GEMİ YARDIMCI MAKİNALARI-1 POMPALAR Prof.Dr.Adnan PARLAK

POMPA VE TÜRBİNLER Bir pompanın amacı akışkana enerji vermek ve böylece basıncını yükseltmektir. Bir türbinin amacı ise akışkandan enerji çekmek ve böylece basıncını Düşürmektir.

POMPA VE TÜRBİNLER

Pompa ve Türbinler Pompalar enerji soğuran, türbinler ise iş üreten makinelerdir. Sıvıları transfer eden makineler pompa olarak adlandırılır. Gazları transfer eden makineler: Fan: Göreceli düşük basınç artışı, yüksek debi sağlar. Üfleç:göreceli olarak orta seviyede basınç ve debi sağlar Kompresör: Göreceli yüksek basınç düşük debi sağlar

FAN,ÜFLEÇ VE KOMRESÖR FAN : Tavan fanları, evlerde kullanılan fanlar ÜFLEÇ : Otomobil havalandırma sistemlerinde kullanılanlar KOMPRESÖR : İlk hareket havası kompresörleri, buzdolabı, Klimalar

Pompalar enerji transfer biçimine göre: Hacimsel pompalar Akışkanı kapalı bir hacme yönlendirir. Enerji transferi hacmin sınırlarının hareketiyle sağlanır. Dinamik pompalar Kapalı hacim yoktur. Akışkana enerji aktaran veya akışkandan enerji çeken dönen kanatlar vardır.

Pompa Performans Karakteristikleri DEBİ (KAPASİTE) 2. NET YÜK, H Kabul: Dgiriş=Dçıkış, Zgiriş=Zçıkış için POMPANIN NET YÜKÜ (Basma Yüksekliği): İç Kayıplarla birlikte pompanın basma yüksekliği: EEÇ= Enerji Eşdeğer Çizgisi

Pompa Performans Karakteristikleri Pompa İç gücü ( ): İç Sürtünme ve kayıplar dahil gücü ifade etmektedir. Burada iç debiyi, H’ ise kayıplar dahil iç yük yada basma yüksekliğini ifade etmektedir. Burada Mile aktarılan gücün bir kısmı salmastra ve yatakların kayıplarını karşılamak için kullanılır. Bu kayıplara mekanik kayıplar( ) adı verilir. Pompanın su gücü veya efektif pompa gücü: EEÇ= Enerji Eşdeğer Çizgisi

Verimler Pompa Hidrolik verimi :Pompanın efektif basma yüksekliğinin , pompanın iç basma yüksekliğine oranı: Pompa Volumetrik verimi :Pompanın gerçek debisinin, pompa kanatları içinden geçen debiye oranıdır. Pompa iç verimi : Volumetrik ve hidrolik verimlerin çarpımıyla bulunur. Pompa mekanik verimi : pompa iç gücünün mil gücüne oranıdır.

Pompa Performans Karakteristikleri Tüm pompalar sürtünme, iç kaçaklar, kanat yüzeyinden akış ayrılması, türbülans gibi etkenlerden dolayı akışkanın pompalanması için ideal şartlara göre daha fazla enerjiye ihtiyaç duyarlar. Pompa terminolojisinde pompayı tahrik etmek için mil tarafından uygulanan güç ‘Mil gücü’ yada ‘Efektif Güç’ olarak adlandırılır. Pompanın fren beygir gücü: Mil Gücü: EEÇ= Enerji Eşdeğer Çizgisi

Verimler Pompa Genel verimi (): Pompa su gücünün pompa mil gücüne oranına genel verim denir.

Pompa Çıkış Valfinin Durumuna göre debi net yük değişimi Net Yük, m

Pompa Performans Eğrileri ve Bir Pompanın Borulama Sistemine Uyumlu Hale Getirilmesi Debinin fonksiyonu olarak verilen H, pompa, ve Wsugücü eğrilerine pompa performans eğrileri (karakteristik eğriler) adı verilir.

