HİDROLİK KUMANDALI VANA TASARIMI

Transkript

1 T.C. EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (YÜKSEK LİSANS TEZİ) HİDROLİK KUMANDALI VANA TASARIMI Murat PİRİNÇCİLER Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu: Sunuş Tarihi: Tez Danışmanı: Doç. Dr. K. Turgut Gürsel Bornova-İZMİR 2008

2 II

3 III Murat PİRİNÇCİLER tarafından YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak sunulan HİDROLİK KUMANDALI KONTROL VANASI TASARIMI başlıklı bu çalışma, E.Ü. Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği ile E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Eğitim ve Öğretim Yönergesi nin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan değerlendirilerek savunmaya değer bulunmuş ve tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oybirliği/oyçokluğu ile başarılı bulunmuştur. Jüri Üyeleri İmza Jüri Başkanı : Doç. Dr. K. Turgut GÜRSEL... Raportör Üye : Prof. Dr. Aydoğan ÖZDAMAR. Üye : Doç Dr. Gökdeniz NEŞER..

4 IV

5 V ÖZET HİDROLİK KUMANDALI VANA TASARIMI PİRİNÇCİLER, Murat Yüksek Lisans Tezi, Makina Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Doç. Dr. K.Turgut GÜRSEL Mayıs 2008, 81 sayfa Vanalar, başta su ve hava olmak üzere, çeşitli akışkanlara hükmetmek, bu akışkanların; geçişini veya durdurulmasını sağlamak, debisini ayarlamak, akışkanın geri dönüşünü engellemek, akış yönünü değiştirmek, akış basıncını sınırlamak ve akış emniyetini sağlamak gibi amaçlara ulaşmak için kullanılan mekanik cihazlardır ve tesisat sistemlerinde önemli yer tutmaktadırlar. Son yıllardaki gelişmelerle, vana basınç kayıp oranları, sonlu elemanlar veya sonlu hacimler yöntemini kullanan yazılımlar yardımıyla belirli doğruluk oranlarında elde edilebilmektedir. Bu tezde; sulama sahasında sulama işlemini yapabilmek için basınçlı sulama sisteminde bulunan ana borudan alınan basınçlı suyun sahaya dağıtımında kullanılmakta olan tek gövdeli su dağıtım ünitesi detaylı bir şekilde tasarlanarak açıklanmıştır. Kurulan deney düzeneğinde yapılan deney sonucunda, basınç kayıpları elde edilmiştir. Ayrıca, FLUENT yazılımı ile de basınç kayıp eğrileri çıkarılmıştır. Çalışma sonucunda, deney ve sonlu hacimler yöntemi sonuçlarının mühendislik uygulamaları çerçevesinde birbirlerine çok yakın oldukları saptanmış ve basınç kayıp diyagramlarının bundan sonraki tasarım değişikliklerinde ve benzer uygulamalarda, deney yapmadan, bu yöntem ile elde edilebileceği anlaşılmıştır. Anahtar Sözcükler: Vana, Tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesi, Basınç kaybı, Hesaplamalı akışkanlar dinamiği.

6 VI

7 VII ABSTRACT DESIGN OF THE VALF WITH HYDRAULIC CONTROL SYSTEM PİRİNÇCİLER, Murat MSc. in Mechanical Engineering Supervisor: Assoc. Prof. Dr. K. Turgut GÜRSEL June 2008, 81 pages The valves are the mechanical instruments that are used to reach aims as canalizing miscellaneous fluids, stopping or passing these fluids, setting flow rate, preventing return of fluid, changing direction of fluid, limiting fluid pressure and providing fluid safety why valves are in the important place nowadays in fluid installation systems. In last years, with the improvements at both the installation systems and the commercial softwares, the pressure loss curves can be obtained with the help of the commercial softwares using finite elements or finite volume models. In this thesis, monoblok hydraulic water distribution unit be used for distributing compressed water taken from main pipeline in the compressed watering system to watering, is designed and explained in details. The pressure losses are obtained from the experiments. Additionally, the pressure loss curves are obtained using the code FLUENT, which is a Computational Fluid Dynamics (CFD) software based on finite volumes method. As a result, it is determined that there are not very differences between the results of the experiments and the results of the finite volume methods, and the pressure loss curves can be obtained with the help of this method without making further experiments if any changes are performed in the designed valf. Keywords: Valf, Monoblok hydraulic water distribution unit, Pressure loss, Computational fluid dynamics.

8 VIII

9 IX TEŞEKKÜR Bu çalışma süresince gerekli verilerin sağlanmasında kolaylık gösteren DOĞUŞ VANA ve VANSAN Mak. San. Çalışanlarına, benden desteklerini esirgemeyen her zaman yanımda olan aileme ve arkadaşlarıma, kıymetli görüşlerinden yararlandığım, yakın ilgisini esirgemeyen Hocam Doç. Dr. K. Turgut GÜRSEL e teşekkürü bir borç bilirim. Murat PİRİNÇCİLER

10 X

11 XI İÇİNDEKİLER Sayfa RAPOR..III ÖZET... V ABSTRACT.....VII TEŞEKKÜR..... IX İÇİNDEKİLER......XI ŞEKİLLER DİZİNİ....XV TABLOLAR DİZİNİ......XIX SİMGELER VE KISALTMALAR....XX 1.GİRİŞ Vanaların Ana Parçaları Çalışmanın Amacı Literatür Araştırması ÇOK KULLANILAN VANA TİPLERİ Sürgülü Vana Sürgülü Vananın Özellikleri Sürgülü Vananın Çalışma Şekli

12 XII İÇİNDEKİLER (devam) Sürgülü Vananın Üstünlükleri Sürgülü Vananın Zayıf Yönleri Oturmalı Tip Vana Oturmalı Tip Vananın Özellikleri Oturmalı Tip Vananın Çalışma Şekli Oturmalı Tip Vananın Üstünlükleri Oturmalı Tip Vananın Zayıf Yönleri Küresel Vana Küresel Vananın Özellikleri Küresel Vananın Çalışma Şekli Küresel Vananın Üstünlükleri Küresel Vananın Zayıf Yönleri Kelebek Vana Kelebek Vananın Özelikleri Kelebek Vananın Çalışma Şekli Kelebek Vananın Üstünlükleri Kelebek Vananın Zayıf Yönleri

13 XIII İÇİNDEKİLER (devam) 2.5 Çalpara Çekvalfler Kontrol Vanaları VANA SEÇİM KRİTERLERİ Sızdırmazlık Malzeme Vananın Kapladığı Yer ve Ağırlık Basınç Düşümü ve Enerji İhtiyacı Kavitasyon ve Gürültü Basınç Darbeleri BORU AKIMLARI VE ENERJİ KAYIPLARI Sürekli Enerji Kaybı Yersel Enerji Kayıpları TEK GÖVDELİ HİDROLİK SU DAĞITIM ÜNİTESi Teknik Alan Tekniğin Bilinen Durumu ve Dezavantajları Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesi Referans Numaraları....35

14 XIV İÇİNDEKİLER (devam) Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesinin Çalışma Şekli Tek Gövdeli Su Dağıtım Ünitesinin Avantaj ve Farkları MONOBLOK HİDROLİK SU DAĞITIM ÜNİTESİNİN TEST EDİLMESİ Deneyin Yapılışı Tek Gövdeli Su Dağıtım Ünitesinin Basınç Kayıplarının Bulunması HESAPLAMALI AKIŞKANLAR DİNAMİĞİ (HAD) Fluent Kodu Gambit Katı Modelleme ve Sayısal Ağ Çalışmaları Vana Akış Hacminde Sayısal Ağ Oluşturulması Sayısal Analiz SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ

15 XV ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil No Sayfa 2.1 Sürgülü Vananın Çalışma Şekli Oturmalı Tip Vananın Çalışma Şekli Küresel Vananın Çalışma Şekli Kelebek Vananın Çalışma Şekli Çalpara Çekvalfin Çalışma Şekli Boru İçindeki Hız Dağılımı Ani Genişleme Hali Ani Daralma Hali Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesi Mekanik Sulama Hidrantı Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesi İmal Edilmiş Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesi Vanaya Üç Yollu Vana Monte Edilmiş Hali Vanaya Açma Kapama Vanası Monte Edilmiş Hali

