1. Boru Hatlarındaki Havanın Oluşumu ve Sonuçları

Su normal şartlarda hacimsel olarak en az % 2 oranında çözünmüş hava içerir, bu oran boru hattındaki suyun basınç ve sıcaklığına bağlı olarak daha fazla da olabilir. Henry Yasası’na göre bir çözelti içinde çözünen gazın miktarı çözelti üzerindeki gazın basıncı ile doğru orantılıdır. Bu sebeple su basınçlı hale getirildiğinde hava tutma kapasitesi son derece artar. Hava bir kez çözelti dışına çıkınca tekrar çözeltiye dönmeyerek kabarcıklar şeklinde boru hattının tepe noktalarında birikir. Boru hatlarında kısmi açık vanalar, kısmi dolu hatlardaki kaskad akımları, boru çapları ve eğimlerindeki değişimler sonucu akış hızındaki değişimler ve boru hattı kotlarındaki değişimler sonucu oluşan düşük basınçlı zonlar sebebiyle boru hattındaki hava çözeltiden ayrışır. Hava kabarcıkları borunun en kesit alanını daraltarak suyun akışını azaltabilir ve hatta hacmin yeterli olması durumunda boru hattındaki suyun akışını tamamen durdurabilir. Genellikle suyun akış hızı hava kabarcıklarını mansaptaki bir tepe noktasında biriktirmek üzere sürüklemeye yeterlidir. Hava kabarcıkları boru hattında oluşan yük kayıplarını artırır. Boru hattındaki ilave yük kayıpları akışı düşürür ve hattın pompajlı olması durumunda enerji sarfiyatını artırır. Boru hatlarında hava kabarcıklarının yerinin saptanması oldukça güç olup bunlar şebekenin toplam verimini düşürür. Hava kabarcıkları aynı zamanda su darbesi, boru hattında gürültü gibi problemlere ve kontrol vanalarının, debi sayaçlarının ve diğer ekipmanların randımanlarının düşmesine sebep olur. Filtrelerde hapsolan hava kabarcıkları filtrelerin verimini düşürür. Çelik borularda, vana ve benzeri aparatlarda korozyonu hızlandırır [6] . 

 

1.1. Boru Hattına Hava Girişinin Sebepleri

Çözeltiden ayrışan havaya ek olarak, boru hatlarındaki basıncın atmosfer basıncının altına düştüğü, sızdıran birleşim noktalarından hatta hava girebilir. Pompa emişindeki vorteksde, negatif basıncın oluştuğu pompa flanşlarında ve boru hattının hidrolik eğimin üzerinde olduğu tüm noktalarda bu durum mevcuttur. Hava, boru hattına pompanın tamamen durması sonrası hava/vakum ve bileşik hava vanaları ve boru hattı basıncının atmosfer basıncının altında olduğu noktalardaki hava tahliye vanalarının orifislerinden vorteksi önleyecek şekilde tasarlanmamış pompa emme boruları yoluyla girebilir. Son olarak düşey türbin ve kuyu pompaları pompa kolonunda hava ile çalışmaya başlar ve bu hava çekvalf yolu ile boru hattına geçebilir.

 

2. Hava Vanası Tipleri

Hava vanalarının üç temel kullanım amacı bulunmaktadır. Bunlar; hattın doldurulması sırasında havanın tahliye edilmesi, işletme sırasında havanın boşaltılması ve hattın boşaltılması sırasında boru çökmesinin önlenmesidir.

 

2.1. Hava Tahliye Vanaları

Hava tahliye vanaları veya diğer bir deyişle küçük orifisli vanalar, sistem atmosfer basıncının üstünde basınçlarda çalışırken boru hattında biriken küçük hava kabarcıklarının otomatik tahliyesinin sağlanması amacı ile tasarımlanmıştır. Tipik hava tahliye mekanizması Şekil 1’de gösterilmektedir. Hava tahliye vanaları boru hattı veya giriş bağlantısından oldukça küçük çapta olan çıkış orifisleriyle tanımlanır. Orifis çapları genellikle 1,6 mm ile 25 mm arasında değişirken giriş bağlantı çapları 13 mm ile 150 mm arasında değişir. Vana, havayı alınca açılır ve hava orifisle atılır. Su, vanaya girerken şamandıra yükselerek orifisi kapatır. Boru sisteminde biriken hava vanaya girince su ile yer değiştirir, şamandıra düşer ve hava orifisle atılır. Uygun şamandıra ağırlığı ve manivela güç mekanizması ile tasarlanan hava tahliye vanası, maksimum işletme basıncına kadar olan her basınçta vananın açılmasına izin verir.

