Su Özellikleri Hesaplayıcı Rehberi

Hızlı Cevap: Suyun Temel Özellikleri Nelerdir?

Suyun temel termofiziksel özellikleri 20°C'de:

• Yoğunluk: 998,2 kg/m³
• Kinematik viskozite: 1,004 $\times$ 10⁻⁶ m²/s
• Özgül ısı kapasitesi: 4,182 kJ/(kg·K)
• Isı iletkenliği: 0,598 W/(m·K)
• Dinamik viskozite: 1,002 mPa·s

Giriş

Mühendislik hesaplamalarında suyun özelliklerini doğru bilmek kritiktir. HVAC sistemleri, boru tesisatı ve ısı transferi hesaplamalarında yanlış değerler kullanmak ciddi tasarım hatalarına yol açabilir.

Yılların deneyimiyle şunu söyleyebilirim: Çoğu mühendis suyun özelliklerini 4°C'deki değerlerle ezbere bilir ama gerçek çalışma sıcaklıklarındaki değerleri göz ardı eder. Oysa bir ısıtma sistemi 80°C'de çalışır ve bu sıcaklıkta suyun özellikleri çok farklıdır.

Temel Su Özellikleri

Yoğunluk

Suyun yoğunluğu sıcaklıkla değişir ve bu değişim sistem tasarımında kritiktir. 4°C'de maksimum yoğunluğa (1000 kg/m³) ulaşır.

Sıcaklığa göre yoğunluk değişimi:

Pratik İpucu: Soğutma kulesi hesaplamalarında yazın su sıcaklığı 35°C'ye çıkabilir. Bu durumda yoğunluk farkı pompa gücünü %1-2 etkiler - küçük görünür ama yıllık enerji maliyetinde fark yaratır.

Viskozite

Viskozite, suyun akmaya karşı direncidir. İki türü vardır:

Dinamik Viskozite (μ): Birim: Pa·s veya mPa·s Kinematik Viskozite ($\nu$): Birim: m²/s

Aralarındaki ilişki: $\nu = \mu / \rho$

Sıcaklık etkisi:

• 0°C'de: 1,79 mPa·s (soğuk su çok viskozdur)
• 20°C'de: 1,00 mPa·s (referans değer)
• 60°C'de: 0,47 mPa·s (sıcak su daha akışkandır)
• 100°C'de: 0,28 mPa·s

Gerçek hayattan örnek: Bir projemde, kış aylarında soğuk su pompası sürekli aşırı yük alarmı veriyordu. Sebep? Tasarım 20°C için yapılmış ama kışın su 5°C'ye düşüyordu. Viskozite farkı pompayı %30 daha fazla zorluyordu.

Özgül Isı Kapasitesi

Özgül ısı, 1 kg suyu 1°C ısıtmak için gereken enerji miktarıdır. HVAC hesaplamalarının temelidir.

Değerler:

• 0°C: 4,217 kJ/(kg·K)
• 20°C: 4,182 kJ/(kg·K)
• 60°C: 4,185 kJ/(kg·K)
• 100°C: 4,216 kJ/(kg·K)

Hesaplama örneği: 1000 litre suyu 20°C'den 60°C'ye ısıtmak için gereken enerji:

$Q = m \times c_p \times \Delta T$

$Q = 1000 \text{ kg} \times 4,18 \text{ kJ/(kg-K)} \times 40 \text{ K}$ Q = 167.200 kJ = 46,4 kWh

Maliyet hesabı: Elektrikle ısıtma (0,30 TL/kWh): 46,4 $\times$ 0,30 = 13,92 TL

Isı İletkenliği

Isı iletkenliği, suyun ısıyı iletme kabiliyetidir. Isı değiştirici tasarımında kritiktir.

Değerler:

• 0°C: 0,561 W/(m·K)
• 20°C: 0,598 W/(m·K)
• 60°C: 0,654 W/(m·K)
• 100°C: 0,679 W/(m·K)

Sıcaklık arttıkça ısı iletkenliği artar. Bu yüzden yüksek sıcaklıklarda ısı transferi daha verimlidir.

Sıcaklığa Bağlı Özellik Değişimleri

Sıcaklık değişiminin su özelliklerine etkisi lineer değildir. İşte dikkat edilmesi gerekenler:

4°C Anomalisi: Su 4°C'de en yoğun haldedir. Bu yüzden göllerde buz üstte oluşur, dip 4°C'de kalır.

