Sürekli artan su debilerinde ve buna baÄŸlı olarak gerçekleÅŸen basınç farklarından doÄŸan kavitasyon tehlikesinde, bilhassa büyük çaplı armatürlerde ilave konstraktif tedbirler gerekli olmaktadır. Dolayısıyla genellikle üreticiler tarafından dikkate alınmayan bu hususa, uygulamacıların özel tedbir almaları gerekmektedir. Üretimi bitmiÅŸ bir vana üzerinde deÄŸiÅŸiklik yapılamayacağına göre, iÅŸletmecilerin ÅŸartlarını buna göre seçmeleri gerekecektir.

 

Sıvı akış hatlarında ani basınç düÅŸmeleri sonucu (PT diyagramı Grafik 1) basıncın o andaki sıcaklığa uygun deÄŸere düÅŸmesi ve buna baÄŸlı olarak sıvının doymuÅŸ buhar fazına geçmesi sonucu gerçekleÅŸen oluÅŸuma kavitasyon denir. Buhar oluÅŸumunu hızlandıran olayların başında sıvıda (bilhassa suda) çözülmemiÅŸ bulunan gazların ayrışması önemli rol oynamaktadır. Statik basıncın kaynama basıncının üzerine çıktığı bölgeye eriÅŸen buhar kabarcıkları patlamaya baÅŸlar. Kabarcıklar patlamadan önce büzülür, zayıf noktasından kabarcık içindeki sıvı çok yüksek hızla akım hattı duvarına çarparak onu yorar ve kısmen karıncalandırır. Ayrıca bu patlama esnasında akışkanda titreÅŸimler meydana getirir. Bu ise vana elemanlarında önemli hasarlar doÄŸurabilir.

 

Su ve sıvı hatlarında en sık kullanılan armatür tipi kelebek vanadır. Kelebek vana karakteristik fonksiyonu Kv/Kvs f(S/smax) ideale yakın bir paraboldür. (Grafik 2)

 

Ancak bu da belli sınırlarda problemsiz çalışır. Belli açı açıklığında diskin üzerinden atlayan akışkanın kavitasyona neden olabilmesi diskin her iki yüz arasındaki fark basıncına, akım hızına akış yönünde disk sonrası statik basınca ve disk açısına baÄŸlıdır. (Grafik 3) Disk sonrası akım hattına hava üflenmesiyle titreÅŸimler ve ses oluÅŸumu önlenir. (Åžekil 3)

 

Bu hususta çeÅŸitli araÅŸtırmalar kelebek vana diskinin kapanmaya baÅŸladığı andan itibaren kavitasyon yaratabilme özelliÄŸine ikaz etmektedirler. (Resim 1) Kısılma organının (vananın) boru içinde mi yoksa boru sonunda serbest atmosfere mi açıldığı, aynı vana için büyük önem arz etmektedir. Atmosfere açılan vanalarda genel olarak kavitasyon oluÅŸmamaktadır. 

 

Kelebek vana uygulamalarında kavitasyonu engelleyecek en basit yöntem vanadan sonra büyük çap kullanmaktır.

 

Bilhassa büyük çaplarda baraj vanası olarak pistonlu bilezik vanalar kullanılmaktadır. (Åžekil 4) Bunlarda kavitasyon oluÅŸumu, vana fonksiyonuna etki eden ayarlanma kabiliyetiyle azaltılabilmektedir. Ancak her türlü tedbir Kvs deÄŸerinin küçülmesine neden olmaktadır.

 

Buhar kabarcık oluÅŸumu buhar basıncından baÅŸka suda çözülmemiÅŸ bulunan gazlara baÄŸlıdır. Bunlar bir mikroskobik parçaçık gibi buhar kabarcığının oluÅŸumuna etki eder. Bu çözülmemiÅŸ ve su içinde bulunan gaz kabarcıkları sanki maya etkisiyle kabarcık oluÅŸumuna etki eder. Basıncın düÅŸmesi sıvı akışının ivmelendirilmesiyle olur. Buhar kabarcıkları en büyük çapa eriÅŸtikten sonra akımla beraber buharlaÅŸma basıncından daha büyük basınç bölgesine eriÅŸtiÄŸinde (statik basınç buhar basıncından daha büyük bölge) küçülmeye baÅŸlarlar.

 

Suda kabarcık büyümesi 80 °C’ye kadar sıvının ataletine baÄŸlıdır. Bu sayede kabarcığın büyümesi basıncın en düÅŸük olduÄŸu noktadan sonrada devam eder. Buhar kabarcıkları patlamadan önce büzülürler. Büzülme esnasında zayıf noktalar oluÅŸur. Bu noktalardan sıvı çok küçük çaplı jet gibi büyük hızda çıkar ve duvarlara çarpar. Bu ÅŸekilde malzemenin yorulması ve yüzeyinin poroz haline gelmesine neden olur. Kavitasyon ivmelendirmenin meydana getirdiÄŸi basınç düÅŸmesinin büyümesine neden olur. Buhar kabarcıklarının patlayıp gaz akımına neden olması suda titreÅŸimlerin doÄŸmasına; Bu ise armatür elemanları ve baÄŸlantıların tahribatına neden olur.

