1. Giriş

Isıtma, soğutma ve havalandırma sistemlerinde enerji tüketim dağılımı birçok parametreye ve sistemdeki ekipmanların tümüne bağlıdır. Sıcaklık kontrolü gereksinimi, sistemin karmaşıklık derecesine, büyüklüğüne ve kullanılan cihazların tipine bağlı olarak geniş ölçüde değişir. Enerji tüketimini etkileyen parametreler; radyasyon, dış hava sıcaklığı, iç yükler, ayar sıcaklığı, alınan taze hava, bina yapısı, enerji üretim ve transfer verimliliği. Bu parametrelere bağlı olarak tasarruf edebileceklerimiz ise; pompalama, debi limitleme, soğutma grubu ?t, bölgesel soğutma, terminal üniteler (fan), sıcaklık ayarı ve konfor sıcaklığıdır.

 

Kontrol vanaları ile debi ve sıcaklık kontrol performansını arttırmak tüm kullanıcılara fayda sağlar. Bu fayda konfor seviyesinde artış, düşük enerji tüketimiyle faturalardaki düşüş ve daha sessiz vana çalışması olarak bize döner. 

 

Otomatik kontrol vanaları ile sıcaklık, nemlilik, akış ve basınç olmak üzere birçok değişken kontrol edilebilir. Ancak doğrudan kontrol ettiğimiz iki değer aslında sıcaklık ve basınçtır. İki yollu otomatik bir vanaya giren  akışkan termostattan veya bina otomasyonundan aldığı bilgiye dolayısıyla ısıtma ya da soğutma ihtiyacına göre tam ya da azaltılmış debide vanadan çıkar ve terminal üniteye gider. İstediğimiz debiyi tam olarak yakalayabilmek aşağıda bahsedeceğimiz vana otoritesi, vana karakteristiği ve sistem karakteristiğine bağlı olan vana boyutlandırması ile mümkündür.

 

2. Vana Teorisi

 

2.1 Kv Kavramı

Kv hidrolik kanunlara bağlı bir kavramdır. Vana kapasitesinin en basit şekilde belirlenmesini sağlayan bir sabittir. Kv değerleri vana üreticileri tarafından deneyler sonucunda belirlenir. Teknik olarak ifade edersek vananın üzerindeki 1 bar basınç düşümünde 1 saatte geçebilecek debi miktarı kv ile eşittir.

 

Kv kavramı Kasım 1944’de Amerika’da doğmuştur. Kv faktörü ya da kv değeri VDI/VDE Richtlinien No 2173 standardında tanımlanmıştır. Bu kavrama göre vana üzerindeki basınç düşümü ?p, debinin Q karesi ile doğru orantılıdır. (Darcy-Weisbach formula => ?p ~ Q2)

 

Yukarıdaki vana kesitinde basınç noktalarını  görebiliyoruz. Bu senaryoda I ve II olmak üzere iki durum sözkonusudur. Kv değerinde basınç düşümü 1 bar idi dolayısıyla dP2(dPıı)’yi 1 bar, Q2(Qıı)’yi  kv olarak düşünürsek :

 

Q1=kv√(?P1/ 1)=kv√ ?P1

Ve son olarak

kv=Q√ ?P1 m³/h elde edilir.

Formüllere dalmış iken gözden kaçırmamamız gereken bir noktayı sayısal örnek üzerinde açıklayalım. Basınç değişirse debi ne kadar değişir? Bu hususun önemli olmasının nedeni artık değişken debili sistemler tasarlıyor olmamız ve debi-basınç dengelerinin sık sık değişmesidir.

 

Aşağıdaki örnekte kontrol devresindeki basınç 50kPa, bunun karşılığı olarak bataryada 15 kPa, kontrol vanasında 35 kPa’dır. Bataryadan geçmekte olan debi ise 3,6 m³/h’dir.

 

Kontrol devresindeki basıncın sistemdeki basınç değişikliklerinde etkilenerek 100 kPa çıktığını öngörüyoruz. Bu basınç alt veya üst katlardaki sistemlerin kapanması sonucu artış gösterebilir.

 

Görüldüğü gibi basıncın 2 katına çıkması %41,4 daha fazla suya neden oluyor. Sistemimizde 3,6 m³/he ihtiyaç var iken, kontrol vanası ikinci durumdaki yükselen basınç ve debi ile savaşmak durumundadır. Bu ise daha çok enerji sarfiyatı, daha zor kontrol ve daha kısa vana ömrü demektir.

 

2.2 Sistem Karakteristiği 

Sistemin karakteristiği bir başka deyişle çalışma şekli aslında sistemdeki tüm ekipmanlara bağlıdır. Aşağıdaki grafiklerin sonuncusunda görülen yeşil çizgi bir terminal ünitenin kontrol vanası ile çalışması sonucu elde edilen emisyonu gösteriyor. Kırmızı çizgiye sahip olan grafik sudan havaya bir eşanjörün su debisine göre emisyonunu gösterir. Mavi çizgiye sahip grafik ise logaritmik bir vananın karakteristiğini göstermekte. Bu iki eğriyi birbiri ile çakıştırırsak sonucunda elde etmek istediğimiz yeşil çizgiyi elde ediyoruz.