16 XVI ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil No Sayfa 5.7 Vanaya Selenoid Vana Monte Edilmiş Hali Vanaya Basınç Ayarlayıcı Monte Edilmiş Hali Vanaya Debi Ayar Pilotu Monte Edilmiş Hali Tek Su Çıkışlı Gövdeye Üç Yollu Vana Monte Edilmiş Hali Tek Su Çıkışlı Gövdeye Açma Kapama Vanası Monte Edilmiş Hali Tek Su Çıkışlı Gövdeye Selenoid Vana Monte Edilmiş Hali Tek Su Çıkışlı Gövdeye Basınç Ayarlayıcı Monte Edilmiş Hali Deney Düzeneğinin Genel Görünüşü Deneyde Kullanılan Dijital Basınç Ölçer Giriş ve Çıkış Basıncı Arasındaki Farkı Ölçen Dijital Manometre Dijital Debi Ölçer Deney Düzeneği Kontrol Odası Deney Sonucu Elde Edilen Basınç Kaybı Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesinin Katı Modeli.. 62

17 XVII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil No Sayfa 7.2 Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesinin Sıvı Hacmi Akış Hacminde Oluşturulan Sayısal Ağ ( toplam eleman) Sayısal Ağ İşlemi Tamamlanmış Akış Hacmi( toplam elaman) Mesh Kalitesi 0,85 Olan Modelin Analizi Sonucu Elde Edilen Basınç Kayıp Eğrisi Maça Kum Büyüklüğü 0,08mm Alınan Modelin Analizi Sonucu Elde Edilen Basınç Kayıp Eğrisi Maça Kum Büyüklüğü 0,065mm Alınan Modelin Analizi Sonucu Elde Edilen Basınç Kayıp Eğrisi Mesh Kalitesi 0,82 Olan Modelin Analizi Sonucu Elde Edilen Basınç Kayıp Eğrisi Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesindeki Basınç Dağılımı Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesindeki Hız Dağılımı Sayısal Ağ Kalitesi 0,85 Olan Modelin Analiz ve Deney Sonuçlarının Karşılaştırılması Maça Kumu Boyutu 0,08mm Olan Modelin Analiz ve Deney Sonuçlarının Karşılaştırılması

18 XVIII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil No Sayfa 8.3 Maça Kumu Boyutu 0,065mm Olan Modelin Analiz ve Deney Sonuçlarının Karşılaştırılması Mesh Kalitesi 0,85 Olan Modelin Analiz ve Deney Sonuçlarının Karşılaştırılması Yaylarla desteklenmiş kapak.79

19 XIX TABLOLAR DİZİNİ Tablo No Sayfa 4.1 Cc Katsayıları Tek Gövdeli Su Dağıtım Ünitesinin Parçaları ve Malzemeleri Deney Sonucu Elde Edilen Veriler Mesh Kalitesi 0,85 ve Maça Kum Büyüklüğü 0,1mm Olan Modelin Analizi Sonucu Elde Edilen Veriler Maça Kum Büyüklüğü 0,08mm Olan Modelin Analizi Sonucu Elde Edilen Veriler Maça Kum Büyüklüğü 0,065mm Olan Modelin Analizi Sonucu Elde Edilen Veriler Mesh Kalitesi 0,82 Olan Modelin Analizi Sonucu Elde Edilen Veriler..71

20 XX SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ Simgeler Açıklama ξ Armatürlerde direnç faktörü λ Borularda basınç düşüm faktörü l Eşd. Eşdeğer boru boyu (m) v Akış hızı (m/s) ρ Yoğunluk (kg/m 3 ) DN Boru anma çapı (mm) K V Armatürün debi faktörü (m 3 / h) u mak Maksimum hız (m/s) Re Reynold sayısı D Boru çapı (mm) V Borudaki ortalama akım hızı(mm/san.) v Kinematik viskozite h k Sürekli enerji kaybı

21 XXI SİMGELER ve KISALTMALAR DİZİNİ (devamı) Simgeler Açıklama f Sürtünme katsayısı L Boru boyu (mm) g 2 Yerçekimi ivmesi (m/ s ) k s Pürüzlülük kaysayısı X Tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesi A Su giriş ağzı B Su çıkış ağzı C Kontrol haznesi D Hidrolik kontrol devresi girişi E Hidrolik kontrol devresi tahliyesi F Hidrolik kontrol devresi çıkışı P1 Su giriş ağzındaki su basıncı (Pa) P2 Su çıkış ağzındaki su basıncı (Pa)

22 XXII Kısaltmalar HAD Hesaplamalı akışkanlar dinamiği CFD Computational Fluid Dynamics

23 1 1. GİRİŞ Tüm basit veya karmaşık tesisat sistemlerinde, başta su ve hava olmak üzere, çeşitli akışkanlara hükmetmek, bu akışkanların; geçişini veya durdurulmasını sağlamak, debisini ayarlamak, geri dönüşünü engellemek, akış yönünü değiştirmek, akış basıncını sınırlamak ve akış emniyetini sağlamak gibi amaçlar için kullanılan mekanik cihazlara vana denir. Başka bir deyişle vana; akışkanlara yol veren, onları durduran, karıştıran, akışkanın yönünü veya miktarını, basınç veya sıcaklığını değiştirebilen bir cihazdır. Vanalar; borulama armatürleri içinde ağırlıklı bir yer tutarlar. Günümüzde uygulama alanlarına bağlı olarak; basit açma kapama musluklarından, aşırı karmaşık sistemlere uzanan ve akışkanların kontrolü için kullanılan çok sayıda vana çeşidi bulunmaktadır. Bunlar; uzay uygulamalarında kullanılan çok küçük ölçme vanalarından, çapı metrelerle, kütlesi tonlarla ifade edilen boru hattı vanalarına kadar değişiklik gösterebilmektedir. Değişik amaçlı kullanımlarda, kontrol edilen akışkanlar; bilinen sıvılar, gazlar, buharlar, radyoaktif maddeler olabileceği gibi, katı parçacıklar içeren sıvılar ve gazlar da olabilir. Vanalar; vakum bölgesinden, 7000 bar ve üzerindeki basınçlara, C den, ergimiş metal sıcaklıklarına kadar kullanılabilmektedir. Ömür açısından; sadece bir kere açma veya kapama yapabilecek vanalar olduğu gibi, bakım ve onarım gerektirmeden binlerce kere açılıp, kapanması beklenen vanalar da vardır. Bu çalışmada, ilk defa üretilen bir vana çeşidi olan tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin çalışma şekli ve özellikleri anlatılmış kayıpları deneysel olarak ve sonlu hacimler yöntemini kullanan FLUENT yazılımı ile belirlenmiştir. Çalışma sonucunda, deneyden ve sonlu hacimler yönteminden elde edilen sonuçların mühendislik uygulamaları çerçevesinde birbirlerine çok yakın oldukları saptanmış ve

24 2 kayıp eğrilerinin benzer uygulamalarda, deney yapmadan, yaklaşık yöntem ile elde edilebileceği anlaşılmıştır Vanaların Ana Parçaları i. Gövde Kapatmanın gerçekleştiği akışkan geçiş kesitini ve fonksiyonel elemanları bünyesinde bulundurur, akışkanı çevreler ve yönlendirir, boru ile birleşmeyi sağlar, basınca mukavemet gösterir. Çevreyi zehirli ve yanıcı akışkanlardan korumaktadır. ii. Kapak Gövdede kapak fonksiyonunu üstlenir, açma kapama miline yataklık yapar, aktüatörü taşır, fonksiyonel parçaların montaj ve sökülüp ayrılmasını kolaylaştırır. iii. Açma- Kapama Mili Vanaya dışarıdan uygulanan açma-kapama kuvvetini ve hareketini, kapama organına iletir. iv. Açma Kapama Mili Salmastrası Hareketsiz ve hareketli parçalar arasında sızdırmaz bağlantıyı oluşturur. v. Kapama Organı Aldığı göreve göre akışı etkiler. Gerektiğinde akışı durdurur, gerektiğinde ise akışa izin verir.

