ASTEKNİK KELEBEK VANALARDA AKİS KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ

05 Ocak 1999 Dergi: Ocak-1999

Vanaların küçük boyutlu hatalar için önemsenmeyen akışkan karakteristikleri, hat boyutları büyüdükçe ve hattın bağlı olduğu sistemin denetlenmesi önem kazandıkça, işletme açısından önem kazanır. Endüstride çeşitli tipte vanalar kullanılmaktadır. Bu vanalardan genel olarak kelebek, küresel, sürgülü, priz çıkışlı eğik ve düz vanalar, termostatik sıcaklık ayar vanaları, ısıtma sistemlerinde kullanılan vida ayarlı vanalar, basınç düşürücü vanalar, açma-kapama ve debi ayar vanası olarak kullanılırlar. Bu vanaların dışında, açma kapama vanası olarak kullanılan, akışı dönüşlü vanalar (globe valf), bıçaklı vanalar, yukarıda bahsedilen priz çıkışlı eğik, düz vanalar ve özel amaçlarla kullanılan vanalar arasında, memb-ranlı, üç yollu, dört yollu vs. vanalar sayılabilir.

 

1. Giriş

İşletmelerde enerji tasarrufunun sağlanması ve sistemin sağlıklı (çalışma ve açma-kapama anında titreşim, gürültü, kavitasyon gibi problemlerin olmaması veya asgari düzeye indirilmesi) çalışması istenilir. Ancak bu isteklerin gerçekleştirilmesi için çalışma şartlarına bağlı olarak doğru tercihin seçilmesi gerekir.

Bu açıdan kelebek vananın avantajlarını sıralayalım:

?          Geometrisi gereği tesisatlarda az yer kaplar.

?          Montaj, demontaj ve bakım kolaylığı sağlar.

?          Kelebek vanalarda klape elastomer iç gömleğe tam oturduğu için sızdırma olmaz.

?          Kelebek vanalarda, gövde içinde bulunan elastomer sayesinde, montaj esnasında ayrıca contaya ihtiyaç duyulmaz.

?          Kelebek vanaların, kol kumandalı çeşitlerinde bulunan taksimat dairesi ile açmadan kapamaya, her 10° için oransal kontrol sağlanabilmektedir. Aynı oransal kontrolün diğer vanalarda elle oransal hassasiyeti daha azdır.

?          Ayrıca vana mili ve kafa flanş dizaynı sayesinde, aktüatör (pnömatik, elektrikli) montajı çok kolaylıdır.

?          Kelebek vana, gövdesinin içinde bulunan elastomer sayesinde ısı izolasyonu sağlar.

?          Kelebek vanaların kullanım alanları çok geniştir. Bu çeşitlilik kelebek vanalar gövdesinin içine yerleştirilen elastomerin çeşitliliği ile paraleldir. Başlıca kullanıldığı yerler: Sıcak-soğuk su hatları, asit-baz-tuz hatları, sondaj-arıtma   istasyonları, klima santralleri, kompresör hatları, gaz-egzost hatları, yangın söndürme devreleri, petrokimyasal tesisler, gıda, kağıt, çimento, maden sanayileri vs. olarak sayılabilir.

?          Kelebek vanalarda 2000 mm çapına kadar imalat yapılabilmektedir.

?          Klape, cidarı süpürerek açılıp kapandığı için partiküllü akışkan hatlarında da kullanılır.

2. Deney Düzeneğinden Alınan Ölçüm

Deney düzeneğinde, 50 mm çapında kelebek vanadan 0.85 m/s ortalama su hızında giriş ve çıkış kesitlerinden alınan basınç farkı 533.664 Pa olarak tespit edilmiştir.

 

 

3. Deney Sonuçları

Tesisatlardaki, basınç kayıplarını iki kategoride inceleyebiliriz: Lokal (yersel) ve üniversal (sürekli) kayıplar olmak üzere. Sürekli basınç kayıpları tesisatı oluşturan borulardaki pürüzlülükten (sürtünmeden) kaynaklanan basınç kayıplarıdır. Sürekli basınç kaybı, aşağıdaki gibi hesaplanır.

Lokal basınç kayıpları, tesisatlardaki ekipmanlardan ve dirseklerden kaynaklanan basınç kayıplarıdır. Deney

düzeneğinde vanalardan alınan ölçümler lokal basınç kayıplarıdır. Lokal basınç kaybı aşağıdaki gibi hesaplanır.

