GiriÅŸ

Bir pompanın basma yüksekliÄŸi, debisi, verimi ve güç deÄŸerleri pompa karakteristik eÄŸrisinden elde edilebilir. Rotodinamik pompalarda performans eÄŸrileri viskoz sıvı basıldığı durumlarda suya göre farklılık göstermektedir. Pompa karakteristik eÄŸrileri normal ÅŸartlarda akışkan su (1cSt) kullanılarak elde edilmiÅŸtir. Viskozitesi yüksek bir akışkan rotodinamik pompa ile basılmaya çalışıldığı zaman pompanın performansında deÄŸiÅŸiklikler gözlenecektir. Çekilen gücün artmasına karşılık, debi, basma yüksekliÄŸi ve verim deÄŸerlerinde azalma meydana gelecektir.

 

Hidrolik Enstitüsü (HI) tarafından geliÅŸtirilen yöntem ile rotodinamik pompalarda newtonyen akışkanların yüksek viskozite deÄŸerleri için suya göre gösterdiÄŸi farklılıklar tahmin edilebilmektedir. Bu yöntem deneysel verilere dayanmaktadır ve pompaların viskoz sıvı basması halinde pompa kullanıcılarına ve tasarımcılarına pompa performansı hakkında önceden tahmin imkanı saÄŸlar. Aynı zamanda bu yöntemden yararlanılarak sistem için en uygun pompa seçimi yapılabilir. Hidrolik Enstitüsü’nün bu yöntemi sadece bir yaklaşımdır. Bu yöntemde bazı pompa geometrileri ve akış koÅŸulları gibi hesaba katılmayan parametreler bulunmaktadır.

 

ISO/TR 17766’da belirtilen kayıp analizine dayanan teorik yöntem ile pompa geometrisi bilindiÄŸi durumda, viskozitenin pompa performansı üzerindeki etkisi daha hassas bir tahminle bulunabilir. ISO/TR 17766 Teknik Raporu, bazı temel teorik yöntemleri açıklamaktadır. Ayrıca pompa kullanıcıları kullandıkları pompaların viskoz akışkanlara uygunluÄŸu konusunda pompa üreticilerinden bilgi almalıdırlar. Viskoz sıvıların seçimi esnasında enerji tüketimi de göz önünde bulundurularak sisteme en uygun olan rotodinamik pompanın ve bu pompaya en uygun motorun seçilmesi özellikle sürekli çalışan pompaların bulunduÄŸu sistemler için büyük enerji tasarruf oranları saÄŸlayacaktır.

 

Temel Mantık

Akışkan, ağır yaÄŸlar gibi yüksek viskoziteye sahip olduÄŸu zaman ve rotodinamik bir pompa tarafından pompalandığında kayıplardan dolayı suya oranla performansında deÄŸiÅŸiklikler gözleneceÄŸi bilinmektedir. Pompa performansındaki bu deÄŸiÅŸimlerin deÄŸeri, basma yüksekliÄŸi, debi ve verim için düzeltme katsayıları kullanılarak hesaplanabilir.

 

 

 

 

 

Deneysel ve kayıp analiz yöntemleri basma yüksekliÄŸi fonksiyonu tahmininde hemen hemen aynı hassasiyete sahiptir. Bunun yanı sıra kayıp analiz yöntemi viskoz sıvılar için gerekli güç deÄŸerinin bulunmasında daha hassas tahmin yapmaktadır. Ayrıca kayıp analiz yöntemi uygulanarak, viskoz çalışma koÅŸulları için çeÅŸitli tasarım parametrelerinin etkisi incelenebilir ve neticelerinde daha uygun pompa seçimi ve tasarımı için optimizasyon yapılabilir. Viskoz sıvılar için optimum noktada CH ve CQ düzeltme katsayıları birbirine eÅŸittir. Optimum nokta pompada gövde yapısına veya difüzör karakteristiÄŸine göre farklılık gösterebilir.

