POMPALAR VE ENERJİ VERİMLİLİĞİ: KAVİTASYON PROBLEMİ VE POMPA VERİMİNE ETKİLERİ-I

POMPALAR VE ENERJİ VERİMLİLİĞİ: KAVİTASYON PROBLEMİ VE POMPA VERİMİNE ETKİLERİ-I
M. Ziya SÖĞÜT Enerji Verimliliği Derneği, Bursa Şb. Bursa

ÖZET

Pompalar kısaca bağlandıkları sistemler için akışkan basınçlandırma işlemini yerine getiren bir eleman olarak tanımlanabilir. Bu işlemi yerine getirirken, akışkanın termofiziksel özellikleri nedeniyle, akışkan pompa bileşenlerinin mekanik ve malzeme özelliklerine bağlı olarak korozif etkilere yol açabilir. Bu korozif etkiler başta pompa diskleri veya çarkları olmak üzere bileşenlerde kalıcı deformasyonlara ve ppompalarda performan kayıplarına yol açabilir. Bu korozif etkilerin başında kavitasyon gelmektedir. Bu çalışma pomplarda kavitasyon etkisinin tanımlanması, oluşumu ve pompa verimine etkilerini değerlendirmek üzere yapılan bir inceleme çalışmasıdır. Çalışmada kavitasyon oluşumu ve bunun performans etkileri ayrı ayrı değerlendirilmiştir.

GİRİŞ

Günümüzde enerji maliyetlerinde önemli bir paya sahip olan pomppalar, yaşam döngülerinde performans kayıplarına bağlı olarak enerji tüketimlerini ve maliyetlerini yükseltirler. Bu süreçte, pompalı sistemlerin ve özellikle pompaların karşı karşıya kaldığı en önemli problemlerden biri, pompa çarklarında meydana gelen deformasyonlardır. Bu tür problemler çoğunlukla, akışkanın termofiziksel özelliklerine bağlı oluşan kavitasyon etkisi ile tanımlanabilir. Bu etki, öncelikle pompalarda doğrudan, performans kayıplarına, aşırı enerji tüketimine ve sonunda pompa ömrünün kısalmasına yol açar. Temel sorun pompanın nasıl çalıştırıldığı ile ilişkilidir. Ancak bu korozif etki, pompalarda, akışkanın korozif bir etkisi olmadığı durumlar için kavitasyon oluşumu, doğrudan yanlış tasarım ve işletme özelliklerinden de kaynaklanabilir.  

Proseselerde kullanılan akışkan özellikleri dikkate alınmadan yapılan tasarım süreçleri bu tür problemlere yol açabilir. Pompaların tasarım özellikleri ve işletme koşullarından kaynaklanan problemler, akışkan basıncı pompa yüzeylerinin bazı bölümlerinde, akışkanın buharlaşma basıncının altına düşürebilir. Bu öncelikle istenmeyen bir etkidir. Bu etki doğrudan yüzeylerde istenmeyen kabarcık oluşumlarına ve korozif etkilere yol açar. Oluşan bu kabarcıklar, akış basınç etkisiyle pompa çarklarında doğrudan metal kopmalarına ve çark yüzeylerinin aşınmasına yol açar. Bu metal deformasyonu da kavitasyon etkisi olarak tanımlanır. Pompa çark defermasyonlarına ilişkin görüntüler Şekil 1’de verilmiştir. 

 

 

Şekil 1 Pompa çarklarında kavitasyon etkileri[1,2]

 

Pompalarda perormans kayıpları doğrudan enerji tüketimlerini etkiler. Bu tür kavitasyon problemleri pompalarda yaklaşık %30’lara varan enerji tüketim kayıplarına ve maliyetlere yol açabilir[3]. Ayrıca bu etki basınç darbeleri üretir ve oluşan osilasyon enerjileri, pompa bağlantılarında da gürültü oluşturur. Bu nedenle kavitasyon etkisi pompalarda doğru anlaşılmalıdır. Bu çalışmada pompalar için kavitasyon oluşumu kapsamlı incelenmiştir. 

