1. Boru Hatlarındaki Havanın OluÅŸumu ve Sonuçları

Su normal ÅŸartlarda hacimsel olarak en az % 2 oranında çözünmüÅŸ hava içerir, bu oran boru hattındaki suyun basınç ve sıcaklığına baÄŸlı olarak daha fazla da olabilir. Henry Yasası’na göre bir çözelti içinde çözünen gazın miktarı çözelti üzerindeki gazın basıncı ile doÄŸru orantılıdır. Bu sebeple su basınçlı hale getirildiÄŸinde hava tutma kapasitesi son derece artar. Hava bir kez çözelti dışına çıkınca tekrar çözeltiye dönmeyerek kabarcıklar ÅŸeklinde boru hattının tepe noktalarında birikir. Boru hatlarında kısmi açık vanalar, kısmi dolu hatlardaki kaskad akımları, boru çapları ve eÄŸimlerindeki deÄŸiÅŸimler sonucu akış hızındaki deÄŸiÅŸimler ve boru hattı kotlarındaki deÄŸiÅŸimler sonucu oluÅŸan düÅŸük 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 oluÅŸan yük kayıplarını artırır. Boru hattındaki ilave yük kayıpları akışı düÅŸürür ve hattın pompajlı olması durumunda enerji sarfiyatını artırır. Boru hatlarında hava kabarcıklarının yerinin saptanması oldukça güç olup bunlar ÅŸebekenin toplam verimini düÅŸürür. Hava kabarcıkları aynı zamanda su darbesi, boru hattında gürültü gibi problemlere ve kontrol vanalarının, debi sayaçlarının ve diÄŸer ekipmanların randımanlarının düÅŸmesine sebep olur. Filtrelerde hapsolan hava kabarcıkları filtrelerin verimini düÅŸürür. 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 düÅŸtüÄŸü, sızdıran birleÅŸim noktalarından hatta hava girebilir. Pompa emiÅŸindeki vorteksde, negatif basıncın oluÅŸtuÄŸu pompa flanÅŸlarında ve boru hattının hidrolik eÄŸimin üzerinde olduÄŸu tüm noktalarda bu durum mevcuttur. Hava, boru hattına pompanın tamamen durması sonrası hava/vakum ve bileÅŸik hava vanaları ve boru hattı basıncının atmosfer basıncının altında olduÄŸu noktalardaki hava tahliye vanalarının orifislerinden vorteksi önleyecek ÅŸekilde tasarlanmamış pompa emme boruları yoluyla girebilir. Son olarak düÅŸey türbin ve kuyu pompaları pompa kolonunda hava ile çalışmaya baÅŸlar 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, iÅŸletme sırasında havanın boÅŸaltılması ve hattın boÅŸaltılması sırasında boru çökmesinin önlenmesidir.

 

2.1. Hava Tahliye Vanaları

Hava tahliye vanaları veya diÄŸer bir deyiÅŸle küçük orifisli vanalar, sistem atmosfer basıncının üstünde basınçlarda çalışırken boru hattında biriken küçük hava kabarcıklarının otomatik tahliyesinin saÄŸlanması amacı ile tasarımlanmıştır. Tipik hava tahliye mekanizması Åžekil 1’de gösterilmektedir. Hava tahliye vanaları boru hattı veya giriÅŸ baÄŸlantısından oldukça küçük çapta olan çıkış orifisleriyle tanımlanır. Orifis çapları genellikle 1,6 mm ile 25 mm arasında deÄŸiÅŸirken giriÅŸ baÄŸlantı çapları 13 mm ile 150 mm arasında deÄŸiÅŸir. Vana, havayı alınca açılır ve hava orifisle atılır. Su, vanaya girerken ÅŸamandıra yükselerek orifisi kapatır. Boru sisteminde biriken hava vanaya girince su ile yer deÄŸiÅŸtirir, ÅŸamandıra düÅŸer ve hava orifisle atılır. Uygun ÅŸamandıra ağırlığı ve manivela güç mekanizması ile tasarlanan hava tahliye vanası, maksimum iÅŸletme basıncına kadar olan her basınçta vananın açılmasına izin verir.

