T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

Transkript

1 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ PNÖMATİK SİSTEMLERDEKİ YEREL KAYIPLARIN BELİRLENMESİ İÇİN SİSTEM TASARIMI VE İMALATI BİTİRME ÇALIŞMASI Barış ARSLAN Muhammed Bekir BİLGİLİ Çağrı İRTEKİN Resul Burak KURNAZ HAZİRAN 2018 TRABZON

2 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ PNÖMATİK SİSTEMLERDEKİ YEREL KAYIPLARIN BELİRLENMESİ İÇİN SİSTEM TASARIMI VE İMALATI Barış ARSLAN Muhammed Bekir BİLGİLİ Çağrı İRTEKİN Resul Burak KURNAZ Jüri Üyeleri Danışman: Doç. Dr. Yücel ÖZMEN.... Doç. Dr. Mete AVCI... Üye : Doç.Dr. Mete AVCI... Üye : Prof. Dr. Burhan ÇUHADAROĞLU... Bölüm Başkanı: Prof. Dr. Burhan ÇUHADAROĞLU HAZİRAN 2018 TRABZON

3 ÖNSÖZ Günümüzde pnömatik sistemler etkin olarak kullanılmaktadır. Bu sistemlerin daha verimli çalışması ve enerji kayıplarını en aza indirmek amacıyla çeşitli iyileştirmeler bilim adamları tarafından yapılmaktadır. Bilimsel olarak yapılan bu iyileştirmelerin deney düzeneklerinde denenmesi ölçümler yapılabilmesi, buradan alınan veriler ile bu sistemlerin denenerek iyileştirilip uygulamaya geçilmesi ve okullarda eğitim amacıyla deney düzeneklerinin kullanılmasının önemi büyüktür. Yapılan deney düzeneği ile enerji kayıplarını en az seviyeye indirmek amaçlanmış ve tasarım şekillendirilmiştir. Öncelikle bu çalışmanın hazırlanmasında bizi yönlendiren, yardım ve desteğini esirgemeyen danışman hocalarımız Doç. Dr. Yücel ÖZMEN ve Doç. Dr. Mete Avcı ya teşekkürlerimizi sunarız. (Çağrı İRTEKİN) (Barış ARSLAN) (Muhammed Bekir BİLGİLİ) (Resul Burak KURNAZ) Trabzon 2018

4 İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖNSÖZ... III ÖZET... V SUMMARY VI ŞEKİLLER DİZİNİ...VII TABLOLAR DİZİNİ... VIII SEMBOLLER DİZİNİ... IX 1. GENEL BİLGİLER Pnömatik Sistemlerde Kullanılan Borularda ve Bağlantı Elemanlarında Enerji Kayıplarının incelenmesi Borularda Akış Bernoulli Eşitliği Borularda Yerel Kayıplar Borularda Sürekli Kayıplar YAPILAN ÇALIŞMALAR Projenin Amacı Hedefleri ve Özgünlüğü Projenin Kısıtları ve Koşulları Projenin Karşılayabileceği Gereksinimler Literatür Araştırması Deneysel Çalışma Deney Düzeneği Farklı Çözüm Seçenekleri ve Seçim Kriterleri Deney Düzeneği Tasarımı Mühendislik Hesapları.12 3.BULGULAR Ölçüm Sonuçları Hesaplama Yöntemi TARTIŞMA SONUÇLAR ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER ÖZGEÇMİŞ

5 ÖZET PNÖMATİK SİSTEMLERDE YEREL KAYIPLARIN BELİRLENMESİ İÇİN SİSTEM TASARIMI VE İMALATI Pnömatik sistemler günümüzde sanayide yaygın olarak kullanılmaktadır. Pnömatik sistemlerdeki enerji kayıpları uygulamada kullanıcıları zorlamaktadır. Bu çalışmada, hava için türbülanslı akışta enerji kayıplarını belirlemek amacıyla bir sistem tasarımı yapılacaktır. Boru içindeki akış uygulamalarında kullanılan Bernoulli denklemlerinden ve süreklilik denkleminden faydalanarak belirtilen ölçü aleti ile debi ölçülerek bir boru bağlantısında, bağlantı elemanları olan 90 º dirsek, redüksiyon ve hız ayar vanası ile birlikte düz bir borunun giriş ve çıkış kesitlerinde belirlenen ölçü aleti ile basınç ölçümü yaparak yerel ve sürekli kayıp katsayılarını belirlemek ve bu sistem ile deneysel çalışmalara ve eğitime katkıda bulunmak hedeflenmiştir. Anahtar Kelimeler: Pnömatik Sistemler, Türbülanslı Akış, Enerji Kaybı, Yerel ve Sürekli Kayıp Katsayısı, 90 º dirsek, Redüksiyon, Hız Ayar Valfi V

6 SUMMARY SYSTEM DESIGN AND MANUFACTURING FOR DETERMINATION OF LOCAL LOSSES IN PNEUMATIC SYSTEMS Nowadays, pneumatics systems are widely used in industry. However, the loss of energy in pneumatics systems might cause difficulties for users of that system. In this study, a design of a system will be created in order to define the energy loss in turbulence flow for air. This study aims to support the education and experimental researches and to determine the minor and constant coefficients, using the Bernoulli s Equation combined with the Continuity Equation, measuring the flowrate with the measuring device specified in that study, in a pipe joint and its fitting and the ninety degree elbow, reducer and flow regulating valve in the cross section areas of a plain tube measuring the pressure with the help of the specified measuring device.. Keywords: Pneumatics Systems, Energy Loss, Minor And Constant Coefficients, Degree Elbow, Reducer, Flow Regulating Valve VI

