Akışkanlar pompalar, fanlar ve kompresörlerle hareket
ettirilirler. Bunlar akışkanın mekanik enerjisini artırır; enerjideki artış
hızın, basıncın veya akışkanın yüksekliğini artırmada kullanılır. Enerji
eklenmesinde en yaygın iki yöntem, dış kuvvetlerle pozitif yer değiştirme ve
santrifüj etkidir. Bu yöntemlerle iki sınıf akışkan itici cihaz dizayn
edilmiştir; bunlar akışkana,
- Doğrudan
basınç uygulayan (pozitif yerdeğiştirme) cihazlar,
- Tork
uygulayarak dönme sağlayan (santrifüj pompalar, blowerler ve kompresörler)
cihazlardır.
Pozitif-yerdeğiştirmeli cihazlarda kuvvet, bir silindir
içindeki pistonla (pistonlu pompalar), veya dönen basınç elemanlarıyla (döner
pozitif yerdeğiştirmeli pompalar) sağlanır.
"Pompa, fan, blower, kompresör" sözcükleri her
zaman yerli yerinde kullanılmaz. Örneğin, "hava pompası" ve
"vakum pompası" bir gazın sıkıştırılmasında yararlanılan cihazlardır.
Genel olarak pompa "bir akışkanı hareket ettiren", fan, blower,
kompresör ise "bir gaza enerji veren" sistemlerdir. Fanlar, açık
alana veya geniş kanallara büyük hacimlerde gaz boşaltır; düşük-hızlı döner
cihazlardır ve birkaç in su basıncı yaratırlar. Blowerler yüksek-hızlı döner cihazlardır,
pozitif yerdeğiştirme veya santrifüj
kuvvet kullanırlar; yaratılan en yüksek basınç 35 lbf / in2
dir. Kompresörler 35 lbf/ in2 den binlerce atmosfere
kadar çıkan basınçlar verir. Santrifüj veya turbo kompresörler basıncı 100 lbf
/ in2 ye kadar çıkarırlar.
Pompalar ve fanlarda akışkanın yoğunluğu önemli derecede
değişmez ve sıkıştırılamayan-akışkan teorisi geçerlidir. Blowerler ve
kompresörlerde yoğunluk artışı çok büyüktür; bunlar sıkıştırılabilen-akışkan
teorisine uyar.
Bu cihazların hepsinde akış kapasitesi (belirli bir
yoğunlukta birim zamandaki volumetrik akım), güç ve mekanik verim önemlidir.
Kullanım amacına uygunluk ve bakım kolaylığı da önemli özelliklerdir.
Temel
İlkeler
Bir akışkanın boru veya kanaldan hareketi
detaylandırıldığında altı yöntemle karşılaşılır:
- Santrifüj
kuvvetle
- Mekanik
olarak veya diğer akışkanlar yoluyla hacimsel yerdeğiştirmeyle
- Mekanik
impulsla
- Diğer
bir akışkandan momentum transferiyle
- Elektromagnetik
kuvvetle
- Ağırlıkla
(gravite) hareket
Akışkanın fiziksel özelliklerine bağlı olmaksızın
(sıkıştırılabilir veya sıkıştırılamaz) bu altı yöntem, akışkanın taşınmasındaki
tüm gerekli bilgileri içerir.
(1) Santrifüj Kuvvet Uygulanması: Akışkana santrifüj
kuvvetlerinin uygulanması ile kinetik enerjisinin arttırılması ve bu kinetik
enerjinin, akışkanın hızını verimli bir şekilde düşürerek basınca
dönüştürülmesi şeklinde açıklanabilir. Pompalar ve kompresörlerin büyük bölümü
bu ilkeye göre çalışır. Mekanik implus ve santrifüj kuvvetin birlikte
uygulanmasıyla akışkanın basıncını arttıran cihazlar, eksensel akışlı pompa ve
kompresörlerdir. Bu cihazlarda akışkan, cihaz şaftına paralel hareket eder;
hareketi sırasında bir seri duran veya dönen parçaların arasından geçer. Döner
hareket yapan mekanik parçalar tarafından verilmiş olan ivmelerle akışkanın
eksen boyunca hızı artar. Bunun sonucu olarak eksen boyunca bir basınç profili
oluşur. Cihaz içinde her bir kademedeki net basınç artışı, iki etkenin
(santrifüj kuvvet+mekanik olarak itici kuvvet) müşterek sonucudur.
Santrifüj kuvvetlerine dayanarak akım ileten ekipmanların
aşağıda belirtilen 4 özelliği vardır: (a) çıkış akımında titreşim ve salınımlar
yoktur, (b) bu tip ekipmanlar hemen her kapasite için dizayn edilebilirler;
uygulamada bir kapasite sınırlaması ile karşılaşılmaz, (c) sabit hız işletmesinde
bile geniş bir basınç ve kapasite bölgesinde verimli çalışabilir, (d) çıkış
basıncı akışkanın yoğunluğunun bir fonksiyonudur.
(2) Hacimsel Yer Değiştirme: Bir hacimdeki akışkanın
yerini, başka bir maddenin alması veya bu işlemin mekanik olarak yapılması ile
akışkanın yer değiştirmesi yöntemidir. Bu yöntem pistonlu pompa ve
kompresörlerde, diyaframlı sistemlerde, havalı kaldırma sistemlerinde, asit
transfer tanklarında, döner vanalar veya dişli tip vanalarda uygulanır.
Hacimsel yer değiştirmeli akım iletim cihazları çok çeşitli
olduğundan bunların ortak özelliklerinin toplanması zordur, ancak bazı
özellikler büyük bir çoğunluk için doğrudur: (a) yüksek basınç için
uygundurlar, (b) çıkış akımlarında bir titreşim ve salınım mutlaka vardır;
bunun önlenmesi isteniyorsa salınım söndürücü cihazların konulması gerekir, (c)
mekanik yapılarından dolayı kapasite kısıtlamaları vardır, (d) düşük akımlarda
daha verimli çalışırlar.
(3) Mekanik İmpuls (İtici Kuvvet) Uygulaması:
Akışkana mekanik olarak itici kuvvet uygulanması, genel olarak diğer
uygulamalarla birarada görülür. Santrifüj kuvvet uygulamasında bunun örneği
verilmiştir. Türbinler ve rejeneratif pompalar bu yöntemin uygulandığı
cihazlardır.
(4) Diğer Bir Akışkandan Moment Taşınması: Bir
akışkanın ivmesini arttırarak kazanılan momentumun diğer bir akışkana
iletilmesidir. Jetler veya ejektörler bu metodun uygulandığı cihazlardır. Bu
yönteme dayalı ekipmanlar korozif maddelerin iletilmesi ve transferi, bazı
maddelerin derinliklerden çekilmesinde ve
vakum yaratılmasında kullanılır.
Bu tip cihazların verimi normalde düşüktür. Momentinden
yararlanılacak akışkanın hava veya buhar olması halinde bu ekipmanların verimi
diğer gruptakilerden bir kaç kat daha düşüktür. Diğer taraftan hareketli
parçalarının olmaması, yapılarındaki ve kurulmalarındaki basitlikleri,
zorlayıcı şartlarda kullanımlarını çekici kılabilmektedir.
(5) Elektromagnetik Kuvvet Uygulaması: Çoğunlukla
erimiş metallerde olduğu gibi akışkanın iyi bir elektrik iletken olduğu
durumlarda akım yolunda yaratılacak bir magnetik alan, akışkanın taşınması için
bir itici güç olmaktadır. Bu ilke üzerine geliştirilmiş pompalar, nükleer
santrallarda ısı iletim sıvılarının iletilmesinde kullanılabilmektedir.
Terimler
Herhangi bir akışkan ileten cihazın yaptığı kullanılabilir
iş, iki terimle tanımlanır:
- Cihaz
içinden geçen akışkanın zaman birimindeki miktarı,
- Cihazdan
hemen önce ve sonra ölçülen basınç farkının, akışkanın sıvı yüksekliği
cinsinden ifadesi.
Bunlardan birincisi "kapasite", diğeri "emme
yüksekliği" ve "basma yüksekliği" (head) olarak isimlendirilir.
Burada sıvıların pratikte sıkıştırılamaz kabul edildiğinin
yinelenmesinde yarar vardır. Bu ifade düşük basınçlarda doğrudur, ancak çok
yüksek basınçlarda bazı sıvıların yoğunluklarında meydana gelen değişiklikler
için, akışkanın bu özelliğinin dikkate alınması gerekir.
Durgun haldeki bir sıvının bir noktasındaki basınç, sıvının
yüzeyine yapılan basınç ile, o nokta üzerindeki akışkan kütlesinin yarattığı
basıncın toplamıdır. Sıvı açık bir kapta ise yüzeydeki basınç atmosfer
basıncıdır. Bu şekilde bir sıvı üzerine uygulanan basınç, sıvının her tarafına
eşit olarak iletilir. Sıvı içinde bir noktadaki basınç bu nokta ile temasta
olan yüzeylere dik olarak etki eden kuvvetler yaratır. Tüm akışkan basınçları,
yeterli uzunluktaki bir kolonu doldurmuş akışkan ağırlığının eşdeğeri cinsinden
ifade edilebilir.