Pompa Performans Eğrileri ve Bir Pompanın Borulama Sistemine Uyumlu Hale Getirilmesi Bir pompadan geçen maksimum hacimsel debi, net yük sıfır olduğunda (H = 0) oluşur ve buna pompanın serbest debisi denir. Serbest debi şartı, pompa girişinde veya çıkışında hiçbir akış kısıtlaması, diğer bir deyişle pompada hiçbir yük olmadığında sağlanır. Bu çalışma noktasında debi büyük, ancak H sıfırdır. Bu durumda, pompa hiçbir faydalı iş yapmadığından verimi sıfırdır. Kapalı yük, hacimsel debi = 0 olduğunda oluşan net basma yüküdür. Bu durum pompa çıkış ağzının tamamen kapatılmasıyla elde edilir. Bu durumda da pompa faydalı iş yapmadığı için verim sıfırdır. Pompa verimi, kapalı durum ile serbest debi durumu arasında bir yerde maksimum değerine ulaşır. Bu maksimum verimli çalışma noktasına, anlamına uygun olarak en iyi verim noktası (EVN) adı verilir.

Pompa Performans Eğrileri ve Bir Pompanın Borulama Sistemine Uyumlu Hale Getirilmesi Bir pompa daimi koşullarda sadece kendi performans eğrisi boyunca çalışabilir. Borulama sisteminin çalışma noktası, sistem şartlarının (gerekli net yükün) pompa performansına (kullanılabilir net yüke) uyumlu hale getirilmesi suretiyle belirlenir. Tipik uygulamalarda Hgerekli ve Hkullanılabilir tek bir akış debisinde birbirleriyle eşleşir. Bu nokta, sistemin çalışma noktası veya hizmet noktasıdır. Bir borulama sisteminin daimi çalışma noktası Hgerekli = Hkullanılabilir şartının sağlandığı debide meydana gelir.

Sürekli yük kayıplarının, yerel kayıpların ve yükseklik değişimlerinin olduğu bir borulama sisteminde gerekli net yük artar. Diğer taraftan, pompanın kullanılabilir net yük önerilen çalışma noktasında debi ile azalır. Bunun sonucunda sistem eğrisi ile pompanın performans eğrisi bir noktada kesişir. Bu nokta pompanın çalışma noktasıdır. Sistemin kayıpları arttıkça pompanın yenmesi gereken kayıp artar. Bu durumda pompa debisi de düşer. Sistemin kayıpları artan debi ile akış ve lokal kayıplar nedeniyle artar.

Pompa Performans Eğrileri ve Bir Pompanın Borulama Sistemine Uyumlu Hale Getirilmesi Bir borulama sisteminin daimi çalışma noktası :Hgerekli = Hkullanılabilir şartının sağlandığı debide meydana gelir. Gerekli Net Yük :

Pompa Performans Eğrileri ve Bir Pompanın Borulama Sistemine Uyumlu Hale Getirilmesi Faydalı pompa yükü (hpompa, f) teriminin net yüke (H) eşit olduğunu dikkate aldığımızda, borulama sisteminin bir pompaya uygun hale getirilmesi oldukça kolaydır. Yükseklik değişiminin, sürtünme kayıplarının, yerel kayıpların ve akışkan ivmelenmesinin bulunduğu genel bir borulama sisteminde gerekli net yük, Hgerekli :

Gerekli Net Yük formülü ne ifade ediyor? Denklem , bir pompanın bir borulama sistemindeki rolüne işaret etmektedir. Diğer bir ifadeyle bir akışkanın : 1 noktasından 2 noktasına sıvının statik basıncı artıyor. 1 noktasından 2 noktasına sıvının dinamik basıncı artıyor. 1 noktasından 2 noktasına sıvının potansiyel enerjisi (yüksekliği) artıyor. Borulama sistemindeki tersinmez yük kayıpları karşılanıyor

