Sürekli artan su debilerinde ve buna bağlı olarak gerçekleşen basınç farklarından doğan 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 bitmiş bir vana üzerinde değişiklik yapılamayacağına göre, işletmecilerin şartlarını buna göre seçmeleri gerekecektir.

 

Sıvı akış hatlarında ani basınç düşmeleri sonucu (PT diyagramı Grafik 1) basıncın o andaki sıcaklığa uygun değere düşmesi ve buna bağlı olarak sıvının doymuş buhar fazına geçmesi sonucu gerçekleşen oluşuma kavitasyon denir. Buhar oluşumunu hızlandıran olayların başında sıvıda (bilhassa suda) çözülmemiş bulunan gazların ayrışması önemli rol oynamaktadır. Statik basıncın kaynama basıncının üzerine çıktığı bölgeye erişen buhar kabarcıkları patlamaya başlar. 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 titreşimler meydana getirir. Bu ise vana elemanlarında önemli hasarlar doğurabilir.

 

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 bağlıdır. (Grafik 3) Disk sonrası akım hattına hava üflenmesiyle titreşimler ve ses oluşumu önlenir. (Şekil 3)

 

Bu hususta çeşitli araştırmalar kelebek vana diskinin kapanmaya başladığı andan itibaren kavitasyon yaratabilme özelliğine 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 oluşmamaktadır. 

 

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

 

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

 

Buhar kabarcık oluşumu buhar basıncından başka suda çözülmemiş bulunan gazlara bağlıdır. Bunlar bir mikroskobik parçaçık gibi buhar kabarcığının oluşumuna etki eder. Bu çözülmemiş ve su içinde bulunan gaz kabarcıkları sanki maya etkisiyle kabarcık oluşumuna etki eder. Basıncın düşmesi sıvı akışının ivmelendirilmesiyle olur. Buhar kabarcıkları en büyük çapa eriştikten sonra akımla beraber buharlaşma basıncından daha büyük basınç bölgesine eriştiğinde (statik basınç buhar basıncından daha büyük bölge) küçülmeye başlarlar.

 

Suda kabarcık büyümesi 80 °C’ye kadar sıvının ataletine bağlıdır. Bu sayede kabarcığın büyümesi basıncın en düşük olduğu noktadan sonrada devam eder. Buhar kabarcıkları patlamadan önce büzülürler. Büzülme esnasında zayıf noktalar oluşur. Bu noktalardan sıvı çok küçük çaplı jet gibi büyük hızda çıkar ve duvarlara çarpar. Bu şekilde malzemenin yorulması ve yüzeyinin poroz haline gelmesine neden olur. Kavitasyon ivmelendirmenin meydana getirdiği basınç düşmesinin büyümesine neden olur. Buhar kabarcıklarının patlayıp gaz akımına neden olması suda titreşimlerin doğmasına; Bu ise armatür elemanları ve bağlantıların tahribatına neden olur.

 

Şekil 5’te kısılma noktasındaki basınç değişimi görülmektedir. Basınç düşümü ile kalan basınç kaybı vanada tekrar kazanılır. Buna basınç geri kazanımı denir. Sürtünme sonucu oluşan basınç kaybı sıcaklığın artmasına ve kavitasyon tehlikesinin büyümesine neden olur. 

 

Kavitasyon oluşumu esnasında doğan akım şartlarını tarif etmek kolay değildir. Buradaki akışkanlar mekanik yüksek komplikasyona sahiptir. Dolayısıyla kavitasyon oluşumunu basite indirerek Thomas kavitasyon sayısı ile ifade etmek genel olarak kabul gören durumdur. Thomas sayısı σ bir mukayese eşitliğine dayanmaktadır.

 

 

 

 

P1: Girişteki basınç

P2: Çıkıştaki basınç

P3: Atmosfer basıncı

c: Borudaki akım hızı

g: Yerçekim ivmesi

 

Şekil 5’te görüldüğü üzere kavitasyon öncelikle P2 basıncına bağlıdır. Bu demektir ki öncelikle potansiyel enerjinin kinetik enerjiye kısılma noktasındaki dönüşüm oranına bağlıdır. Armatürlerde kavitasyon etkisini konstruktif tedbirlerle azaltmak ancak belli tiplerde uygulanabilecek değişiklikle başarılı olmaktadır. Bu husus Şekil 6’da görülen ve proses tekniği kontrol uygulamalarında yoğun bir şekilde kullanılan kontrol vanalarında başarılı olmuştur. 

 

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

 

Kelebek vananın karakteristik eğrisi Grafik 2’de görülmektedir. Burada vanayı terk eden akışkan hattına basınçlı hava gönderilirse titreşimler ve akım darbe yansımaları önlenebilir. Şekil 5’te σ değerine bağlı olarak oluşabilecek kavitasyon başlangıcı ile titreşimin sınırları görülmektedir. Eğer armatürden sonra boruda çap büyümesi varsa veya dış ortama açılıyorsa kavitasyon oluşmaz. Akım formundan görüldüğü üzere boru genişlemesi sonucu hava veya su akışı köşelerde sirkülasyona neden olmakta, bu ise kavitasyon oluşumunu önlemektedir. Eğer giriş 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. (Şekil 4).

 

Pistonun gövdeye oturma formuna bağlı olarak çeşitli vana tipleri bulunmaktadır. Bunlardan bazıları Grafik 4’te görüldüğü gibi ayrıca bu tiplerin kritik kavitasyon faktörü eğrileri 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 şekilde enerjinin büyük kısmı sürtünme kayıpları ile dönel akım dönüşüme uğramaktadır. Bu şekilde titreşimler ve gürültü akımları önemli oranda sönümlendirilmiş olur. Ancak delik plaka ile Kvs değerinde %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.Ş.