7 ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa No Şekil 1.1. Borularda akış formlarının değişimi... 2 Şekil 1.2. Boruda hız sınır tabakasının gelişimi... 3 Şekil 1.3. Bağlantı elemanındaki basınç ve akış değişimi... 4 Şekil 1.4. Boruda basınç değişimi... 5 Şekil 2.1. Deney düzeneğinin şematik gösterimi... 9 Şekil 2.2. Düz boru Şekil 2.3. Deney düzeneğinin teknik resmi Şekil 3.1. Ani daralma elemanının kayıp katsayısının hıza göre değişimi Şekil 3.2. Dirsek elemanın kayıp katsayısının hıza göre değişimi Şekil 3.3. Düz borunun sürekli kayıp katsayısının hıza göre değişimi Şekil 3.4. Hız ayar vanasının kayıp katsayısının hıza göre değişimi Şekil 8.1. Dirsek elemanı.24 Şekil 8.2. Ani Daralma elemanı...24 Şekil 8.3. Hız ayar vanası.24 Şekil 8.5. Deney düzeneği. 25 VII

8 TABLOLAR DİZİNİ Sayfa No Tablo 3.1. Ölçüm Sonuçları Tablo 3.2. Hesaplanan Sonuçlar VIII

9 SEMBOLLER DİZİNİ Cp : Basınç katsayısı f : Darcy sürtünme katsayısı hk,sürekli : Sürekli yük kaybı hk,yerel : Yerel yük kaybı K : Kayıp katsayısı k : Pürüzlülük yüksekliği R : Eğrilik yarıçapı D : Borunun iç çapı P : Basınç Re : Reynolds sayısı L : Boru uzunluğu ν : Akışkanın kinematik viskozitesi Leş : Eşdeğer uzunluk ρ : Akışkanın yoğunluğu μ : Akışkanın dinamik viskozitesi v : Akışkanın Hızı IX

10 1. GENEL BİLGİLER Basınçlandırılmış akışkanının, mekanik özelliklerini davranışlarını kuvvet iletiminde kullanılmasını akışkanın hareket ve kontrolünü inceleyen bilime hidrolik ya da pnömatik denir. Hidrolikte enerji iletimi yağ ve su gibi daha yoğun akışkanlar gerçekleştirirken pnömatikte kullanılan akışkan cinsi havadır. Pnömatik enerjinin kaynağı olan havanın atmosferde sınırsız olarak bulunması nedeniyle pnömatik sistemler birçok alanda tercih edilmektedir. Sıkıştırılmış havanın kuvvet oluşturmada kullanılması milattan öncelere rastlar ancak endüstriyel anlamda ilk ciddi pnömatik uygulamalar 19.yy ın ortalarında basınçlı havanın el aletlerinde kullanılmaya başlanmış ve pnömatik günümüze kadar pek çok farklı çalışma alanında kendine yer edinmiştir. Eski Yunan dilinde rüzgâr ya da nefes manasına gelen "pneuma" (bu kelime ayrıca "ruh" anlamına da gelir) kelimesinden gelen pnömatik, basınçlı hava ile çalışan mekanik sistemlerin hareket ve kontrolünü inceleyen bilim ve mühendislik dalıdır. Günümüzde ticaret olarak da gelişmiştir. Pnömatik sistemlerde tesisat ve bağlantı elemanları da çok önemli bir konudur. Gerek sızdırmazlık problemleri gerek kullanıcıların değişik debi gereksinimleri ve gerekse de pnömatik sistemlerde kullanılan hortum ve bağlantı elemanlarında oluşan yerel ve sürekli kayıplar tasarımda pratik çözümler üretmeye zorluk çıkartmaktadır. Pnömatik sistemlerinin projelendirilmesinde borular ve bağlantı elemanları nedeniyle oluşan basınç kayıpları, sistemin standartlara uygun bir tasarım yapılması açısından önemli olmaktadır. Bu çalışmada borulardaki akışta bağlantı elemanlarının etkisiyle oluşan yerel kayıpların deneysel olarak belirlenmesine yönelik bir deney sistemi tasarlanması amaçlanmaktadır Pnömatik Sistemlerde Kullanılan Borularda ve Bağlantı Elemanlarında Enerji Kayıplarının İncelenmesi Boru akış problemlerinin çözümünde göz önünde bulundurulması gereken unsurlardan en önemlisi enerji kayıplarıdır. Borulardaki akışlarda, enerji kayıplarını etkileyen temel unsurlar; borudaki akışın niteliği, borunun malzemesi, borunun geometrik boyutları (boru 1

11 çapı, uzunluğu ve boru kesit şekli) ve borudaki akışın yön değiştirmesine neden olan geometrik faktörlerdir. Bu kayıplar, düz borularda akışın Reynolds sayısına bağlı olarak laminer, geçiş ve tam türbülanslı akış durumuna göre borudaki hız dağılımına bağlı olarak değişebilir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan Darcy-Weisbach formülündeki sürtünme faktörü, laminer akışlar için teorik olarak hız dağılımı yardımıyla belirlenebildiğinden, uygulamada enerji kayıplarının hesabında bir zorluk söz konusu değildir. Öte yandan, türbülanslı akışlara ait hız dağılımları deneysel çalışmalarla belirlendiğinden, bu konuda yapılan çalışmaların değerlendirilmesi, ampirik formüllerle yapılır. Düz borularda oluşan bu kayıplar; sürekli yük kayıpları olarak bilinir. Boru akışlarındaki diğer en önemli enerji kayıpları ise; borulardaki kesit değişimlerinde, hazne giriş ve çıkışlarında, boru bağlantılarında, borulardaki akışın yön değiştirdiği dirseklerde, akışın kollara ayrılması gibi durumlarda ve vanalarda olduğu gibi akışı kısıtlayıcı elemanların bulunduğu yerlerde meydana gelir. Bu tür kayıplar yerel kayıplar olarak adlandırılır ve buradaki kayıp katsayıları deneysel çalışmalarla belirlenmiştir.[10] 1.2. Borularda Akış Akışkanlar mekaniğinde akış problemleri 3 temel gruba ayrılır; laminer akış, geçiş akışı (laminer + türbülanslı) ve türbülanslı akış. Her 3 akış için oluşturulan matematiksel formülasyonlar birbirinden farklılıklar içerir. Şekil 1.1 : Borularda akış formlarının değişimi 2

