18 Aralık 2012 | TEKNİK MAKALE 203. Sayı (kasım 2012)

45.473 kez okundu

Vantuzlar, boru hatlarının dolumu, boşaltılması ve işletilmesinde hatta hava girişini ve hattan havanın tahliye edilmesini sağlamak amacıyla kullanılan, hidromekanik prensiplere göre çalışan vanalardır.

Boru hatlarının güvenliği ve verimliliği, hatta oluşan havanın sürekli olarak tahliye edilebilmesi ve hava girişinin sağlanabilmesi ile yakından ilgilidir. Vantuzlar, boru hattının toplam maliyeti içerisinde % 0.5 - % 1’lik bir kısmı teşkil eder, ancak yanlış seçildiklerinde ve yanlış konumlandırıldıklarında boru hattı problemlerinin % 60’ına sebep olurlar. Sadece Kanada’da su hasarı kaynaklı onarım maliyetleri yılda 100 milyon doları aşmaktadır.

1. Boru Hatlarında Hava Oluşumunun Sebepleri ve Sonuçları

Boru hatlarında oluşan havanın üç kaynağı vardır. Birincisi; başlangıçta boru hattı boş değildir, tümüyle hava doludur, dolayısıyla boru hattını su ile doldururken bu havanın tahliye edilmesi gerekir. 

Boru hatlarında hava oluşumuna sebep olan ikinci kaynak, suyun kendisidir. Normal şartlar altında (1 atm basınç ve 25°C sıcaklıkta) suyun içerisinde hacimce % 2 oranında çözünmüş hava bulunur. Basınç ve sıcaklığa bağlı olarak bu miktar daha da yüksek olabilir. Henry’nin yasasına göre “bir sıvının içerisinde çözünmüş halde bulunan gazın miktarı, sıvı üzerinde bulunan gazın basıncıyla doğru orantılıdır”. Buna göre, suyun basıncı arttıkça havayı tutma kabiliyeti de artar. 

Boru hatlarında hava oluşumu, kısmen açık durumdaki vanaların yarattığı düşük basınç koşulları, kısmen dolu bir hattaki suyun yarattığı dalgalanma, değişken çaplar ve eğimler ile boru hattının hidrolik eğim çizgisindeki değişimlerden de kaynaklanır. 

Su cepleri, borunun kesit alanında daralmaya yol açarak suyun geçişini zorlaştırır, su cebinin yeterli büyüklüğe ulaştığı durumlarda suyun akışı tamamen engellenir. Bunun yanı sıra, hava cebi oluşumu, boru hatlarındaki yük kayıplarını artırarak basılan suyun debisinin azalmasına ve pompa tarafından yutulan gücün artmasına neden olmaktadır. 

Boru hatlarında oluşan hava ceplerini tespit etmek zordur ve bu hava cepleri boru hattının toplam verimine eksi yönde etki ederler. Hava ceplerinin bir diğer sakıncası ise koç darbesi oluşturmaları, gürültü, korozyon ve arızalara sebep olmaları ve boru hattına bağlı bulunan kontrol vanaları ve debimetrelerin düzensiz çalışmalarına neden olmalarıdır. Boru hatlarındaki havanın üçüncü ve son kaynağı ise pompalardır. Dik türbin tipi pompalar ve dalgıç pompalar ilk çalıştırmada borularının içerisindeki havayı iterek sisteme pompalarlar ve bu havanın da tahliyesi gerekir.

Sonuç olarak, boru hatlarında hava daima olacaktır ve bu havanın miktarı azımsanamayacak büyüklüktedir. Havanın birikmesine izin verilen koşullarda verimlilik düşer, ekipmanlarda ciddi hasarlar meydana gelebilir. Boru hattından havanın tahliye edilmesi bütün problemleri çözmese de en önemli problem çözer. Bu işlemde vantuz kullanımı verimliliği artırmak ve su darbelerini önlemek açısından uygun maliyetli ve güvenilir bir yöntemdir.