25 3 vi. Aktüatör Kapama organına hareket iletilmesini sağlayarak otomatik açma- kapama veya ayar yapar. İsteğe göre vanaya monte edilir. 1.2 Çalışmanın Amacı Bu çalışma kapsamında geliştirilen tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesine benzer fonksiyonları mekanik olarak yerine getirebilen bir volan sayesinde açma kapatma yapabilen mekanik sulama hidrantı olarak tabir edilen vanalar uzun süreden beri kullanılmaktadır. Aşağıda bu vanaya ait bazı özellikler kısaca açıklanmıştır. Sulama hidrantları, mekanik bir şekilde gövde üzerine monte edilen bir volan sayesinde musluğun açma ve kapama işleminin gerçekleştirilmesi ile çalışmaktadır. Şekil 5.2 de verilen sulama hidrantının volanı (üstten bakılınca) saat ibresinin yönünde çevrilerse, hareket milini saat ibresi yönünde döndürür. Hareket mili üzerinde çalışan T-somun ise yukarı doğru hareket ederek kapatma mekanizmasını kapatma yönünde hareket ettirerek sulama hidrantını kapalı konuma getirir. Sulama hidrantının volanı (üstten bakılınca) saat ibresinin tersi yönünde çevrilerse T somunu aşağı doğru hareket ederek kapatma mekanizmasını açma yönünde hareket ettirerek sulama hidrantını açık konuma getirir. Sulama hidrantı açık konuma geldiğinde; su, hidrant girişinden, kapatma mekanizmasından, basınç ayarlayıcıdan, debi sınırlayıcıdan geçerek hidrant çıkışına ulaşır. Sulama hidrantından geçen suyun basıncı, basınç ayarlayıcıda istenen değere düşürülür. Suyun debisi ise debi sınırlayıcıda istenen değere getirilir.

26 4 Bu tip hidrantlarda, basınç sınırlayıcı fabrikada tek bir değere ayarlanır ve sulama sahasında başka bir değere ayar yapılamaz. Yapı itibari ile fazla yer kaplamaktadır. Bu bir dezavantajdır. Yukarıda da açıklandığı gibi, ifade edilen eksiklikler tek gövdeli hidrolik dağıtım ünitesinin dizayn edilmesine zemin hazırlamıştır. Böylece birçok sorunun ortadan kalkması sağlanmıştır. 1.3 Literatür Araştırması adresli internet web sayfasından ve YALÇIN, K.,2001 Hacimsel ve Satrifüj Pompalar isimli kaynaktan yararlanılarak, şimdiye kadar geliştirilmiş vana tipleri hakkında ayrıntılı bilgi edinilmiştir. Bu bilgilerden ve daha önce elde edilen tecrübelerden yararlanılarak eksiklikleri giderilmiş bir yeni vana tipi geliştirilmiştir.

27 5 2. ÇOK KULLANILAN VANA TİPLERİ 2.1 Sürgülü Vana (Gate Valve) SÜRGÜLÜ VANA (GATE VALVE- SCHIEBER VENTIL) Şekil 2.1: Sürgülü Vananın Çalışma Şekli ( 2008) Sürgülü Vananın Özellikleri Temiz, sıvı akışkanlar için bu vanalar kullanılabilinir. Her iki yönde de akış mümkündür (Şekil 2.1). Sıcak ve soğuk su tesisatlarında, buhar tesisatlarında, petrokimya tesislerinde, petrol taşıma hatlarında bu vanalar kullanılmaktadır. Tahrik şekli genelde el ile ve motorlu aktüatörler ile yapılabilir. Anma ölçüleri DN 15 ten DN 1000 e kadar olabilmektedir. Anma basıncı PN 600 e kadar çıkılabilmektedir. Ancak, genelde PN 40 a kadar imal edilmektedirler. Çalışma sıcaklık aralığı C den C ye kadar genişleyebilmektedir. Ancak, genelde 40 0 C ve C aralığı için imal edilmektedirler. Gövde malzemesi olarak bakır alaşımları (pirinç, bronz), çelik, paslanmaz çelik ile pik, sfero, çelik ve paslanmaz çelik döküm olarak imal edilmektedirler. En çok pik (GG 25) ve sfero (GGG 40) malzemeli vanalar kullanılmaktadır. Tesisata bağlantı şekilleri vidalı ve flanşlı bağlantı gerçekleştirilir.

28 Sürgülü Vananın Çalışma Şekli Sürgülü vanalar; akışkan geçişini, iki sızdırmazlık halkası arasında, geçiş yönüne dik olarak kayan bir sürgü ile kapatıp, açarak görevlerini yerine getirirler (Şekil 2.1). Sürgü; tek parça olabileceği gibi, çok parçalı da olabilir. Tam açık veya tam kapalı olarak çalışmaları tercih edilir. Hassas akış kontrolü için uygun değillerdir. Son yıllarda kullanımları giderek azalmıştır Sürgülü Vananın Üstünlükleri Tam açık vana, akış için direnci oldukça düşük, düzgünce bir geçiş sağlar. Her iki taraftan akış için de kullanılabilirler. Vana herhangi bir konumda monte edilebilir. Ancak milin yere dik ve volanın üstte olması tercih edilir. Büyük anma ölçülerinde bile kısa vana boyu söz konusudur. Ucuzdurlar ve kolay bulunabilirler. Yüksek basınçlara uygun tipleri vardır. Yangın emniyetli veya düşük sıcaklıklara uygun tipleri vardır Sürgülü Vananın Zayıf Yönleri Hassas akış kontrolü için uygun değillerdir. Çünkü akışın kısılması ile milin hareketi arasında belirli bir orantı yoktur. Vana, yaklaşık %75 kapanana kadar, ancak çok düşük oranda bir akış kısılması sağlanabilir. Tam açık veya tam kapalı olarak çalışmaları tercih edilir. Kontrol için yarım açık tutulduğunda, sürgü titreşerek gürültü çıkarıp, sitlere çarpabilir. Tam sızdırmazlık istenen tesisatlar için uygun değildir.

29 7 Vana yüksekliği, diğer tip vanalar içinde en yüksek olanıdır. Yükseklikte çok yer tutar. Uzun strok yüzünden açma kapama süreleri uzar. Ölü hacim içermektedirler. Vana içinde kalıntılar birikebilir. Bu kalıntı birikimi, vananın çalışmasını engelleyecek boyutta olabilir. Bakım ihtiyacı fazladır. Sızdırmazlık yüzeylerinin mekanik zorlanması önem taşır. Kapama sonlarında ve açma sırasında, basınç dengesi sağlanana kadar ( yaklaşık %10 açmaya kadar) çıkış tarafında kalan sızdırmazlık yüzeyi sürtünme ve aşınma etkisinde kalır. Sık açma kapama için uygun değildir. Yarım açık pozisyonda, debi yüksek ise, sürgü titreşmeye ve gürültü ile yan sitlere çarpmaya başlar. Bu da sızdırmazlık yüzeylerinde bozulmalara yol açar. 2.2 Oturmalı Tip Vana OTURMALI TIP VANA (GLOBE VALVE- SITZ VENTIL) Şekil 2.2 Oturmalı Tip Vananın Çalışma Şekli ( 2008) Oturmalı Tip Vananın Özellikleri Temiz, nötr veya agresif sıvı ve gaz akışkanlar için kullanılabilinir. Akış yönü belirtilmiştir (Şekil 2.2). Aksi yönde akış mümkün değildir. Sıcak ve soğuk su tesisatlarında, buhar tesisatlarında, kızgın yağ tesisatlarında, petrokimya tesislerinde, makina ve özel araç imalatı gerçekleştirilen yerlerde kullanılmaktadırlar. Tahrik şekli el ile, motorlu aktüatörler ve kısa stroklularda mıknatıslanma ile yapılmaktadır. Anma ölçüleri DN 15 ten DN 400 e kadar olabilmektedir. Anma basıncı PN 300 e kadar