Deney düzeneğinde yapılan ölçümlere göre, kelebek vananın tam açık pozisyondan 50° kapanma açısına kadar değişen, lokal basınç kayıpları katsayısının değişim grafiği Şekil 1'de verilmiştir. Kelebek vananın çalışma pozisyonları Şekil 2'de gösterilmiştir. Ao, akışa dik boru kesit alanı ve A, vana kapama parçasının dik izdüşüm alanı olmak üzere (A/Ao)xl00 değeri, yüzde olarak vananın kapalılık oranını belirtmektedir.

4. Nümerik Analiz

Sonlu elemanlar metodunu kullanan bilgisayar yazılımlarından biri olan ANSYS programının, flotran (CFD) yazılım paketi ile, akış analizleri yapılacaktır. Sıkıştırılamaz, sürekli akış hallerinde çözümlerde lineer momentum denklemleri olarak da bilinen Navier-Stokes denklemleri kullanılmaktadır. Navier-Stokes denklemleri aşağıdaki şekilde ifade edilir:

Çalışmalarda akışkan olarak su kullanıldığı ve akış sürekli olduğu için, ANSYS'de sürekli sıkıştırılamaz ilave olarak adyabatik ve türbülanslı akış halleri kabulü yapılır. Bu durumda eşitliğin sağ tarafında basınç, yer çekimi, viskoz kuvvetlerin toplamı kalır. Bu programda, I l 12 kodlu 50 mm çaplı kelebek vana klapesi tam açık pozisyonda modellendi ve sonlu elemanlar yöntemiyle çözüm yapılabilmesi için, mesh (ağ yapısı) oluşturuldu. Çözüm için sınır şartları tespit edildi. Deney düzeneğinden tespit edilen suyun ortalama hızı olan 0.85 m/s (Re=42000) giriş hızı olarak verildi. Analiz sonucunda modellenen sisteme giren ve çıkan kütlesel debi eşitliğine bakılarak % I oynama olduğu görüldü. Bir önceki iterasyonla bir sonraki iterasyondaki basınç değerle-rindeki oynamaya bakılıp % 2 oynama tespit edildi. Bu değerler uygun kabul edilerek çözüm 800'üncü iterasyonda sonlandırıldı

Analiz sonucu borudaki ve klape kesi-tindeki hız dağılımı şekil 3'te görülüyor Ansys'de yapılan analizde, giriş ve çıkış mesafeleri deney standında olduğu gibi alınarak, boru cidarına yakın düğüm noktaları seçildiğinde, vana girişinde    1532.1   Pa   ve   çıkışında 1029.6 Pa basınç değerleri tespit edildi. Bu durumda AP=l532.l-1029.6=502.5 Pa basınç farkı bulundu. Test düzeneğinde 0.85 m/s ortalama hıza denk düşen basınç farkı 533.664 Pa olarak bulundu. Bu sonuçların ışığı altında ANSYS analiz sonucu ile deney sonucu arasında % 6.2 hata oluşmuştur. Bu değerler kabul edilebilir bir sonuçtur

Aşağıdaki tabloda üç tip vananın çeşitli açılardan karşılaştırılmaları verilmiştir.

Semboller:

AP: Lokal basınç kaybı (N/m;)

K:    Lokal basınç kayıp katsayısı (-)

p:    Akışkan yoğunluğu (kg/m5)

U:    Akışkanın hızı (m/s)

Re: Reynolds sayısı (-)

D:    Boru çapı (m)

V:    Akışkanın kinematik viskozitesi

(m Vs)

Ao: Akışa dik boru kesit alanı (m2) A:    Vana kapama parçasının dik

izdüşüm kesit alanı (m2) 9:    Vana kapanma açısı Cf:   Sürtünme katsayısı (-) L:    Uzunluk (m)

 

Proje Sahibi: Elmak Mak. San. ve Tic. A.Ş. Proje Başkanı: Mak. Müh. İbrahim Akdemir Proje Sorumlusu: Mak. Müh. Mustafa Barış

Proje Konusu: Kelebek Vanalarda Akış Karakteristiklerinin incelenmesi ve iyileştirilmesi Proje Destekleyicisi: Tibed (TÜBİTAK-Teknoloji İzleme ve Değerlendirme Başkanlığı)


Etiketler