 

2.2. Hava/Vakum Vanaları

Hava/vakum vanaları ya da başka bir deyişle büyük orifisli vanalar büyük miktarda havayı hattın doldurulması esnasında otomatik olarak tahliye etmek, iç basınç atmosfer basıncının altına düştüğünde ise büyük miktarda havayı otomatik olarak hatta almak amacı ile tasarımlanmıştır. Negatif basınç, su kolonu ayrılması, boru hattının tahliyesi, pompa arızaları veya boru hattının patlaması gibi sebeplerle oluşabilir. Tipik bir hava/vakum vanası Şekil 2’de gösterilmektedir. Hava/vakum vanaları orifis çapları 13 mm ile 500 mm arasında değişmekte olup vana girişinin anma çapı ile uyumludur. Boru hattı su ile doldurulurken boru hattındaki hava, basınç dalgalarını minimize etmek için uniform bir şekilde atılmalıdır. Aynı şekilde pompaların ani durması veya boru hattı tahliye edilirken boru hattı içine hava alınarak boru hattının çökmesine ve sistemde basınç artışları oluşmasına sebebiyet veren vakum oluşması önlenmelidir. Hava/vakum vanasının çalışma prensibi orifis çapının oldukça büyük olması ve basınç altında açılmaması haricinde hava tahliye vanasına benzerdir. Hava/vakum vanası büyük miktarda havayı orifisi vasıtasıyla atar. Sistemin doldurulması sırasında su girerken şamandıra yükselerek orifisi kapatır. Hava/vakum vanası bir kez kapanınca boru hattı atmosfer basıncının üzerindeki basınçlarda çalışırken veya içerisinde su mevcutken yeniden havayı tahliye etmek amacıyla açılmaz.

 

2.3. Bileşik Hava Vanaları

Bileşik hava vanaları hava/vakum vanalarının fonksiyonlarını yerine getirmek amacı ile tasarlanmış olup buna ilaveten basınç altında çalışırken küçük hava kabarcıklarını hava tahliye vanaları gibi boru hattından tahliye ederler. Bileşik hava vanaları Şekil 3’te görüldüğü gibi tek gövdeli veya çift gövdeli olarak üretilmektedir.

 

3. Hava Vanalarının Boru Hattı Boyunca Yerleştirilmesi 

Hava tahliye, hava/vakum ve bileşik hava vanalarının boru hattı üzerinde uygun şekilde yerleştirilmeleri de en az uygun vana çapının seçilmesi kadar önemlidir. Yanlış bir noktaya yerleştirilmiş hava vanası görevini yerine getiremez. 

 

Aşağıda yerleşim yerleri ve vana tiplerine göre genel öneriler AWWA M51 çerçevesinde verilmiştir. Ancak belirtilenlerin dışında bazı noktalara da vana yerleştirilmesi gerekebilir. Tipik vana yerleşimlerini gösteren örnek bir iletim hattı profili Tablo 1’de verilmektedir. 

 

Hava vanaları şebekede hidrant ve servis elemanları vasıtası ile hapsolmuş havanın atıldığı küçük çaplı boru hatlarının olduğu sistemlerde gerekmeyebilir[1]. Hidrantlar aynı zamanda boru hattındaki havanın tahliyesinde de bir araç olarak kullanılabilir. Deneyimler hidrantların ve servis bağlantılarının performans açısından yeterli hava tahliyesini sağladıklarını göstermiştir[1]. 

 

Boru eğiminin (+) olduğu yani akış yönü ile boru hattı eğiminin aynı olduğu aşağı doğru giden hatlarda gerekli hızlar sağlanır ise hava problemleri oluşmaz. Aşağı doğru giden bir boru hattında hava kabarcıklarının sürüklenmesi için gerekli hızların belirlenmesinde kullanılan denklem aşağıda verilmektedir[7] .

 

 

 

v = boru hattındaki havanın sürüklenmesi için gerekli hız, m/s; D = boru iç çapı, m; ? = aşağı yönlü boru hattının yatay eksenle yaptığı açı, °

 

3.1. Önerilen Vana Tipleri ve Yerleşimleri

Hava vanaları aşağıda belirtilen noktalara yerleştirilmelidir.