 

2.2. Hava/Vakum Vanaları

Hava/vakum vanaları ya da baÅŸka bir deyiÅŸle büyük orifisli vanalar büyük miktarda havayı hattın doldurulması esnasında otomatik olarak tahliye etmek, iç basınç atmosfer basıncının altına düÅŸtüÄŸünde 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 oluÅŸabilir. Tipik bir hava/vakum vanası Åžekil 2’de gösterilmektedir. Hava/vakum vanaları orifis çapları 13 mm ile 500 mm arasında deÄŸiÅŸmekte olup vana giriÅŸinin anma çapı ile uyumludur. Boru hattı su ile doldurulurken boru hattındaki hava, basınç dalgalarını minimize etmek için uniform bir ÅŸekilde atılmalıdır. Aynı ÅŸekilde pompaların ani durması veya boru hattı tahliye edilirken boru hattı içine hava alınarak boru hattının çökmesine ve sistemde basınç artışları oluÅŸmasına sebebiyet veren vakum oluÅŸması 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 ÅŸamandıra 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

BileÅŸik 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. BileÅŸik hava vanaları Åžekil 3’te görüldüÄŸü gibi tek gövdeli veya çift gövdeli olarak üretilmektedir.

 

3. Hava Vanalarının Boru Hattı Boyunca YerleÅŸtirilmesi 

Hava tahliye, hava/vakum ve bileÅŸik hava vanalarının boru hattı üzerinde uygun ÅŸekilde yerleÅŸtirilmeleri de en az uygun vana çapının seçilmesi kadar önemlidir. Yanlış bir noktaya yerleÅŸtirilmiÅŸ hava vanası görevini yerine getiremez. 

 

AÅŸağıda yerleÅŸim yerleri ve vana tiplerine göre genel öneriler AWWA M51 çerçevesinde verilmiÅŸtir. Ancak belirtilenlerin dışında bazı noktalara da vana yerleÅŸtirilmesi gerekebilir. Tipik vana yerleÅŸimlerini gösteren örnek bir iletim hattı profili Tablo 1’de verilmektedir. 

 

Hava vanaları ÅŸebekede hidrant ve servis elemanları vasıtası ile hapsolmuÅŸ havanın atıldığı küçük çaplı boru hatlarının olduÄŸu sistemlerde gerekmeyebilir[1]. Hidrantlar aynı zamanda boru hattındaki havanın tahliyesinde de bir araç olarak kullanılabilir. Deneyimler hidrantların ve servis baÄŸlantılarının performans açısından yeterli hava tahliyesini saÄŸladıklarını göstermiÅŸtir[1]. 

 

Boru eÄŸiminin (+) olduÄŸu yani akış yönü ile boru hattı eÄŸiminin aynı olduÄŸu aÅŸağı doÄŸru giden hatlarda gerekli hızlar saÄŸlanır ise hava problemleri oluÅŸmaz. AÅŸağı doÄŸru giden bir boru hattında hava kabarcıklarının sürüklenmesi için gerekli hızların belirlenmesinde kullanılan denklem aÅŸağıda verilmektedir[7] .

 

 

 

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

 

3.1. Önerilen Vana Tipleri ve YerleÅŸimleri

Hava vanaları aşağıda belirtilen noktalara yerleştirilmelidir.

 

a) Tepe noktaları: BileÅŸik hava vanaları boru hattının tepe noktalarına boru hattı dolarken ve iÅŸletme sırasında hava tahliyesini, boru hattı tahliye edilirken hava giriÅŸini saÄŸlamak ve vakuma karşı hattı korumak amacı ile yerleÅŸtirilir. Hava, tepe noktası yerine onun hemen mansabında birikmektedir. Bu sebeple birçok imalatçı firma, vananın uygulama sırasında tam olarak tepe noktasına yerleÅŸtirilmesi yerine boru hattı ile piyezometre hattının kesiÅŸtiÄŸi noktaya yani tepe noktasının birkaç metre mansabına yerleÅŸtirilmesini tavsiye etmektedir. Daha önce de vurgulandığı gibi bileÅŸik hava vanaları, hava vanalarının tüm fonksiyonlarını yerine getirdiÄŸinden arazide montaj hatalarına ve hatalı iÅŸletme ÅŸartlarına 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 bileÅŸik hava vanaları hat vanalarının tahliye edilen kesimine yerleÅŸtirilerek boru hattının tahliyesini kolaylaÅŸtırır.

 

c) Artan aÅŸağı yönlü eÄŸim: AÅŸağı yönlü eÄŸimde ani artışların olduÄŸu noktalara bileÅŸik hava vanaları yerleÅŸtirilmelidir.

