Akışkanların Ölçülmesi (flow measurement)

Endüstriyel prosesin kontrol edilebilmesi için prosese giren ve çıkan madde miktarlarının bilinmesi gerekir. Maddelerin akışkan olması halinde bir boruda veya kanaldaki akış hızının ölçülmesi önemlidir.

Bu amaçlarla kullanılan çeşitli ölçme cihazları bulunur; bunlardan bazıları,

(a) Doğrudan ağırlık veya hacim ölçmeye dayanan cihazlar

(b) Değişken-yükseklik ölçen cihazlar

(c) Alan metreler

(d) Akım metreler

(e) Pozitif-yerdeğiştirme cihazları

(f) Magnetik metreler

Hacim veya ağırlık ölçen cihazlar çok basittir ve burada anlatılmayacaktır.  Bunlardan bazıları, "Tanecik Katılarla İlgili İşlemler, 5. Kısım"da anlatılmıştır. Akım metrelerle ölçmede, ölçme elementi akışkana daldırılır; akışkanın hızına göre element döner ve metreden akışkanın hızı okunur.

Çeşitli ölçme pompalarını da içeren pozitif-yerdeğiştirmeli metreler, döner ve pistonlu pompalarla aynı ilkelere göre çalışır. Magnetik flowmetreler, dışardan yaratılan düzenli bir magnetik alan boyunca iletken bir akışkanın hareketiyle bir elektrik potansiyelinin yaratılmasına dayanır.

Faday Kanununa göre, yaratılan voltaj, akışkanın hızıyla doğru orantılıdır. Ticari magnetik flowmetreler, hidrokarbonlar (elektriksel iletkenlikleri düşüktür) dışındaki tüm sıvıların hızını ölçerler.

Akış ölçmede en fazla kullanılan cihazlar değişken-yükseklik ölçen ve alan ölçen cihazlardır. Değişken-yükseklik ölçen cihazlar içinde venturimetre, orifismetre ve pitot tüpler; alan metreler içinde de  rotametreler sayılabilir.

Venturimetre

Bir venturimetrenin  şematik görünümü Şekil-53 te gösterilmiştir. Akım, ucu konik olarak kesilmiş silindirik yapıdaki flanşlı A kısmından girer, B boğazından geçer ve konik kesimli uzun C bölümünden çıkar. Giren akım (üst akım) silindirik ve konik kısmın bağlantı noktasında üzerinde küçük delikler (E) bulunan dairesel bir halkadan (D) geçerken basıncı düzenlenir; D ve E lerden oluşan bu kısma "piezometre (basınç ölçer)" denir. Giriş akımının basıncı F tapasından ölçülür. İkinci bir piezometre G boşluğu ve H delikleri ile boğazda bulunur; delikler çok hassas yapılmıştır ve işlenmiştir. Boğazdaki basınç I tapasıyla kontrol edilir. F ve I tapaları arasına uygun bir basınç ölçer (bir monometre gibi) bağlanarak giriş ve çıkış akımları arasındaki basınç farkı ölçülür.

Venturimetrede giriş konisinde hız artar, basınç düşer. Giriş konisindeki basınç düşüşü, sistem boyunca olan akış hızının ölçülmesine olanak verir. Sonra hız azalır ve C konisinin çıkışına doğru akım orijinal basıncına döner. Düşen basıncın tümüyle geri kazanılması için C deki konikliğin açısı küçük tutularak sınır tabakası ayrılması önlenir ve sürtünme en aza indirilir.

Venturimetreler gazların ölçülmesinde kullanılan ölçü aletleri olmasına karşın, özellikle su gibi bazı sıvılar için de uygundur.

Şekil-53: Venturimetre

Sıkıştırılamayan akışkanlar için venturimetre temel denklemi, Bernoulli eşitliğinden çıkarılır. D ve G iki basınç noktası arasında Bernoulli denklemi yazılır. Sürtünme olmadığı, metrenin yatay durduğu ve pompa bulunmadığı kabul ediliyor. V_a ve V_b, ortalama üst (giriş) ve alt (boğazdaki) akım hızları, r akışkanın yoğunluğudur. V_b,

b = D_b / D_a, D_b = metrenin boğaz çapı, D_a = borunun çapı, a = kinetik enerji düzeltme faktörüdür a ve b (burada D ve G) noktaları arasında az bir sürtünme kaybı varsa, yukarıdaki denklem bir C düzeltme faktörü konularak aşağıdaki şekilde yazılır.

C_v de, kinetik enerji faktörleri a_a ve a_b nin etkileri dikkate alınmıştır. C_b deneysel olarak saptanır; buna, "venturi katsayısı" denilmektedir. İyi dizayn edilmiş venturimetreler için, C_v » 0.98, daha büyüklerde (2-8 inçlik borularda) C_v » 0.99 dolayındadır.