ÖRNEK –1 Bir Havalandırma Sistemindeki Fanın Çalışma Noktası Bir kuru temizleme işleminden çıkan hava ve kirleticilerin tahliyesinde yerel bir havalandırma sistemi (davlumbaz ve tahliye kanalı) kullanılmaktadır. Kanal, boyuna dikişli galvanizli çelikten yuvarlak olarak yapılmış olup her 0.76 m’de bir bir ek yeri mevcuttur. Kanalın iç çapı 0.230 m ve toplam boyu 13.4 m’dir. Kanal üzerinde beş adet CD3-9 (90° lik) tipi dirsek bulunmaktadır. Kanalın eşdeğer pürüzlülük yüksekliği 0.15 mm olup her bir dirseğin yerel kayıp katsayısı KL = C0 =0.21’dir. Yeterli havalandırma sağlamak için kanaldan geçmesi gereken minimum hacimsel debi 25 °C’de 0.283 m3/s’dir (1018 m3/h). Davlumbaz üreticisi, kanaldaki hıza göre giriş kayıp katsayısını 1.3 olarak vermektedir. Kanaldaki klape (damper) tam açıkken klape kayıp katsayısı 1.8 olmaktadır. Giriş ve çıkış çapları 228.6 mm olan mevcut bir merkezkaç fana ait performans verileri üretici tarafından Tabloda verilmektedir. Bu havalandırma sisteminin çalışma noktasını belirleyiniz. Gerekli ve kullanılabilir fan basınç artışını hacimsel debinin fonksiyonu olarak çiziniz. Seçilen fan sizce uygun mudur?

Çözüm Verilen bir fan ve kanal sisteminin çalışma noktasını belirleyecek, gerekli ve kullanılabilir basınç artışını hacimsel debinin fonksiyonu olarak çizeceğiz. Ayrıca, seçilen fanın uygun olup olmadığını tespit edeceğiz. Kabuller  1 Akış daimidir. 2 Havadaki kirleticilerin derişimi (konsantrasyonu) düşük ve akışkan özellikleri havanınkilerle aynıdır. 3 Çıkıştaki akış tamamen türbülanslı boru akışı olup  = 1.05’dir. Özellikler  25°C’deki hava için v = 1.562  105 m2/s ve  = 1.184 kg/m3. Standart atmosferik basınç Patm = 101.3 kPa.

Çözüm-1 Analiz Yük formundaki daimi akış enerji denklemini, odada bulunan durgun hava bölgesindeki 1 noktasından kanal çıkışındaki 2 noktasına uygularsak, Denklemde, 1 noktasındaki hava hızını ihmal edebiliriz, çünkü havanın durağana yakın olması için bu nokta davlumbaz girişinden (kasıtlı olarak) yeterince uzakta seçilmiştir. Hüzme (jet), binanın çatısında dış havaya boşaldığından ötürü 1 noktasında P1 basıncı Patm’e ve 2 noktasında da P2 basıncı Patm’e eşittir. Böylece basınç terimleri sadeleşir ve Denklem : Gerekli net yük: Denklem 2’de yer alan toplam yük kaybı sürtünme kayıpları ile yerel kayıpların toplamından oluşur ve hacimsel debiye bağlıdır. Kanal çapı sabit olduğundan,

Çözüm-2 Denklem 2’de yer alan toplam yük kaybı sürtünme kayıpları ile yerel kayıpların toplamından oluşur ve hacimsel debiye bağlıdır. Kanal çapı sabit olduğundan, Tersinmez yük kaybı: Boyutsuz pürüzlülük faktörü  /D = (0.15 mm)/(230 mm) = 6.52 x 10-4 bulunur. Kanalda akan havanın Reynolds sayısı ise, Reynolds sayısı Reynolds sayısı hacimsel debi ile değişmektedir. Gerekli minimum debide kanaldaki hava hızı V = V2 = 6.81 m/s alınarak Reynolds sayısı

Moody diyagramı

Çözüm-3 Bu Reynolds sayısı ve pürüzlülük faktörü için Moody diyagramından (veya Colebrook denkleminden) sürtünme faktörü f = 0.0209 olarak elde edilir. Tüm yerel kayıp katsayılarının toplamı ise, Yerel kayıplar : Gerekli minimum debi için bulunan bu değerler Denklem 2’de yerine yazılırsa, minimum debide fanın gerekli net yükü, Pompa yükünün, doğal olarak pompalanan akışkanın eşdeğer sütünu yüksekliği cinsinden ifade edildiğine dikkat ediniz. Verilen durumda akışkan havadır. Bunu suyun eşdeğer sütün yüksekliğine çevirmek için hava yoğunluğunun su yoğunluğuna oranıyla çarpmamız gerekir:

Çözüm-3 Bu hesaplamaları birkaç hacimsel debi için tekrarlayıp Şekil deki fanın kullanılabilir net yükü ile karşılaştırırsak, çalışma noktası, hem gerekli hem de kullanılabilir net yükün 21.08 mm su olduğu 1104 m3/h (0.306 m3/s) ’lık bir debide gerçekleşir. Buna göre seçilen fan, söz konusu iş için fazlasıyla yeterlidir diyebiliriz.