30 8 çıkılabilmektedir. Ancak, genelde PN 40 a kadar imal edilmektedirler. Çalışma sıcaklık aralığı C den C ye kadar genişleyebilmektedir. Ancak, genelde 50 0 C ve C aralığı için imal edilmektedirler. Gövde malzemesi olarak bakır alaşımları (pirinç, bronz), pik, sfero, çelik ve paslanmaz çelik döküm ile çelik ve paslanmaz çelik, olabilmektedir. Tesisata bağlantı şekilleri vidalı, flanşlı, kaynaklı olabilmektedir Oturmalı Tip Vananın Çalışma Şekli Oturmalı tip (glob) vanalar; bir milin ucuna bağlı kapağın, akışkan geçiş deliğinin üstüne oturtulması veya kaldırılması ile, akışkan geçişini kesip, açarak görevlerini yerine getirirler (Şekil 2.2). Kapaklar, normalde bir tabak şeklindedir. Oturmalı vanalar kapak tipine bağlı olarak, farklı akış karakteristiğine sahip olurlar Oturmalı Tip Vananın Üstünlükleri Hassas akış kontrolü sağlarlar. Kapak yüzeye sürtünmesiz şekilde oturarak temas etmesi ile iyi bir sızdırmazlık sağlanır. Yüksek basınç ve sıcaklılara uygun tipleri vardır. Gaz akışkanlar için de uygundurlar. Çok sık ve çok sayıda açılıp, kapanmaya uygundurlar. Sürgülü vanalara göre, mil kapağı doğrudan yüzey üzerine bastırdığı için, bu kuvvet uygulaması, sızdırmazlığı olumlu etkilemektedir. Bu yüzden, özellikle atmosfere açık tehlike yaratabilecek yüksek basınçlı akışın söz konusu olduğu durumlarda, kapama vanası olarak sürgülü vana yerine, oturmalı vanalar tercih edilmektedir.

31 Oturmalı Tip Vananın Zayıf Yönleri Yapıları itibarı ile basınç kayıpları fazladır. Ölü hacim içermektedirler. Vana içinde kalıntılar birikebilir. Akış, sadece vana üstünde belirtilmiş yönde mümkündür. İki yönlü çalışmaya uygun değildirler. Büyük anma ölçülerinde, açma kapama miline çok büyük kuvvetler etkimektedir. Bu kuvvet, kapamayı zorlaştırmaktadır. Büyük debilerin kontrolü söz konusu olduğunda; akışı iki veya daha fazla küçük hatta ayırmak ve küçük oturmalı vanalar kullanmak, genelde sık uygulanan bir yöntemdir. 2.3 Küresel Vana KÜRESEL-, KONIK VANA (BALL-,PLUG VALVE- KUGEL-,KUKENHAHN) Şekil 2.3 Küresel Vananın Çalışma Şekli ( 2008) Küresel Vananın Özellikleri Temiz, katılaşmayan, nötr veya agresif sıvı ve gaz akışkanlar için kullanılırlar. Her iki yönde de akış mümkündür (Şekil 2.3). Kullanım yerleri sıcak ve soğuk su tesisatları, doğal gaz- petrol taşıma ana hatları, gaz dağıtım tesisatları, Basınçlı hava tesisatları, petrokimya tesisleri, makina, özel araç ve kâğıt imalatının yapıldığı yerlerdir. Tahrik el ile veya motorlu, hidrolik, pnömatik aktüatörler ile gerçekleşir. Anma ölçüleri DN 8 den DN 1500 e kadar olabilmektedir. Anma basınçları PN 500 e

32 10 kadar çıkılabilmektedir. Ancak, genelde PN 40 anma basıncına kadar imal edilmektedirler. Çalışma sıcaklık aralığı C den C ye kadar genişleyebilmektedir. Ancak, genelde 20 0 C ve C aralığı için imal edilmektedirler. Gövde malzemesi olarak bakır alaşımları (pirinç, bronz), pik, sfero, çelik ve paslanmaz çelik döküm ile çelik ve paslanmaz çelik, titanyum, alüminyum, seramik kullanılmaktadır. Çeşitli elastomerler (teflon vb.), grafit, seramik, nikel alaşımları gibi metal malzemeler sızdırmazlık sağlayan conta malzemesi olarak kullanılır. Tesisata bağlantı şekli vidalı, flanşlı ve kaynak ağızlı olabilmektedir Küresel Vananın Çalışma Şekli Küresel vanalar; bir milin ucuna yerleştirilmiş ortasında bir veya birden fazla delik olan, çoğunlukla elastomer (ihtiyaca göre metal de olabilir) iki conta arasında dengelenmiş bir delik kürenin, akışkan geçiş ekseni üzerinde 90 0 döndürülmesi ile çalışırlar (Şekil 2.3). Deliğin geçişe açık veya kapalı konuma getirilmesi ile akışkan geçişini kesip, açarak görevlerini yerine getirirler. Tam açık veya tam kapalı olarak çalışmaları tercih edilir. Hassas akış kontrolü için uygun değillerdir Küresel Vananın Üstünlükleri Akışkanın serbest geçişini sağlarlar. Armatür akış direncinin en düşük olduğu vana tiplerindendir. Kullanımları rahattır. Aktüatörlü olarak kullanılabilirler. Gaz akışkanlar için de uygundurlar. Özellikle elastomer contaların kullanılması ile iyi bir sızdırmazlık sağlanabilmektedir. Vananın her iki yönünden de akış mümkündür.

33 Küresel Vananın Zayıf Yönleri Yapıları sebebi ile ağırlıkları fazladır. Anma ölçüsü büyüdükçe fiyatları artmaktadır. Küre ve gövde iç boşluğu arasında ölü hacim söz konusudur. Ani açma kapama darbeleri(vuruntular) yaratabilir. Elastomer contalı vanalarda, elastomerin sıcaklık dayanımına bağlı olarak, nispeten düşük çalışma sıcaklıkları söz konusudur. 2.4 Kelebek Vana KELEBEK VANA (BUTTERFLY VALVE- ABSPERR KLAPPE) Şekil 2.4: Kelebek Vananın Çalışma Şekli ( 2008) Kelebek Vananın Özellikleri Nispeten temiz, nötr veya agresif sıvı ve gaz akışkanlar için kullanılmaktadır. Her iki yönde de akış mümkündür. Kullanım yerleri olarak; çok kirli akışkanın, çok sık açma kapama ihtiyacının ve yüksek sıcaklığın söz konusu olmadığı, nerede ise bütün uygulamalarda kullanılırlar. El veya motorla, hidrolik, pnömatik aktüatörler ile tahrik edilmektedirler. Anma ölçüleri DN 40 tan DN 3000, hatta bunun da üstüne kadar çıkılabilmektedir. Anma basıncının çap büyüdükçe azalması söz konusudur. Anma basıncı genelde PN arası anma basınçları için imal edilirler; ancak PN 40 a kadar çıkan çeşitleri de mevcuttur. Çalışma sıcaklık aralığı C den C ye kadar genişleyebilmektedir. Ancak, genelde 10 0 C ve C aralığı için

34 12 imal edilmektedirler. Bakır alaşımları (pirinç, bronz), pik, sfero, çelik ve paslanmaz çelik döküm, titanyum gibi malzemelerden imal edilebilirler. Sızdırmazlık için kullanılan conta malzemesi olarak çeşitli Elastomerler (teflon, tabii kauçuk, vb.), yüksek basınç ve sıcaklık için metal malzemeler kullanılmaktadır. Tesisata bağlantı şekli olarak genelde flanşlı bağlantı şekli kullanılmaktadır Kelebek Vananın Çalışma Şekli Kelebek vanalar; merkezinden veya eksantrik olarak yataklanmış düz bir diskin, akışkan geçiş deliği ortasında 90 0 döndürülmesi ile akışkan geçişini kesip, açarak görevlerini yerine getirirler (Şekil 2.4). Hassas akış kontrolü için uygun değillerdir Kelebek Vananın Üstünlükleri Hafiftirler. Montaj boyları kısadır. Belirli büyüklükten sonra maliyetleri düşer. Açık konumlarında akışkan kalıntısı oluşmaz veya çok az oluşur. Yani ölü hacim bölgeleri azdır. Kolay monte edilirler. Bakım ihtiyaçları azdır. Akışkan ile temas eden kısımları azdır. Akışkanın nispeten serbest geçişini sağlarlar. Kullanımları kolaydır. Aktüatörlü olarak kullanılabilirler.