 

Düzeltme Katsayılarının Belirlenmesi

Düzeltme katsayıları, rotodinamik pompalarda su ve farklı viskozite deÄŸerlerindeki akışkanlarla yapılan deneyler sonucunda, pompadaki enerji kayıp analizleri temel alınarak, deneysel olarak elde edilmiÅŸtir. ISO/TR 17766 Teknik Raporu’ndaki yöntem kullanıcılara daha kesin sonuçlar sunmak için daha fazla verilere ihtiyaç duyabilir. Daha fazla bilgi mevcut ise kayıp analiz yöntemi sadece deneysel yönteme oranla viskoz sıvılar için rotodinamik pompa performansının hesaplanmasında daha hassas çözüm vermesi beklenir. Bu yöntem, pratik çözümler istendiÄŸinde yeterli hassasiyette, viskoz sıvılar için rotodinamik pompaların performans hesaplarında tahmin yöntemi sunmaktadır. Bu yöntem önceki HI yöntemlerine benzer düzeltme katsayıları vermektedir.

 

Hidrolik Enstitüsü Yöntemi (HI)

Rotodinamik pompa performansının viskoz sıvıların basılması ile deÄŸiÅŸtiÄŸi ve suya göre pompanın güç deÄŸeri artarken, basma yüksekliÄŸi, debi ve verim deÄŸerlerinin azaldığı bilinmektedir. Aynı zamanda kalkış momenti ve ENPYg deÄŸeri de viskoz sıvı basılması durumunda suya göre farklılık gösterecektir.

 

Pompa performanslarında kullanılan eÅŸitlik özgül hıza ve reynolds sayısına baÄŸlıdır (parametre B). Yapılan testler açık veya kapalı çarklı, tek veya çok kademeli, kinematik viskozitesi 1 cSt - 3000 cSt arasında deÄŸiÅŸen ve QBEP-W deÄŸeri 3 m3/h  - 260 m3/h arasında olan ve ayrıca basma yüksekliÄŸi (HBEP-W) 6 m - 130 m arasında deÄŸiÅŸiklik gösteren farklı pompa tipleri için gerçekleÅŸtirilmiÅŸtir.

 

Bu düzeltme katsayıları bütün pompalar için kesin çözüm sunmamakla birlikte, deney sonuçlarına dayanan tahmin yöntemine göre sonuçlar bulmak için kolaylık saÄŸlamaktadır. Yukarıda belirtilen aralıklar dışında HI yöntemi uygulandığında pompa performansının tahminindeki belirsizlikler artacaktır.

Kesin sonuçların önemli olduÄŸu hassas uygulamalarda, viskoz sıvı ile kullanılacak rotodinamik pompa iliÅŸkisi önemlidir. Burada kullanılan yöntem genel bir tahmin yöntemi sunmaktadır. Daha hassas sonuçlar için pompaların akışkan ile analizine etki eden parametreler detaylı bir ÅŸekilde incelenerek sonuçlara yansıtılmalıdır.

 

Bu düzeltme katsayıları radyal çarklar için daha uygun çözümler sunmaktadır (ns≤60, Ns≤3000) (normal çalışma koÅŸullarında, açık çark, yarı açık çark ve kapalı çarklı uygulamalarda). Bu düzeltme katsayıları eksenel pompalar ve özel hidrolik tasarıma sahip pompalar için geçerli deÄŸildir.

 

Belirlenen düzeltme katsayıları newtonyen akışlar için geçerlidir. Jel, çamur, kağıt hamuru vb. gibi newtonyen olmayan akışkanların karakteristikleri tam olarak bilinemediÄŸinden bu yöntem sadece kaba bir çözüm sunmaktadır.

 

Viskoz Sıvı Etkisinin Pompa Performansı Üzerindeki Etkisinin Ä°ncelenmesi

Viskoz sıvıların pompa performansındaki etkilerini inceleyebilmek için uygulanan yöntemin uygulanabilir olması gereklidir. Ayrıca, pompanın su ile basılması durumundaki performansı bilinmelidir. Daha sonra viskozitenin etkisi hesaba katılarak gerekli debi, basma yüksekliÄŸi ve verim deÄŸerleri tahmin yöntemi ile hesaplanır.

ISO/TR17766 Teknik Raporu’na göre yöntemin uygulanabilir olması için viskoz sıvı basılması halinde pompa performansının hassas bir ÅŸekilde belirlenebilmesi için belirli kriterler çerçevesinde kalınmalıdır. Sırasıyla uyulması gereken kriterler Åžekil 1 üzerinde gösterilmiÅŸtir.