 

Farklı karakteristikte motorlu vanalara ihtiyaç duyuyoruz çünkü sudan suda ısı değişimi yaptığımızda farklı, havadan havaya ısı değişimi yaptığımızda farklı bir eğride ısımız oluyor dolayısıyla motorlu vana karakteristikleri çeşitlenmektedir. Lineer tip vanalarda milin hareketi ile debide görülen artış eşittir. Bu karakteristik örneğin buhar serpantinleri için uygundur. Eşit yüzdesel vanalarda mil kapalı konudan açık konuma doğru giderken üssel bir debi artışı oluşur, yani milin pozisyonundaki eşit değişimlere karşı  debi eşit yüzdelerle artar. Aşağıdaki şekilde görülen ikinci grafik eşit yüzdesel bir vananın eğrisidir. Örnek olarak vermek gerekirse mil pozisyonu (strok) %50’den %70’e çıkarsa debi %150 artarak %10’dan %25’e çıkar. Mil pozisyonu %80’den %100’e çıkarsa debi yine %150 artarak %40’dan %100’e çıkar. Bu karakteristik ise sulu serpantinlerde kullanılmalıdır.

 

Eşit yüzdesel vananın karakteristiği

Isıtma ve soğutma cihazlarının performansı aşağıdakilerin hepsinin doğru seçimine bağlıdır: 

Kontrol vanası boyutu, kontrol vanası karakteristiği, balans vanası boyutu, kontrol vanası ve balans vanasının basınç düşümü.

 

2.3 Vana Karakteristiği 

En çok karşılaştığımız iki vana karakteristiğini aşağıdaki eğrilerde görebiliriz.  Ancak her bir grafikte birkaç farklı eğri var. Bunun nedeni mavi çizgiyle görülen eğriye sahip olduğunu düşünerek kullandığımız kontrol vanasının karakteristiği ancak otoritesinin “1” olması durumunda geçerlidir.Aksi takdirde eğrimiz olması gereken yerden sapacaktır. Otorite değerimizin düşmesi ile eğri istenilenden daha da uzaklaşmaktadır.

 

2.4 Vana Otoritesi

Vana otoritesi kontrol vanasının kontrol kabiliyetini etkileyen sistem çalışma eğrisinin kaymasına neden olan bir değerdir. “a” ile sembolize edilen otorite kontrol vanası %100 açıkken üzerinde oluşan fark basınç ?Pv100 ile vananın tamamen kapalı olması durumunda-tüketim yok- olan basınç ?Pv0 arasındaki ilişkidir. (bir başka deyişler kontrol devresindeki toplam basınç)  

 

Kontrol vanası seçimi yapılırken dikkat edilmesi gereken vana otoritesinin min. %50 olmasıdır. Yani kontrol vanası basınç düşümü toplam basınç düşümünün en az yarısı kadar olmalıdır. Ya da kontrol vanası basınç düşümü sistemin kalanındaki basınç düşümünden fazla olmalıdır. 

 

Yoksa vana karakterisitiği bozulur!

 

3. Vana Boyutlandırma 

Elde ettiğimiz sonuçları görebilmek adına örnek boyutlandırmalar yapalım. Sistemimizdeki debi ve basınç değerleri aşağıda verilmiştir.

 

Kontrol vanasını seçelim:

?P= 100 – 15 – 3 = 82 kPa = 0,82 bar 

Kv= Q/√?p  [m³/h]  

Kv=7,2 √0,82 = 8

 

Motorlu vanalar kvs tablosu:  

DN 15  - Kvs = 1,6 m³/h

DN 20  - Kvs = 2,5 m³/h

DN 25  - Kvs = 4,0 m³/h

DN 32  - Kvs = 6,3 m³/h

DN 40  - Kvs = 10  m³/h

 

Seçilen Kvs = 10 m³/h, dolayısıyla gerçek basınç düşümü:

?Pkv = (7,2/10)2 = 0,52 bar = 52 kPa

Vana otoritesi:

a = ?Pkv /?H =  52/100 = 0,52 -  kabul edilebilir mi?  Evet

 

3.1 Tipik Vana Boyutlandırma

Bir örnek üzerinde tekrar hesabımızı yapalım:

Kontrol vanasını seçelim;

DP= 50 – 20 – 3 = 27 kPa    => 0,27 bar 

Kv= Q/√?p [m³/h] böylece  Kv= 0,7 /√ 0,27 = 1,35 [m³/h]

Seçilen Kvs = 1,6 m³/h, dolayısıyla gerçek basınç düşümü:

?Pkv =(0,7/1,6)2 = 0,19 bar =19 kPa

 

Vana otoritesi:

a = ?Pkv /?H =  19/50 = 0,38 -  kabul edilebilir mi (…?)