35 Kelebek Vananın Zayıf Yönleri Yüksek basınçlar için uygun değildir. Ani açma kapama vuruntu yaratabilir. Elastomer kaplamalı vanalarda, elastomerin sıcaklık dayanımına bağlı olarak, nispeten düşük çalışma sıcaklıkları söz konusudur. 2.5 Çalpara Çekvalfler Çek valfler; içinden geçen akışkanın geriye dönmesini engellemek amacı ile üretilen emniyet armatürleridir. Her türlü akışkan için kullanılabilecek değişik tipleri mevcuttur. Şekil 2.5: Çalpara Çekvalfin Çalışma Şekli ( 2008) Kapatma elemanı, oturma yüzeyinin üstünde kalan bir menteşe sistemi ekseninde salınım hareketi yapar (Şekil 2.5). Kapatma elemanı menteşe ekseni oturma yüzeyinin üstünde kalmak şartı ile yatay ve düşey monte edilebilirler. Ani kapanmaları önlemek üzere; ağırlık, yay, amortisör uygulanabilen kollu tipleri vardır. DN 1000 e kadar imal edilirler. Anma basıncı genel olarak PN 16 dan küçük tutulurlar. Vidalı, flanşlı, sıkıştırmalı tip bağlantılar söz konusudur.

36 14 Kapatma elemanının açık konumunda geçiş tam açık olduğundan, direnç faktörleri düşüktür. Fakat tam sızdırmazlık sağlamak zordur. 2.6 Kontrol Vanaları Kontrol vanaları; sıcaklık, basınç, basınç farkı kontrolü için kullanılırlar. Genelde; özel içyapılı, özel kapatma elemanlı oturmalı tip vanalara, elektrik motorlu, hidrolik veya pnömatik aktüatörlerin uygulanması ile oluşturulurlar. Ayrı olarak incelenmeleri gerekir.

37 15 3. VANA SEÇİM KRİTERLERİ Bir tesisatta; fonksiyon, yatırım ve işletme masrafları ile işletme emniyeti açısından, belirlenmiş görevi yapacak doğru vananın seçilmesi, tasarımcı, müteahhit, kontrol teşkilatı ve işletmeciler için ciddi bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Mekanik tesisatlarda kullanılan armatürler; işletme arızaları, imalat hataları, mamul ve enerji kayıpları, su kirlenmesi ve yangın tehlikesi gibi problemlerin olmaması için sızdırmaz olmalı, aynı zamanda basınç ve sıcaklık şartlarına uygun olarak da yeteri kadar mukavemet göstermelidirler. Yetersiz veya yanlış seçilmiş vanaların doğurabileceği problemler ve tehlikeler aşağıdaki gibi özetlenebilir; Sızdırma yüzünden başka mamulün karışması ve patlama tehlikesi, Yüksek basınç kaybı dolayısıyla enerji kayıpları, Pompalar için emme zorlukları, Kavitasyon, gürültü ve titreşimli çalışma, Mil salmastrasındaki kaçaklar sonucu yangın tehlikesi, Korozyon ve erozyondan kaynaklanan hasarlar, Uygun olmayan basınç ve sıcaklıklarda çalışmaktan kaynaklanan zararlar, Çok güçlü seçilmiş aktüatörler yüzünden açma, kapama milinde burulma ve bunun sonucunda gövdenin zarar görmesi, İzin verilemeyecek basınç darbeleri ve bunun sonucunda kırılma tehlikesi, Kapatma organının üzerinde yabancı madde tabakalarının oluşması, Zor açılıp kapanan ve kırılmış açma kapama milleri veya yanlış kumanda etme nedeniyle oluşan kazalar, Katılaşmış veya kristalleşmiş mamuller veya pislik birikmesi yüzünden oluşan tıkanmalar, Yüksek ağırlık ve aşırı yer kaplama, artan nakliye ve montaj masrafları,

38 16 Yüksek döndürme momentler gereken durumlarda yetersiz kalan aktüatörler, açma kapama düzeninde takılmalara ve durmalara neden olur. Burada unutulmaması gereken çok önemli bir nokta; bütün teknik ihtiyaçların hepsini birden, en iyi şekilde karşılayan bir vana tipi yoktur. Mühendisin, tesisatta hangi ihtiyac ön planda tutuluyorsa, bu ihtiyacı karşılayacak uygun bir vana tipini seçmesi gerekmektedir. 3.1 Sızdırmazlık Bir vananın görevi; yeteri kadar uzun bir işletme ömrü süresince, işletmecinin isteği doğrultusunda ve işletmeci istediği zaman, borularda akışkanın hareketini güvenli bir şekilde engellemektir. Vanalarda iç sızdırma; malzemelerin karışması, malzeme kaybı, patlama tehlikesi gibi problemler doğurabilir. Ayrıca yangın, patlama veya zehirlenme ile çevre kirliliği gibi tehlikelerin oluşmaması için, dış ortama olabilecek sızdırmaların da engellenmesi gerekmektedir. Dış ortama sızdırma, bunlara ek olarak, pompalarda emme zorlukları yaratabilir. Karşılıklı olarak çalışan metal sızdırmazlık yüzeylerinde, metal yüzeylerin pürüzlülüğü sebebi ile kesin bir sızdırmazlık elde etmek çok zordur. Bu yüzden iyi sızdırmazlık beklenen yerlerde yumuşak sızdırmazlık yüzeyi olmayan, oturmalı tip ve sürgülü vanaların kullanılması uygun değildir. Bu tür bir amaca ulaşmak için küresel, kelebek vanalar kullanılmalıdır. Çünkü elastomerlerin kullanılması ile bu vanalarda %100 kesin sızdırmazlık sağlanabilmektedir. Yalnız, elastomerlerin kullanıldığı sızdırmazlık sistemleri, vanaların kullanılma sahalarına sınırlamalar getirmektedir. Elastomer seçiminde; elastomerin akışkana dayanımı ile vananın çalışacağı sıcaklık ve basınç aralığı göz önüne alınması gereken önemli faktörler olmaktadır. Yine de birçok durumda, vanadan istenenlerin başında güvenilir bir sızdırmazlık gelmektedir. Eğer, yangın emniyetli bir konstrüksiyon isteniyorsa, yangın sırasında elastomerin zarar