Venturi boğazındaki hız (V_b), çoğu kez istenilen değerde olmaz. Pratikteki akış hızları metre boyunca olan kütle ve volumetrik akış hızlarıdır. Kütle akış hızı,

eşitliğinde, yukarıdaki denklemden V_b konularak çıkarılır.

m = kütle akış hızı (lb/sn), S_b = boğazın alanıdır (ft²).

Volumetrik akış hızı (q, ft³ / sn). kütle akış hızının yoğunluğa bölünmesiyle bulunur.

Venturimetredeki akış sürtünmesizse basıncı, metreden çıkan akımın basıncına eşittir ve venturimetrede herhangi bir basınç kaybı olmaz. Üst-akım konisindeki basınç kaybı (p_a – p_b), alt akım konisinde tümüyle geri kazanılır. Şüphesiz sürtünmeden tam olarak kurtulmak olanaksızdır; dolayısıyla basınçta sabit bir azalma ve buna eşdeğer miktarda bir güç kaybı vardır.  Boğazdan sonraki koninin dar açılı olması, bu sabit basınç azalmasını en aza indirir. Bu değer (p_a – p_b) nin %10 u kadar olup, %90 ı geri kazanılır.

ÖRNEK

Su akımının hızını ölçmek için, Shc 40 numara 4 inçlik boruya bir venturimetre takılmıştır. Maksimum akış hızının 60 ⁰F da 325 gal/dak olması istenmektedir. Diferensiyal basınç cıva ile doldurulmuş 50 in manometre ile ölçülmektedir. Suyun sıcaklığı 60 ⁰F tır. (a) Venturinin boğaz çapı (D_b) kaç inç olmalıdır (1/8 in yakınlıkla)? (b) Metrenin tam yüklü çalışması için gerekir güç (P, h_p) ne kadardır?

(r = 62.37 lb / ft³, C_v = 0.98, g_c = 32.17 ft.lb / lb_f sn², 1hp = 33000 ft.lb / dak)

a. Boğazın çapı volumetrik akış hızı eşitliğinden hesaplanır.

D_b = 0.127 ft = 1.53 in, b = 1.53 / 4.026 = 0.380, buna göre:

Bu terimin sonuca etkisi ihmal edilebilir düzeydedir. Boğazın çapı, 1/8 in yakınlıkla 1.5 inç olmalıdır.

b. Güç kaybı basınç farkının %10 u alınarak hesaplanır. Basınç farkı 3275 lb_f / ft² olduğundan,

Orifismetre

Venturimetreler uygulamada bazı dezavantajlara sahiptir, pahalıdır, fazla yer kaplar ve boğaz çapının boru çapına oranı değiştirilemez. Bir venturimetre ve manometre sisteminde maksimum ölçülebilen akış hızı sabittir; bu durumda akış aralığı değiştiğinde, boğaz çapı ya çok büyük veya çok küçük kalır ve doğru sonuç alınamaz. Orifismetreler bu dezavantajları içermez.

Şekil-54 te standart bir keskin-kenarlı orifis görülmektedir. Çok iyi işlenmiş ve delinmiş ve iki flanş arasına tutturulan orifis levhası, boruya merkezi konumda monte edilir. Levhadaki açıklık alt akım tarafında yivli olabilir. Basınç uçlarından biri orifisin üst tarafında, diğeri alt tarafında bulunur; bu uçlar bir manometreye veya uygun bir basınç-ölçere bağlanmıştır. Basınç uçlarının yerleri isteğe göre değişebilir, fakat metrenin katsayısı da bu uçların konumuna bağlı olarak değişir.

Şekil-54: Bir orifismetrenin görünümü ve % maksimum basınç farkı eğrisi

Orifismetrenin çalışma ilkesi venturimetreninkine benzer. Akışkanın orifisten geçerken kesitinin azalması hız yüksekliğini artırır ve uçlar arasındaki basınç düşmesi manometreyle ölçülür. Basınç yüksekliğindeki azalmasıyla hız yüksekliğindeki artış arasındaki bağıntı Bernoulli eşitliğinden çıkarılır.

Orifismetrede, venturimetrede görülmeyen önemli bir sorunla karşılaşılır. Orifis keskin olduğundan, orifis levhasının alt akım tarafından akışkan akımı ayrılır ve serbest-akan bir jet akım meydana gelir. Jet akım boru duvarlarının kontrolünde değildir ve alanı, orifis açıklığının orifis-basınç ucu mesafesine oranıyla değişir. Herhangi bir noktadaki (örneğin alt akım basınç ucunda) alan kolaylıkla saptanamaz ve bu noktadaki jetin hızı orifisin çapıyla basit bir bağıntıyla tanımlanamaz. Orifis katsayıları, venturiye göre, daha deneysel bazlıdır.

Orifis boyunca olan hız (u₀, ft / sn) aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.

b = orifis çapının boru çapına oranı, p_a ve p_b, a ve b konumlarındaki basınçlardır. Eşitlikteki C₀ orifis katsayısı olarak tanımlanır; orifis, basınç ucu-orifis konumu mesafesi, sürtünme, a_a ve a_b yi içeren bir düzeltme faktörüdür. C₀ daima deneysel olarak saptanır. b ve N_Re,o (orifiste Reynols sayısı) ile önemli derecede değişir. Bu N_Re,0, aşağıdaki eşitlikle verilir. (D = orifisin çapıdır.)