Akışkanların transferinde cihazlarla ilgili basınçlar
yerine, yükseklik kullanılması benimsenmiştir. Pompalardan ve kompresörlerden
bahsederken "basma yüksekliği" denildiğinde, pompanın, iletilmesi
konu olan sıvıyı hangi yüksekliğe kadar çıkaracağı anlaşılmalıdır. Basma
yüksekliği, genellikle feet veya metre olarak verilir. Pompanın çıkış basıncı,
basma yüksekliğinin akışkanın yoğunluğu ile çarpılmasıyla bulunur:
p(lb/in2) = ft/12 (in) x r (lb/in3)
p(lb/in2) = ft/12 (in) x r (lb/in3)
Kapasite: Kapasite, pompa veya kompresörlerin zaman
biriminde bastıkları akışkan miktarıdır. Kapasite için çeşitli birimler
kullanılabilir. Genellikle kullanılan hacim birimi galon / dakika, m3
/ dakika gibi olmakla beraber, üretimde daha çok ağırlık birimi olan kg/saat,
lb/saat kullanılır. Sıkıştırılabilir akışkanlar (gaz ve buhar) söz konusu
olduğunda, çoğunlukla hacim birimi kullanılır ve akışkanın cihaza
(pompa+kompresör) giriş noktasındaki hacmi verilir. Bunun için basınç ve sıcaklığın
açıkça belirtilmesi gerekir.
Hız: Sıvı akışkanlarda, akışkanın bir noktadan belli
bir zaman süresi içinde geçen miktarı ile akışkanın hızı arasında bir bağlantı
vardır.
Viskozite: Viskozite, akışkanın akmaya karşı gösterdiği
direnç olarak tarif edilmektedir; akışkanların fiziksel özelliklerindendir ve
sıcaklıkla değişir (sıcaklık yükseldikçe azalır). Viskoz akışkanlar iletimde
daha fazla pompa gücüne ihtiyaç gösterirler; diğer bir deyişle, yüksek
viskozite pompanın verimini, kapasitesini ve basma yüksekliğini düşürücü yönde,
akımın geçtiği borulama içindeki sürtünme kuvvetlerini ise arttırıcı yönde etki
eder.
Sürtünme Yüksekliği (Friction Head, hf):
Akışkanın borulama sisteminde ilerlerken karşılaştığı sürtünme kayıplarını
yenmesi için gerekli olan ve akışkanın yüksekliği cinsinden verilen basınç,
sürtünme yüksekliği olarak tanımlanır.
Emme Yüksekliği (Suction Head, hS): Pompa
emişinde bulunan göstergede okunan basıncın, akışkanın yoğunluğuna bölünerek
bulunan sıvı yüksekliği ile, bu noktada akışkanın içerdiği hızdan kaynaklanan
sıvı yüksekliğinin toplamıdır.
hs = hsg +
Atm + hvs
hs = hss –
hfs
Hız Yüksekliği (hv): Bernoulli eşitliğinde
bulunan terimler hatırlanacak olursa mekanik enerjiyi karşılayan terimin V2
/ 2 gc olarak verildiği, V = ft / sn ve gc=ft/sn2
olduğu düşünülürse, Bernoulli eşitliğindeki terimlerin sıvı yüksekliği cinsinden
ifade edildiği görülür.
hv = V2
/ 2 gc = 0.0155 V2
Basma Yüksekliği (Deşarj Head, hd): Pompa
çıkışında bulunan göstergede okunan basıncı karşılayan sıvı yüksekliğine, bu
noktadaki hız yüksekliğinin ilavesi ile bulunan değer basma yüksekliğidir.
hd = hdg +
Atm + hvd
Toplam Dinamik Yükseklik (H): Toplam dinamik
yükseklik, toplam basma yüksekliği ile toplam emme yüksekliği arasındaki fark
olarak tanımlanır.
H = hd – hs
Pompalamada İşin Tanımı
Bir akışkanın graviteye karşı hareket ettirilmesi bir iş yapmayı gerektirir. Bir pompa akışkanı belli bir yüksekliğe çıkarttığı gibi, basınçlı bir kabın içine girmesini veya sadece bir noktadan diğerine, borulamadaki kayıpların yenilmesiyle taşınmasını sağlar. Pompadan nasıl bir servis istenirse istensin, sıvıya uygulanan enerjiler sonucunda bir iş yapılmış demektir. Bu enerjilerin cebirsel olarak toplanabilmesi için bunların metre veya feet olarak akışkan sütunu cinsinden ifadeleri alışkanlık haline gelmiştir.
Bir pompa için gerekli teorik işin (buna hidrolik veya sıvı
beygir gücü denir) saptanmasında, toplam dinamik yükseklik ile belirli bir
zamanda pompalanan sıvı ağılığının bilinmesi gerekir. Ağırlık çoğu zaman hacim
ve yoğunluk (veya öz ağırlık) terimleriyle verilir.
Bir pompanın gerçek (break) beygir gücü, hidrolik beygir
gücünden pompadaki sürtünme, sızıntı, v.s., gibi kayıplar kadar daha büyüktür.
Bu nedenle pompa verimi aşağıdaki şekilde tarif edilir.
Pompa Emişindeki Kısıtlamalar
Pompanın emiş noktasındaki sıvı sütunu cinsinden ifade
edilen mutlak basınç: (a) akışkanın sıvı sütunu cinsinden verilen buhar
basıncından, (b) akışkan içinde çözünmüş gazların sıvı sütunu cinsinden verilen
kısmi basınçlardan, (c) emişteki sürtünme kayıplarından (hfs), (d)
pompa emiş ağzındaki sıvı sütunu cinsinden ifade edilen kayıplardan, büyük
olmalıdır.
Tariflerden görüldüğü gibi, her pompada pompanın
çalışabilmesi için bir minimum emme yüksekliğinin olması gerekir. Bu değer,
pompaya, akım miktarına ve toplam dinamik yüksekliğe göre değişir ve "net
pozitif emme yüksekliği (Net Positive Suction Head, NPHS)" olarak
isimlendirilir.
Pompa imalatçıları gerekli net pozitif emme yüksekliğini,
pompa kapasitesine ve devir hızına bağlayan grafikler verirler. Bu bilgilerin
kullanılabilmesi için "mevcut net pozitif emme yüksekliği (NPSH)A"
nin hesaplanabilmesi gerekir.
(NPSH)A = hss
– hfs - p
veya, (NPSH)A mevcut sistemden okunabiliyorsa,
(NPSH)A = Atm + hsg
– p + hvs
(NPSH)A, daima gerçek (NPSH)R den
fazla olmalıdır. Aksi halde pompa emişinde akışkanın buharlaşması veya akışkan
içinde çözünmüş gazların gaz haline geçmesi gibi nedenlerden pompada kavitasyon
olayı meydana gelir. Kavitasyon (pompa içinde iki fazlı -gaz ve sıvı- akışkanın
dolaşması) sonucunda oyuk açılarak sıvı çekişinin engellenmesiyle pompa
hasarlanabilir veya çalışmaz. (NPSH)A ve (NPSH)R nin
birbirine çok yakın olması durumunda pompa titreşimli çalışır. Kavitasyon veya
titreşim, pompalar için istenmeyen ve esneklik gösterilemeyecek çalışma
şekilleridir.
ÖRNEK
350 0F daki su bir pompayla, emiş noktasından 150
lb / in2 geyç basıncında ve 12 ft/sn hızla taşınmaktadır. Net
pozitif emme yüksekliği ne kadardır?
350 0F daki suyun buhar basıncı 134.6 lb / in2,
öz ağırlığı 0.89 dur. V2 / 2 gc,
Pompalar
Yaratılan Yükseklik
Aşağıdaki şekilde tipik bir pompa uygulaması görülmektedir.
Pompa, bir boru hattına yerleştirilmiştir; bir tanktaki sıvıyı çekip, tank
seviyesinden Zb' yüksekliğindeki bir noktadan boşaltmak için gerekli
enerjiyi sağlar. Pompaya sıvı girişi a noktasındaki emme, sıvı çıkışı b
noktasındaki basma bağlantılarıyla sağlanır. a ve b noktaları arasında bir Bernoulli
eşitliği yazılabilir.
Burada karşılaşılan sürtünme sadece pompadaki sürtünme
olduğundan ve mekanik verim (h) de yer
aldığından, hf = 0 dır; bu durumda aşağıdaki eşitlik yazılır.
Pompaya güç bir dış kaynaktan verilir; buna "gerçek
beygir gücü (break horse-power)" denir ve PB ile gösterilir. PB,
Wp den hesaplanır.