2. Vantuz Tipleri, Fonksiyonları ve asarım Özellikleri

Vantuzlar, fonksiyonlarına göre üç farklı konfigürasyonda üretilmektedirler.

a. Tahliye Vanaları

Küçük orifisli vanalar olarak da tabir edilen hava tahliye vanaları, sistemin atmosferik basınçtan daha yüksek basınçlarda çalıştığı durumlarda hattın belirli noktalarında oluşan hava ceplerini tahliye etmek için kullanılırlar. Hava tahliye vanalarına bir örnek Şekil 2’de verilmiştir. 

Hava tahliye vanalarında yer alan tahliye orifisi, vananın anma çapından (DN) çok küçüktür. Bu tip vanalarda anma çapı DN25 ile DN150 arasında değişirken orifis çapları 1.6 mm ile 25 mm arasında değişmektedir.

Normal durumda tahliye vanası açık pozisyondadır ve bu suretle orifisten hava geçişi sağlanır. Vana suyla doldukça flatör yükselir ve orifisi kapar. Boru hattında biriken vana vananın içine ulaştığında suyun yerini alır ve flatör aşağıya düşerek havanın orifisten dışarı tahliye edilmesini sağlar. Uygun flatör ağırlığı ve mekanizması doğru tasarlanmış bir vantuzda, vantuzun maksimum çalışma basıncına kadar olan her basınçta havayı doğru şekilde tahliye etmesi gerekir.

b. Vakum Vanaları

Büyük orifisli vanalar olarak da adlandırabileceğimiz vakum vanaları, boru hattının dolumu esnasında havanın hatta emilimini sağlamak amacıyla dizayn edilmişlerdir. Bu özelliklerinin yanı sıra hat basıncının atmosferik basıncın altına düştüğü vakum ortamında hatta otomatik olarak hava emilmesini sağlarlar.  Vakumun başlıca nedenleri; kolon kopması, hat boşalması, pompa arızası veya enerji kesilmeleridir. Şekil 3’te vakum vanasının resmi görülmektedir.

Vakum vanalarının orifis çapları DN25 ile DN500 arasında değişmektedir. Boru hattı su ile doldukça, oluşması muhtemel darbeleri önlemek için hatta bulunan hava sağlıklı bir şekilde tahliye edilmelidir. Tersi durumlarda ise, yani enerji kesilmesi gibi durumlarda havanın boru hattına düzgün bir şekilde emilmesini sağlamak gereklidir, aksi takdirde hatta darbeler oluşacak ve ekipman zarar görecektir.

Vakum vanalarının çalışma prensibi hava tahliye vanalarına benzerdir, ancak orifis çapları çok daha büyüktür ve basınç altında açılmazlar. Vakum vanaları normalde açık pozisyondadır ve bu sayede orifislerinden yüksek miktardaki havayı emebilecek şekilde dizayn edilirler. Hattın doldurulması sırasında flatör yukarı çıkarak orifisi kapatır. Vakum vanaları kapalı duruma geçtiklerinde su seviyesi düşmeden tekrar açılmazlar.

c. Kombine Vantuzlar

Bu tip vantuzlar, hava tahliye ve vakum vanalarının fonksiyonlarına ilave olarak çalışan boru hattındaki hava ceplerini tahliye etme özelliğine de sahiptir. Böylelikle tek üründe iki vantuzun gerçekleştirdiği 3 fonksiyonu yerine getirme özelliğine sahiptir ve günümüzde en çok tercih edilen vantuz tipidir. Şekil 4’te darbesiz antişok vantuz, Şekil 5’te ise çift küreli kinetik vantuz kesitleri yer almaktadır.

3. Vantuzlar Boru Hatlarının 

Hangi Noktalarına Yerleştirilmelidir?

Boru hatlarında kullanılacak vantuzların çaplarının doğru seçimi kadar hattın hangi noktalarına yerleştirileceği de büyük önem taşımaktadır, zira yanlış konumlandırılan bir vantuz etkisiz olacaktır. Aşağıda yer alan bilgiler, boru hatlarında vantuzların nerelere konulacağını genel hatlarıyla vermekle beraber; reel anlamda vantuz konulması gereken başka noktalar da olabilmektedir.

Şekil 6’da örnek bir hat profil şeması verilmiştir. Bu profilde yatay eksen hattın uzunluğunu, düşey eksen ise kotunu göstermektedir. 