39 17 görmesi halinde, metal bir sızdırmazlık sisteminin devreye girmesi güvence altına alınmalıdır. Sızdırmazlık sistemi; işletme basıncı ve işletme sıcaklığında, ayrıca tesisata takılma sırasında vanaya uygulanacak montaj kuvvetleri altında deforme olmamalıdır. İkinci önemli nokta ise, vananın dış ortama olan sızdırmazlığıdır. Özellikle, akışkan olarak tehlikeli kimyasallar ile yanıcı, patlayıcı maddeler söz konusu olduğunda, bunların çalışanlara, çevreye verecekleri zarar ve çıkarabilecekleri yangın gibi olaylara meydan verilmemesi önem kazanmaktadır. Yükselen veya dönen açma kapama milli vanalarda mil salmastra malzemesi olarak, katı parça içermeyen PTFE (en fazla 200ºC'ye kadar ), daha yüksek sıcaklıklarda da saf grafit kullanılmalıdır. Ancak, vana milinin uzun süre çalışmadan beklemesi durumunda ilk döndürmede, az da olsa salmastradan kaçağı önlemek, pratikte pek mümkün değildir. 3.2 Malzeme Korozyon, tesisatta karşımıza çeşitli şekillerde çıkar ve vanalarda çok rastlanılır. Bunun için, vananın korozyona mukavim bir yapısının olmasına dikkat edilmeli ve vana malzemesini seçerken, geçen akışkanın etkisi de göz önüne alınmalıdır. Örneğin; Sıvılar veya gazların korozyon, Gaz veya katı parçacıklar içeren sıvıların erozyon, Katı parçacıklar içeren gazların erozyon etkileri söz konusudur. Aşırı korozif ortamlarda, uygun elastomerle kaplanmış kelebek vanalar iyi sonuç vermektedir. Korozyona mukavemetin yanı sıra, çalışılacak sıcaklık ve basınç kademeleri de dikkate alınmalıdır. Hijyenik koşullar söz konusu olduğunda, canlı sağlığına olumsuz etkisi olmayacak malzemeler seçilmelidir.

40 18 Gövde için ağırlıklı olarak şu malzemeler gündeme gelmektedir: Alaşımlı veya düşük alaşımlı çelikler, Çelik döküm Küresel grafitli pik döküm (sfero döküm- GGG40-50) Lamel grafitli pik döküm (GG25) Süneklik özelliği düşük olduğu için GG sınırlı kullanım sahalarında, buna karşılık sfero döküm daha geniş bir alanda kullanılabilmektedir. Ancak, ağırlıkça, birim fiyatının düşük olması, lamel grafitli pik dökümün sınırlı sahada da olsa, vana gövde malzemesi olarak kullanımını yaygınlaştırmıştır. Özellik göstermeyen ve anma basıncı 16 bar a kadar olan hidrolik ısıtma ve iklimlendirme sistemlerinde vana gövde malzemesi olarak pik döküm rahatlıkla kullanılabilmektedir. Suyun donmasının veya kapalı devre hatlarda ısınma sonrası basınç yükselmesinin söz konusu olduğu durumlarda, kesinlikle sünek bir malzeme, örneğin; sfero döküm veya çelik döküm seçilmelidir. Aynı seçim, su vuruntularının söz konusu olması durumunda da geçerlidir. 3.3 Vananın Kapladığı Yer ve Ağırlık Vana montaj boyları standartlarda belirlenmiştir. (DIN 3202, ANSI B16-10, API 6D, BS 2080, ISO 5752 standartları). Aynı tip vana, standartlardan bir seriye uymak kaydı ile farklı boylarda olabilir. Kısa vanalar daha ucuzdur. Sıkıştırmalı (wafersandviç) bağlantı tipinde imal edilmiş çek valf, kelebek vana ve küresel vanalar kapladıkları düşük hacim sebebi ile avantaj sağlarlar. Bu tip vanalarda montaj masrafları da düşüktür.

41 Basınç Kaybı ve Enerji İhtiyacı Akışkanın transferi için gerekli enerji ihtiyacını düşük tutabilmek için, olabildiğince küçük basınç düşümlü vanalar seçilmelidir. Genel olarak borularda basınç kaybı sırasıyla denklem ve yardımıyla hesaplanır. Armatürlerde basınç kaybı: [ Pa] p = ξ v (3.4.1) 2 2 ρ DN ξ = 625 K V (3.4.2) Borularda basınç kaybı: ξ = λ = l Eşd. = ϑ = l Esd. 2 ρ ρ = λ ϑ 1000 [ Pa] (3.4.3) DN 2 Armatürlerde direnç faktörü Borularda basınç düşüm faktörü Eşdeğer boru boyu (m) Akış hızı (m/s) ρ = Yoğunluk (kg/m 3 ) DN= Boru anma çapı (mm) K V = Armatürün debi faktörü (m 3 / h) 3.5 Kavitasyon ve Gürültü Armatürlerin bazı bölgelerinde, yanlış seçim veya yanlış tasarım sonucu, akışkanın aşırı hız kazanması ile statik basınç, akışkanın o sıcaklıktaki buharlaşma basıncının altına düşebilir. Bu durumda, kavitasyon ve gürültü problemleri söz konusu

42 20 olmaktadır. Kavitasyon; bu düşük basınç ortamında oluşan buhar kabarcıklarının, tekrar yoğuşmaları ve oluşmuş vakum sayesinde hız kazanarak, yüzeye kuvvetle çarpmaları anlamına gelmektedir. Bu darbeler, her malzemeyi tahrip edebilir. Bu yüzden kısık çalışma halinde bile, vanaların herhangi bir bölgesinde, akışkanın buharlaşma basıncının altına inilmemesi gerekmektedir. Burada dikkat edilmesi gereken bir nokta da; buharlaşma basıncının, sıcaklıkla eksponensiyel olarak artmasına bağlı olarak, yüksek sıcaklıklarda kavitasyon tehlikesinin artmasıdır. 3.6 Basınç Darbeleri Uzun bir hat üzerinde; armatürlerin açılıp kapanması veya pompaların devreye girip, çıkmaları ile akışkan hızında oluşacak ani hız değişiklikleri, büyük basınç dalgalanmalarına yol açarak, pompa, armatür ile borularda ciddi hasarlara sebep olabilmektedir (su vuruntuları). Hatlarda, basınç ve hız değişiklikleri her iki yönde ses hızı ile yayılır ve düzgün olmayan vana, dirsek, redüksiyon gibi kesitlerden geriye yansır. Basınç dalgalarının üst üste çakışması, tahmin edilemeyecek büyüklükte, pozitif veya negatif basınçlar oluşturabilir. Selonoid vanaların açma, kapama süreleri de bu açıdan önem taşımaktadır. Kolun 0 90 hareketi ile tam açık veya tam kapalı konuma gelebilen küresel, konik veya kelebek vanaların bu avantajları, uzun hatlarda su vuruntu problemlerinin oluşmasına sebep olabilir. Bu dezavantaj, bu tür vanaların elle kumanda edilmeleri yerine, açma-kapama süresinin uzatıldığı aktüatörler kullanılarak giderilebilir.

43 21 4. BORU AKIMLARI VE ENERJİ KAYIPLARI Borularda akışın tamamen en kesiti doldurarak akması söz konusudur, bu tip akımlara "basınçlı akım" (veya cebri akış) adı verilmektedir. Boru akımları mühendisliğin birçok dalında, özellikle inşaat, makine ve çevre mühendisliğinde karşımıza çıkmaktadır. Uygulamalarda, basınç altında sıvı nakleden kapalı akış yollarına "boru" adı verilmektedir. Boru içinde sıvının sahip olduğu mutlak basınç atmosfer basıncından büyük ise boru basınçla çalışmaktadır. Borular çeşitli geometrik en kesitlere sahip olabilirler, fakat genellikle dairesel kesitlidirler. Bunun nedeni, hem yapım kolaylığı, hem gerilmelere karşı dayanıklılığı ve hem de aynı alanlı geometrik şekiller arasında minimum çevreye sahip olmalarıdır. Bu durumda sürtünmeden dolayı kaybolacak enerji minimum olmaktadır. Gerçekten de bir mühendisin görevi, debiyi en ekonomik olarak geçirecek boru hatlarını tasarlamaktır. Sıvının, kısmi dolu olarak iletildiği kapalı akış yolları ise serbest yüzeye sahip olmaları dolayısıyla "kanal" olarak adlandırılırlar ve boru sınıfına girmezler. Burada verilecek matematiksel ifadelerde genellikle dairesel en kesitli borular esas alınacaktır. Borular içindeki laminer akışta, eksene doğru akışkan tanecikleri arasındaki viskoz tesirler gittikçe azaldığından, maksimum hız, eksende meydana gelmektedir ve hız dağılımı parabolik bir görünüme sahiptir (Şekil 4.1). Laminer akısta herhangi bir noktadan geçen her akıskan parçacıgının takip ettigi hız aynı kalmaktadır. Laminer akımı etkileyen en önemli faktör akıskanın viskozitesidir (YALÇIN,2000). Türbülanslı akımda ise, akışkan tanecikleri düzgün olmayan yörüngeleri izleyerek hareket ettiklerinden, yine maksimum hız eksende meydana gelmesine karşın, hız