 

Viskoz Sıvılar Ä°çin Düzeltme Katsayılarının Hesaplanması

Su ile performans karakteristiği bilinen rotodinamik pompanın viskoz sıvı basması durumundaki karakteristiğinin belirlenmesi:

 

1. Adım: Optimum nokta için B parametresi su için hesaplanır.

 

 

 

 

 

EÄŸer 1< B <40 ise 2. adıma geçilir.

EÄŸer B ≥ 40 ise bu metodda belirsizlikler olacaktır. Belirsizlikleri de hesaba katarak daha hassas sonuçlar elde etmek için kayıp analiz yöntemi kullanılabilir (Åžekil 4).

 

B ≤ 1 ise CH ve CQ 1 alınır ve 4. Adıma geçilir.

 

2. Adım: Optimum noktaların geometrik yerinin H-Q düzleminde orjinden geçen bir doÄŸru olduÄŸu yaklaşımıyla CQ ve CH deÄŸerleri birbirine eÅŸittir.

 

 

Energol GR-XP 100 yağı için viskoz düzeltme katsayılarının hesaplanması örneÄŸi Tablo 1’de gösterilmiÅŸtir.

 

Viskoz Akışkan Basan Santrifüj Pompalarda Pompa Seçimi Ä°çin Performans Düzeltmesi

 

1. Adım: B parametresi su için hesaplanır.

 

 

 

 

 

EÄŸer 1< B <40 ise 2. adıma geçilir.

EÄŸer B ≥40 ise bu metodda belirsizlikler olacaktır. Belirsizlikleri de hesaba katarak daha hassas sonuçlar elde etmek için kayıp analiz yöntemi kullanılabilir.

 

B ≤ 1 ise CH ve CQ 1 alınır ve 4. Adıma geçilir.

 

2. Adım: Optimum noktaların geometrik yerinin H-Q düzleminde orjinden geçen bir doÄŸru olduÄŸu yaklaşımıyla CQ ve CH deÄŸerleri birbirine eÅŸittir.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Adım: Qw ve Hw değerleri hesaplanır.

 

 

 

 

 

4. Adım: 3. Adımda hesaplanan Qw ve Hw için pompa seçilir.

 

5. Adım: Cη deÄŸeri hesaplanır.

1< B <40 ise

formülü ile hesaplanır.

 

 

 

 

B ≤ 1 ise

 

 

 

 

 

 

 

 

yöntemi ile bulunur.

6. Adım: Tahmini viskoz akışkan için pompa mil gücü hesaplanır.

 

 

 

 

 

Bu bölümde, viskoz sıvı için performans karakteristiÄŸinden yola çıkılmış su için performans deÄŸerleri kullanılarak uygun pompa seçimi için izlenmesi gereken adımlar açıklanmıştır.

 

Kayıp Analiz Yöntemi

ISO/TR 17766 Teknik Raporu’na göre hesaplamalar sonucunda B ≥ 40 olması durumunda viskoz sıvı performansının tahmininde deneysel yöntem belirsizlikler içermektedir. 

 

Hiçbir deneysel sonuca dayanmayan kayıp analiz yöntemi, belirsizliklerin de hesaba katılmasıyla birlikte daha hassas tahmin sunmaktadır. 

 

Ayrıca, bu yöntem ile viskoz sıvılar için ENPYg deÄŸerinin deÄŸiÅŸimi de incelenmiÅŸtir. Ancak, bu yöntem ENPYg deÄŸiÅŸimi için bilinen herhangi bir test sonuçlarıyla karşılaÅŸtırılmamıştır. 

 

Güç dengesi ve kayıpları: Pompalanan akışkanın viskozitesi arttığı zaman reynolds sayısı azalır, aynı zamanda sürtünmeden dolayı kayıplar artacaktır (boru içerisinde ve pompada). 

Viskozite artışının pompadaki kayıplar üzerine etkisi aÅŸağıda maddeler halinde açıklanmıştır.

 

a) Mekanik kayıplar: Pompalanan sıvının viskozitesinden bağımsızdır.