Vantuzlar, hat üzerinde şu noktalara konumlandırılmalıdır:

a) Yüksek Noktalar: Dolum esnasında havayı tahliye etmek, boşaltım esnasında havayı hatta emmek ve hattın kullanımı esnasında oluşan hava ceplerini tahliye edebilmek için 3 fonksiyonlu vantuzlar kullanılmalıdır. Yüksek noktalar hidrolik eğim çizgisiyle belirlenir. Çizgiye paralel giden veya yukarı eğimin sonu olarak tespit edilen nokta olarak kabul edilir.

b) Hat Vanaları: Vantuzlar, hat vanalarının boşaltma tarafına konumlandırılır.

c) Artan Aşağı Eğimler: Aşağı eğimin aniden arttığı noktalarda vantuz kullanılmalıdır.

d) Azalan Yukarı Eğimler: Yukarı eğimin aniden azaldığı noktalarda vantuz kullanılmalıdır.

e) Uzun Rampalar: Botu hattının uzun mesafeli rampalarına 400 ile 800 metrede bir vantuz yerleştirilmelidir.

f) Uzun Düşüler: Boru hattının uzun mesafeli düşülerine 400 ila 800 metrede bir vantuz yerleştirilmelidir.

g) Yatay Geçişler: Uzun yatay geçişlerin başlangıç ve bitiş noktalarına 400 ila 800 metrede bir vantuz yerleştirilmelidir. Düşük hızlı akışlarda yatay borularda havayı tahliye etmek zor olabilir.

h) Venturimetreler: Venturimetrelerin akış yönüne, olası hava ceplerinin yanlış ölçüme sebebiyet vermesini engellemek amacıyla vantuz yerleştirilmelidir.

i) Dik Türbin Pompaları ve Dalgıç Pompalar: Pompanın çalıştırılması sırasında kolon borularındaki havayı tahliye etmek ve pompa stop edildiğinde bu borulara tekrar hava emilmesini sağlamak amacıyla pompa çıkışına vantuz yerleştirilmelidir. Bu noktalara konulacak vantuzlar özel hesaplama gerektirebilir; şöyle ki, pompa çalışırken değişik akış hızları mümkün olabilmektedir. 

4. Vantuzların Boyutlandırılması ve Seçimi

a. Hava Tahliye Vanalarının Boyutlandırılması

Basınçlı havayı tahliye edebilmek için seçilmesi gereken orifis çapı 1.6 mm ile 25 mm arasında değişmektedir, buna karşılık vantuzun anma çapı 25 mm  ile 150 mm arasında değişir.

Boru hatlarında biriken havanın miktarının tam olarak belirlenmesi mümkün değildir. Bunun sebebi, hatta giren havanın hat boyunca değişen basınçla birlikte değişkenlik göstermesidir. Bunun için benimsenen metod, borudan geçen havanın %2’si kadar hava olduğunu varsaymaktır. Vantuzun tahliye etmesi gereken havanın miktarı bu şekilde hesaplanır. 

Yüksek basınç oluşumundan ötürü, orifisten geçen havanın akışı sıkıştırılabilir adyabatik akıştır ve bu durumda havaya hiç ısı transferi olmadığı kabul edilir.

Vantuzdan tahliye edilen havanın basıncı, atmosferik basıncın 1.9 katını aştığında hava akışı ses hızına erişir. Ses hızındaki akışta, havanın hızı ses hızıyla limitlidir, bu sebeple yüksek basınçlarda havanın tahliye edilmesinde kısıtlama sözkonusudur.