44 22 dağılımı laminer akıma göre daha basık ve üniform bir görüntüye sahip olmaktadır (Şekil 4.1). V=0,8u mak Türbülanslı akım (4.1) V=0,5u mak Laminer akım (4.2) a) Laminer akım b)türbülanslı akım Şekil 4.1: Boru İçindeki Hız Dağılımı ( Fluent Guide 2007) Laminer akışta hız dağılımı incelendiğinde parabolik, türbülanslı akımda ise logaritmik dağılıma sahip olduğu görülmüştür. Bu iki akış Reynolds sayısıyla belirlenmektedir. D boru çapı, V borudaki ortalama akım hızı ve v kinematik viskozite olmak üzere, Re = VD v (4.3) Şeklinde yazılan ve Reynolds sayısı olarak bilinen bu sayı boru akımında,

45 23 Re < 2300 Laminer akım (4.4) Re > 2300 Türbülanslı akım (4.5) Denklem 4.4 ve 4.5 yardımıyla laminer ve türbülanslı akım belirlenebilir. Tabiattaki bütün akımlarda sürtünme olduğuna göre enerji kaybı meydana gelecektir. Bu kayıplar sürekli ve yersel olmak üzere ikiye ayrılır. 4.1 Sürekli Enerji Kaybı Sürekli enerji kaybı borunun uzunluğu boyunca sürtünmeden meydana gelen enerji kaybıdır. Bu değer Denklem deki Darcy Weisbach formülü ile f h k = D 2 V 2g L (4.1.1) hesaplanabilir. Burada, h k : Sürekli enerji kaybı f : Sürtünme katsayısı L : Boru boyu D : Boru çapı V : Ortalama akım hızı g : Yerçekimi ivmesi belirlenir. Denklem deki f sürtünme katsayısı laminer akımda, Denklem ile 64 f = (4.1.2) Re

46 24 için, Türbülanslı akımda ise, cidar pürüzlülüğüne bağlı olarak hidrolik cilalı cidar 8 f f 32 Prandtl formülü = 2,5 ln [ Re + 1,75 ] (4.1.3) 0,316 Blasius formülü f = ; Re< 10 5 (4.1.4) 1 4 Re Geçiş hali için, Colebrook-White 8 f D = 2,5ln 2k s + 4,73 2,5ln 1 + 9,28 Re f D k s (4.1.5) Pürüzlü cidar için, 8 D Nikuradse-Prandtl = 2,5ln + 4, 73 f k s (4.1.6) formülleri ile belirlenir. Denklem ve daki k s pürüzlülüğü göstermek üzere k s / D ye relatif pürüzlülük denir. 4.2 Yersel Enerji Kayıpları Yersel enerji kaybı, borunun geometrisinde meydana gelen değişikliklerden ötürü meydana gelen enerji kaybıdır. Bu kayıplar kesit değişimleri, hazne giriş ve çıkışları, dirsekler, vanalar gibi yerlerde meydana gelir. Yersel yük kaybı için genel formül denklem yardımıyla ifade edilir. 2 ' V h k = ξ (4.2.1) 2g

47 25 i. Ani Genişleyen Boru V V V 2 2 ' ( ) h k = = ξ., 1 ξ = 1 (4.2.2) 2g 2 g Α2 Α Borudan hazneye girişte ξ = 1. 0 alınır. 2 Α1 ve Α2 alanıdır. Şekil 4.2 de verilen kesitlerin Şekil 4.2: Ani Genişleme Hali ( Fluent Guide 2007) ii. Ani Daralan Boru: ' hk V 2 1 = ξ. 2g 2 1 ξ = 1 (4.2.3) C C Şekil 4.3: Ani Daralma Hali ( Fluent Guide 2007) Denklem de verilen C c katsayıları Tablo 4.1 yardımıyla belirlenir Tablo 4.1: Cc Katsayıları A1/A2 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Cc 0,617 0,624 0,632 0,643 0,659 0,681 0,712 0,755 0,813 0,892 1,0 Boru boylarının çok uzun olduğu durumlarda mertebe itibariyle yersel kayıplar, sürekli kayıpların yanında ihmal edilir.

48 26 5. TEK GÖVDELİ HİDROLİK SU DAĞITIM ÜNİTESİ 5.1 Teknik Alan Tek gövdeli su dağıtım ünitesi, sulama sahasında sulama işlemini yapabilmek için basınçlı sulama sisteminde bulunan ana borudan alınan basınçlı suyun sahaya dağıtımında kullanılmakta olan su dağıtım ünitesi ile ilgilidir. Vana özellikle, sulama sahasında ihtiyaç duyulan ve basınçlı olarak ana borudan elde edilen suyun sahaya dağıtımını sağlayan tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesi ile ilgilidir. Anma çapları girişte 100 mm ve çıkışlarda 80 mm olan vananın genel görünüşü Şekil 5.1 de gösterilmiştir DVD DN R 3" Dişli Ø100 Ø158 Ø220 R 3" Dişli Şekil 5.1: Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesi

49 Tekniğin Bilinen Durumu ve Dezavantajları Teknik olarak, sulama sahasında ihtiyaç duyulan ve basınçlı olarak ana borudan elde edilen suyun sulama sahasına dağıtımında kullanılmakta olan musluklar bulunmaktadır. Bu musluklar, mekanik veya hidrolik çalışma prensibine sahiptir ve sulama hidrantı, dağıtıcı olarak da ifade edilen hidrolik sulama hidrantı ve hidrolik su alma ünitesi olarak bilinmektedirler. Günümüzde kullanılmakta olan mekanik sulama hidrantları bulunmaktadır. Sulama hidrantları, mekanik bir şekilde gövde üzerine monte edilen bir volan sayesinde musluğun açma ve kapama işlemi gerçekleştirmesi ile çalışmaktadır. Sulama hidrantı volanına üstten bakıldığı esnada volan saat ibresinin tersi yönde çevrilmek suretiyle volan ile sabit şekilde irtibatlı halde bulunan hareket milinin üzerinde hareketli bir şekilde irtibatlandırılmış olan T somun aşağı ve/veya yukarı doğru hareket ettirilerek hidrantın açık konuma gelmesi sağlanmış olmaktadır (Şekil 5.2). Bu durum sonucu su mekanik tip sulama hidrantının giriş yönünden borular vasıtası ile girmektedir. Mekanik tip sulama hidrantının içerisine giren su, buradan sırasıyla açma-kapama mekanizmasından geçmekte, basınç ayarlayıcıya ulaşmakta, buradan da sabit bir basınçla debi ayarlayıcıya oradan da hidrant çıkışına ulaşmaktadır. Suyun basıncının istenilen basınca getirilmesi için yapılan ayarlama işlemi, fabrika sahasındaki üretim aşamasında tek bir değere ayarlanmakta, sulama sahasında herhangi bir ayarlama işlemi yapılamamaktadır.

50 28 Aynı zamanda mekanik sulama hidrantlarının kullanımı esnasında hassas bir şekilde basınç miktarını ve debi ayarını yani birim zamanda belirli bir alandan geçen akışkan miktarını ayarlamak mümkün olmamaktadır. Gövde boyutu ve ağırlığı olarak bu sulama hidrantları oldukça yüksek bir ağırlığa ve boyuta sahiptirler. Açma kapama işlemi manuel olarak yapıldığından kullanım zorluğu ile karşılaşılmaktadır.