 

a) Tepe noktaları: Bileşik hava vanaları boru hattının tepe noktalarına boru hattı dolarken ve işletme sırasında hava tahliyesini, boru hattı tahliye edilirken hava girişini sağlamak ve vakuma karşı hattı korumak amacı ile yerleştirilir. Hava, tepe noktası yerine onun hemen mansabında birikmektedir. Bu sebeple birçok imalatçı firma, vananın uygulama sırasında tam olarak tepe noktasına yerleştirilmesi yerine boru hattı ile piyezometre hattının kesiştiği noktaya yani tepe noktasının birkaç metre mansabına yerleştirilmesini tavsiye etmektedir. Daha önce de vurgulandığı gibi bileşik hava vanaları, hava vanalarının tüm fonksiyonlarını yerine getirdiğinden arazide montaj hatalarına ve hatalı işletme şartlarına karşı her halükarda hattın korunmasını temin etmek maksadı ile hava/vakum ve hava tahliye vanaları yerine de kullanılabilir.

 

b) Hat vanaları (Tablo 1’de gösterilmedi): Hava/vakum veya bileşik hava vanaları hat vanalarının tahliye edilen kesimine yerleştirilerek boru hattının tahliyesini kolaylaştırır.

 

c) Artan aşağı yönlü eğim: Aşağı yönlü eğimde ani artışların olduğu noktalara bileşik hava vanaları yerleştirilmelidir.

 

d) Azalan yukarı yönlü eğim: Yukarı yönlü eğimde ani azalışların olduğu noktalara hava/vakum veya bileşik hava vanaları yerleştirilmelidir.

 

e) Uzun tırmanışlar: Boru hattının yükselmekte olduğu kesimlerde her 400 m ile 800 m mesafede bir hava/vakum veya bileşik hava vanası yerleştirilmelidir.

 

f) Uzun inişler: Boru hattının aşağı yönlü olduğu kesimlerde her 400 m ile 800 m mesafede bir hava tahliye veya bileşik hava vanası yerleştirilmelidir.

 

g) Yatay kesimler: Uzun yatay boru hattı başlangıç ve bitişlerine bileşik hava vanaları yerleştirilmeli, yatay kesimde de her 400 m ile 800 m mesafede bir hava tahliye vanası ya da bileşik hava vanası yerleştirilmelidir.

 

h) Venturimetreler (Tablo 1’de gösterilmedi): Hapsolmuş havanın sebep olduğu ölçüm hatalarının önlenebilmesi için venturimetrelerin membaına hava tahliye vanaları yerleştirilmelidir.

 

I) Derin kuyu ve düşey türbin pompaları: Derin kuyu ve düşey türbin pompalarının deşarj tarafına pompa çalışmaya başladığı zaman kuyu kolonundaki havanın uzaklaştırılması ve pompa durdurulduktan sonra hatta havanın tekrar alınması için hava/vakum vanaları yerleştirilmelidir. Bu tip pompalara monte edilen hava vanalarının seçimine pompa devridaimi sırasında debide meydana gelen önemli değişimler sebebiyle özel ihtimam gösterilmesi gerekir. 

 

i) Sifonlar (Tablo 1’de gösterilmedi): Piyezometre hattının üstünde uzanan ve sürekli negatif basınç altında çalışan sifonlarda sürekliliği sağlamak amacı ile sifonun en üst noktasına havanın tahliyesi için bir hava tahliye vanası yerleştirilmelidir. Ancak, hava tahliye vanası çıkışı bir vakum kontrol cihazı ile teçhiz edilerek boru hattına hava alınması önlenmelidir. Daha fazla hava tahliye kapasitesi gerektiren sistemlerde benzer bir yaklaşım hava/vakum vanasının çıkışında bir vakum kontrol cihazı ile teçhiz edilmesi ile sağlanır.

 

4. Vana Orifis Çaplarının Belirlenmesi

Boru hattı boyunca özellik arz eden noktalarda uygun vana orifis çaplarının seçilmesi oldukça önemlidir. Bu bölümde su endüstrisinde kullanılan yaygın yöntem sunulacaktır.

 

4.1. Basınçlı Hava Tahliyesi

Basınçlı hava tahliyesi için orifis çapı genellikle 1,6 mm ile 25 mm arasında değişmektedir. Ancak vananın giriş bağlantısının çapı 13 mm ile 150 mm arasında değişmekte olup küçük orifis çapları küçük girişli ve yüksek basınçlı vanalarda bulunur. Boru hattından atılması gereken hava miktarının belirlenmesinde kesin bir metot yoktur[1]. Bunun sebebi boru hattına giren hava miktarının veya boru hattında basınç değiştikçe çözelti dışına çıkan hava miktarının tahminindeki güçlüklerdir. Yaygın bir metot normal şartlarda boru hattındaki debinin % 2’si oranında bir kapasiteyi sağlamaktır. Bu metot normal şartlarda su içinde havanın % 2 oranında çözünürlüğüne dayanır. Hava, basınçlı boru hattı işletilirken tahliye vanası orifisinden atılır. Çıkış basıncının 1.9 katını aşan durumlarda hava tahliye edilirken sonik (ses dalgası) akım oluşur. 