Emme Basıncı ve Kavitasyon (Oyuk Açma)
Denklem(4) ile hesaplanan güç, basma ve emme arasındaki
basınç farkına bağlıdır, fakat basınç seviyesinden bağımsızdır. Emme basıncının
alt sınırı, emme bağlantısında sıvı sıcaklığının buhar basıncıyla belirlenir.
Sıvı üzerindeki basınç buhar basıncına ulaştığında, bir kısım sıvı buharlaşır
ki buna "kavitasyon" denir.
Emme hattında kavitasyon meydana geldiğinde pompaya sıvı çekişi
olmaz. Emmedeki hız ve basınç
yükseklikleri toplamı, sıvının buhar basıncından yeteri kadar büyükse
kavitasyon oluşmaz. Bu toplamın, buhar basıncından olan farkına "net
pozitif emme (suction) yüksekliği (head), NPSH" denir ve Hsv
ile gösterilir. Bir rezervuardan emiş yapan bir pompa için (Şekil-14) NPSH veya
Hsv,
Bir pompada, herhangi bir noktadaki basınç, Hsv =
0 olacak değere ulaştığında kavitasyon meydana
gelir. Böyle bir durum pompanın normal çalışmasını bozmakla kalmaz, önemli
erozyon ve mekanik hasara yol açar. Bu
nedenle NPSH sıfırdan büyük olmalıdır (en az birkaç feet).
ÖRNEK
Yukarıdaki şekilde gösterilen sistemle, 100 0F
sıcaklıktaki benzen 40 gal/dak hızla pompalanmaktadır. Rezervuar atmosferik
basınçtadır. Boşaltma hattının sonundaki geyç basıncı 50 lbf / in2
dir. Rezervuardaki sıvı seviyesinden itibaren, basma 10ft, emme 4ft
yükseklikten yapılmaktadır. Basma hattı 1.5 inç Sch 40 borudur. Emme hattındaki
sürtünme 0.5 lbf / in2, basmadaki 5.5 lbf / in2
dir. Pompanın mekanik verimi 0.60 (% 60) tır. Benzenin yoğunluğu 54 lb / ft3,
100 0F daki buhar basıncı 3.8 lbf / in2 dir.
(a)Yaratılan pompa yüksekliği (DH),
(b) pompanın gerçek beygir gücü
(PB),
(c) net pozitif emme yüksekliği
(NPSH veya Hsv), nedir?
(a) pompa işi Wp, aynı zamanda yaratılan
yüksekliktir. alt nokta (a'), rezervuardaki sıvı seviyesinde, üst nokta (b')
boşaltma hattının sonundadır.
Bernoulli denklemi,
(b) pompanın gerçek beygir gücü (PB), Denklem(5) ten hesaplanır.
(c) Net positif emme yüksekliğinin (Hsv) bulunması için, 3.8 lbf / in2 (100 0F) lik sıvı buhar basıncının karşıladığı yükseklik ve emme hattındaki sürtünme değerleri gerekir.
Yükseklik,
Pompaların Sınıflandırılması
Pompalar çok çeşitlidir ve değişik şekillerde
sınıflandırılabilir. Tablo-1 de görüldüğü gibi pompaları iki genel sınıfta
toplayabiliriz.
- Pozitif
yer değiştirmeli pompalar (Hacimsel)
- Kinetik
Pompalar
Pozitif yerdeğiştirmeli
pompalarda pompa içindeki akışkan hacmi değişmekte, çalışma sadece mekanik ve
statik kurallara bağlı kalmaktadır. Hacimsel pompalar da iki ayrı grupta incelenebilir:
- Pistonlu
Pompalar (Recipratating)
- Döner
Pompalar (Rotary)
Kinetik pompalar çoğunlukla santrifüjlü pompalardır; ayrıca
jet pompalar, gaz kaldırmalı pompalar, hidrolik ram pompalar, elektromagnetik
pompalar ve tersinir santrifüjlü pompalar gibi pompalar özel etkili pompalar
başlığı altında toplanabilir.
Tablo-1: Pompaların Sınıflandırılması
Pozitif Yer Değiştirmeli Pompalar
Pistonlu
(Reciprocating) Pompalar
Bu tip pompalar, içine aldığı akışkana karşı hareket eden
bir piston yoluyla, akışkan sistemine enerji verir. Akışkanın akışı pompa
geometrisine bağlı olduğundan, akışkan dinamiği ilkeleri fazla önemli değildir.
Piston bir buhar motoru veya bir elektrikli motorla yürütülür. Pistonun herbir
hareketinde pompadan sabit miktarda akışkan boşaltılır. Akışkan miktarı,
silindirin hacmine ve içindeki pistonun hareket sayısına bağlıdır. Gerçekte
iletilen akışkan miktarı silindirin doldurulması sırasındaki kaçaklar ve
pistondan olabilecek sızıntılar nedeniyle pompanın teorik değerinden daha
düşüktür. Bu nedenle "hacimsel (volumetrik) verim" denilen bir tanım
yapılır.
Diğer bir verim tanımı (daha önemlidir), yapılan işlerle
ilgilidir:
Pistonlu pompada piston silindirde aşağı çekildiğinde (sıvı
girişi) pompadan akışkan çıkışı durur. Bu nedenle sıvı iletimi pulslar (kısım
kısım) halindedir. Pulslar, bir çift etkili pompa kullanarak veya silindir
sayısını artırarak azaltılabilir. Bir çift-etkili pompada pistonun iki
tarafında bulunan silindir hacmi, hem ileri hem de geri stroklarda gidilen yol
akışkan verilmesini sağlar.
Şekil-15'de bir pistonlu pompadaki piston, silindir ve
klepelerin çeşitli konumları gösterilmiştir.
Şekil-16a'da bir pistonlu pompanın şematik diyagramı
verilmiştir. Bu tip pompada piston, bir elektrik motoruyla çalıştırılan uygun
bir krank miline bağlıdır. Proses endüstrisinde buharla-çalıştırılan çift
etkili pompalar da kullanılmaktadır; bunlarda piston çubuğu buhar ve sıvı
pistonunu bağlar (Şekil-16b).
Pistonlu pompa, içinde hareket eden bir pistonun bulunduğu
bir silindirdir. Sıkıştırma sırasında akışkanın geri kaçmaması için piston ve
silindir birbirine çok iyi alıştırılmış olmalıdır. Piston ve silindirin,
pistonun tüm hareketi boyunca (strok) ve pompanın çalışma süresince birbiriyle
temas etmesi pompada önemli derecede aşınmaya neden olur.
Şekil-15:
Pistonlu pompada silindir, piston, emme ve basma klapelerinin görünümü ve strok
tanımı
Bunu önlemek için piston etrafına (yuvalar içine) ağızları
açık bilezikler geçirilir. Böylece sürtünme azaltıldığı gibi, akışkan kaçağı da
en aza indirilmiş olur.
Pistonlu pompada akışkanın emme periyodunda silindire
girmesi ve basmada silindirden çıkması vanalarla sağlanır. Bu vanalar çek vana
ilkesine göre çalışır ve "supap" veya "klepe" olarak
tanımlanırlar. Emme periyodunda emme supabı açılır, akışkan silindir içine
girer, basmada emiş supabı kapanır, çıkış supabı açılarak akışkanı boşaltır.
Pistonlu pompalar viskoz akışkanların iletilmesinde çok
uygundur. Bu tip akışkanlar piston ve silindir arasında ince bir tabaka
oluşturarak ikinci bir yalıtım katmanı meydana getirirler ve akışkan kaçağı en
aza iner.
Akışkanda aşınmaya yol açabilecek tanecikler bulunması
halinde pistonlu pompalar önerilmez.
Dalgıç (plunger) pompa olarak tanımlanan pompalar ilke
olarak pistonlu pompalara benzer, ancak bunlarda piston çapı silindir çapından
çok küçüktür.
Şekil-16:
Pistonlu pompaların şematik diyagramları; (a) tekli pistonlu pompa, (b) buharla
çalıştırılan çift-etkili pistonlu pompa
Şekil-17:
Çiftli, çift-etkili buharla çalışan bir dalgıç pompanın şematik görünümü
Piston bir salmastra kutusu içinde hareket eder, silindir
içindeki sıvı üzerine basınç yapar ve onu iter. Pistonun geri gelmesi sırasında
akışkan üzerindeki basınç kalkacağından silindire emiş tarafından yeni sıvı
girer (Şekil-17).
Dalgıç pompalar çok yüksek basınçlar için uygundur. Ayrıca
pistona yapışan ve silindire etki eden (çözen) sıvıların pompalanmasında da
kullanılır. Bunlarda segman ve silindir gömleği bulunmaz.