12 Osborne Reynolds 1880 yılındaki detaylı deneylerden sonra akış rejiminin esasen akışkandaki atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranına bağlı olduğunu keşfetmiştir bu orana Reynolds sayısı denir. Akışın türbülanslı olmaya başladığı Reynolds sayısına kritik Reynolds sayısı denir ve dairesel borudaki iç akış; olarak ifade edilir. Vort, akışın ortalama hızı; D, borunun iç çapı; ρ, akışkanın yoğunluğu; μ, akışkanın dinamik viskozitesi ve ν, akışkanın kinematik viskozitesidir. Farklı geometriler ve akış çapları için kritik Reynolds sayısının değeri farklıdır dairesel borulardaki iç akış için kritik Reynolds sayısının genelde kabul edilen değeri 2300 dür. Re 2300; Laminer Akış Re ; Geçiş Akışı Re> 4000; Türbülanslı Akış Şekil 1.2: Boruda hız sınır tabakasının gelişimi Hidrodinamik giriş bölgesi: Borunun girişinden sınır tabakanın merkez çizgisi ile birleştiği yere kadar olan bölgeye denir. Hidrodinamik giriş uzunluğu Lh: Bu bölgenin uzunluğu. Hidrodinamik olarak gelişen akış: Giriş bölgesindeki akışa denir. Bu bölge, hız profilinin geliştiği yerdir. Hidrodinamik olarak tam gelişmiş bölge: Giriş bölgesinin uzağında olup hız profilinin tam olarak geliştiği ve değişmeden kaldığı bölgedir. Tam gelişmiş: Boyutsuzlaştırılmış sıcaklık dağılımının profili de değişmeden kalıyorsa, bu durumda akış tam gelişmiş olarak nitelendirilir. 3

13 1.3. Bernoulli Eşitliği Bernoulli eşitliği İsviçreli matematikçi Daniel Bernoulli ( ) tarafından 1738 de Rusyanın St. Petersburg şehrinde çalışırken yazdığı bir makalede kelimelerle ifade edilmiş ve daha sonra çalışma arkadaşı Leonhard Euler tarafından denklem haline getirilmiştir. Bernoulli eşitliği aşağıdaki gibi ifade edilmiştir; 1.4. Borularda Yerel Kayıplar Yaygın olarak kullanılan bir borulama sisteminde akışkan borulara ek olarak birçok bağlantı elemanı; vana, açma kapama valfleri, dirsek, T, genişleme ve daralmalardan geçer. Bu elemanlar akışkanın düzgün akışını kesintiye uğratır ve akış ayrılıkları ve karışmalarına neden oldukları için ilave kayıplara sebebiyet verirler ve bu kayıplara yerel kayıplar denir. Yerel kayıplar çoğunlukla kayıp katsayısı Kk cinsinden ifade edilir. Kayıp katsayısı: Şekil 1.3: Bağlantı elemanındaki basınç ve akış değişimi Örnek şekildeki bağlantı elemanında (vana); 1 konumunda ve 2 konumunda statik basınç değişimi meydana gelir. Bu basınç değişimi ile birlikte yerel kayıp ve bununla beraber yerel kayıp katsayısı Kk gerekli eşitliklerle elde edilir. Bundan yola çıkarak dirseklerde, T bağlantılarında, genişleme ve daralma elemanlarında da benzer kayıplar deneysel olarak elde edilir. 4

14 1.5. Borularda Sürekli Kayıplar İçerisinde akışkan akmakta olan boruların cidarlarıyla akışkan arasındaki ve akışkanın molekülleri arasında sürtünmeler meydana gelmektedir. Bu sürtünmelerden oluşan enerji kayıpları sürekli kayıp olarak adlandırılır. Dairesel kesitli borular içinden akışta sürekli yük kaybı; şeklindeki Darcy-Weisbach bağıntısı ile ifade edilmektedir. Burada, boyutsuz parametre f, Darcy sürtünme katsayısı ya da sürekli kayıp katsayısı olarak adlandırılır. Sürekli kayıp katsayısı, Reynolds sayısı ve yüzey pürüz yüksekliğinin (ε) bir fonksiyonudur; Şekil 1.4: Boruda basınç değişimi Örnek şekilde düz boruda 1 ve 2 konumunda statik basınç değişimi ölçülerek sürekli kayıp ve bununla birlikte f sürekli kayıp katsayısı elde edilebilir. 5