 

d) Azalan yukarı yönlü eÄŸim: Yukarı yönlü eÄŸimde ani azalışların olduÄŸu noktalara hava/vakum veya bileÅŸik hava vanaları yerleÅŸtirilmelidir.

 

e) Uzun tırmanışlar: Boru hattının yükselmekte olduÄŸu kesimlerde her 400 m ile 800 m mesafede bir hava/vakum veya bileÅŸik hava vanası yerleÅŸtirilmelidir.

 

f) Uzun iniÅŸler: Boru hattının aÅŸağı yönlü olduÄŸu kesimlerde her 400 m ile 800 m mesafede bir hava tahliye veya bileÅŸik hava vanası yerleÅŸtirilmelidir.

 

g) Yatay kesimler: Uzun yatay boru hattı baÅŸlangıç ve bitiÅŸlerine bileÅŸik hava vanaları yerleÅŸtirilmeli, yatay kesimde de her 400 m ile 800 m mesafede bir hava tahliye vanası ya da bileÅŸik hava vanası yerleÅŸtirilmelidir.

 

h) Venturimetreler (Tablo 1’de gösterilmedi): HapsolmuÅŸ havanın sebep olduÄŸu ölçüm hatalarının önlenebilmesi için venturimetrelerin membaına hava tahliye vanaları yerleÅŸtirilmelidir.

 

I) Derin kuyu ve düÅŸey türbin pompaları: Derin kuyu ve düÅŸey türbin pompalarının deÅŸarj tarafına pompa çalışmaya baÅŸladığı zaman kuyu kolonundaki havanın uzaklaÅŸtırılması ve pompa durdurulduktan sonra hatta havanın tekrar alınması için hava/vakum vanaları yerleÅŸtirilmelidir. Bu tip pompalara monte edilen hava vanalarının seçimine pompa devridaimi sırasında debide meydana gelen önemli deÄŸiÅŸimler sebebiyle özel ihtimam gösterilmesi gerekir. 

 

i) Sifonlar (Tablo 1’de gösterilmedi): Piyezometre hattının üstünde uzanan ve sürekli negatif basınç altında çalışan sifonlarda sürekliliÄŸi saÄŸlamak amacı ile sifonun en üst noktasına havanın tahliyesi için bir hava tahliye vanası yerleÅŸtirilmelidir. 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 saÄŸlanır.

 

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 deÄŸiÅŸmektedir. Ancak vananın giriÅŸ baÄŸlantısının çapı 13 mm ile 150 mm arasında deÄŸiÅŸmekte olup küçük orifis çapları küçük giriÅŸli 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 deÄŸiÅŸtikçe çözelti dışına çıkan hava miktarının tahminindeki güçlüklerdir. Yaygın bir metot normal ÅŸartlarda boru hattındaki debinin % 2’si oranında bir kapasiteyi saÄŸlamaktır. Bu metot normal ÅŸartlarda su içinde havanın % 2 oranında çözünürlüÄŸüne dayanır. Hava, basınçlı boru hattı iÅŸletilirken tahliye vanası orifisinden atılır. Çıkış basıncının 1.9 katını aÅŸan durumlarda hava tahliye edilirken sonik (ses dalgası) akım oluÅŸur. 

 

4.2. Hava Tahliyesi Ä°çin Orifis Çapının Tayini

Boru hattının vana yerleÅŸtirilecek noktasındaki debi belirlenerek o debinin % 2’si tahliye edilecek hava hacmi olarak kabul edilir. Vananın iÅŸletme basıncı piyezometre kotundan vananın bulunduÄŸu kot çıkarılarak saptanır. Basınç ve kapasite ÅŸartlarını saÄŸlayan uygun orifis çapı Tablo 2’den seçilir.

 

4.3. Boru Hattının Doldurulması Ä°çin 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 iÅŸlem boru hattını yavaÅŸ yavaÅŸ doldurarak hatta ani basınç artışlarının önlenmesidir. Tavsiye edilen dolum hızı 0,30 m/s’dir. 