 

3.1.1 Kontrol Vanası+Terminal Ünite Karakteristiği

Vana karakteristik eğrimizle terminal ünite ısı emisyonunu birleştirdiğimiz zaman çıkan sonuç görüldüğü gibi pek de içaçıcı olmamakta. Ancak bu bile aşağıda göreceğimiz ve maalesef en çok rastlanan yaklaşımdan daha sağlıklıdır.

 

3.2 Kolay Vana Boyutlandırma Örneği 

Boru çapının aynısı veya bir çap küçüğünü seçtiğimizi düşünelim

 

Q=0,7 m³/h  Standart olarak kullandığımız tabloya göre bu değer 580 ve 1100 kg/h arasında kalıyor şu durumda emniyetli olması adına boru çapı DN25 olarak kabul ediliyor.

Vana Kvs değer tablomuz ise şu şekilde:

 

Kontrol vanası tablosu  

DN 15  - Kvs = 0,63 m³/h

DN 15  - Kvs = 1,0 m³/h

DN 15  - Kvs = 1,6 m³/h

DN 20  - Kvs = 2,5 m³/h

DN 20  - Kvs = 3,5  m³/h

DN 25  -  Kvs = 10,0  m³/h

 

Bu noktada ezbere bir çap küçük vana tercih edilecek ama onun da iki ayrı kvs değeri olduğundan emniyetli olması adına büyük olan yani DN20 kvs=2,5 m³/h seçiliyor.

 

Yapılan bu seçime göre otoritemizi hesaplayalım:

 

Seçilen Kvs = 3,5 m³/h, dolayısıyla gerçek basınç düşümü:

?Pkv =(0,7/3,5)2 = 0,04 bar =4 kPa

a = ?Pkv /?H =  4/50 = 0,08 = 8% -  çok kötü 

 

3.2.1 Kontrol Vanası+Terminal Ünite Karakteristiği

 

3.3 Kısmi Yükte Tipik Vana Boyutlandırılması Kontrol vanası pozisyonu 

DP= 80 – 2,9 = 77,1 kPa    => 0,77 bar 

Kv= Q/√?p [m³/h]   

Kv= 0,175/√0,77=0,2 [m³/h]

Seçilen vana Kvs = 1,6 m³/h, 

Kv = 0,2 m³/h  

Vananın lineer karateristiğine bağlı olarak:

vana pozisyonu = 0,2/1,6 = 0,12 – %12,5

3.3.1 Kontrol Vanası+Terminal Ünite 

Karakteristiği

Tam yükteki vana boyutlandırmamız tipik örnek için a değerimiz 0,38 idi. Grafik üzerinde inceleyelim:

 

Sonuç olarak elde ettiğimiz grafikte işaretlediğimiz %12,5 vananın kısmi yükü sağlamak için çalışacağı noktayı belirtmektedir.

 

3.4 Kısmi Yükte Kolay Vana BoyutlandırılmasıKontrol vanası pozisyonu 

DP= 80 – 2,9 = 77,1 kPa    => 0,77 bar 

Kv= Q/√?p [m³/h]                                                       

 Kv= 0,175/√0,77=0,2 [m³/h]

Seçilen vana Kvs = 3,5 m³/h, 

Kv = 0,2 m³/h

 

Vananın lineer karaterisiistiğine bağlı olarak:

vana pozisyonu = 0,2/3,5 = 0,057 –  5,7%

 

3.4.1 Kontrol Vanası+Terminal Ünite Karakteristiği

       

4. Sonuç

Vana boyutlandırılması ve seçimi konusunun çok fazla dikkat edilemeyen bir konu olduğunu kabul edersek, çalışmada karşılaştığımız sonuçların-özellikle kısmi yükte- ne kadar çarpıcı olduğunu görebiliyoruz. 

 

Debi ihtiyacının fazla olduğu örneğin klima santrali uygulamalarında ya da ısıtma yerine soğutma suyunda yanlış yapılan seçimlerde elde edilen sonuçlar daha vahim olacaktır. Halbuki bu konu gerek konfor gerekse enerji tasarrufu açısında son derece dikkate değer bir husustur.

 

Yalnız bu çalışmada yapılan örneklerde kullanılan vananın lineer karakteristiğe sahip olduğunu vurgulamakta yarar var. Her ne kadar ülkemizde bu vana karakterisitiği meselesinin farkında olmasak da logaritmik bir vanada kısmen daha iyi sonuçlar alınacağı açıktır. 

 

Kaynaklar

[1] Benonysson A., Boysen H.; Valve Characteristics for Motorized Valves in District Heating

[2] Boysen H; kv: What, Why, How, Whence?

[3] Kristjansson H; Controls Providing Flexibility for the Consumer Increase Comfort and Save Energy,2008

[4] 2004 Ashrae El Kitabı; Isıtma, Havalandırma ve İklimlendirme Sistemleri ve Ekipmanları, 2007 İstanbul

[5] Tesisat Mühendisliği Uygulama Kitabı,2007 İstanbul

[6] Recknagel-Sprenger S; Isıtma Klima Tekniği El Kitabı, TTMD 97/98.