Çözüm-5

Aynı Pompa gövdesinde farklı impeller çapları için performans grafiği

AYNI GÖVDE ÇAPI FARKLI ÇARK ÇAPLARINA SAHİP BİR MERKEZKAÇ POMPANIM TİPİK PERFOMANS EĞRİLERİ

Örnek 2- Pompa Çark Boyutunun Seçimi Bir güç santralinin yıkama işleminde 24.34 L/s suya gereksinim duyulmakladır. Bu debide gerekli net yük 7.3 m civarındadır. İşe yeni başlayan bir mühendis, bazı Kataloglara göz atıp Şekildeki Taco Model 4013 F1 serisinden 203 mm çark çapını seçmeye karar veriyor ve performans grafiğinde belirtildiği gibi bu pompayı 1160 devir/dakika hızda çalıştırırsa performans eğrisinin H = 7.3 m'de 24.34 L/s’lik debi ile kesişeceğini düşünüyor. Verim konusunda oldukça endişeli olan başmühendis ise, performans eğrilerine baktıktan sonra bu çalışma noktasında pompanın veriminin sadece %70 olacağını belirterek bunun yerine 241.3 mm'lik pompanın bu debide daha yüksek verime (% 76.5 civarında) ulaşacağına dikkat çekmektedir. Ayrıca, pompa bu yüksek verimde çalışsın diye, gerekli net yükü arttırmak için pompa çıkışına bir kısma vanası konulabileceğini belirtmektedir. Bunun sonucunda yeni mühendisten kendi yaptığı çark çapı seçimini (203 mm) doğrulamasını, yani hangi çark seçiminin (203 mm veya 241.3 mm) en az elektrik tüketimi ile çalışacağını hesaplamasını istemektedir. Bu karşılaştırmayı yaparak sonuçları tartışınız.

Çözüm ÇÖZÜM  Verilen bir debi ve net yük için hangi çark çapının en az miktarda güç gerektireceğini hesaplayacağız ve elde ettiğimiz sonuçları tartışacağız. Kabuller  1 Su 21 °C’dedir. 2 Akış şartları (hacimsel debi ve yük) sabittir. Özellikler  21 °C’deki su için  = 997.95 kg/m3’tür. Analiz  Yeni mühendis, Şekil 1415’teki performans grafiğinde gösterilen fren beygirgücü eğrilerine dayanarak küçük çarklı pompanın motordan 2.47 kW güç çekeceğini ön görmektedir. Bunu da Denklemi doğrulamaktadır.

Çözüm 203 mm çaplı çark seçeneği için gerekli güç: Benzer şekilde büyük çark seçeneği için = 24.23 L/s, H = 21.95 m ve pompa = 0.765 olan çalışma noktasını dikkate almak suretiyle 241.3 mm çaplı çark seçeneği için gerekli mil gücü: Wmil = 6.8 kW

İrdeleme Büyük çarklı pompa biraz daha yüksek verimle çalışsa da, istenen debide 21.95 m civarında bir net yük sağlamaktadır. Bu ise çok fazladır ve kısma vanasının, bu net yük ile 7.3 m su sütunu değerindeki gerekli yük arasındaki farkı telafi etmesi gerekir. Ancak kısma vanası, atık mekanik enerjiden başka bir şeye yol açmaz. Bu yüzden, pompa veriminden elde edilecek kazanç, fazlasıyla kısma vanası içerisindeki kayıplara harcanacaktır. Eğer yük ve debi ihtiyacı ileride artacak olursa, aynı gövde için daha büyük bir çark satın alınabilir.