15 2. YAPILAN ÇALIŞMALAR 2.1 Projenin Amacı, Hedefleri ve Özgünlüğü Günümüzde pnömatik sistemler endüstriyel uygulamalarda etkin olarak kullanılır. Bu sistemlerin daha verimli çalışması ve enerji kayıplarını en aza indirmek amacıyla çeşitli iyileştirmeler bilim adamları tarafından yapılmaktadır. Bilimsel olarak yapılan bu iyileştirmelerin deney düzeneklerinde denenmesi ölçümler yapılabilmesi, buradan alınan veriler ile bu sistemlerin denenerek iyileştirilip uygulamaya geçilmesi ve okullarda eğitim amacıyla deney düzeneklerinin kullanılmasının önemi büyüktür. Bizim çalışmamızda amaç tüm bu gereksinimlere cevap vererek pnömatik bir sistemde kompresör çıkışından alınan hava ile birlikte çeşitli debi koşullarında bir borulama sistemi üzerindeki bağlantı elemanları olan dirsekler hız ayar valfleri ve çap değişiklikleri için kullanılan redüksiyonlar ayrıca bununla birlikte düz bir boruda meydana gelen basınç farklılıkları ile enerji kayıplarını bir deney düzeneği kurularak belirlemek ve bu konuda çalışanlara sunmak, eğitim amacıyla okullarda kullanılmasını sağlamaktır. 2.2 Projenin Kısıtları ve Koşulları Hava sıkıştırılabilirliği yüksek bir akışkandır ve pnömatik bir sistem ekonomik bir şekilde kuvvet oluşturmada hidrolik sistemler kadar yüksek performans gösteremez. Aynı sebepten dolayı kullanımda hassasiyet azalır, sabit ve düzgün bir hız elde edilmesi zorlaşır. Havanın sıkıştırılması kompresörler aracılığı ile yapılır. Kompresörden çıkan havanın kullanılmadan önce temizlenmesi ve neminin alınması için kurutulması ve filtrelenmesi gerekir. Bu da beraberinde enerji sarfiyatı ve maliyet getirir. Pnömatik sistemler uygun donanımlarla kullanılmadığı takdirde oldukça gürültülü çalışarak çevre ve insan sağlığı ve konforu açısından tehlikeler oluşturur. Proje tasarımı yukarıda belirtilen dezavantajlara dikkat edilerek gerçekleştirilmiş ve çalışma ortamındaki standart atmosfer koşulları, ortam sıcaklığı gibi önemli ortam parametreleri de tasarım probleminin kısıtları ve koşulları arasında yer almaktadır. 6

16 2.3 Projenin Karşılayabileceği Gereksinimler Pnömatik sistemler bükme ve şekil verme sistemlerinde, otomasyon ve elektronik sanayide, robot teknolojilerinde, malzeme taşımacılığında, boyama işlemlerinde, tekstil sanayisinde, gıda kimya, maden ve ilaç sanayilerinde oldukça yaygın kullanılmaktadır. Kullanım aşamasında pnömatik sistemlerde yer alan boru ve bağlantı elemanlarında meydana gelen kayıplar sistemi besleyecek kompresörün seçiminde doğrudan önemli bir role sahiptir. Bu elemanlarda meydana gelen basın düşüşleri, elemanların yerel ve sürekli yük kayıp katsayılarına bağlıdır. Bu katsayıların belirlenmesi tasarımı yapılacak bir pnömatik sistemin önemli bileşenlerinin seçilmesinde gereklidir. Tasarımda pnömatik sistemlerde sıkça kullanılan dirsek, hız ayar vanası, redüksiyon ve düz boru için yerel ve sürekli yük kayıp katsayıları belirlenebilecektir. Tasarlanan sistem 3 bağlantı elemanı ve belirli uzunlukta düz borunun yerel ve sürekli yük kayıp katsayılarının belirlenmesinde kullanılabilmektedir. 2.4 Literatür Araştırması Akışlarda meydana gelen kayıpların etkisiyle yapılan tasarımlar sonucu sistemin çalışması esnasında ortaya beklenmedik durumların ortaya çıkmaması nedeniyle kayıplar göz ardı edilemeyecek kadar önemlidir bu sebepten dolayı borular içinden akışlarda meydana gelen kayıplarla ilgili çok sayıda deneysel, sayısal ve analitik çalışma mevcuttur. Bağlantı elemanlarını kapsayan ilk çalışmalar öncelikle akış karakteristiğini anlamaya yönelik deneysel olarak yapılmış ve bu çalışmaların neticesinde ampirik bağıntılar elde edilmiştir. Daha sonra akışkanlar dinamiğinin hesaplamalı yönteminin kullanılmaya başlaması, simülasyon ve deney düzeneklerinin geliştirmesi sonucunda akış bölgesi için daha detaylı incelemeler elde edilmiştir. Konu ile ilgili yapılmış çalışmalar aşağıda verilmiştir. Ito [1], 45,90 ve 180 lik açılarda dairesel kesitli 10 farklı pürüzsüz dirsek içinden türbülanslı akışta meydana gelen basınç kayıplarını ve kayıp katsayılarını su için deneysel 7