Tablo 1’de hava tahliye vanalarının basınç ve orifis çapına göre kapasiteleri L/s cinsinden verilmiştir. Bu değerler hesaplanırken tahliye katsayısı (Cd) değeri 0.7 olarak kabul edilmiştir. Bu değer yaklaşık bir değerdir ve düzgün akışlı bir nozül ile köşeli orifis arasında bir yere denk düşmektedir. Gerçek hayattta boruların ve vanaların katsayıları farklı olacaktır. Bu sebeple, vantuz çaplarını değru olarak belirleyebilmek için mutlaka üretici firmanın kapasite tabloları dikkate alınmalıdır.

b.  Boru Hattı Dolumu için Boyutlandırma

Boru hattının ilk dolumunda, hattı doldurabilmek için suyun debisi ile aynı hacimsel oranda hava dışarıya tahliye edilmelidir. Bu nedenle boru hattı tam dolana kadar sadece tek pompaya start verilir. Ancak en doğru uygulamada, darbeleri önlemek amacıyla hat, kademeli olarak doldurulmalıdır. Doldurma hızı 0.3 m/s hızı geçmemelidir. İlk dolumda tahliye edilmesi gereken hava 0.136 atm’lik fark basıncı ile tahliye edilir. Darbe önleyici teçhizatla donatılan vanalarda fark basıncı 0.35 atm olarak kabul edilir. 

Tablo 2’de hat dolumu için kullanılan vantuzların orifis çaplarına göre seçilen fark basıncında tahliye edebileceği kapasiteler L/s cinsinden verilmiştir.

c. Boru Hattının Boşaltılması için Boyutlandırma

Enerji kesilmesi veya boru hattında meydana gelen arızalar sonucunda sütun kopması nedeniyle akış hızı ani olarak değişir. Bu gibi durumlarda akış, hattın tepe noktalarında çok yüksek miktarda vakum oluşmasına sebep olur. Oluşan vakum, özellikle yüksek çaplı boruların negatif basınca dayanamayarak çökmesine sebebiyet verir. Bu nedenle hattın boşaltılması sırasında boru hattının sağlamlığını ve güvenliğini koruyabilmek için vantuzların doğru tasarlanmış olmaları şarttır.

Hattın boşaltılmasında kullanılacak vantuzları seçerken, vakumu engellemek için gerekli hava emme miktarı borunun eğiminden hesaplanır. Tablo 3’te çeşitli boru çapları ve eğimleri içimn hesaplanmış hava emiş miktarları L/s cinsinden verilmiştir. 

5. Sonuç

Boru hatlarında havanın oluşması, hattın veriminin önemli miktarda düşmesine ve ciddi hasarlara sebep olmaktadır. Boru hattından havanın tahliye edilmesi darbe ve verimlilik problemlerinin tümünü çözmese bile, en çok karşılaşılan problemleri bertaraf edecektir. Boru hattı mühendislerinin, tahliye edilmesi gereken hava miktarını ve de hattın boşaltılması esnasında emilmesi gereken hava miktarını doğru şekilde hesaplayarak; vantuz konumlandırma kriterlerine göre hareket etmeleri ve üretici firmaların performans değerlerini gözönünde bulundurarak boru hatlarını daha verimli ve güvenli şekilde tasarlamaları ve işletmeleri mümkün olacaktır.

Unutulmamalıdır ki, pompalama sistemi demek önce boru, sonra pompa ve en sonunda vana ve çekvalf gibi hidromekanik elemanlardan oluşur. Bu hidromekanik elemanların da en önemlisi vantuzdur.

Kaynaklar

[1] ANSI / AWWA C512-92, “Air-Release, Air/Vacuum and Combination Air Valves for Waterworks Service”, AWWA Publications, 1992.

[2] AWWA M51, “Air-Release, Air/Vacuum and Combination Air Valves”,  AWWA Publications, 2001.

[3] S.J. van Vuuren, “The Advantages and Modeling of Controlled Air Release from Pipelines”, University of Pretoria.

[4] Kavurmacıoğlu L. and Karadoğan H., “Su Darbesi Projelendirme Hataları”, VI. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi ve Sergisi.

[5] “Well Service Air Valves for Vertical Pumps”, Valmatic Bulletin, 1998.

[6] “Air in Pipelines”, Valmatic, 1998.

[7] “Theory, Application and Sizing of Air Valves”, Valmatic, 1998.

[8] “How to Select Proper Valve Size for Vertical Turbine Pump Installations”, Valmatic, 1998.

[9] “Why an Air Release Valve Opens During System Operation”, Valmatic, 1998.

[10] “Why an Air/Vacuum Valve Stays Closed Under Pressure”, Valmatic, 1998.

[11] TEMPO Pompa – Vana Ürün Kataloğu.