Pistonlu Pompanın Çalışma
Özellikleri
Pistonlu pompaların iletme özelliklerini gösteren basma
eğrileri Şekil-18 de verilmiştir. Açılan basma klepelerinden akışkanın
basılması, pistonun durup ters yöne dönmesine (yani strokun sonuna) kadar devam
eder. Pompalama çevriminin bir kısmında akış sıfırdır; basma hattından olan
akım, pompa dizaynına bağlı olarak hemen hemen sabittir. Çift-etkili pompalarda
basma hattından daima bir akış vardır. Çiftli pompalarda bir silindirin stroku
yarıya ulaştığında diğer silindirin stroku başlar; yani, iki silindir stroku
birarada ilerler. Böylece pompadan olan toplam akış, Şekil-18c deki kesiksiz
çizgilerle gösterilen iki strokun toplamıyla tanımlanır. Çftli, üçüz veya çoklu
operasyonlarla hemen hemen "pulssuz" akıma ulaşılabilir.
Bir pistonlu pompanın akım kapasitesi, hızıyla doğru
orantılı olarak değişir. Hızlar çoğunlukla 20-200 strok/dak. aralığındadır.
Dikkatli ve özenli imalat ve bakım bu tip pompaların iyi bir verim göstermesini
sağlar. Pistonlu pompaların bazı dezavantajları büyüklükleri, pahalı oluşları
ve bakım masraflarının fazlalığıdır. Çok çeşitli dizaynları bulunduğundan seçme
avantajı vardır.
Döner
(Rotary) Pompalar
Bu tür pompalarda akışkan pompa içine alınır ve dönme
hareketiyle dışarı boşaltılır. Döner pompalar, akışkan giriş ve çıkışının çek
vanalarla (klepeler) kontrol edildiği pistonlu pompalardan farklıdır; bir
miktar sıvıyı yakalanır (kapan gibi) ve basma noktasına kadar götürülür.
Şekil-18:
Pistonlu pompalarda basma eğrileri
Sıvı, pompa girişinde, dişliler arasındaki boşluğa dolar.
Dişli döndüğünde sıvı, dişler ve pompa kasası arasında hapsolur ve basma
hattına taşınır.
Döner pompalar, aşındırıcı olmayan ve yüksek-viskoziteli
sıvılar için uygundur. Akışkanın yağlama özelliği dişlilerin aşınmasını
azaltır. Şekil-19 da bir döner dişli pompanın çalışma sistemi görülmektedir.
Döner pompalardan bazıları:
·
Dişli Döner Pompalar
·
Loplu (Yuvarlak Uçlu) Döner Pompalar
·
Vidalı Döner Pompalar
·
Döner-Pistonlu Pompalar
·
Kanatlı Pistonlu Döner Pompalar
(a) Dişli Döner Pompalar
Dişli pompalar en basit döner pompa tipidir. Çalışma ilkesi
Şekil-19 da görülen tipte bir dış-dişli pompanın açılmış hali Şekil-20 de
verilmiştir. Görüldüğü gibi yapı oldukça basittir. Düz dişli çarklar (spur
gears) kadar, helezon (sarmal, heliks) dişliler de kullanılır (Şekil-21).
Şekil-20 ve Şekil-21 deki pompalara "dış-dişli"
pompalar denir. "iç- dişli" olarak adlandırılan ve Şekil-22a da
görülen dişli pompa tipinde sıvı, pompa kasasına çekilir ve rotorun dişleriyle
hareketsiz dişli (idler gear) arasında hapsolur. Hilal şeklindeki sabit parça
sıvıyı böler, giriş ve çıkış uçları arasında kapatıcı gibi görev yapar
(Şekil-22b). Şekil-22c, pompanın hemen hemen dolu halini, (22d) ise tam dolmuş
ve boşaltma durumunu göstermektedir.
Şekil-19: (a)
İki dişli-çarklı döner-dişli pompa, (b) döner-dişli pompanın çalışma
mekanizması
Şekil-22:
İç-dişli pompa ve çalışma mekanizması
(b) Loplu (Yuvarlak Uçlu) Döner pompalar
Bu tip döner pompalar (Şekil-23) dişli pompalara benzer,
ancak dişliler yerine iki veya daha fazla loplar içeren iki rotor bulunur. Rotorların
dıştan hareketlidir.
(c) Vidalı (Screw) Döner Pompalar
Vidalı döner pompada dişliler yerine, sabit bir kasada dönen
uygun vidalar bulunur. Şekil-24 te tek-vidalı ve çift vidalı pompalar
görülmektedir. Sıvı, pompanın emme odacığına gelir, bölünür ve pompanın sonuna
akarak rotor vidasının dişleri arasındaki boşluklara girer. Böylece rotor
tarafından, pompa bedeninin merkezindeki boşaltma ucuna taşınır. Vidalı
pompalar pulssuz (darbesiz) bir akım verirler ve viskoz sıvıların taşınmasında
oldukça yaygın kullanım alanına sahiptirler.
(d) Döner-Pistonlu Pompalar
Bu tip pompada dişliler bulunmaz, pompa kasasının merkezinde
eksantrik (merkezleri ayrı)olarak yerleştirilmiş dairesel bir rotor vardır.
Şekil-25 te bir döner-pistonlu pompanın kesit görünümü verilmiştir. Piston ok
yönünde hareket ederken çıkış klepesinden akışkanı boşaltır ve pompa odacığında
akışkan için boşluk yaratır. Bu tip pompalar gazların taşınmasında fevkalade
sistemlerdir.
(e) Kanatlı-Pistonlu Pompalar
Kanatlı pompalarda dönen bir şaft içine yerleştirilmiş
birkaç sürgülü kanat bulunur. Şaft dönerken Santrifüj kuvvet kanatları dışa
çekerek akışkanın girmesine olanak veren boşluğu yaratır. Kanatlar arasında
hapsedilen akışkan boşaltma ucuna iletilir.
Şekil-25:
Bir-döner pistonlu pompanın kesit görünümü ve çalışma çevrimi. Döner pistonun,
(a) pompa odacığında gaz için boşluk yaratması, (b) basma ucuna gelerek gazı
dışarı atması
Santrifüj
Pompalar
Santrifüj pompalar, yapılarının basitliği, dizaynlarının
kolay, bakım masraflarının düşük olması, kullanım koşullarında esneklikler
göstermesi bakımından geniş bir uygulama alanına sahiptir. Mekanik yapılarının
uygunluğundan dolayı bir kaç galon/dak. kapasite ve çok düşük basma
yüksekliğinden, 600 000 gal/dak. ve 300 ft basma yüksekliğine kadar olan geniş
bir bölgede kullanılabilir.
En basit santrifüj pompa, bir gövde ve gövde içinde dönen
bir fandan oluşur (Şekil-26). Akışkan pompa içine fanın merkezine yakın bir
noktadan girer ve fanın dönmesi ile doğan santrifüj kuvvetlerin etkisiyle fan
kanatları arasından dışarı doğru fırlatılır. Fan ne kadar hızlı dönerse sıvının
hareketi o kadar çabuk olur. Akışkan fanın emme ağzından, yani fanın
merkezinden, fan kanatçığının uç kısmına doğru giderken kinetik enerjisi artar.
Kinetik enerjiyi doğuran hız, kanatçığı terk ettikten sonra basınç yüksekliğine
dönüşür ve akışkan pompayı terk etmiş olur.
Fanlar santrifüj pompanın en önemli parçalarıdır ve
kanatlardan oluşur. Kanatların yapıları, sayıları ve şekilleri, akışkana
uygulanacak santrifüj ve mekanik itici kuvvetlerin en iyi şekilde akışkanın
kinetik enerjisine dönüşmesini sağlayacak şekilde tasarımlanmıştır.
Şekil-26:
Santrifüj pompanın şematik görünümü ve kısımları
Şekil-27:
Santrifüj pompası fanları
Şekil-27 de çeşitli fan tipleri görülmektedir. Tek emişli,
iki tarafı kapalı fanda (Şekil-27a) dönme sırasında fanın kanatlarının alanı,
dönüş eksenine paralel bir hat oluşturur. Şekil-27(b) de görülen çift-emişli
fan, iki tek-emişli fanın sırt sırta yerleştirilmiş şeklidir. 27(a) ve 27(b)
deki fanlar, eğer küçük parçacıklar içeren sıvıların veya sıvaşabilen katı
taneciklerin bulunduğu sıvıların basılmasında kullanılırsa, fan kanatları arasında
kalan kanallar dolabilir.
Bu durumda pompa beklenilen işi beklenilen verimle yapamaz.
Böyle durumlarda kanat aralıkları geniş fanlar kullanılır (Şekil-27c). Açık
fanlarda kanatlar merkeze birleşmiştir; böylece mekanik aşındırma özelliği olan
akışkanların basılmasına uygun bir şekil verilmiş olur (Şekil-27d).