17 olarak incelemiş ve elde ettiği sonuçları daha önceden yapılan mevcut ampirik bağıntıların kullanılmasıyla elde edilen sonuçlarla kıyaslamıştır. G.E Aldape [2], 33 <Re <900 aralıklarında Reynolds sayıları için yerel kayıp katsayılarının davranışlarını incelemiş kullandığı bağlantı elemanlarının katsayıları bu Reynolds sayılarında yaklaşık olarak 0.5 alınmasına rağmen Aldape deneysel verilere dayanarak bu değerin 0.5 den oldukça farklı olduğunu belirlemiş ve incelediği değer aralıkları için tasarım eğrileri önermiştir. Crawford ve diğ. [3] eğrilik yarıçapı R nin, boru yarıçapı r ye oranı olan R/r eğrilik oranının 1.3, 5 ve 20 değerlerinde, üç farklı 90 dirsek modelinde meydana gelen basınç düşüşünü Reynolds sayısının aralığında akışkan olarak hava kullanarak deneysel olarak incelemişlerdir. Mazumder [4], Fluent paket programını ve k- türbülans modelini kullanarak, 12.7 mm çapındaki 90 dirsekteki hava, su akışının ve çift fazlı hava-su akışının HAD analizlerini yapmıştır. Basınç düşüşü için elde ettiği sayısal sonuçları, literatürde mevcut olan iki farklı ampirik modelle (Chisholm ve Benbella) karşılaştırmış ve sonuçların uyum içerisinde olduğunu göstermiştir. Dutta ve Nandi [5], iç çapı 10 mm olan dairesel kesitli 90 dirsek boyunca meydana gelen basınç düşüşünü k- RNG türbülans modelini kullanarak hava akışı için sayısal olarak üç boyutlu incelemişlerdir. Lu ve diğ. [6], 100 mm iç çapına sahip dairesel kesitli 90 dirseğin iç ve dış duvarlarındaki boyutsuz basınç dağılımlarını ve dış duvar ile iç duvar arasındaki boyutsuz basınç farkını, Reynolds sayısının ve eğrilik oranının fonksiyonu olarak sayısal incelemişlerdir. Dirseğin dış duvarındaki basınç katsayısı değerinin dirsek açısının artmasıyla önce arttığını, sonra hemen hemen sabit kaldığı ve daha sonra azaldığını; iç duvarda ise önce azaldığı, sonra arttığı ve sonra tekrar azalıp arttığını gözlemlemişlerdir. 8

18 Bulgurcu ve Özmen [7], piyasada kullanılan bazı sıhhi tesisat elemanlarına ait, farklı akış debilerindeki basınç düşüşünü ve K direnç katsayısını bir firmanın ürettiği deneysel düzeneği ve paket program yardımıyla deneysel olarak hesaplamışlar ve sonuçlarını kuramsal hesaplamalar ile karşılaştırmışlardır. Mossad ve diğ., [8] keskin köşeli 90 dirsekteki Reynolds sayısının 10 5 değerindeki türbülanslı hava akışını deneysel ve sayısal olarak incelemişlerdir Deneysel Çalışma Deney Düzeneği Pnömatik sistemlerde yer alan bağlantı elemanlarının enerji kayıp katsayıları ve sürekli yük sürtünme katsayısının belirlenmesine yönelik deney düzeneği çizilerek şekilde gösterilmiştir. Deney düzeneği 1 adet kompresör, tesisatta kullanılacak poliüretan pnömatik hortum, açma-kapama valfleri, dirsek, hız ayar valfi, redüksiyon, basınç ölçümü için kullanılacak olan dijital manometre ve debi ölçümünde kullanılacak rotametreden oluşmaktadır. Şekil 2.1: Deney Düzeneğinin Şematik Gösterim 9

19 Farklı Çözüm Seçenekleri ve Seçim Kriterleri Tasarlanmakta olan deney düzeneğinde kullanılacak elemanlar için birçok seçenek mevcuttur. Deney düzeneğinin amacına bağlı olarak pnömatik sistemlerde kullanılabilecek her türlü bağlantı elemanı, çeşitli borular ve hortumlar deney düzeneğinde kullanılan elemanların bir özelliği olarak kolayca sökülüp takılmaktadır. Borulama elemanlarındaki yerel ve sürekli yük kayıp katsayılarının hesaplanmasında yaygın olarak kullanılan yöntem boru elemanları giriş ve çıkış uçları arasından basınç ölçümü alarak basınç, hız ve yükseklik farkını Bernoulli Denklemi, Süreklilik Denklemi ve Darcy-Weisbach Denkleminde yerine yazarak ilgili elemanın sürekli veya yerel kayıp katsayısının belirlenmesidir. Çeşitli kitaplarda borulama elemanlarına ait yerel ve sürekli kayıp katsayılarının belirlenmesine yönelik matematiksel ifadeler yer alsa da bu ifadeler belirli miktarda hatalar ve belirsizlikler içermektedir. Deney düzeneğinden faydalanılarak elemanlara ait yerel ve sürekli yük kayı katsayıları daha az hata ile belirlenebilmektedir. Ayrıca deney düzeneği ve prosedürü belirlenirken imalat kolaylığı, kullanılacak elemanların yaygın ve standart parçalar olması ve ekonomikliği dikkate alınmıştır Deney Düzeneği Tasarımı Bu kısımda deney düzeneğinde kullanılacak olan elamanlar, bu elemanların türleri, boyutları belirlenip, bu seçimler dikkate alınarak gerekli hesaplamalar ile deney düzeneğinin tasarımı yapılacaktır. Deney düzeneğinde yerel kayıp katsayılarının belirlenmesi amacıyla üç farklı yerel kayıp elemanı ve sürekli kayıp katsayısının belirlenmesi amacıyla bir parça düz boru kullanılacaktır. Kullanılmakta olan bağlantı elemanları 90 dirsek, 8 mm çaptan 6 mm çapa ani daralma elemanı, hız ayar vanası elemanlarının çeşitli debilerde yerel kayıp katsayıları ve bunlara ek olarak düz borudaki sürekli yük kaybının debiye göre değişiminin belirlenebileceği bir deney düzeneği kullanılmaktadır. Deney düzeneğinde kullanılan elemanlar endüstride yaygın olarak kullanılan elemanlardırlar. Bu elemanların oluşturduğu kayıpları belirlemede hava kaynağı olarak kompresör ve debi değerlerinin okunabilmesi için de bir adet rotametrenin kullanılması planlanmaktadır. 10