 

b) Hidrolik kayıplar: Boru kayıplarında olduÄŸu gibi, pompa giriÅŸinde, çark içerisinde, gövde içerisinde veya difüzör içerisinde ve pompa çıkışında hidrolik kayıplar oluÅŸmaktadır. 

 

Viskozitenin artması ile hidrolik kayıplarda artış meydana gelecektir.

 

c) Kaçak (hacimsel) Kayıplar: Hacimsel kayıplar pompa rotor ve stator arasındaki boÅŸluklardaki kaçak kayıpları olarak belirtilebilir. Reynolds sayısı viskozite ile ters orantılı olarak deÄŸiÅŸtiÄŸinden, akışkanın viskozite deÄŸeri arttığı zaman reynolds sayısında düÅŸüÅŸler olacaktır. 

 

Bu durum boÅŸluklar sebebiyle oluÅŸan kaçaklar için sürtünme faktörünü artırır. Bu nedenle kaçaklar viskozite artışı ile birlikte düÅŸmektedir.

 

d) Sürtünme kayıpları: Pompadaki rotor elemanlarının ıslak yüzeylerinde meydana gelen sürtünme kayıplarıdır. Bu kayıplar viskozite deÄŸerinin artması ile artacaktır. Bu sürtünme kayıpları pompanın çektiÄŸi gücün artmasına sebep olacağı için verim üzerinde azalmaya sebep olur ve önemli bir etkiye sahiptir. 

 

Sürtünme kayıpları viskoz sıvı uygulamalarında güç tüketimi konusunda büyük bir etkiye sahiptir.

Termal etkiler: Bütün güç kayıpları, dış mekanik kayıplar hariç sıvıya ısı ilavesi ile azaltılabilir. Sıvının sıcaklığının artması ile viskozite deÄŸeri düÅŸeceÄŸinden güç kayıpları azalacaktır. 

 

Sıvının sıcaklığı arttığı zaman, kayma gerilmesine baÄŸlı olarak sürtünme kayıpları ve verim etkilenecektir. 

 

Özellikle 1000 cSt’un üzerinde viskoziteye sahip akışkanlar için bu iÅŸlem faydalı olabilmektedir. Fakat etkileri kolay bir ÅŸekilde ölçülememektedir.

 

Güç eÄŸrisi: Viskozite deÄŸerinin artması ile basma yüksekliÄŸi ve mekanik kayıplar çok fazla etkilenmemekle beraber, çekilen güç deÄŸerinde sürtünme kayıplarından dolayı önemli ölçüde artış meydana gelecektir. Viskoz sıvılar için güç Pvis=f(Q) olarak gösterilebilir.

 

ENPYg: Kanat hücum açısındaki basınç dağılımı ENPYg’yi etkilemektedir. Basınç dağılımı, çark giriÅŸi ve pompa emme flanşı arasındaki hidrolik kayıplara ve reynolds sayısına baÄŸlıdır. 

 

Bu kayıplar viskozitenin artması ile artış gösterir ve ENPYg’yi etkiler. ENPYg’yi etkileyen diÄŸer bir faktör ise sıvının termodinamik özellikleri ve sıvı içerisindeki gaz miktarıdır.

 

ENPYg rotodinamik pompaların emme yüksekliÄŸi karakteristiklerini belirtir.

 

Viskozitenin ENPY üzerinde 2 türlü etkisi vardır:

 

Deney Sonuçları ile Teknik Raporun KarşılaÅŸtırılması

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sonuç

ISO/TR 17766 Teknik Raporu’nda belirtilen deneysel ve kayıp analiz metoduna dayanan hesap yönteminin hassasiyetini belirlemek amacıyla 5 farklı deney üzerinde karşılaÅŸtırmalar yapılmıştır.

 

22 cSt ve 100 cSt viskoziteye sahip yaÄŸlarla yapılan deneyler [3] ve ISO/TR 17766 Teknik Raporu’nun sayısal hesap yöntemine göre yapılan hesaplamalar sonucuna göre debi-basma yüksekliÄŸi eÄŸrilerinde (Grafik 1) benzer sonuçlar alınmıştır. Debi-verim eÄŸrisinde (Grafik 2) ise 100 cSt viskoziteli akışkan için optimum noktada yaklaşık %5 lik bir fark oluÅŸmuÅŸtur. Bunun yanı sıra, 22 cSt viskoziteli yaÄŸ basılması durumunda deney sonuçlarına göre basma yüksekliÄŸinde su basılması durumuna göre artış görülmüÅŸtür. Bunun sebebi olarak viskozitenin artması ile çark içerisindeki bağıl sirkülasyonun suya göre azalmış olma ihtimali gösterilebilir [6].