Yarı açık fanlarda tek bir gövde, kapalı fanda, kanatların
heriki ucunda fan gövdesi bulunur. Yarı kapalı fan, gövdenin sonuna
yerleştirilmiştir ve pompa-çıkış kanadı bulunur; amacı basıncı düşürmektir
(Şekil-27e). Karışık-akım fanı (Şekil-27f), akımın radyal ve aksiyal
bileşenlerine göre dizayn edilmiş bir fan tipidir.
Santrifüj pompanın gövdesi çeşitli şekillerde dizayn
edilebilir. Ancak genelde gövdenin fonksiyonu: (a) fanlar tarafından akışkana
verilmiş olan kinetik enerjinin basınç enerjisine dönüşümünü sağlamak, (b)
akışkanın korunmasını sağlayan bir kap görevi yapmak, (c) akışkanın fana
girmesini ve fandan çıkıp borulama sistemine geçmesini sağlamak.
İki tip gövde vardır:
- Helezon
yapıda,
- Difüzör
yapıda, gövdeler.
Helezon Yapıdaki Gövde: Bu tip yapıda, Şekil-28a da
görüldüğü gibi, fandan çıkan akışkan gittikçe genişleyen bir gövde boşluğuna
girer. Bu şekilde sürekli büyüyen bir akım alanı, akışkanın hızının azalmasını
ve girdaplı bir yapı oluşumunun önlenmesini sağlar. Böylece hızdan kaynaklanan
kinetik enerji, çok küçük kayıplarla basınç enerjisine dönüştürülür.
Şekil-28:
Santrifüj pompa gövdeleri; (a) helezon, (b) difüzer, yapıda gövdeler
Difizör Yapıdaki Gövde: Şekil-28b de görülen gövdede,
içinde eşit aralıklarla yerleştirilmiş yönlendiriciler bulunur. Bu
yönlendiriciler akışkan için sürekli genişleyen bir hacim oluştururken,
yapıları gereği ortamda girdaplı oluşumların meydana gelmesini önlerler.
Difüzörler, helezonun işlevini yapar. Her iki pompanın
verimi ve amaçları aynıdır. Ancak difüzör yapı çok kademeli pompalarda, yüksek
basınç pompalarında, veya karışık akım fanlarının kullanıldığı gövdelerde daha
yaygındır.
Santrifüj pompa içinde bir adet fan varsa, bu tip pompalara
tek kademeli pompa denir. Eğer akışkanın iletilmesi için gerekli basma
yüksekliği bir tek fanın sağlayacağından daha fazla ise, bu durumda birden
fazla fan kullanılır. Bu şekildeki pompalar kademeli pompa olarak bilinir.
Kademeli pompalar, bir şaft (mil) üzerine yerleştirilmiş birden fazla sayıdaki
tek kademeli pompanın seri olarak birleştirilmesinden oluşmuş gibi
düşünülebilir. Gerçekte, tek kademeli pompanın fanından çıkan akım ikinci
kademede bulunan fanın emiş kısmına gönderilir. İkinci kademeye giren akışkana,
ikinci kademe fan tarafından ilave bir enerji verilir. Bu işlem kademeler
ilerledikçe devam ederek istenilen çıkış basıncına ulaşılır.
Santrifüj Pompaların Çalışma Özellikleri
Santrifüj pompalar genellikle sabit bir hızda çalışırlar.
Böyle bir çalışma durumunda pompanın kapasitesi: (a) pompanın sağladığı basma
yüksekliğine, (b) pompanın yapısına (tasarımına), (c) pompanın emişindeki
şartlara bağlıdır.
Bir santrifüj pompanın işletme karakteristikleri en iyi
şekilde pompanın "karakteristik eğrileri" ile tanımlanabilir.
Şekil-29 da sabit hızla çalışan bir pompanın tipik karakteristik eğrileri
(performance curves) görülmektedir.
Eğriler pompanın; basma yüksekliği (H), kapasitesi (Q),
verimi (h), kullandığı güç (P)
arasındaki bağlantıları gösterir. H-Q eğrisi, kapasite ile basma yüksekliği arasındaki
bağlantıyı verir. Pompa çıkışında yaratılan basınç, bu değerin akışkan
yoğunluğuna bölünmesiyle bulunan basma yüksekliği ile tanımlanır.
H-Q eğrisinden, pompanın kapasitesi arttırıldığında, basma
yüksekliğinin düşeceği anlaşılmaktadır. P-Q eğrisi kapasite ile pompaya
verilmesi gereken güç arasındaki bağıntıyı, h
- Q eğrisi pompa verimi ile kapasitenin ilişkisini gösterir. Şekil-29a daki
özelliklere sahip bir pompada en yüksek verime Q = 2500 gal/dak debi ve 80 ft
yükseklikte ulaşılabilir. Değişik hızlarla çalışabilen bir pompa için karakteristik
eğriler Şekil-29b de görüldüğü gibidir.
Birbirinin aynı iki pompadan birinin fan kanat eninin
arttırılması pompa kapasitesinin yükselmesini sağlar. Fan çapının arttırılması
kanatçıklar arasındaki hacmi arttıracağından kapasitenin artmasına yol açar.
Ancak fan çapının büyütülmesinin etkisi, daha çok pompa çıkış basıncında
görülür; çapı büyütüldüğünde pompanın basma yüksekliği (basma yüksekliği çapın
karesi ile orantılı olduğundan) artar. Bunun yanında pompanın bu yeni durumda ihtiyaç
duyduğu güç de yükselir.
Fan çapının pompa özelliklerine etkisi Şekil-30 da
görülmektedir.
Şekil-29:
Santrifüj pompanın karakteristik eğrileri; (a) sabit hızda çalışan, (b) değişen
hızlarda çalışan, pompalar için eğrilerin görünümü
Şekil-30: Fan çapındaki değişikliğin pompa özelliklerine etkisi
Özel
Pompalar
Akışkanı ileten mekanizmalar fan şeklinde olabildiği gibi
pervane veya türbün yapısında da olabilir. Şekil-31 de farklı iletim
mekanizmaları görülmektedir.
(a) Pervaneli Pompalar
Fanların şekilleri pervane yapısında olan pompalardır
(Şekil-32a). Fan yerine kullanılan pervane, üzerinden geçen sıvıya yüksek hız
verir. Akışkanın giriş yönüyle çıkış yönü aynıdır. Fana giren akışkan sadece
fan merkezinden girmesine karşılık, pervanelerin tüm kanatları üzerinden geçer.
Bu nedenle pervaneli pompalar fazla bir basma yüksekliği gerektirmeyen çok
yüksek kapasiteler için kullanılır; normalde 2000 galon/dak. üzerindeki
kapasiteler için uygundur. Bu pompalar için tipik basma yüksekliği 50 ft veya
daha azdır (50 ft / 3.28 = 15.244 metre).
Şekil-31: Akışkan itici mekanizmalar
Şekil-32:
Çeşitli pompa tipleri
(b) Türbinli Pompalar
Akışkana verdiği yön bakımından, pervaneli ve santrifüj
pompalar arasında bulunan fanları içeren pompalardır. Santrifüj pompalarda
sıvının fana giriş yönü ile çıkış yönü arasında 900 açı vardır.
Pervaneli pompalarda ise giriş ve çıkış aynı yönlüdür. Türbinli pompalarda
giriş ile çıkış arasında bir açı oluşturulur. Bu pompalar 100 galon/dak.dan
büyük kapasitelerde kullanılır. Sağladıkları basma yüksekliği her kademe için
100 ft mertebesindedir. Türbinli pompalar genellikle dik konumda yerleştirilir.
Pompa elemanı, çoğu kez bir borunun uç kısmına konulur; bu
boru aynı zamanda çıkış borusu görevini de yapar. Hazırlanmış böyle bir ünite
pompalanacak akışkanın içine dik olarak daldırılır. Çoğunlukla kuyularda, büyük
kapasite gerektiren drenaj işlerinde, veya kondenser sirkülasyon suyu
sistemlerinde uygundur. Şekil-32b de bir türbin (veya karışık-akışlı) pompa
görülmektedir.
(c) Jet Pompalar
Jet pompalar, çok geniş bir uygulaması olmamasına rağmen
akışkanların taşınmasında özel bir grubu temsil ederler. Hızı yüksek bir
akışkanın venturi içinden geçerken yarattığı negatif basınçla (emiş), iletilmek
istenen akışkanın sürüklenmesi ve moment taşıyan akışkan ile birlikte transfer
edilmesidir. Şekil-32c çok basit bir jet pompası ejektörünü göstermektedir.
Moment taşıyan pompalanan akışkan, nozul içinden ejektöre girer ve venturi
nozulu hızla geçerken venturi ağzında bir emiş yaratır; doğan bu emiş ile
pompalanacak akışkan sürüklenir ve her iki akışkan venturiden geçerek ejektörü
terk ederler.
Jet pompaların ve ejektörlerin verimleri çok düşüktür.