20 Deneyde kullanılacak kompresörün belirlenmesi; Deneydeki akış tipi türbülanslı akış olarak ön görülerek Reynolds sayısı Re=10000 olarak seçilmiştir. Re=10000 için kompresör debisi; olarak belirlenir. Buradan süreklilik denklemi ile gerekli olan debi miktarı belirlenir. Emniyet ve türbülanslı değişim durumlarına göre kompresörümüzün debisi 81,6 litre/dakikadan büyük seçilecektir. Akış çeşitli elemanlardan geçerken bir miktar basınç kaybı açığa çıkar. Basınç herhangi bir sıvı veya gaz akışkanın bulundukları kapların birim alanlarına yaptıkları kuvvet olarak tanımlanabilir. Basınç akışkanlarda göz önüne alınırken gerilme katı cisimlerde düşünülür. Genel olarak bir akışkanın basıncı bu akışkanın bulunduğu yüksekliğe sahip olduğu hıza yoğunluğa ve sıcaklığına bağlıdır. Hareketli bir akışkanda basınç için aşağıdaki tanımları yapmak mümkündür. Akışa dik doğrultuda ölçülen basınç, statik basıncı gösterir. Basıncın maksimum olduğu ve akış doğrultusundaki basınç, toplam basıncı belirler. Toplam basınç ile statik basınç arasındaki fark ise dinamik basınç olarak adlandırılır. Bir akışkanın basıncı bu akışkanı çevreleyen kabın cidarları ile akışkanın molekülleri arasındaki momentum değişimi sonucunda ortaya çıkar. Sistemdeki basınç kayıpları su sütunlu bir manometre kullanılarak ölçülmektedir. Ayrıca deney düzeneğinde yer alan su sütunlu manometreye ek olarak dijital bir manometre ile de basınç kayıpları ölçülebilmektedir. 11

21 Mühendislik Hesapları Sisteme giren havanın pnömatik hortumda tam gelişmiş akışından itibaren Bernoulli denklemi uygulanabilir. Reynolds sayısı ön hesap olarak türbülanslı akış dikkate alınıp değeri ile tam gelişmiş akış bölgesine geçiş uzunluğu bulunur. Leşdeğer = 4.4 0, ^1/6 Leşdeğer = 0,245 m Fakat deney şartlarının oluşturabileceği olumsuz etkilerden kaçınmak için emniyet açısından Leşdeğer =0,30 m alınmıştır. Bu uzunluktan sonra deney için ölçümler yapılacaktır. Ayrıca sistemde dolaşan havanın Reynolds sayısının Re=10000 olduğu göz önüne alınarak sistemin hava debisi şekildeki gibi belirlenebilir. Re=10000 için sistem debisi; ; olarak belirlenir. Buradan süreklilik denklemi ile gerekli olan debi miktarı belirlenir. Pnömatik sistemlerde hava akışında hava belirli elemanlardan geçerken bir miktar momentum kaybına uğrar. Bu kayıp basit bir şekilde Bernoulli denklemi ile belirlenebilir. Şekil 2.2: Düz Boru 12

22 sürekli kayıp katsayısı bulunur. Bağlantı elemanı için; Dirsek ve Vana Redüksiyon için; dirsek ve vana için yerel kayıp katsayısı bulunur. yazılıp yerine konularak Kr redüksiyon için yerel kayıp katsayısı bulunur. Şekil 2.3: Deney düzeneğinin teknik resmi 13

23 Standart bağlantı elemanları kullanılarak deney düzeneği şekildeki teknik resme uygun şekilde imal edilmiştir. Kullanılan kompresörden alınan basınçlı hava sistem girişinde bulunan rotametreden geçirilerek sisteme gönderilmiştir. Her bir elemandan önce yer alan vanalar açılıp kapatılarak istenilen elemanın uçları arasındaki basınç farkları değişik debilerde okunularak kaydedilmiştir. 14

24 3. BULGULAR 3.1. Ölçüm Sonuçları Deney düzeneği hesaplamalara uygun ölçülerde ve belirlenen malzemelerle oluşturulduktan sonra uygun bir kompresör sisteme sürekli hava sağlayıcısı olarak bağlanmıştır. Kompresör çalıştırılarak debi değeri onar onar değiştirilerek her bir eleman için basınç farkı değerleri okunarak kaydedilmiştir. Ölçümler bir dijital manometre ile yapılmıştır. Ölçümler aşağıdaki gibidir. Tablo 3.1: Ölçüm sonuçları Düz Boru P [mmss] Debi [lt/dk] Hız [m/s] Redüksiyon P [Pa] Dirsek P [Pa] Hız Ayar Vanası P [Pa] , , , , , , , , , , Over , Over , Over

25 3.2. Hesaplama Yöntemi Bernoulli eşitliğinden ve literatürde yer alan bağıntılarla birlikte kayıp katsayılarının hesabı için örnek bir hesaplama yöntemi aşağıda verilmiş olup, aynı hesaplama adımları kullanılarak yapılan hesaplar tablo ve grafiklere aktarılarak verilmiştir. Bernoulli Denklemi; h k = K. V2 2g P 1 2 P 2 ρ. g + V 1 2g + z 1 = ρ. g + V 2 2g + z 2 + h k h k = f. L D. V2 2g 2 (Düz Boru için) (Redüksiyon, Dirsek ve Hız Ayar Vanası için) Hesap örneği gösterilecek ölçüm sonuçlarının değerleri Q=40 lt/dk değerine aittir. a) Düz Boru İçin; b) Ani Daralma İçin; = 60 Q = V. A 40 lt π. (0,008)2 = V. dk 4 π. (0,008)2 4 P ρ. g = f. L D. V2 2g. V V = 13,27 m/s 46 (1,2). (9,81) = f. 0,2 0,008. (13,47)2 2. (9,81) f = 0,0174 P V2 = K. ρ. g 2g 290 (13,27)2 = K. (1,2). (9,81) 2. (9,81) K =0, c) Dirsek İçin; 16