Bu eşitlik dizaynlarda çok kullanılır, çünkü C₀ hemen hemen sabittir ve N_Re,o > 20 000 de b ya bağımlı değildir. Bu koşullarda C₀ = 0.61 alınabilir. b < 0.25 olduğunda,

dolayında bulunduğundan, Denklem(5), (7) şeklini alır.

Kütle akış hızı (m) ve orifisin kesit-alanı (S₀),

Fazla hassasiyet gerekmediğinde Denklem (8) orifis dizaynında kullanılabilir.

Oluşan jet akımın tekrar genişlemesi sırasında meydana gelen girdaplar (eddy) nedeniyle büyük sürtünme kayıplarıyla karşılaşılır; dolayısıyla bir orfismetrede basıncın geri kazanılması zordur. Bu durum orifismetrenin bir dezavantajıdır.

Şekil-55 te orifismetrelerdeki basınç kaybı görülmektedir. Kayıp b değerine bağlıdır. b = 0.5 olduğunda, kayıp orifis mesafesinin %75 i kadardır.

Şekil-55: Orifismetrelerde toplam basınç kaybı

ÖRNEK

Shc 40 numara 4 inçlik borudan 100 ⁰F da yağ akmaktadır. İstenen minimum akış hızı 60 ⁰F da 12000 bbl / gündür (1bbl = 42 U.S.gal). Basınç cıvalı bir manometre ile ölçülmekte ve sızdırmazlık için glikol (öz ağırlığı = 1.11) kullanılmaktadır. Metrenin maksimum okuması 30 inçtir. Yağın viskozitesi 100 ⁰F da 5.45 cp, öz ağırlığı 60 / 60 ⁰F da 0.8927, 100 ⁰F daki yoğunluğunun 60 ⁰F dakine oranı 0.984 tür.

(a) Orifisin çapını (in), (b) güç kaybını (hp) hesaplayın.

(a) Orifisin çapını bulmak için denklem (8) kullanılır. Bunun için aşağıdaki veriler hesaplanmalıdır.

60 ⁰F daki yoğunluk: r_B = 0.8927 x 62.37 = 55.68 lb / ft³

100 ⁰F daki yoğunluk: r = 0.8927 x 62.37 x 0.984 = 54.79 lb / ft³ 

Reynolds sayısı yeteri kadar büyük olduğundan, C₀ = 0.61 alınabilir.

(b) b = 0.554 olduğundan, Şekil-55 ten, kaybolan fark basınç, orifisin %68 idir. Metrenin maksimum güç tüketimi,

Pitot Tüpler

Pitot tüp, bir akım hattı boyunca yerel hızın ölçülmesinde kullanılır. Aletin kullanım şeması Şekil-56 da verilmiştir. a tüpünün açıklığı akım yönüne dik, durgun (statik) tüp b ninki paraleldir. Bu iki tüp bir manometrenin uçlarına bağlanarak küçük basınç farkları ölçülebilir. Durgun tüp, açık kısmına dik herhangi bir hız bileşeni bulunmadığından, durgun basıncı (p₀) ölçer. Darbeye karşı olan a tüpünün B noktası, AB akım hattının sonlandığı noktadır (hareketsiz nokta). Burada ölçülen ps basıncıdır. Manometre p_s – p₀ basınç farkını ölçer.

Sıkıştırılamayan sıvılar için, B deki yerel hız, u₀, aşağıdaki eşitlikle hesaplanır.

Pitot tüpün dezavantajları: (1) doğrudan ortalama hızı vermez, (2) gazlar için okunan değerler çok küçüktür.

Alanmetreler: Rotametreler

Orifis, nozul veya venturide, sabit bir alan boyunca akış hızının değişmesi değişken bir basınç düşmesine yol açar ; bu durum akış hızına bağlıdır. Alanmetreler denilen diğer bir sınıf ölçü aletlerinde ise basınç düşmesi sabittir veya sabite çok yakındır; akım hızıyla akımın geçtiği alan değişir.

En önemli alanmetre, rotametredir (Şekil-57) Rotametre, dereceli ve yukarı doğru genişleyen bir cam tüptür. Akışkan tüp içinde yukarı doğru (dikey) hareket eder; bu sırada içinde asılı durumda bir "float (standart yüzen bir parçacık) bulunur. Float akımın hızı arttıkça yükselir; hız sabit kaldığında floatın bulunduğu yer, yani tüp içindeki yüksekliği de sabit kalır, değişmez. Akımın hızı azaldığında float tüp içinde aşağı iner. Floatun bulunduğu seviye, dereceli cam tüpten okunur ve her flowmetrenin kendine özgü float-kalibrasyon eğrisi verilerinden akımın akış hızı bulunur.

GERİ (proje çalışmaları)