 

KAVİTASYON OLUŞUMU VE POMPA ÖZELLİKLERİ

Kavitasyon kısaca akışkanlarda boşluk veya kabarcık oluşumunu ifade eder. Bu oluşum akışkanın local noktalarda yaşadığı faz değişim olarak tanımlanır. Gerçekte akışkan içerisinde hız artışları, bernolli teorimine göre, basınç azalmasına neden olur. Bu basınç düşüşü bazı lokla koşullar için akışkanın doyma basıncı olarak tanımlanabilir ve doyma basıncının altına düştüğ koşullarda buhar fazına geçmeye çalışan akışkan, soğuk kaynama denilen hava kabarcıklarının oluşmasına neden olur. Bu süreç kavitasyon olarak tanımlanır. Mühendislik analizlerinde kavitasyon kavramı bir boyutsuz sayı ile tanımlanır. Bu sayı;

 

 

dir. Burada Pa kısmi basıncı, Pv akışkanın tanımlana sıcaklıkta buharlaşma basıncını, ρ akışkan yoğunluğunu ve V karekteristik akış hızını ifade etmektedir. Bu boyutsuz sayı her akışkan için tanımlanmış bir kritik sayı ile tanımlanır. Bir akışın kavitasyon yaratıp yaratmayacağı bu kritik noktaya göre ifade edililir.  Bir akış için kavitasyon üretip üretmeyeceği kısmi basıncın, akışkanın tanımlanan sıcaklık için doyma basıncı ile mukayese edilerek söylenebilir. Yanı kısaca Pa> Pv ise bu akışta kavitasyon oluşmaz denebilir. Bu kavram doğrudan sıvı akışkanlar için geçerlidir ve akış basıncına bağlı oluşur. Akış formunda, dinamik bir etkidir ve doğrudan katı yüzey (çark yüzeyleri) teması sonucu oluşur. Ancak bu noktada doğrudan hareket hali olması gerekmemektedir [4].    

Pompalar optimum çalışma noktasının altında çalıştırılması durumunda tasarım koşulları korozyon oluşumunu arttırabilir. Örneğin satrifüj pompalarda, sabit gövde arasındaki dar aralıklar kavitasyon defermosyonuna uygun alanlardır. Bu bölümlerdeki duyarlılık, pompalarda çoğunlukla kanat uçlarında defermasyon oluşumunu tetikler. Bu defermasyonun oluşumu doğrudan kanat ile gövde arasında ortaya çıkan vortekslerle ifade edilebilir. Bu nedenle tasarımda bu tür defermasyon tehdidinin azlatılması için uygun malzeme tercihi önem kazanır.

Pompalarda korozyon oluşumu farklı yapılarda ortaya çıkabilir. Bunlar; malzemelerin melanik özelliklerini etkileyen ve malzemenin içyapısında oluşan tanecikler arası korozyon, özellikle rotodinamik pompalarda ortayaçıkan ve metal yüzeyler çukur oluşumuna neden olan erozyon korozyonu, kır döküm yüzeylerde özellikle tuzlu sulardan oluşan galvanik korozyonu olmak üzere üç farklı yapıya sahiptir. Pompa tercihleri ve tasarım özelliklerinde bunlar dikkate alınmalıdır[1].  

Pompalar, ideal çalışma noktalarında, en yüksek hidrolik verime sahiptir ve akış formunda tüm bileşenleri gibi çark ve difüzör kanatlarında da sorunsuz çalışır. Ancak ömür süreçlerinde, pompalar her zaman seçilen değerlerde çalıştırılmazlar. Bu urum, ister altında ister üstünde olsun, doğrudan pompaların ömür süreçlerini etkiler. Bu ömür süreç maliyetlerinde pompa bakım maliyetleri ile enerji maliyetlerini olumsuz etkiler. Pompa imalatçıları bu durum için pompaların çalışma problemlerini de dikkate alarak, çalışma debi aralıklarını dikkate alırlar. Örneğin, düşey milli pompalar için çalışma debileri normal koşullarda %70 ile %120 aralığına sahiptir. Ancak ömür sürecinde debide uzun süreli veya sık değişimler pompalarda zamana problemlere yol açar[5,6]. Düşük debilerde çalışmaya zorlanan pompalarda oluşabilecek problemler Şekil 2’de verilmiştir.