Kaynama noktası basınç etkisi:

• Deniz seviyesi: 100°C
• 1000m rakım: 96,7°C
• 2000m rakım: 93,3°C

Donma noktası düşümü: Antifriz eklendiğinde donma noktası düşer:

• %10 etilen glikol: -3,5°C
• %30 etilen glikol: -13,7°C
• %50 etilen glikol: -36,8°C

Pratik Uygulamalar

HVAC Sistemlerinde Kullanım

Soğutma grubu seçimi: Soğutma kapasitesi = Debi $\times$ Yoğunluk $\times$ Özgül ısı $\times$ Sıcaklık farkı

Örnek: 10 l/s debi, 7°C giriş - 12°C çıkış

$Q = 10 \times 998 \times 4,18 \times 5 = 209 \text{ kW}$

Genleşme tankı hesabı: Suyun hacimsel genleşmesi hesaba katılmalı:

• 10°C'den 90°C'ye: %3,5 genleşme
• 1000 litre su → 35 litre genleşme

Boru Tesisatı Hesaplamaları

Basınç kaybı hesabı: Darcy-Weisbach formülü viskozite değerine bağlıdır:

$\Delta P = f \times (L/D) \times (\rho \times v^2/2)$

Reynolds sayısı: $Re = \frac{\rho \times v \times D}{\mu}$

Pratik örnek: DN50 boru, 2 m/s hız, 60°C su:

• Re = (983 $\times 2 \times$ 0,05) / 0,00047 = 209.000 (türbülanslı akış)
• Sürtünme faktörü: f $\approx$ 0,02
• 100m boru için basınç kaybı: ~8 kPa

Pompa Seçimi

Pompa gücü viskoziteye bağlıdır:

Soğuk su (5°C): Yüksek viskozite = Daha fazla güç Sıcak su (80°C): Düşük viskozite = Daha az güç

NPSH hesabında buhar basıncı kritiktir:

• 20°C: 2,34 kPa
• 60°C: 19,9 kPa
• 80°C: 47,4 kPa

Yaygın Hatalar ve Çözümler

Hata 1: Sabit özellik varsayımı Çözüm: Çalışma sıcaklığındaki gerçek değerleri kullanın

Hata 2: Rakım etkisini ihmal Çözüm: Yüksek rakımda kaynama noktası düşer, buna göre tasarlayın

Hata 3: Antifriz etkisini unutmak Çözüm: Glikol karışımlarında özellikler %20-30 değişir

Hata 4: Genleşmeyi hesaba katmamak Çözüm: Kapalı sistemlerde mutlaka genleşme tankı kullanın

Hesaplama Örnekleri

Örnek 1: Isı Değiştirici Tasarımı

Görev: 100 kW ısı transferi, su 60°C giriş, 40°C çıkış

Çözüm:

• Ortalama sıcaklık: 50°C
• Yoğunluk: 988 kg/m³
• Özgül ısı: 4,18 kJ/(kg·K)
• Gerekli debi: Q = 100 / (4,18 $\times$ 20) = 1,20 kg/s = 1,21 l/s

Örnek 2: Pompa Gücü Hesabı

Görev: 5 l/s debi, 30m basma yüksekliği, 20°C su

Çözüm:

• Hidrolik güç: P = $\rho \times$ g $\times Q \times$ H
• P = 998 $\times 9,81 \times$ 0,005 $\times$ 30 = 1470 W
• Pompa verimi %70: Motor gücü = 1470 / 0,70 = 2100 W

Örnek 3: Boru Çapı Seçimi

Görev: 10 l/s debi, maksimum 2 m/s hız

Çözüm:

• Alan: A = Q / v = 0,01 / 2 = 0,005 m²
• Çap: D = $\sqrt{4A/\pi}$ = 0,080 m
• Seçim: DN80 boru (iç çap 82,5 mm)
• Gerçek hız: $v = 0,01 / (\pi \times 0,0825^2/4) = 1,87$ m/s

Sonuç

Doğru su özelliği verileri, uygun HVAC ve boru tesisatı sistem tasarımı için temeldir. Yoğunluk, viskozite, özgül ısı ve ısı iletkenliği için doğru sıcaklığa bağlı değerleri kullanmak, doğru ekipman boyutlandırması, enerji hesaplamaları ve sistem performansını sağlar.

