Vana ve Süzgeçler İçin Yersel Enerji Kayıp Katsayısının Araştırılması

ÖZET
Bu çalışmada piyasada mevcut ve pratikte aynı amaçla kullanılandeğişik çap ve tipte vana ve süzgeçler (pislik tutucular) için enerji kayıp katsayıları deneysel olarak tesbit edilmiştir. Belirlenen kayıp katsayılarına göre, çeşitli tip ve çaplarda herbir eleman için birim zamanda elemandan geçen akışkan miktarı (debi) ile meydana gelecek enerji kaybının değişimi grafik olarak sunulmuştur. Ayrıca deneysel çalışmada sabit sıcaklık (17°C ortam sıcaklığı) için su ile yapılan ölçümler baz alınarak test edilen elemanlar için su sıcaklığının değişimi ile debi-enerji kaybı ilişkisi araştırılmıştır. Aynı debi değerinde sıcaklık ile enerji kaybı azalırken kayıp katsayısının sabit kaldığı görülmüştür. Sonuç olarak bulunan değerler irdelenmiş ve tercihler açık bir şekilde bildirilmiştir.

1. GİRİŞ
Teknikte akışkan ortam naklinin söz konusu olduğu bir sistemin proje safhasındaki hesaplamalarında enerji sarfiyatının doğru olarak belirlenmesi oldukça büyük bir önem taşır. Bunun için sistemin çok iyi analiz edilerek, enerji kaybına neden olacak elemanların uygun seçilmesi gerekmektedir. Örneğin; herhangi bir boru devresinde kullanılacak boruda meydana gelecek düz boru (universal) enerji kaybı, öngörülen akış debisinde artan boru çapı ile azalır, buna karşılık borunun maliyeti açısından ekonomik olmamaktadır. Görüldüğü gibi, standart bir malzeme olan ve tesiste kullanılması düşünülen borunun ekonomik çap değerinin belirlenmesi proje safhasında  halledilmesi gereken bir konudur. Diğer taraftan sistemde kullanılacak ve yersel (lokal) enerji kaybına neden olacak elemanların (vana, süzgeç vb.) da enerji kayıp katsayılarının biliniyor olması gerekir. Vana, süzgeç, dirsek gibi yersel enerji kaybına neden olan elemanlarda meydana gelecek enerji kaybının; akım çizgilerinin yön değiştirmesi ve bozulması sonucu ortaya çıktığı bilinmektedir. Bu nedenle yersel enerji kaybının minimuma indirilebilmesi, akım hatlarının minimum bozulmasına neden olacak dizaynın gerçekleştirilmesi ile mümkün olabilir. Bir diğer ifade ile, uygun dizayn edilmiş bir elemanın küçük kayıp katsayısı değerine haiz elemanların (vana, süzgeç vb.) da enerji kayıp katsayılarının biliniyor olması gerekir. Vana, süzgeç, dirsek gibi yersel enerji kaybına neden olan elemanlarda meydana gelecek enerji kaybının; akım çizgilerinin yön değiştirmesi ve bozulması sonucu ortaya çıktığı bilinmektedir. Bu nedenle yersel enerji kaybının minimuma indirilebilmesi, akım hatlarının minimum bozulmasına neden olacak dizaynın gerçekleştirilmesi ile mümkün olabilir. Bir diğer ifade ile, uygun dizayn edilmiş bir elemanın küçük kayıp katsayısı değerine haiz zaten budur. Bir elemanın küçük kayıp katsayısı değerine haiz olanı, daha az enerji kaybına neden olacaktır ki, bu da imalatçı firmanın yapım esnasında enerji kaybına verdiği önemi vurgulayan bir kriter olmaktadır. Mühendislik açısından kayıpları yok etmek mümkün değilse de asgariye indirmek mümkündür. Kayıp katsayısı yüksek olan bir elemanı bedava bile almak birçok hallerde ekonomik olmayabilir. O halde boru sistemlerinde eleman seçimi öyle gelişigüzel değerlendirilecek bir konu değildir. Üzerinde çok büyük hassasiyetle durmak gerekir. Mühendislik de zaten budur. Değişik yöntemlerle değişik katsayıların sunulduğu, hatta yanlış kriterlerden hareket edilerek yanlış bulgulara gidildiği karşılaştığımız olaylarda ortaya çıkmıştır. Üniversite Endüstri işbirliği çerçevesinde bu konuya bir açıklık getirilmesi gerektiği aşikardır. Bu çalışmada, piyasada mevcut baskılı (salmastralı) ve pistonlu (ringli) üç değişik çapta vana ile T ve Y tipi üç değişik çapta süzgeç test edilmek suretiyle her çap için elde edilen K kayıp katsayısı değerleri ve sözkonu su elemanlardan geçen akışkan miktarına göre meydana gelen enerji kayıpları çıkarılmıştır. 