Sekil 2. En verimli noktadan uzaklasma ile olusacak problemler [5,6]

 

Şekil 2’de görüleceği gibi, her iki yönde çalışma noktasından uzaklaştıkça kavitasyon etkisinin arttığı görülmektedir. Bu koşul her iki durum için pompalarda çalışma noktasının önemini ortaya çıkartmıştır. Şekil 2’den de görülebileceği gibi debisel azalmanın pompa bileşenleri üzerinde farklı defermasyonlara yol açabilmektedir. Bu problemler veya kavitasyon etkileri, pompalarda; performans kaybı, hidrolik kararsızlık ve basınçta kararsızlık gibi çalışma rejimini doğrudan etkileyen problemlere neden olurlar.

Pompalarda çalışma rejimi sürecinde kavitasyonun ortaya çıkabileceği bileşen; pompa çarklarıdır. Burada kontrol edilmesi gereken ilk parametre, akışkan basınç değeridir. Bu değerin akışkan yönüyle eleman üzerinde buharlaşma basıncının üzerinde olmasına dikkat edilmelidir. Bu durum doğrudan emme basıncının yeterli bir değere ulaşıp laşmadığı ile ilişkilidir. Pompa emme basıncı düşük kalırsa; basma hattı da etkilenir ve basma yönünde basınç düşer. Pompanın ideal çalışma noktası dikkate alındığında, pompa debisinin bu nokta altında çalşması halinde akışkanın buharlaşma etkisi artar. Bu durum çark için harcanan enerjinin büyük kısmının ısıya dönüşmesiyle oluşur. Bu da çark kanatlarında akışkanın buharlaşma basıncının altına düşmesine ve kavitasyonun oluşmasına neden olur. Bu durum özellikle uzun süreli çalşan pompalarda, performans kayıplarının nedeni olarak görülebilir. Performans kaybı doğrudan, Şekil 3’de olduğu gibi pompa için kavitasyonlu bir çalışma rejimi olarak da görülebilir[7].

 

Şekil 3 Kararlı çalışmada buhar kabarcık oluşumu[7]

 

Hidrodinamik kararsızlık ise kavitasyonun pompalardaki bir başka etkisidir. Pompaların çalışma noktasının altında bazı kısmı debiler için akış açısı ile çark kanadının giriş açıları arasında uyumsuzluk, akış formunun bazulmasına yol açar. Özellikle ön yanak kısımlarında daha da belirgin bir özellik göstermektedir. Bu akım bölgelerinde kısmi vortekslerin oluşumuna ve yüzey etkisiyle ter s akım döngülerine neden olur. Akış formundaki bu bozulmalar debinin azalmasıyla birlikte artacak ve bu alanlarda düşük basınç etkisiyle birlikte kavitasyon ortaya çıkacaktır. Bu etki doğrudan emme hattı boyunca daha düşük basınç gradyenlerinin etkisine bağlı olarak artacaktır[7]. Bu durum Şekil 4’de görüleceği gibi hidrodinamik kararsızlığa bağlı olarak kavitasyon oluşumunu tetikler.

                                                           

        a. Kabarcık başlangıcı                   b. Büyüme ve ilerleme                             c. Çökme

 Şekil 4 Hidrodinamik kararsızlık[7]

 

Bir pompanın en önemli karekteristik özellikleri, debi, manometrik basma yüksekliği, verim ve güç’tür. Pompanın karekterisitik özelliklerinden önce bir pmpanını pompalama özelliğini tanımak gerekir. Pompalar kullanım amaçları farklı olsa da işlevsel olarak benzer yapılar içermektedir. Ancak her pompanın kullanım amaçları da dikkate alınarak farklı bileşenleri sahip olduğunu söylenebilir. Bu çalışmada özellikle mekanik tesisatlarda tercih edilen santrifüj pompalar üzerinden bir değerlendirme esas alınmıştır[7]. Bu kapsamda bir santrifüj pompanın işlevlerini yapabildiği kısımları Şekil 5’de verilmiştir. 