Temel çıkarımlar: Sıcaklığa bağlı özellikleri kullanın, IAPWS-IF97 formüllerini takip edin, doğru birim dönüşümleri yapın, sistem sıcaklığına göre özellikleri seçin, basınç etkisini hesaba katın ve referans verileri doğrulayın.

Temel Çıkarımlar

• Sıcaklığa bağlı özellikleri kullanın—yoğunluk, viskozite, özgül ısı ve ısı iletkenliği sıcaklığa bağlıdır, sistem çalışma sıcaklığına göre seçin
• IAPWS-IF97 formüllerini takip edin—endüstri standardı formülasyon, su ve buhar özellikleri için doğru hesaplamalar
• Doğru birim dönüşümleri yapın—SI birimleri kullanın, birim tutarlılığını koruyun, hesaplama hatalarını önleyin
• Sistem sıcaklığına göre özellikleri seçin—tasarım sıcaklığına göre, ortalama çalışma sıcaklığına göre, pik sıcaklık koşullarını hesaba katın
• Basınç etkisini hesaba katın—yüksek basınçlı sistemlerde basınç etkisi önemli, basınç düşük olduğunda genellikle ihmal edilebilir
• Referans verileri doğrulayın—NIST REFPROP, ASHRAE Handbook, CRC Handbook gibi güvenilir kaynakları kullanın

İleri Öğrenme

• Boru Yalıtım Rehberi - Termal sistem tasarımı
• Su Basınç Kaybı Rehberi - Su dağıtım sistemi tasarımı
• Birim Dönüştürücü - Birim dönüşümleri için interaktif hesaplayıcı

Referanslar ve Standartlar

Birincil Standartlar

IAPWS-IF97 Su ve Buharın Termodinamik Özellikleri için Endüstriyel Formülasyon 1997. Su özellikleri hesaplamaları için endüstri standardı.

ASHRAE Temeller El Kitabı Bölüm 33: Malzemelerin Fiziksel Özellikleri. Su özellikleri ve HVAC sistem tasarımı için kapsamlı rehberlik sağlar.

Destekleyici Standartlar ve Kılavuzlar

EN 12828 Binalarda ısıtma sistemleri - Su bazlı ısıtma sistemleri tasarımı. Su özellikleri gereksinimlerini belirtir.

NIST REFPROP Referans Akışkan Termodinamik ve Taşıma Özellikleri Veri Tabanı. Su özellikleri için referans veri tabanı.

İleri Okuma

• CRC Kimya ve Fizik El Kitabı - Kapsamlı su özelliği verileri
• VDI Isı Atlası - Kapsamlı ısı transferi ve akışkan özellikleri referansı

Not: Standartlar ve kodlar düzenli olarak güncellenir. Her zaman projenizin konumuna uygun mevcut kabul edilmiş sürümü kullandığınızı doğrulayın. Özel gereksinimler için yargı yetkisine sahip yerel makamlara danışın.

Sorumluluk Reddi: Bu rehber, uluslararası mühendislik standartlarına dayalı genel teknik bilgiler sağlar. Hesaplamaları her zaman geçerli yerel kodlarla doğrulayın ve gerçek kurulumlar için lisanslı profesyonellere danışın. Mühendislik hesaplamaları yalnızca kalifiye profesyoneller tarafından yapılmalıdır. Bileşen derecelendirmeleri ve özellikleri üreticiye göre değişebilir.

Bu kılavuz, yerleşik mühendislik hesaplama ilkeleri ve uluslararası standartları takip eder.

Birincil Standartlar

ISO Standartları Uluslararası Standardizasyon Örgütü mühendislik standartları

SI Birimleri - Uluslararası Birimler Sistemi Uluslararası Ağırlıklar ve Ölçüler Bürosu

Destekleyici Standartlar ve Kılavuzlar

NIST Sabitler ve Birimler Referansı Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü ölçüm standartları

Not: Standartlar ve kodlar düzenli olarak güncellenir. Projenizin konumuna uygun mevcut kabul edilmiş sürümü kullandığınızı her zaman doğrulayın.