26 P V2 = K. ρ. g 2g 218 (13,27)2 = K. (1,2). (9,81) 2. (9,81) K = 2,0633 d) Hız Ayar Vanası İçin; (Yarı Açık Pozisyonda) P V2 = K. ρ. g 2g 1515 (13,27)2 = K. (1,2). (9,81) 2. (9,81) K = 14,339 Yapılan hesaplamalar sonucunda sonuçları irdelemek adına kayıp katsayıları hız grafikleri ve hesaplama sonuçları tablosu oluşturulmuştur. Tablo 3.2: Hesaplama Sonuçları Debi [lt/dk] Redüksiyon K Dirsek K Hız Ayar Vanası K Düz Boru K 10 0, , , , ,65 2, ,075 2, , , , , , , , , ,95 5, , , , , , , , , ,2032 9, , , , ,66 14, , , ,

27 2,5 Ani Daralma 2 1,5 K 1 0, U [m/s] Şekil 3.1: Ani daralma elemanında kayıp katsayısının hıza göre değişimi 4 3,5 Dirsek 3 2,5 K 2 1,5 1 0, U [m/s] Şekil 3.2: Dirsek elemanında kayıp katsayısının hıza göre değişimi 18

28 f 0,1 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Düz Boru U [m/s] Şekil 3.3: Düz borunun sürekli kayıp katsayısını hıza göre değişimi 25 Hız Ayar Vanası K U [m/s] Şekil 3.4: Hız ayar vanasının kayıp katsayısının hıza göre değişimi 19

29 4. TARTIŞMA Pnömatik sistemlerdeki yerel ve sürekli kayıp ve katsayıların belirlenmesi için tasarladığımız deney düzeneğinde ölçümlerin en verimli şekilde ölçüldüğü, şartların ölçüm için uygun olduğu ve bu ölçüm çıktılarından sonra yapılan hesaplarla belirlenen katsayılar ve kayıplar bulgular kısmındaki tablo ve grafiklerde de görüldüğü şekildedir. Literatüre baktığımızda ve incelediğimizde sürekli kayıp katsayılarının uygunluğu görülmüştür. Yerel elemanlardaki kayıplar ve katsayıların literatürde farklılıklar gösterdiği, bunun sebebinin ise kullandığımız sistemdeki çapın küçüklüğü, basınç sondalarının yeri, kullanılan elemanların pürüzlülük ve malzeme kalitesi değerleri gibi nedenlere bağlı olduğu araştırma ve tartışma konusudur. Deney düzeneğinde kullanılan kompresörün devamlı debiyi sağlayabilme yeterliliğinin ve bununla birlikte basıncın bir regülatörle kontrol edilmesinin de uygun olabileceği ve tartışılabileceği gözlemlenmiştir. Tüm bu bilgiler ışığında; kullanılan deney düzeneği ve yaptığımız ölçümlerin projeyi gerçekleştiren bizler tarafından en uygun şekilde olduğu söylenebilir. Bu deney verilerinin sonuçlarından hesaplanan değerlerde literatüre ve mühendislik hesaplarına uygun olduğu söylenir ve gösterilir. 20

30 5. SONUÇLAR Pnömatik sistemlerde yerel kayıp katsayılarının belirlenmesine yönelik sistem tasarımı üzerinde akışkanlar mekaniği, ölçme tekniği, malzeme bilgisi ve diğer derslerden edinilen bilgiler baz alınarak bir sistem tasarımı ortaya konulmuştur. Bu sistem, pnömatik hortumlardan, kompresörden, kayıp katsayısı hesaplanacak bağlantı elemanlarından, hava girişini sağlayan kompresörden, ölçüm cihazlarından oluşmaktadır. Sisteme hava sağlayan kompresör etkisi, sistem tasarımı ve kullanım yerleri düşünülerek sistemde türbülanslı akış ön görülmüş bu neden ile sistemde türbülanslı akış durumuna göre inceleme yapmak mümkün olmaktadır. Tasarımı ortaya konan bu sistemde bulunan 4 farklı hattan bir tanesi için vanalar yardımıyla aç-kapa yapılarak ölçüm cihazlarıyla elde edilen değerler sonucunda hattaki bağlantı elemanının neden olduğu kayıp incelenebilmektedir. Kayıplar; sürekli ve yerel kayıp olmak üzere 2 ye ayrıldığından deney düzeneğinde yerel kayıpları incelerken bunun yanında sürekli kaybın etkisi ise 1 numaralı hat üzerinden incelenebilmektedir. Sistemde kullandığımız bağlantı elemanları harici başka bir bağlantı elemanı da incelenmek isteniyorsa kullanılan elemanlar ile yer değiştirilip incelenebilir. Ani daralma bağlantı elemanının kayıp katsayısının artan hız ile beraber arttığı gözlemlenmiştir. Dirsek bağlantı elemanının yapılan ölçümlerde ( ) Re aralıklarında kayıp katsayısının artan hız ile beraber arttığı gözlemlenmiştir. Hız ayar vanasının kayıp katsayısının artan hız ile beraber arttığı gözlemlenmiştir. Düz boruda sürekli kayıp katsayısının hıza göre değişimi incelenmiştir. Hız değeri arttıkça kayıp katsayısının azaldığı gözlemlenmiştir. 21