2. KURAMSAL İNCELEME
Yersel enerji kaybına neden olan bir elemanın, enerji kaybı ifadesi akışkan ortamın birim ağırlığı için

Burada H_k ; meydana gelen enerji kaybı. K; kayıp katsayısı. V ise kayıp doğuran elemandan sonraki akis. kesitine ait akımın ortalama hızıdır. 

Şekil 1'de görüldüğü gibi, yatay düzenlenmiş ve giriş-çıkış kesitleri aynı olan yersel enerji kaybı test edilecek elemandan geçen suyun akımında meydana gelen enerji kaybının belirlenmesi için, eleman giriş ve çıkış kesitlerine yerleştirilmiş bir (cıvalı) difransiyel manometrede okunacak Δh cıva seviye farkı yardımıyla belirlenecek basınç düşüsü :

şeklindedir. Enerjinin korunumu gereği :

olup çıkış kesitindeki akımın ortalama hızı, akımın debisi yardımıyla :

olarak yazıldığında test edilen elemanın kayıp katsayısını veren ifade :

olarak yazılır. Sistemde yer alan vana'dan geçen akımın belirlenen debi değerinde okunacak Ah cıva seviye farkı yardımıyla, eleman kayıp katsayısı K, (5) ifadesinden saptanabilir. Test edilen (örneğin vana) elemanın K değerinin belirlenmesi esnasında kullanılan akışkan ortamın sıcaklığı, ortam viskozitesi üzerinde önemli bir rol oynamaktadır. Ortam viskozitesi ile yakın ilişkisi olan enerji kaybının, değişen viskozite ile değişeceği söylenebilir. Bu değişimin belirlenmesi için, kapalı kanallarda akım olayında benzerlik şartından Reynolds sayılarının aynı olması aranır. Şöyle ki, 17°C'de su ile yapılan çalışmada akımın Reynolds sayısı Re₁ ise, herhangi bir T°C'de su ile yapılan çalışmada akımın Reynolds sayısı Re₂ olarak alındığında, bu iki akımın benzeşimi için :

olmalıdır. Burada D₁ = D₂ olduğundan:

olur. (1) ifadesi her iki sıcaklıktaki su için yazılır ve taraf tarafa bölünürse: T°C'de su enerji kaybı, 17°C'deki suda meydana gelen enerji kaybı yardımıyla:

olarak yazılabilir. Böylece, 17°C'de v₁ kinematik viskozite değerine haiz suda elde edilen belli bir Q değerindeki basınç düşüşü (enerji kaybı) (Ap/y)ı iken, ortam sıcaklığı T için kinematik viskozite değeri V₂ olduğunda aynı Q değeri için basınç düşüşü (Δp/γ)2 değeri (8) ifadesi ile hesaplanabilir. Bu ifadelerden,sıvı ortamlarda viskozite sıcaklıkla azalacağından, enerji kaybının sıcaklıkla azalacağı, ancak kayıp katsayısı K'nın değişmeyeceği kolayca görülür.

3.DENEY SETİNİN KONSTRÜKTİF ÖZELLİKLERİ
Deney setinin şeması Şekil 1'de gösterilmiştir. Buna göre sistem bir pompa tarafından beslenmekte ve 1 inçlik boru şebekesi ile kapalı devre olarak çalışmaktadır. Teste tabi tutulan elemanlar, çaplarına göre kademeli bir redüksiyon bağlantısı ile sisteme monte edilmekte ve lokal kayıp elemanının giriş ve çıkışı arasındaki basınç farkı cıvalı diferansiyel manometre yardımıyla tesbit edilmektedir. Deney esnasında sistemin debisi tesisat çıkışına yerleşitirilen bir vana ile ayarlanmakta ve değeri tartı mekanizmasıyla W = 7.5, 15, 22.5 ve 30 (kg kütle veya) litre hacmindeki suyun birikmesi için geçen zaman t kronometrede okunarak, Q=W/t.10-3den m3/s olarak hesaplanmaktadır.