 

Åžekil 5’te kısılma noktasındaki basınç deÄŸiÅŸimi görülmektedir. Basınç düÅŸümü ile kalan basınç kaybı vanada tekrar kazanılır. Buna basınç geri kazanımı denir. Sürtünme sonucu oluÅŸan basınç kaybı sıcaklığın artmasına ve kavitasyon tehlikesinin büyümesine neden olur. 

 

Kavitasyon oluÅŸumu esnasında doÄŸan akım ÅŸartlarını tarif etmek kolay deÄŸildir. Buradaki akışkanlar mekanik yüksek komplikasyona sahiptir. Dolayısıyla kavitasyon oluÅŸumunu basite indirerek Thomas kavitasyon sayısı ile ifade etmek genel olarak kabul gören durumdur. Thomas sayısı σ bir mukayese eÅŸitliÄŸine dayanmaktadır.

 

 

 

 

P1: GiriÅŸteki basınç

P2: Çıkıştaki basınç

P3: Atmosfer basıncı

c: Borudaki akım hızı

g: Yerçekim ivmesi

 

Åžekil 5’te görüldüÄŸü üzere kavitasyon öncelikle P2 basıncına baÄŸlıdır. Bu demektir ki öncelikle potansiyel enerjinin kinetik enerjiye kısılma noktasındaki dönüÅŸüm oranına baÄŸlıdır. Armatürlerde kavitasyon etkisini konstruktif tedbirlerle azaltmak ancak belli tiplerde uygulanabilecek deÄŸiÅŸiklikle baÅŸarılı olmaktadır. Bu husus Åžekil 6’da görülen ve proses tekniÄŸi kontrol uygulamalarında yoÄŸun bir ÅŸekilde kullanılan kontrol vanalarında baÅŸarılı olmuÅŸtur. 

 

Kelebek vanalar; su dağıtımı ve su arıtmada her türlü büyüklükte en yaygın kullanılan armatür tipidir. Bu kullanma sahasında beklenen hidrodinamik problemler proses tekniÄŸi uygulamalarındakilerle mukayese edilmese de kavitasyon oluÅŸumuna karşı dikkatli olunmalıdır. Basit olarak algılanabilen kavitasyon oluÅŸumu için armatürdeki fark basıncı armatürün baÄŸlı olduÄŸu borudaki karşı basınçtan büyük ise ortaya çıkar. 

 

Kelebek vananın karakteristik eÄŸrisi Grafik 2’de görülmektedir. Burada vanayı terk eden akışkan hattına basınçlı hava gönderilirse titreÅŸimler ve akım darbe yansımaları önlenebilir. Åžekil 5’te σ deÄŸerine baÄŸlı olarak oluÅŸabilecek kavitasyon baÅŸlangıcı ile titreÅŸimin sınırları görülmektedir. EÄŸer armatürden sonra boruda çap büyümesi varsa veya dış ortama açılıyorsa kavitasyon oluÅŸmaz. Akım formundan görüldüÄŸü üzere boru geniÅŸlemesi sonucu hava veya su akışı köÅŸelerde sirkülasyona neden olmakta, bu ise kavitasyon oluÅŸumunu önlemektedir. EÄŸer giriÅŸ basıncı büyük ise, bu taktirde vana önüne kısılma elemanı konur veya birden fazla vana seri olarak kullanılır.

Kavitasyon tehlikesini azaltan en önemli vana tiplerinden biri Bilezik Formlu Pistonlu Vanalardır. (Åžekil 4).

 

Pistonun gövdeye oturma formuna baÄŸlı olarak çeÅŸitli vana tipleri bulunmaktadır. Bunlardan bazıları Grafik 4’te görüldüÄŸü gibi ayrıca bu tiplerin kritik kavitasyon faktörü eÄŸrileri de görülmektedir. Buradan yola çıkarak, bunlar kelebek vanaya göre kavitasyona karşı daha az duyarlıdır.

 

Bu tiplerden L 15 ve L 30 delikli çıkış plakası ile donatılmıştır. Bu ÅŸekilde enerjinin büyük kısmı sürtünme kayıpları ile dönel akım dönüÅŸüme uÄŸramaktadır. Bu ÅŸekilde titreÅŸimler ve gürültü akımları önemli oranda sönümlendirilmiÅŸ olur. Ancak delik plaka ile Kvs deÄŸerinde %70’e kadar azalma olur. Benzer olay kanallı veya delikli pistonlu kontrol vanaların da bulunmaktadır.

* Yazan: Faruk Tanıl TEKGÜL 

Teknik Sorumlu Mühendis 

Gedik Döküm ve Vana San. ve Tic. A.Åž.