Yaratılan basma yüksekliği de çok düşük olmakla beraber özellikle tanklar
arasında sıvı transferlerinde, düzenli bir güç kaynağının sağlanamadığı
koşullarda, asit ve baz transferlerinde, çamursu akışkanların derinlerden
emilmesinde çok kullanılan sistemlerdir.
Kompresörler
Kompresörlerin
Sınıflandırılması (Tablo-2)
Sıvıların iletiminde kullanılan pompalarda olduğu gibi,
gazların taşınmasında kullanılan kompresörler de iki sınıfa ayrılır.
- Pozitif-yerdeğiştirmeli
kompresörler
- Dinamik
Kompresörler
Positif yerdeğiştirmeli kompresörler, pistonlu ve döner
sistemler içerirler. Gazlar, kompresörler ve blowerle iletilir; bu iki sistem
arasında herzaman kesin ve açık bir ayırım yapılamaz.
Dinamik kompresörler santrifüjlü kompresörler
(turboblowerlar) ve aksiyal akışlı kompresörler olarak iki grupta toplanabilir.
Tablo-2: Kompresörlerin Sınıflandırılması
Pozitif
Yerdeğiştirmeli Sistemler
Pistonlu
Kompresörler
Pistonlu kompresör, gazı, birkaç psi
den başlayarak 35 000 psi gibi
çok yüksek basınçlara kadar taşıyabilirler. Bunlar, pistonlu pompaların
özelliklerini gösterir; bir piston, uygun giriş ve çıkış supapları bulunan bir
silindir ve hareketli bir krank mili bulunur. Tek-kademeli veya çok-kademeli
çalışabilir; daha çok çift-etkili silindir kullanımı yaygındır. Kademelerin sayısı, sıkıştırma oranı p2
/ p1 ile belirlenir. Herbir kademedeki sıkıştırma oranı çoğu kez 4
ile sınırlandırılır; ancak, küçük miktarlara 8 veya daha yüksek sıkıştırma
oranları da uygulanabilir.
Sıkıştırılacak gaz silindire giriş supabından girer,
sıkıştırılır ve çıkış supabından boşaltılır. Supaplar, silindirin içiyle
dışarıdaki basınç farkı istenilen seviyede olduğu zaman açıp-kapayacak şekilde
ayarlanmıştır. Şekil-33(a) da çift etkili bir piston içeren tek-kademeli su
soğutmalı bir kompresör görülmektedir. Sistemin büyüklüğüne ve kademe sayısına
göre tek-etkili (Şekil-33b) veya çift-etkili pistonlar da kullanılabilir
(Şekil-33c).
Çok-kademeli sistemlerde kademeler arasında ara soğutucular
bulunur. Bunlar gazdan sıkıştırma sırasında açığa çıkan ısıyı alır ve gazın
sıcaklığını, kompresör girişindeki sıcaklığa düşürür. Böyle bir soğutma işlemi,
yüksek basınç silindirine giden gazın hacmini azaltır, sıkıştırma için gerekli
beygir gücünü düşürür ve yüksek basınçlarda sıcaklığı güvenli çalışma
sınırlarında tutar. Şekil-34 de iki-kademeli çift-etkili kompresör silindirleri
ve ara soğutucu gösterilmiştir. Silindirler Şekil-33(a) daki tek-kademeli
su-soğutmalı kompresörde olduğu gibi yatay konumdadır.
Yatay silindirli kompresörler, kolay çalışabilme olanağı
verdiğinden çok yaygındırlar. Ancak silindirleri dikey, dik açılı (biri yatay,
diğeri dikey) veya V açılı yerleştirilmiş kompresörler de yapılmaktadır.
Kompresörlerde, 100 hp ye kadar bir merkez-itici krank
bulunur (Şekil-33a). Bunun üstündeki büyüklüklerde, şaftın iki ucu üzerinde
kranklarla çiftli bir yerleşim vardır (Şekil-35a).
Şekil-33:
Çeşitli pistonlu kompresörlerin şematik diyagramlar; (a) tipik bir tek kademeli,
su soğutmalı kompresör, (b) tek basamaklı silindirde iki-kademeli tek-etkili
karşılıklı silindir, (c) çift-etkili piston ve kompresör silindiri
Şekil-34: İki
kademeli çift-etkil, kompresör silindirleri ve ara soğutucu
Şekil-35: (a)
Çift-kademeli, (b) dört köşeli dört-kademeli, kompresörlerin şematik
diyagramları
Bazı büyük senkronize motor-hareketli sistemler dört-köşeli
yapımdadır. Şekil-35(b) de görüldüğü gibi bunlarda, iki krank-iticiden gelen
iki bağlantı miliyle ikili-çift yerleşim bulunur. Buharla-çalıştırılan
kompresörlerde bir veya daha fazla sayıda buhar silindiri vardır. Silindirler,
gaz silindir pistonuna, piston miliyle doğrudan bağlanmıştır.
Kontrol Sistemleri
Bazı yerleşimlerde kompresöre gaz girişi aralıklıdır, bu
nedenle kompresör çıkışının uygun yöntemlerle kontrol edilmesi gerekir. Sürekli
gaz girişi olduğunda, çıkış basıncında dalgalanmalar olmasına rağmen sabit bir
çıkış istenir; bu durumda kontrol sisteminin görevi, sabit kompresör basıncını
sağlamaktır.
Kompresörün kapasitesi, hızı veya basıncı istenildiği gibi
değiştirilebilir. Kontrol sistemi neyin düzenleneceğine göre dizayn edilir;
örneğin, basınç, hacim, sıcaklık veya istenilen düzenleme miktarını saptayan
diğer faktörler, gibi.
Kompresörden en fazla istenen özellik kapasite düzenidir.
Kapasite kontrol sistemlerinin pek çoğu, kompresörün basma ucundaki basıncı
düzenler. Düşen bir basınç kullanılan gazın, basılan gazdan daha az olduğunu
gösterir; bu durumda daha fazla gaza gereksinim vardır. Yükselen bir basınç ise
gereğinden fazla gazın basıldığını belirtir. Bir kompresörün kapasitesi, hızı
değiştirilerek kontrol edilebilir. Bu yöntem buhar-hareketli kompresörlere ve
iç yanmalı motorlarla çalıştırılan sistemlere uygulanır; regülatör,
buhar-verici veya yakıt-verici supabı ayarlayarak kompresörün hızını kontrol
eder.
Motor-hareketli kompresörler çoğunlukla sabit hızda çalışır;
bu nedenle kapasite kontrolü başka yöntemlerle yapılmalıdır. 100 hp ye kadar
olan pistonlu kompresörlerde iki tip kontrol olanağı vardır: otomatik-başlama-
ve -durma, sabit-hız kontrolü.
Otomatik başlama- ve -durma kontrolü, adından da anlaşıldığı
gibi, gaz talebi azaldığında bir basınç-ayarlayıcı düğme yoluyla kompresörün
çalıştırılması veya durdurulmasıyla yapılır. Bu yöntem, gazın aralıklı
basıldığı halde uygulanır.
Sabit-hız kontrolü, sabit gaz gerektiği hallerde
kullanılmalıdır. Bu yöntemde kompresör sürekli çalışır, fakat sadece gerektiği
zaman gaz basar. Bu tip kontrolde yüklü kompresörü boşaltmada üç metot vardır:
- Kapalı
emme boşaltıcılar
- Açık
giriş-supaplı boşaltıcılar
- Aralıklı
(boşluk) boşaltıcılar
Kapalı emme boşaltıcılar, kompresör girişini kapatan
basınçla-çalışan supaplardır. Açık giriş-supaplı olanlar (Şekil-36a), kompresör
giriş supabını açık tutar ve sıkıştırmayı önler. Aralıklı boşaltıcılar
(Şekil-36b), kompresör yükü kaldırılmak istendiğinde açılan cepler veya küçük
rezervuarlardan oluşur. Sıkıştırma strokunda gaz bu cepler veya rezervuarlarda
sıkışır ve geri dönüş strokunda silindir içinde genişler; böylece ilave gaz
sıkıştırılması önlenmiş olur. Bazen kompresörün hem sabit-hızla, hem de
otomatik-başlama ve durma kontrollü çalışması istenir; bu, bir düğmeyle
ayarlanır.
100 hp üstündeki büyüklüklerde motor-hareketli pistonlu
kompresörlerde, çoğunlukla bir "basamak kontrolü" bulunur. Bundan
amaç, sabit-hız kontrolü için kompresörün tam yüklü halden, yüksüz hale
getirilmesinin birkaç seri basamakla sağlanmasıdır. Üç-basamaklı kontrol (tam
yüklü, yarım yüklü, yüksüz), giriş-supaplı boşaltıcılarla yapılır. Beş
basamaklı kontrol (tam yüklü, 3/4 yüklü, 1/2 yüklü, 1/4 yüklü, yüksüz),
aralıklı ceplerle sağlanır (Şekil-37). Bazı sistemlerde giriş-supaplı ve
aralıklı kontrol boşaltma tipleri birarada kullanılır.