 

                                                       

a       a. Kabarcık başlangıcı             b. Parçacıkların büyümesi                     c. Kısmi çökme

Şekil 5 Hidrodinamik kararsızlık[7]

Akış kararsızlıklarına bağlı oluşan kavitasyon süreci doğrudan erozyona yol açar. Bu etki yüksek basın altında, mertal deformasyonu ile birlikte, yüzeylerde doğrudan metal patlama veya kopmalara yol açar. Bu defermasyon etkisi akış formu ile ilişkili olarak, karasızlığın sürekliliği halinde yoğunlaşır ve erozyon oluşumu artar. Bu etki Şekil 6’da bir sirkülasyon çark kanadında görülebilir.

Şekil 6 Santrifüj pompa çarkında erozyon oluşumu[1]

Kavitasyon problemi gürültünün de en önemli nedenlerinden biri olarak görülebilir. Bunun nedeni özellikle basınç çalkantılarıdır. Bu oluşumların şiddeti kavitasyon artışı ile birlikte yoğunlaşır. Pompa tasarımında kavitasyon oluşum parametreleri dikkate alınmalıdır. Bu parametreler kısaca;

        1.      Emme haznesinde düşük basınç

        2.      Pompanın ani durması / yol alması sonucu sıvı kolonunun kopması

        3.      Emme borusu yük kayıplarının fazla olması

        4.      Kavitasyon riski olan kritik hatlar

        5.      Sıvı içinde erimiş halde bulunan yüksek miktarda hava ve gazlar

        6.      Sıvı sıcaklığının artması

        7.      Sıvı içindeki asılı maddelerin çoğalması

        8.      Sıvı ve buhar fazlarının dengesinde yüzey gerilimi, buhar yoğunluğu ve ısıl iletkenlik olarak              

                 tanımlanabilir.

 

SONUÇLAR

 

Pompalar, ömür süreç maliyetlerinde enerji tüketimine bağlı maliyetler en önemli maliyettir. Bu kavitasyon etkisiyle performansın düşmesine bağlı olarak artar. Bu nedenle akış kararlılığı başta olmak üzere pompanın optimum çalışma noktasında seçimi ve kullanımı bu etkinin oluşumunu engeller ve pompa maliyetlerini kontrol altına alır. Bu yönü ile çalışma pompalarda kavitasyon oluşumu ve etkilerinin tanımlandığı bir inceleme sunmuştur. Bu çalışma bir sonraki çalışmada, kavitasyon ile doğrudan ilgili Emmedeki Net Pozitif Yük (ENPY), Emmedeki Net Pozitif Yük gerekli (ENPYG), Emmedeki Net Pozitif Yük Mevcut (ENPYM), Maksimum Emme Yüksekliği (MEY) kavramları ve bunların kavitasyon etkileri anlatılacaktır.

 

KAYNAKLAR

[1] Hamdi Nadir Tural, Pompalarda Malzeme Kaynaklı Hasarlar ve Malzeme Seçimi, Standart Pompa, 7. Pompa ve Vana Kongresi – Mayıs 2011

[2] KSB, Santrifüj pompalar, KSB pompa, Ankara, 2017

[3] Derya Çuha, Santrifüj Pompanın Çalışma Noktasının Bakım Maliyetine Etkisi, Gazete Grundfos, Grundfos pompa, İstanbul, Eylül, 2010

[4] Kadir kırkköprü, Erkan Ayder, Akışkanlar Mekaniği, Literatür yayıncılık, 2004

[5] Martins, G., Lima, E. , "How to improve reliability in centrifugal pump systems through the

automatic tuneup of pumps within their best operational condition".

[6] Özgür Canbaz, Onur Konuralp, Kahraman Albayrak, kısmi yük altında çalışan pompalarda kararsız akış bölgesinden incelenmesi, http://www.laynebowler.com.tr/indir/kismiyukyaz.pdf

 

[7] Mehmet Kaya,  Pompalarda Kavitasyon ve Öngörme Yöntemleri, 8. Pompa ve Vana Kongresi – Mayıs 2013

 

  • Tatlısu Meh. elalmış Cad. Seyhan Sk. 7/1 Şerifali - Ümraniye/İSTANBUL
    info@odaklimedya.com
    0 216 527 32 62
copyright