 

43 cSt ve 62 cSt viskoziteye sahip yaÄŸlarla yapılan deneyler [4] ve ISO/TR 17766 Teknik Raporu’nun sayısal hesap yöntemine göre yapılan hesaplamalar sonucuna göre debi-basma yüksekliÄŸi eÄŸrisinde (Grafik 3) benzerlik görülmektedir fakat debi-verim eÄŸrisine (Grafik 4) bakıldığında optimum noktada her iki yaÄŸ için yaklaşık %5’lik bir fark gözlenmiÅŸtir.

646 cSt viskoziteye sahip yaÄŸla yapılan deney [5] ve ISO/TR 17766 Teknik Raporu’nun sayısal hesap yöntemine göre yapılan hesaplamalar sonucuna göre debi-basma yüksekliÄŸi eÄŸrisine (Grafik 5) bakıldığında optimum nokta civarında eÄŸrilerin yapısının birbirine benzediÄŸi görülmektedir. Bu durumun da, su ile elde edilen pompa performansının belirlenmesindeki belirsizliklerden de kaynaklanabileceÄŸi göz önünde bulundurulmalıdır. Debi-verim eÄŸrilerinin (Grafik 6) ise uyuÅŸtuÄŸu görülmektedir.

 

Genel olarak 3 farklı kaynaktan alınan 5 farklı viskozite deÄŸerine sahip farklı yaÄŸlar ile yapılan deney sonuçları ile ISO/TR 17766 Teknik Raporu’nun hesap yöntemi kıyaslandığında debi, basma yüksekliÄŸi ve verim deÄŸerlerinin, belirsizlikler de göz önünde bulundurularak, deneylerle uyuÅŸtuÄŸu söylenebilir. ANSI/HI 1.3-2000 standardında viskoz sıvı basılması durumunda viskoz performans eÄŸrisini tahmin etmek için kullanılan grafiklere göre, ISO/TR 17766 Teknik Raporu, pompa üreticisine ve kullanıcısına çok daha pratik bir çözüm sunmaktadır. Yüksek deney maliyetleri göz önüne alındığında ve ayrıca deney yapma imkanının kısıtlı olduÄŸu durumlarda ve ortamlarda, viskozitenin pompa üzerindeki etkisinin bilinmesi masraflı ve yorucu bir iÅŸ haline gelmektedir. Bu gibi durumlarda hem ekonomik açıdan hem de zamandan tasarruf etmek amacıyla pratik yöntemlerin kullanılması en uygunudur. Sonuç olarak, deneysel verilerle ISO/TR 17766 Teknik Raporu’nda anlatılan pratik yöntemin göstermiÅŸ olduÄŸu benzerlikler de yöntemi güvenilir ve uygulanabilir kılmaktadır.

 

Kaynaklar

[1] “Centrifugal Pumps Handling Viscous Liquids – Performance Correction” ISO/TR 17766:2005 Technical Report

[2] “American National Standart for Centrifugal Pumps for Design and Application” ANSI/HI 1.3 – 2000

[3] Ayder E. ve Özgür C., “Sıvı Viskozitesinin Pompa Performansına Etkisi”, 4. Pompa Sergisi ve Bildiriler Kitabı

[4] ShojaeeFard M. H., Boyaghchi F. A. ve Ehghaghi M.B., “Experimental Study and Three Dimensional Numerical Flow Simulation in a Centrifugal Pump When Handling Viscous Fluids”

[5] Ali N., Abdelkrim L. ve Karim B. S. M., “Performance Prediction of Centrifugal and propeller Pumps for High Viscous Fluids From Experimental Results of Water”

[6] Kaya M., “Santrifüj Pompa Performansının Sayısal Analizi”, Sayfa 59-72, 2009