Şekil-36: Gaz
kontrol sistemleri; (a) açık giriş supaplı, (b) aralıklı kontrol silindiri, gaz
boşaltma sistemleri
Şekil-37: İki
kademeli bir kompresörde aralıklı-kontrol çalışmasını gösteren gerçek indikatör
diyagramı
Şekil-38: Bir
ucunda elle çalışan bir supap, diğer ucunda bir değişken-hacim aralık cebi bulunan
silindirin kesit görünümü
Şekil-39: Tek
kademeli bir kompresör için by-pass sistemi. (Çok kademeli sistemlerde herbir
kademede, benzer şekilde, by-passlar bulunur.)
Bazı çalışma koşullarında, yukarıda anlatılan otomatik
kontroller yerine elle yapılan kontroller tercih edilir. Bu gibi sistemlerde,
aralık ceplerini veya rezervuarları elle açıp kapayacak bir supap (veya
supaplar) veya silindir içindeki aralığı değiştiren hareketli bir silindir
kafası bulunur (Şekil-38).
Kapasiteyi kontrol eden veya yükü kaldıran bir sistem
olmadığında, giriş ve çıkış arasına yan-geçişler (by passes) konularak
kompresörler yüksüz olarak çalıştırılır (Şekil-39).
Yağsız
Silindirler
Kompresörlerin çoğunda silindirlerin yağlanmasında yağ kullanılır.
Bazı proseslerde, az miktarda da olsa, yağla kirlenmeler olur. Bu gibi durumlar
için "yağsız" çalışan silindirler üretilmiştir (Şekil-40). Bu
silindirler üzerindeki pistonlarda, grafit karbon veya teflondan piston
bilezikleri (segmanlar) vardır; bunlar piston ve silindir arasındaki gerekli
açıklığı ayarlayan segmanlarla aynı malzemeden yapılır. Plastik salmastra
yağlama gerektirmez.
Yüksek
Basınç Kompresörleri
Kimya endüstrisinde çıkış basıncı 5000 den 25000 lb / in2
ye kadar olan yüksek-basınç kompresörleri kullanılmaktadır. Bunlar özel
dizaynlar gerektirir; bu nedenle, kullanılacak gazın tüm özellikleri
bilinmelidir. Gaz, çoğunlukla ideal gaz halinden sapar, sıcaklık ve diğer
sınırlamalar, bir mühendislik çalışmasıyla çözülür. Yüksek basınç kompresörleri
beş, altı, yedi veya sekiz kademelidir. Silindirler çeşitli kısıtlamaları
karşılayacak ve aynı zamanda çeşitli kademeler arasındaki yükü dengeleyecek
şekilde dizayn edilmiştir.
Şekil-40:
Yağlamasız bir silindir için karbon piston ve yatak segmanları bulunan bir
pistonun görünümü
Şekil-41:
Dövme çelikten tek-etkili yüksek basınç silindiri
Şekil-42:
Yüksek basınç diyafram kompresörü
Çoğu zaman kademeler arasında sıyırma veya diğer prosesler
bulunur. Yüksek basınç silindirleri tek-etkili plungerli çelik dövmelerdir
(Şekil-41).
Kompresörde, plungere karşı olan basınç yükü, düşük basınç
kademelerinin bir veya daha çok tek-etkili pistonlarıyla ters çevrilir. Piston
mili salmastrası metaliktir. Doğru yerleştirme ve bilinçli yağlama çok
önemlidir. Yüksek basınç kompresör supapları koşullara göre dizayn edilir,
fevkalade yüksek mühendislik ve işçilik gerektirir.
Metalik
Diyafram Kompresörler
Metalik diyafram tipteki kompresörler (Şekil-42) küçük
miktarların (10 ft3/dak) sıkıştırılmasında kullanılır. Sıkıştırma
oranı, her kademede 10 - 1 aralığındadır. Sıcaklık yükselmesi önemli bir sorun
yaratmaz; gaz hacmine göre duvar alanı, izotermal sıkıştırma için gerekli ısı transferine
izin verir. Bu tip sıkıştırmalarda proses gazı için sızdırmazlığa gerek yoktur.
Diyafram, bir plungerle (basma silindiri) hidrolik olarak hareket ettirilir.
Piston
Mili Salmastrası
Piston mili salmastrası çok çeşitlidir ve kullanılan gaza ve
çalışma koşullarına göre özeldir; yumuşak, yarı-metalik ve metalik olabilirler.
Çoğu zaman metalik salmastra önerilir. Tipik bir düşük-basınç salmastra yapısı
Şekil-43(a) da, bir yüksek-basınç salmastrası Şekil-43(b) de verilmiştir.
Islak, uçucu veya tehlikeli gazlarla çalışıldığında veya aralıklı gaz basma
durumunda yardımcı bir salmastra kutusu ve yumuşak salmastra kullanılır
(Şekil-43c).
Fanlar
ve Blowerler
Bir fan ve kompresör arasındaki fark kesin olarak
tanımlanamaz. Fanların çalışma basıncı (p < 0.5lb / in2), gaz
üzerindeki sıkıştırma etkisi ihmal edilebilecek düzeyde kalacak kadar düşüktür.
Fanlarda giriş ve çıkış hacimleri hemen hemen eşittir, bunlar basit gaz
taşıyıcı sistemlerdir. Fanlar, hava akışlı (radyal) veya santrifüjlü ve aksiyal
(dik) akışlı olarak iki grupta toplanır. Radyal-akışlı fanlarda akış basittir
ve fan şaftına paraleldir.
Santrifüjlü Fanlar
Başlıca üç tipte yapılır: düz kanatlı (veya çelik-levhalı),
ileriye- eğimli kanatlı, geriye-eğimli kanatlı. Ayrıca çift yöne eğimli tipler de
vardır.
Şekil-43:
Salmastra tipleri; (a) Düşük basınç salmastra kutularında tipik salmastra
düzeni, (b) metalik salmastra kullanılan tipik bir yüksek basınç salmastra
kutusu, (c) yardımcı yumuşak salmastralı salmastra kutusu
Şekil-44:
Santrifüjlü fan tipleri
Düz-kanatlı fanlarda, tekerlek pedalına benzer birkaç (5-12)
radyal bıçağın bulunduğu, çapı büyük bir rotor vardır. Bunlar düşük hızlarda
çalışır, hava akımındaki atıkların taşınmasında ve eksozların atılmasında
kullanılır (Şekil-44a).
İleri-eğimli kanatlı fanlarda bıçak sayısı fazladır (20-64
kadar). Rotorun çapı daha küçüktür ve düz-bıçaklı fanlardan daha yüksek hızda
çalışırlar (Şekil-44b). Geriye-eğimli kanatlı fanlarda da 10-15 gibi çok sayıda
bıçak bulunur. Bunların kullanım alanları oldukça geniştir (Şekil-44c).
Aksiyal (Dik) Akışlı
Fanlar
Bunlar iki genel tipte yapılır: disk tipi, propeller
(pervane) tipi. Disk tipi aksiyal fanlarda, evlerde kullanılan fanlara benzer
düz veya eğimli kanatlar bulunur. Genel sirkülasyonda veya eksoz işlerinde
kullanılır; kanallara gereksinim olmaz.
Propeller tipi aksiyal fanların kanatları uçak kanatlarına
benzer şekilde dizayn edilir; bunlar iki-kademelidir (Şekil-45).
Şekil-45: İki-kademeli bir aksiyal akışlı
fanın şematik görünümü
Sabit bir çalışma koşulunda fanın hızı değiştirildiğinde,
hareket eden gazın hacmi fan hızıyla doğru orantılı olarak değişirken, durgun
basınç fan hızının karesiyle, güç ise küpüyle orantılı olarak değişir.
Uygulamada gerçek fan performansı, sadece deneylerle saptanır. Fanın
özellikleri, çoğunlukla dizaynına bağlıdır. Santrifüj fanlarda kanat tipi, fan
performansını etkiler. Aksiyal-akışlı fanlar için en önemli parametre
propellerin dizaynıdır. Çeşitli fan tiplerinin karakteristik özellikleri
Şekil-46 daki eğrilerle tanımlanmıştır.
Radyal kanallı fanda verim orta-derecelerdedir. Bu tip kanat
yapısı, asılı tanecikler içeren gazların taşınması için ideal bir yapıdır;
santrifüj kuvet kanatların temiz kalmasını sağlar. İleri-eğimli kanatlar içeren
fanlar hızı düşük, büyük cihazlardır; verimi orta derecededir. Bunlarla temiz
gazlar taşınır. Geriye-eğimli kanatlı fanlar daha yeni sistemlerdir; verimi ve
gücü yüksektir. Bunlarla temiz gazlar taşınır.