31 6. ÖNERİLER Hazırlanan deney düzeneği ve yapılan ölçümler bizlere deneysel çalışmanın ne kadar hassas yapılması gerektiğini, ölçme tekniklerinin etkin bir biçimde nasıl kullanılabileceğinin tecrübesini vermiştir. Daha hassas sonuçların alınması ve ölçümlerin yapılabilmesi için; 1- Düzenekte kullanılan boruların çapı daha büyük seçilebilir. 2- Kullanılan kompresörün devamlı debiyi sağlama yeterliliği ve bununla birlikte basıncın bir regülatörle kontrol edilmesinin gerekliliği de ön görülebilir. 3- Ölçümlerin hassas bir şekilde yapılabilmesi için bağlantı elemanlarında meydana gelebilecek sızdırmazlık kayıplarını önlemek adına çift taraflı bant veya başka bir sızdırmazlık önleyici eleman ile bağlantılar güçlendirilebilir. 4- Boru içlerinde olabilecek plastik talaşlara, toz, kir ve benzeri tip şeylerin deney esnasında ölçümleri etkileyecek istenmeyen maddelerin boru içlerinden uzaklaştırılması gerekmektedir. 5- Basınç sondalarının hassas bir şekilde yerleştirilmesi boru cidarından içeri ölçümü etkileyecek şekilde girmemesi gerekmektedir. 6- Ölçüm yapılırken, ölçüm cihazıyla ölçüm yapılan basınç ölçüm noktalarıyla aynı seviyede olması gerekmektedir. 7- Düzenekteki bağlantı elemanlarının üzerine kurulu olduğu alandaki seviye farklarının aynı olması gerekmektedir. 22

32 7. KAYNAKLAR 1. Ito, H., Friction Factors for Turbulent Flow in Curved Pipes, ASME, J. Basic Eng, 81D (1959) Aldape, G.E., Solorio, G.R., Load losses in small-diameter circular conduits for Reynold's numbers between 33 and 900, INGENIERIA HIDRAULICA EN MEXICO, 1 (2003) Crawford, N.M., Cunningham, G. ve Spedding, P.L., Prediction of Pressure Drop for Turbulent Flow in 90 Bends, Proc.Instn Mech. Engrs, Part E: J. Process Mechanical Engineering, 217 (2003) Mazumder, Q.H., CFD Analysis of Single and Multiphase Flow Characteristics in Elbow, Scientific Research, 4 (2012) Dutta, P. ve Nandi, N., Study on Pressure Drop Characteristics of single Phase Turbulent Flow in Pipe Bend for high Reynolds Number, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 10-5 (2015) Lu, X., Lu, X. ve Huang, L., A Study on Distributive Regularities of the Fluid Pressure in Elbow Pipes, Advanced Materials Research, 366 (2012) Bulgurcu, H. ve Özmen, G., Yaygın Olarak Kullanılan Bazı Sıhhi Tesisat Elemenlarındaki Basınç Kayıplarının Kuramsal ve Deneysel Olarak Hesaplanması, X.Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, Nisan 2011, İzmir, Mossad, R., Yang, W. ve Schwarz, M.P., Numerical Prediction of Air Flow in a Sharp 90 Elbow, Seventh Conference on CFD in the Minerals and Process Industries, Aralık 2009, Melbourne, Australia. 9. Genceli O.,F., Ölçme Tekniği, Birsen Yayınevi, İSTANBUL, Cürebal T., Boru Ekleme Parçalarındaki Akışın Üç Boyutlu İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü,

33 8. EKLER EK-1 Deney düzeneğinde yerel kayıpları belirlenen standart elemanların görselleri şekillerdeki gibidir. Şekil 8.1: Dirsek elemanı Şekil 8.2: Ani daralma elemanı Şekil 8.3: Hız ayar vanası 24

34 EK-2 Standart elemanlar kullanılarak ve her seferinde istenilen elemanın bulunduğu kola akışkan gönderecek sistemin tamamlanmış hali aşağıdaki gibidir. Şekil 8.4: Deney düzeneği 25

35 ÖZGEÇMİŞLER Muhammed Bekir BİLGİLİ Muhammed Bekir BİLGİLİ 12 Haziran 1996 tarihinde Siirt ilinin Merkez ilçesinde doğmuştur yılında Siirt Atatürk Anadolu Lisesinden mezun olmuştur. Aynı yılın güz döneminde Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümüne başlamıştır ve hala öğrencilik dönemi devam etmektedir. Üniversite eğitimi döneminde Shell Eco Marathon Türkiye Birinciliği ve Tübitak Efficiency Challenge Üçüncülüğü elde etmiştir yılında TMMOB Makine Mühendisleri Odasının KTÜ Makine Mühendisliği Bölümünün öğrenci temsilciliğini yapmıştır. İyi derecede İngilizce bilmektedir. Barış ARSLAN Barış ARSLAN 25 Ocak 1995 tarihinde Kırklareli ilinde doğmuştur.2013 yılında Kırklareli Atatürk Anadolu Lisesinden mezun olmuştur eğitim öğretim yılının güz döneminde Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümüne başlamıştır ve hala öğrencilik dönemi devam etmektedir.orta derecede ingilizce bilmektedir. Çağrı İRTEKİN Çağrı İRTEKİN 6 Temmuz 1995 tarihinde Eskişehir ilinde doğmuştur.2013 yılında Salih Zeki Anadolu Lisesinden mezun olmuştur.aynı yılın güz döneminde Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümüne başlamıştır ve hala öğrencilik dönemi devam etmektedir.iyi derecede İngilizce bilmektedir. Resul Burak KURNAZ Resul Burak KURNAZ 29 Kasım 1995 tarihinde Eskişehir ilinde doğmuştur.2013 yılında Eskişehir Atatürk Lisesinden mezun olmuştur.aynı yılın güz döneminde Karadeniz Teknik Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümüne başlamıştır ve hala öğrencilik dönemi devam etmektedir.orta derecede İngilizce bilmektedir. 26