 

4.2. Hava Tahliyesi İçin Orifis Çapının Tayini

Boru hattının vana yerleştirilecek noktasındaki debi belirlenerek o debinin % 2’si tahliye edilecek hava hacmi olarak kabul edilir. Vananın işletme basıncı piyezometre kotundan vananın bulunduğu kot çıkarılarak saptanır. Basınç ve kapasite şartlarını sağlayan uygun orifis çapı Tablo 2’den seçilir.

 

4.3. Boru Hattının Doldurulması İçin Gerekli Orifis Çapının Tayini

Boru hattının doldurulması sırasında hava, boru hattının doldurulması ile aynı hacimsel oranda tahliye edilmelidir. Pompajlı hallerde genelde tüm hat dolana kadar yalnızca bir pompanın çalıştırılması uygun olacaktır. Tavsiye edilen işlem boru hattını yavaş yavaş doldurarak hatta ani basınç artışlarının önlenmesidir. Tavsiye edilen dolum hızı 0,30 m/s’dir. 

 

4.4. Boru Hattının Tahliyesi İçin Orifis Çapının Tayini

Boru hattının tahliyesinin gerektiği hallerde boru hattı kontrollü bir hızla (0,30-0,60 m/s arası) tahliye edilerek basınç artışları minimuma indirilmelidir. Tahliye vanasının bulunduğu noktaya en yakın tepe noktasında bulunan hava vanası boru hattından tahliye edilen hacimsel oranda havayı kabul edecek şekilde seçilmelidir.

 

4.5. Cazibeli Hal İçin Gerekli Orifis Çapının Tayini

Boru hattında güç kaynağında kesinti, borunun delinmesi veya patlaması ile meydana gelebilecek su kolonu ayrılması ve cazibeli akım sonucu suyun akış hızında ani değişimler meydana gelebilir.Cazibeli akış, tepe noktalarında vakum oluşmasına sebebiyet verebilir. Su endüstrisinde kullanılan boruların büyük bir kısmı genelde tam vakum oluşması durumuna dayanıklıdır ancak büyük çaplı ve düşük sıkılığa (stiffness) sahip borular negatif iç basınç sonucu çökebilir. Bu sebeple cazibeli hallerde hava vanaları orifis çapının doğru seçimi, boru hattının vakuma karşı korunması açısından oldukça önemlidir. Tepe noktalarındaki hava vanaları boru hattındaki negatif basınçların en aza indirilebilmesi, pompa ekipmanları ve boru hatlarını muhtemel hasarlardan korumak maksadı ile gerekli hava girişine izin verecek şekilde seçilmelidir. Tepe noktasına yerleştirilecek olan hava vanası, boru hattındaki su ile yer değiştirecek gerekli hava girişine izin verecek orifis çapına sahip olmalıdır. Boru hattı için müsaade edilen negatif basınç kabul edilir bir emniyet katsayısı ile saptanmalıdır. Düşük sıkılıklı, büyük çaplı çelik borularda çökme basıncı ince cidarlı çelik silindirler gibi hesaplanabilir[2]. 

 

4.6. Hava Tahliye Vanası Orifis Çapının Seçimi

Boru hattının işletmesi sırasında biriken havanın tahliyesi için doğru hava tahliye vanası çapının seçimi önemlidir. Verilen bir orifis çapı için (örneğin 3 mm) çeşitli giriş çapları mevcuttur (13 mm ile 150 mm arasında). Giriş çapı, boru hattı bağlantısında hava/su değişimini en yüksek hale getirecek kadar büyük olmalıdır. Aynı zamanda boru hattına bağlantı çapı asla hava tahliye vanası giriş çapından daha küçük olmamalıdır.