Şekil-46:
Çeşitli fan tiplerinin yaklaşık özelliklerini gösteren eğriler
Dinamik
Kompresörler
Santrifüj
Kompresörler (Turboblowerler)
Bir santrifüj kompresörün ana işlevi, içinden akan gazın
basıncını arttırmaktır. İşlem, bir santrifüj pompada olduğu gibi, girişten
çıkışa doğru radyal olarak akan gazın hızlandırılmasıyla yapılır. Santrifüj
kompresörlerin kapasiteleri çeşitlidir; çoğu 3500 rpm veya daha yüksek
hızlarda, elektrik motoru, buhar veya gaz türbinlerle çalışır.
Santrifüj kompresörde bir impeller (fan) ve bir gövde (kasa)
bulunur; bunlar, pompa fanlarına çok benzer. Gaz kompresöre fan gözü yakınından
girer, fanın ucunda bir difüzöre yüksek bir hız ve basınçla fışkırtılır. Hızın
kalan kısmı difizörde basınca dönüştürülür. Santrifüj kompresörler, çok yüksek
basınçlı çıkışa ulaşabilmek için çok kademeli yapılır.
Çok kademeli çalışmada gaz difüzörü terkeden gaz, bir
sonraki fanın gözüne yönlendiren bir diyaframa girer; diyaframda supaplar
bulunur. Sıkıştırılırken gaza transfer edilen enerji, gazın ısınmasına yol
açar; bu nedenle kademeler arasına soğutma kanalları konulmuştur. Tek bir
gövdede altı veya yedi kademeden fazla kademe bulunmaz. Yeterli basıncın
alınamaması halinde iki veya daha fazla gövde seri olarak bağlanarak kullanılır.
Beş kademeli bir kompresör Şekil-47 de verilmiştir.
İlginç bir santrifüj kompresörü Şekil-48 de
görülmektedir. Bunda eliptik bir kasa
vardır ve kısmen sıvı ile dolu durumdadır; içinde rotor kanatları döner.
Rotorun hızı, merkezden santrifüj kuvvetle uzaklaşan sıvının gövde duvarı
üzerinde bir sıvı halkası oluşturacak şekilde ayarlanmıştır.
Şekil-47: Beş
kademeli bir turboblower
Şekil-48: Nash
‘Hytor’ kompresörünün çalışma çevrimi.
Şekil-49:
Santrifüj kompresörlerin tipik karakteristik eğrileri; (a) türbin-hız
kontrollü, (b) kılavuz-supap kontrollü, (c) hız ve kılavuz-supap kontrollü
santrifüj kompresörleri arasında beygir gücü kıyaslaması.
Operasyon çevrimi, şekle göre, (1) de kanat boşluğu (bucket)
sıvıyla doludur; rotor dönerken sıvı gövdede ilerler, rotordan uzaklaşır ve
böylece gaz giriş ucundan girer, (2) de gaz için boşluk en fazladır; çünkü sıvı
gövdededir, (3) te eliptik duvar eksene çok yakındır, sıvıyı rotora doğru geri
iter, gaz boşluğunu azaltarak gazı sıkıştırır ve (4) te boşaltır. Bu çevrim bir
dönme devrinin yarısında tamamlanır. Soğutmanın sağlanabilmesi için sıvı
sürekli beslenir; iyi bir çalışma için akış miktarı en iyi şekilde kontrol
edilmelidir.
Çok kademeli bir kompresörün tipik karakteristik eğrileri
şekil-49(a) da verilmiştir. Görüldüğü gibi kompresör, bir sabit-basınç
sistemidir ve güç tüketimi, verilen hacimle doğru orantılıdır. Motorla çalışan
kompresörlerde hidrolik kaplin, magnetik kaplin gibi cihazlarla istenilen
çalışma koşulları sağlanır.
Çalışma aralığı hız değiştirilerek kontrol edilir; ayrıca
"giriş kılavuz supabı" kullanılarak kapasite azaltılır ve kararlı
çalışma aralığı yükseltilebilir (Şekil-49b). Kılavuz supabının ana görevi,
giriş kayıplarının azaltılması için impellerin önceden dönmesini sağlamak
olduğu gibi, gaz yoğunluğunu düşürerek gaz akış hızını azaltmaktır. Şekil-49(c)
de hız kontrolü ve kılavuz-supap kontrolünün tüketilen güce karşı kıyaslaması
verilmiştir.
Aksiyal
Akışlı Kompresörler
Aksiyal Akışlı Kompresörler gaz türbinleriyle çalışır ve jet
uçakları motorlarında bazı avantajları vardır. Endüstride bu tip sistemlerin
kullanımı azdır, bazı uygulama alanları olarak yakma-fırınları, gaz iticiler ve
rüzgar-tünelleri sayılabilir. Santrifüjlü sistemlere kıyasla en önemli
avantajları yüksek verim ve yüksek kapasitedir. Küçük boyuttaki aksiyal akışlı
kompresörler, aynı koşullarda uygun olan santrifüjlü tiplerden daha pahalıdır
ve tercih edilmezler.
Şekil-50 de tipik bir aksiyal-akış sistemi görülmektedir.
Dönen element (rotor) bir kazan şeklindedir ve buna birkaç dizi kanat
bağlanmıştır. Basınç artışının yarısı rotor kanadında, diğer yarısı stator
kanadında sağlanır. Sabit kanat dizileri havayı rotor kanatları içine gönderirken,
statik basıncı ve kinetik enerjiyi arttırır. İyi dizayn edilmiş bir
aksiyal-akışlı kompresör havayı 400 ft/sn hıza kadar çıkarabilir. Bu tip
kompresörlerin çoğunda kademeden kademeye olan gaz hızı sabittir. Peşpeşe
kademelerde sürekli basınç yükselmesi olacağından sabit gaz hızı, küçük bir dairesel
alanla sağlanır.
Şekil-50: Allis Chalmers aksiyal akışlı kompresör
Vakum
İşlemleri
Endüstrideki işlemlerin bazıları atmosfer basıncı altındaki
basınçlarda yapılır, 0.5 inç cıva basıncına, bir pistonlu veya döner pompayla
kolaylıkla erişilebilir.
Ejektörler: Piston, sübab, rotor, ve diğer hareketli
parçaların bulunmadığı basit vakum pompaları veya kompresörlerdir. Şekil-51(a)
da tek-kademeli bir ejektörün kesiti görülmektedir. Yüksek basınçlı buhar veya
hava bir nozuldan buhar odasına beslenir; buradan, çevresinde bulunan buhar
veya gazları yakalar, beraberinde sürükleyerek nozuldan yüksek hızla çıkar ve
bir yaklaştırıcı-ayırıcı nozul boyunca genişler. Difüzör (veya birleştirici
boğaz), hız enerjisinin basınç enerjisine dönüşmesine yardım eder. Bu işlem
sonunda, yakalanan bir miktar gaz, buhar odacığındaki basınçtan daha yüksek bir
basınçla dışarı atılır; difüzer bir kompresördür.
Tek-kademeli bir ejöktörde sıkıştırma oranı 10/1 i geçer,
fakat kapasite/taşınan akışkan oranı ekonomik değildir. Daha büyük sıkıştırma
oranları uygulandığında uygun kapasitelere çıkılabilir. Şekil-51(b) de
görüldüğü gibi, düşük-basınçlı jetten yüksek basınçlı jetin emme odasına
besleme yapılabilir.
Böyle bir sistemde her jette bir sıkıştırma oranı sağlanarak
istenilen basınç yükselmesine ulaşılabilir. Altı kademe seri olarak
kullanılabilir.
Şekil-51: Jet
ejektörler; (a) tek-kademeli, (b) çift-kademeli
Difüzyon pompaları: Çok düşük basınçların (yüksek
vakum) istendiği durumlarda difüzyon pompası gerekir. Difüzyon pompasıyla
10 7 mm Hg basıncının altına kadar
inilebilir. Bu büyüklükteki vakumlar için bir difüzyon pompası, tek-kademeli
bir mekanik pompa ile beraber kullanılır.
Difüzyon pompasındaki akışkan düşük buhar basınçlı bir
sıvıdır; çoğu kez civa veya özel bir yağ kullanılır. Pompadaki akışkan,
pompanın dibinde buharlaştırılır ve buharlar kondenser içinde yükselir. Ön
vakum uygulanmış gaz molekülleri, rasgele ısıl hareketlerle difüzyon pompası
içine girer ve buharlaşan pompa sıvısı molekülleriyle çarpışır. Buharlaşan sıvı
molekülleri kondenserin soğuk cidarlarında yoğunlaşıp geri akarken,
konsantrasyonu artmış olan gaz, mekanik pompayla dışarı basılır. Şekil-52 de
bir difüzyon pompası görülmektedir.
Şekil-52: Tipik bir difüzyon Pompası
GERİ (proje çalışmaları)