KAVİTASYON VE NPEY Yerel Basıncın (P) sıvıya ait buhar basıncının Pv altına düşmesi durumunda olur. Pompa girişindeki durma basınç yükü Buhar basınç yükü

KAVİTASYON VE NPEY Gerekli NPEY, pompanın karakteristik eğrisinde belirtilen H değerinden daha düşük olduğu için performans eğrisinde NPEY için ayrı gösterilir yada kesik çizgiler halinde çizilir. Gerekli NPEY genellikle debi arttıkça artar. Pompada kavitasyonun önlenmesi için gerçek yada kullanılabilir NPEY nün gerekli NPEY den büyük olması gerekir (NPEYgerçek>NPEYgerekli). NPEY sadece debinin değil aynı zamanda sıcaklığında bir fonksiyonudur (Pv=f(T) old. İçin) NPEY aynı zamanda basılan sıvı tipiyle de ilişkilidir. Her bir sıvı için tek bir Pv ve T değeri vardır.

KAVİTASYON VE NPEY Borulama sisteminde pompa girişindeki tersinmez yük kayıpları debi artışıyla artarken, pompa girişindeki durma basınç yükü (stagnation pressure head) debi artışıya azalır. Gerçek NPEY ile gerekli NPEY eğrilerinin kesiştiği debi değeri pompanın kavitasyona uğramadan çalışabileceği debi sınırını belirtir.

KAVİTASYON VE NPEY Yerel Basıncın (P) sıvıya ait buhar basıncının Pv altına düşmesi durumunda olur. Bir pompanın kavitasyona uğramadığından emin olmak için gerçek NPEY, NPEYgerekli den daha fazla olmalıdır Net Pozitif Emme Yükü:

KAVİTASYON

Francis Türbininde kavitasyona bağlı deformasyon

Örnek-3 Kavitasyonsuz Maksimum Pompa Debisi 229 mm çark çapına sahip Taco Model 4013 FI Serisi merkezkaç pompa, su yüzeyi pompa girişinin merkezinden 1.22 m yukarıda bulunan bir depodan 25°C sıcaklığındaki suyu pompalamak için kullanılmaktadır. Depodan pompaya kadar olan 3.20 m boyundaki borulama sistemi, 101.6 mm iç çapına ve 0.51 mm ortalama iç pürüzlülük yüksekliğine sahip dökme demir borudan oluşmaktadır. Bu borulama sisteminde bazı yerel kayıp elemanları bulunmaktadır. Bunlar; keskin kenarlı bir giriş (KK = 0.5), flanşlı pürüzsüz üç adet 90°'lik dirsek (her biri için KK = 0.3) ve bir adet flanşlı tam açık küresel vanadır (KK = 6.0). Kavitasyonsuz olarak pompalanabilecek maksimum hacimsel debiyi (L/dakika olarak) hesaplayınız.

Örnek-3 Kavitasyonsuz Maksimum Pompa Debisi ÇÖZÜM Verilen bir pompa ve borulama sistemi için kavitasyonsuz olarak pompalanabilecek maksimum hacimsel debiyi hesaplayacağız. Bunun yanı sıra su sıcaklığının etkisini ve maksimum debiyi nasıl arttırabileceğimizi tartışacağız. Kabuller  1 Akış daimidir. 2 Sıvı sıkıştırılamazdır. 3 Pompa girişindeki akış türbülanslı ve tam gelişmiş olup  = 1.05’dır. Özellikler  T = 25°C’deki su için  = 997.0 kg/m3, µ = 8.91  10-4 kg/m · s ve Pv = 3.169 kPa’dır. Standart atmosferik basınç Patm = 101.3 kPa. Analiz  Yük formunda verilen daimi enerji denklemini, hazne yüzeyindeki 1 noktasından pompa girişindeki 2 noktasına uzanan bir akım çizgisi boyunca uygulayalım.

Örnek-3 Kavitasyonsuz Maksimum Pompa Debisi Denklem 1’de depo yüzeyindeki su hızını ihmal ettik (V1  0). Borulama sisteminde türbin bulunmamaktadır. Ayrıca, her ne kadar sistemde bir pompa bulunuyorsa da 1 ve 2 noktaları arasında hiçbir pompa yoktur. Bu nedenle pompa yükü de denklemde yer almaz. Denklem 1’i pompa girişindeki yük olarak ifade edilen basınç olan P2/ g için çözersek, Pompa girişindeki basınç yükü: Bulunan ifade NPEY formülünde yerine konulursa yeni durumda kullanılabilir NPEY: P1 = Patm aldığımıza dikkat ediniz.