51 Şekil 5.2: Mekanik Sulama Hidrantı 29

52 30 Sonuç olarak yukarıda anlatılan olumsuzluklardan dolayı ve mevcut çözümlerin sorunları azaltmadaki yetersizlikleri nedeniyle ilgili teknik alanda bir geliştirme yapılması zorunlu olmuştur. 5.3 Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesi Tekniğin bu konumundan yola çıkarak geliştirilen tek gövdeli su dağıtım ünitesi, yukarıda var olan problemleri çözmeyi amaçlamaktadır. Bu sistemin amacı, basınçlı sulama sistemlerinde, basınçlı suyun ana borudan alınıp sulama sahasına iletilmesini sağlamak üzere tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin oluşturulmasının sağlanmasıdır. Diğer bir amacı, bahsedilen tek gövdeli hidrolik sulama ünitesi gövdesi üzerine basınç ayarlayıcı uygulaması yapılabilmesinin sağlanmasıdır. Bu sayede ana borudan alınan basınçlı suyun, istenilen basınçta sulama sahasına iletilmesi sağlanacaktır. Ayrıca hidrolik sulama ünitesi gövdesi üzerine debi ayarlayıcı uygulaması yapılabilmesi de mümkün olacaktır. Bunun dışında ünite içerisinde su geçiş alanı üzerine filtre monte edilebilecektir. Böylelikle ana borudan gelen ve sulama ünitesi içerisinden geçecek olan suyun içerisinde bulunan yabancı maddelerin filtre edilmesi ve ünitenin de arıza yapmasının önlenmesi sağlanmaktadır. Bu filtrenin bağlı bulunduğu yere filtre kapağının monte edilebilmesi ve bu sayede de yabancı maddelerin temizlenmesi sağlanmaktadır. Tüm bu özelliklere sahip olan tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesi sulama sahasında ihtiyaç duyulan ve basınçlı olarak ana borudan elde edilen suyun girmekte olduğu su giriş ağzı (A) ve sulama sahasına dağıtımının gerçekleştirildiği su çıkış ağzı (B) sayesinde sulama sahasına suyun dağıtımını sağlayan en az bir tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesi (X) ile ifade edilebilir (Şekil 5.3).

53 Şekil 5.3: Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesi 31

54 32 Tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesi, basınçlı sulama sistemlerinde ana borudan alınan basınçlı suyun sulama alanına (tarlaya) dağıtımında kullanılır. Bir veya iki çıkışlı olarak imal edilebilmekte olup, tek bir gövdede filtrasyon, basınç regülasyonu, debi sınırlaması, otomasyon ve uzaktan kumanda için ekipman bağlama işlevlerinin ayrı ayrı veya birkaçının birlikte uygulanmasına imkan veren bir ünitedir (Şekil 5.4). Şekil 5.4: İmal Edilmiş Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesi

55 33 Tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin parçaları ve malzemeleri Tablo 5.1 de verilmektedir. Sıra No Tablo 5.1: Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesinin Parçaları ve Malzemeleri PARÇA ADI MALZEMESİ 1 Monoblok Gövde- Filtre Kapağı- Yan GG 25 Pik Döküm Kapaklar 2 Filtre SS304 Paslanmaz Çelik 3 Gövde Burcu- Diyafram Baskı Rondelası- Debi MS 58 Pirinç Limitörü 4 Diyafram- Debi Limitör Kauçuğu EPDM Kauçuk 5 Diyafram Yayı SS 304 Paslanmaz Çelik 6 Anti Frost Parçası (Donmayı engeller) MS 58 Pirinç Tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin kontrol ekipmanları aşağıda sıralanmıştır: i. Üç yollu vana (Vananın dışından hidrolik kontrol devresi bağlanıyor) (Şekil 5.5) ii. Açma-kapama kontrol vanası (Vananın dışında herhangi bir hidrolik kontrol devresi bağlanmıyor) (Şekil 5.6) iii. Selenoid vana ( Şekil 5.7) iv. Çıkış basınç düzenleyici (Şekil 5.8) v. Basınç düşürme pilotu vi. Debi ayar pilotu (Şekil 5.9)

56 34 Tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin şekillerinin kısa açıklamaları aşağıda açıklandığı gibidir; Şekil 5.5; Çift su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine üç yollu vana monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür. Şekil 5.6; Çift su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine açma kapama kontrol vanası monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür. Şekil 5.7; Çift su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine selenoid vana monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür. Şekil 5.8; Çift su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine basınç ayarlayıcı monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür. Şekil 5.9; Çift su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine debi ayar pilotu veya basınç düşürme pilotu monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür. Şekil 5.10; Tek su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine üç yollu vana monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür. Şekil 5.11; Tek su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine açma kapama kontrol vanası monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür. Şekil 5.12; Tek su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine selenoid vana monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür.

57 35 Şekil 5.13; Tek su çıkış ağızlı tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin üzerine basınç ayarlayıcı monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, yan ve üst görünümüdür Referans Numaraları Şekil de kullanılan referans numaraları aşağıdaki gibi belirlenmiştir; X. Tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesi A. Su giriş ağzı B. Su çıkış ağzı C. Kontrol haznesi D. Hidrolik kontrol devresi girişi E. Hidrolik kontrol devresi tahliyesi F. Hidrolik kontrol devresi çıkışı P1. Su giriş ağzındaki su basıncı P2. Su çıkış ağzındaki su basıncı 1. Gövde 2. Gövde burcu 3. Filtre 4. Filtre kapağı 5. Mekanik basınç ayarlayıcı 6. Diyafram yay baskı rondelası 7. Diyafram 8. Konik diyafram baskı yayı 9. Kapak 10. Debi ayarlayıcı 11. Anti frost 12. Üç yollu vana 13. İn-line filtre

58 Açma-kapama kontrol vanası 15. Selenoid vana 16. Basınç ayarlayıcı 17. Debi ayar pilotu veya basınç düşürme pilotu Tek Gövdeli Hidrolik Su Dağıtım Ünitesinin Çalışma Şekli Şekil 5.5 de çift su çıkış ağızlı (B) tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin (X) üzerine üç yollu vana (12) monte edilmiş halde kesiti alınmış ön, üst ve yan görünüş resmi görülmektedir. Tek gövdeli hidrolik su dağıtım ünitesinin (X) su giriş ağzından (A) basınçlı su girmekte, oklar ile gösterilen w yönünde hareket ederek su çıkış ağzından (B) çıkmaktadır. Bu esnada basınçlı su mekanik basınç ayarlayıcıdan da (5) geçmektedir. Mekanik basınç ayarlayıcıdan geçen basınçlı su, filtreden (3) geçmekte, geçerken de su ile birlikte geçebilecek durumda olan bitkisel yosun, katı parçalar v.b yabancı maddeler filtreye (3) takılmaktadır. Böylece vana çıkışında temiz bir su akışı elde edilmektedir. Filtrenin tutmuş olduğu yabancı maddelerin temizlenebilmesi için ise vananın üzerine monte edilmiş olan filtre kapağı (4) açılarak fitrenin temizlenmesi işlemi gerçekleştirilebilir. Su giriş ağzından girmekte olan basınçlı su, mekanik basınç ayarlayıcı sayesinde suyun giriş ağzındaki basıncını (P1) çıkış ağzı basıncına (P2) düşürmektedir. Eğer P2 çıkış basıncının mekanik basınç ayarlayıcıda ayarlanan basınç değerini geçmesi durumunda mekanik basınç ayarlayıcı aşağı yönde yani suyun hareket yönünün (w) tersi yönünde hareket ederek suyun girdiği yerdeki basınçlı su girişini azaltmakta böylece P2 çıkış basıncı istenen değere düşürülmektedir. Bunun tam tersi bir durumda yani P2 basıncının ayarlanan basınç değerinin altına düşmesi durumunda ise mekanik basınç ayarlayıcı su akış yönünde hareket ederek suyun akışına izin vermektedir. Bunun sonucunda P2 basıncı istenen basınç değerine yükseltilerek ayarlanmaktadır.