4.DENEYSEL ÇALIŞMA
Şekil l'de görüldüğü gibi düzenlenmiş bir deney setinde; 17°C ortam sıcaklığındaki su ile yapılan deneylerde 25 mm, 50 mm, 80 mm çaplı yana ve süzgeçlere ait K kayıp katsayısı değerleri deneysel olarak çıkarılmıştır. Bunun için. kuramsal inceleme kısmında verilen (5) bağıntısından istifade edilmiştir. Bu ifadede yer alan yerçekimi ivmesi (g) 9,81 m/s2 , özgül ağırlıklar oranı (γc/γs) 13,6 alınmak suretiyle test edilen : 25 mm çaplı elemanda D = 27 mm, 50 mm çaplı elemanda D = 53 mm, 80 mm çaplı elemanda ise D = 80,5 mm olarak ölçülen gerçek değerler kullanılarak, akımın debisi Q=(W/t). 10-3den hesaplanmıştır. Burada Q=(m3/s olarak) sistemin debisi, W litre olarak tartı kefesinde biriken su miktarı, t ise W miktarında suyun birikmesi için kronometrede (saniye olarak) okunan zamandır, test esnasında sabit sıcaklık şartlarında herbir eleman için en az on ölçüm yapılarak bunlardan altı tanesi esas alınmış ve hesaplamalar yapılarak tablolar teşkil edilmiştir. Buna göre pratik olarak kayıp katsayıları : 
25 mm çaplı elemanlar için,

bağıntılarından yararlanılır. Burada diferansiyel manometrede okunan yükseklik farkı Δh mm olarak, ölçülen hacim W lt olarak ve ölçülen bu hacmin toplanması için geçen zaman kronometreden s olarak tesbit edilip yerlerine konulacaktır. Buna göre elde edilen K değerleri aşağıdaki tablolarda ayrı ayrı sunulmuştur.

5. SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ
Yapılan deneysel çalışmada, piyasada mevcut ve pratikte kullanılan iki farklı tipte ve üç değişik çapta vana ve süzgeçler için K kayıp katsayısı değerleri belirlenmiş ve belirlenen K değerleri, test edilen her bir eleman için ortalama değer alınmak suretiyle Tablo 1,2,3 ve 4'te verilmiştir. Test edilen elemanların K kayıp katsayısının çap ile değişimi ise (tablolardaki ortalama değerlerle) şekil 2'de grafik olarak sunulmuştur. Gerek tablolardan ve gerekse Şekil 2'deki eğrilerden görüldüğü gibi; her çap değerinde baskılı vanada kayıp katsayısı pistonlu vanaya nazaran daha küçüktür. Ancak çap artarken bu fark artmaktadır. Çap 25 mm için bu değerler birbirine çok yakınken, 50 mm çapta (6.930/4.580) 1.5 katı, 80 mm çapta ise (6.269/2.026) takriben üç katı olmaktadır. Enerji kaybı açısından her konumda baskılı vananın daha avantajlı olduğu söylenebilir. Süzgeçlerde ise; her iki süzgeçde kayıp katsayısının çap artarken az da olsa arttığı, ancak Y tipi süzgeçlerde kayıp katsayısı K'nın, T tipi süzgeçlere nazaran, her çap değerinde, daha küçük olduğu açıkça görülmektedir. Büyük bir maliyet ve kalite farkı olmadığı taktirde baskılı vana ile Y tipi süzgeçlerin (bilhassa büyük çap değerlerinde) tercihe şayan olduğu kaba bir değerlendirme ile hemen söylenebilir. Ancak maliyet ve kalite farkı mevcut olduğunda da işletmenin kapasitesine göre bir optimizasyon yapılması gerekir. Zira enerji kaybı uzun vadede işletme maliyetleri üzerinde çok büyük etken olmaktadır. Ayrıca, Şekil 3,4 ve 5de; üç değişik çapdaki bu dört eleman için değişik debilerde enerji kaybı (Ap/y) değeleri ayrı ayrı hesaplanarak değişimleri verilmiştir. Gerek vanalara ve gerekse süzgeçlerde debiye göre enerji kaybının nasıl değiştiği takip edilebilir, veya, her çap değeri için sistemden geçen debiye göre enerji kaybı bu grafiklerden doğrudan doğruya okunabilir.