 

4.7. Hava/Vakum Vanası Orifis Çapının Seçimi

Doğru hava/vakum vanası çap seçimi boru hattı doldurulurken havanın tahliyesi ve negatif basınç durumunda hatta hava girişinin sağlanması açısından önem arz eder. Seçilen vana boru hattı doldurulurken havanın tahliyesi (boru hattı dolumu için çap seçimi), boru hattının tahliyesi sırasında hatta hava alımında (boru hattı tahliyesi için çap seçimi), boru hattının delinmesi halinde hatta hava alımında (cazibeli akış için çap seçimi) gerekli özellikleri taşımalıdır. Hava/vakum vanası giriş çapı genellikle orifis çapı ile aynıdır. Su kolonu ayrılmasının muhtemel olduğu kesimlerde gereğinden büyük çaplı hava/vakum vanaları kullanılmamalıdır.

 

4.8. Bileşik Hava Vanası Orifis Çapının Seçimi

Doğru bileşik hava vanası çapının seçimi boru hattı dolarken hattaki havanın tahliyesi, negatif basınç oluşması durumunda hatta havanın alınması ve boru hattının işletmesi sırasında toplanan havanın tahliyesi bakımından önemlidir. Vana belirtilen şartların tamamını sağlayacak orifis çapına sahip olmalıdır. Hatta basınç altında biriken havanın tahliyesi, boru hattı tahliye edilirken hatta hava alınması, boru hattı doldurulurken hattaki havanın tahliye edilmesi, hattın patlaması halinde hatta hava alınması gibi hallerin tamamına uygun vana teçhizatı seçilmelidir.

 

Gereğinden büyük çapta seçilen bileşik hava vanaları su kolonu ayrılmasının muhtemel olduğu yerlerde kullanılmamalıdır. 

 

5. Hava/Vakum ve Bileşik Hava Vanaları

Boru hattı doldurulurken su darbesi etkilerini en aza indirmek için boru hattının doldurulması sırasında hızın 0,30 m/s veya daha aşağıda tutulması tavsiye edilmektedir. 

 

Uygun tasarımlanmış hava/vakum veya bileşik hava vanaları boru hattından havanın tahliyesine imkân verir. Ancak havanın tamamı boru hattından tahliye edilince hava/vakum veya bileşik hava vanasının şamandırası suyun teması neticesinde aniden kapanabilir. 

 

Hava/vakum veya bileşik hava vanaları negatif basınç altında boru hattını çökmeye karşı korumak için kullanılırlar. Boru hatları özellikle hattın doldurulması sırasında su darbesi etkilerine açıktır çünkü çökme kriterinin gerektirdiği orifis çapı özellikle yüksek debilerde dolumda minimum hava regülasyonuna müsaade eder. Bu ve benzeri büyük orifisli hava vanalarının kullanıldığı durumlarda hattın dolum hızının sıkı kontrolünün sağlanması önemlidir. 

 

6. Sonuç ve Öneriler

Boru hatlarında hava mevcudiyeti hattın iletim kapasitesinin düşmesine sebep olur. Su darbesi oluşması halinde hapsolmuş hava problemin boyutunu daha da arttırır. Boru hattının tepe noktalarına ve sabit eğimli hatlara belirli aralıklarla hava vanaları yerleştirilmelidir. Havanın tepe noktasının hemen mansabında birikmesi sebebiyle hava vanaları arazide tam olarak tepe noktası yerine boru hattı ile piyezometre hattının kesiştiği noktaya, tepe noktasının birkaç metre mansabına yerleştirilmelidir. 

 

Boru hattında hava tahliye vanalarının yerleştirilmesi gereken yerlerde işletme basınçları vananın çalışması için gerekli işletme basıncını sağlayacak şekilde proje tasarımı yapılmalıdır. Vananın çalışması için yeterli işletme basıncı mevcut değilse yerine hava borusu kullanılmalıdır[5].

 

Kaynaklar

[1] AWWA, “Air-release, air/vacuum, and combination air valves AWWA manual M51”, American Water Works Association, Colorado, 2001.

[2] AWWA, “AWWA manual M11: Steel pipe-a guide for design and installation”, American Water Works Association, Colorado, 1987.

[3] Estrada, Oscar Pozos, “Investigation on the effects of entrained air in pipelines”, Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart, 2007.

[4] Falvey, Henry, T., “Air-water flow in hydraulic structures”, United States Department of the Interior, Water and Power Resources Service, Colorado, Aralık 1980.

[5] Jr Aisenbrey, A. J., Hayes, R. B., Warren, H. J. ve diğerleri. “Design of small canal structures”, United States Department of Interior Bureau of Reclamation, Colorado, 1978.

[6] Lauchlan, C. S., Escarameia, M., May, R. W. P. ve diğerleri. “Air in pipelines-a literature review”, H R Wallingford, Nisan 2005.

 [7] Sanks, R. L., “Pumping station design”, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2001.