Örnek-3 Kavitasyonsuz Maksimum Pompa Debisi Patm, Pv ve yükseklik farkı bilindiğinden bize düşen, hacimsel debiye bağlı olan borulama sistemindeki tersinmez yük kaybını belirlemekten ibarettir. Boru çapı sabit olduğundan, Tersinmez yük kaybı: Re ve boru pürüzlülüğü bilindiği için Moody diyagramından (veya Colebrook denkleminden) sürtünme faktörünü f’ bulunur. Tüm yersel kayıp katsayılarının toplamı, Yerel kayıplar: Hesaplamanın nasıl yapılacağını göstermek için bir hesaplamayı elle yapalım = 0.02523 m3/s’de (400 galon/dakika) borudaki ortalama hız,

Örnek-3 Kavitasyonsuz Maksimum Pompa Debisi olup buna karşılık gelen Reynolds sayısı Re = VD/µ = 3.538  105’tir. Bu Reynols sayısında,  /D = 0.005 için Colebrook denklemi f = 0.0306 sonucunu verir. Verilen akışkan özellikleriyle f, D, L değerlerini ve Denklemde yerine konularak bu debideki kullanılabilir NPEY:

Örnek-3 Kavitasyonsuz Maksimum Pompa Debisi Örneğimizdeki 25.23 L/s’lik (400 galon/dakika) debide NPEYgerekli 1.22 m’nin hemen üzerindedir. Gerçek NPEY bunun çok üzerinde olduğundan, bu debide kavitasyondan endişe etmemize gerek yoktur.

Örnek-3 Kavitasyonsuz Maksimum Pompa Debisi Eğer su 25C’den daha sıcak olsaydı, buhar basıncı artar, buna karşılık viskozite düşerdi ve yoğunluk hafiftçe azalırdı. Yapılan hesaplamalar,  = 983.3 kg/m3, µ = 4.67  10-4 kg/m · s, ve Pv = 19.94 kPa olduğu T = 60°C için tekrarlanır. Buradan elde edilen sonuçlar da Şekilde çizilmiştir. Gördüğümüz kadarıyla kavitasyonsuz maksimum hacimsel debi, sıcaklığın artmasıyla azalmaktadır (60C’de yaklaşık olarak 555 galon/dakika’ya düşmektedir). Bu azalma sezgilerimizi doğrulamaktadır, zira daha sıcak su, başlangıca göre kaynama noktasına zaten daha yakındır.

Acaba kavitasyonsuz olarak maksimum debiyi nasıl arttırabiliriz? NPEY’ni arttıran hangi bir değişikliğin faydası olur. Bunun için : (Hidrostatik yükü arttırmak için) depo yüzeyinin seviyesini yükseltebiliriz. Sadece bir dirseğin yeteceği şekilde borulama sistemini değiştirebilir Yerel kayıpları azaltmak için) mevcut küresel vana yerine bilye vana kullanabiliriz. Boru çapını büyütüp (sürtünme kayıplarını azaltmak için) yüzey pürüzlülüğünü düşürebiliriz. Bu probleme özel durum için yersel kayıplar en fazla öneme sahiptir. Fakat, pek çok problemde, sürtünme kayıpları daha önemli olup, en etkili yol boru çapını arttırmaktır. Merkezkaç pompaların giriş çaplarının çıkış çaplarından daha büyük olmasının bir nedeni de budur.

SERİ ve PARALEL POMPALAR Hacimsel debiyi veya basıncı bir miktar arttırma ihtiyacıyla, mevcut pompaya seri yada paralel şekilde daha küçük bir pompanın sisteme ilavesini düşünebilirsiniz. Ancak pompa karakteristikleri birbirinden farklı olduğunda problem çıkabilir!.. SERİ BAĞLI POMPA

SERİ ve PARALEL POMPALAR PARALEL BAĞLI