
A= yalıtılmış alan, m²
ΔT= sabit tutma sıcaklığı- en düşük ortam sıcaklığı,˚K,
İçeride oluşabilecek ısı kaybı R= 10 W/m²K
Rüzgarda oluşabilecek ısı kaybı < 5 m/s R= 30 W/m²K
Rüzgarda oluşabilecek ısı kaybı < 20 m/s R= 90 W/m²K
Not: Depolama tankının üst yüzeyinin yalıtılmadığı durumlarda, tank tamamen dolu değilse ve de 100 mm’lik hava boşluğu olduğu durumlarda ısı kaybı aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:
Buradaki A ve ΔT değerleri yukarıda tanımlandığı gibidir,
Bağlantı suportları, yürüyüş yolları ve merdivenlerdeki ısı kaybının hesaplanması,
Bağlantı ayakları/ suportlar için ısı kaybı,
Q= 0,9 W/K x ΔT x ayak sayısı
Merdivenler için ısı kaybı,
Q=4,5 W/K x ΔT x merdiven sayısı
Yürüyüş yolları için ısı kaybı,
Q= 18 W/K x ΔT x yürüyüş yolu sayısı
Toplam ısı kaybının bulunması için, tüm kayıplar toplanıp, emniyet katsayısı ile çarpılır,
Q toplam =( Q1+Q2+Q3………+Qn) x K