 

4.4. Boru Hattının Tahliyesi Ä°çin Orifis Çapının Tayini

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

 

4.5. Cazibeli Hal Ä°çin 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 deÄŸiÅŸimler meydana gelebilir.Cazibeli akış, tepe noktalarında vakum oluÅŸmasına sebebiyet verebilir. Su endüstrisinde kullanılan boruların büyük bir kısmı genelde tam vakum oluÅŸması durumuna dayanıklıdır ancak büyük çaplı ve düÅŸük sıkılığa (stiffness) sahip borular negatif iç basınç sonucu çökebilir. Bu sebeple cazibeli hallerde hava vanaları orifis çapının doÄŸru 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 giriÅŸine izin verecek ÅŸekilde seçilmelidir. Tepe noktasına yerleÅŸtirilecek olan hava vanası, boru hattındaki su ile yer deÄŸiÅŸtirecek gerekli hava giriÅŸine izin verecek orifis çapına sahip olmalıdır. Boru hattı için müsaade edilen negatif basınç kabul edilir bir emniyet katsayısı ile saptanmalıdır. DüÅŸük sıkılıklı, büyük çaplı çelik borularda çökme basıncı ince cidarlı çelik silindirler gibi hesaplanabilir[2]. 

 

4.6. Hava Tahliye Vanası Orifis Çapının Seçimi

Boru hattının iÅŸletmesi sırasında biriken havanın tahliyesi için doÄŸru hava tahliye vanası çapının seçimi önemlidir. Verilen bir orifis çapı için (örneÄŸin 3 mm) çeÅŸitli giriÅŸ çapları mevcuttur (13 mm ile 150 mm arasında). GiriÅŸ çapı, boru hattı baÄŸlantısında hava/su deÄŸiÅŸimini en yüksek hale getirecek kadar büyük olmalıdır. Aynı zamanda boru hattına baÄŸlantı çapı asla hava tahliye vanası giriÅŸ çapından daha küçük olmamalıdır.

 

4.7. Hava/Vakum Vanası Orifis Çapının Seçimi

DoÄŸru hava/vakum vanası çap seçimi boru hattı doldurulurken havanın tahliyesi ve negatif basınç durumunda hatta hava giriÅŸinin saÄŸlanması 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 giriÅŸ çapı genellikle orifis çapı ile aynıdır. Su kolonu ayrılmasının muhtemel olduÄŸu kesimlerde gereÄŸinden büyük çaplı hava/vakum vanaları kullanılmamalıdır.

 

4.8. BileÅŸik Hava Vanası Orifis Çapının Seçimi

DoÄŸru bileÅŸik hava vanası çapının seçimi boru hattı dolarken hattaki havanın tahliyesi, negatif basınç oluÅŸması durumunda hatta havanın alınması ve boru hattının iÅŸletmesi sırasında toplanan havanın tahliyesi bakımından önemlidir. Vana belirtilen ÅŸartların tamamını saÄŸlayacak 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.

 

GereÄŸinden büyük çapta seçilen bileÅŸik hava vanaları su kolonu ayrılmasının muhtemel olduÄŸu yerlerde kullanılmamalıdır. 

 

5. Hava/Vakum ve BileÅŸik Hava Vanaları

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

 

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

 

Hava/vakum veya bileÅŸik 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 gerektirdiÄŸi 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 saÄŸlanması önemlidir. 

 

6. Sonuç ve Öneriler

Boru hatlarında hava mevcudiyeti hattın iletim kapasitesinin düÅŸmesine sebep olur. Su darbesi oluÅŸması halinde hapsolmuÅŸ hava problemin boyutunu daha da arttırır. Boru hattının tepe noktalarına ve sabit eÄŸimli hatlara belirli aralıklarla hava vanaları yerleÅŸtirilmelidir. Havanın tepe noktasının hemen mansabında birikmesi sebebiyle hava vanaları arazide tam olarak tepe noktası yerine boru hattı ile piyezometre hattının kesiÅŸtiÄŸi noktaya, tepe noktasının birkaç metre mansabına yerleÅŸtirilmelidir. 

 

Boru hattında hava tahliye vanalarının yerleÅŸtirilmesi gereken yerlerde iÅŸletme basınçları vananın çalışması için gerekli iÅŸletme basıncını saÄŸlayacak ÅŸekilde proje tasarımı yapılmalıdır. Vananın çalışması için yeterli iÅŸletme basıncı mevcut deÄŸilse 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 diÄŸerleri. “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 diÄŸerleri. “Air in pipelines-a literature review”, H R Wallingford, Nisan 2005.

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