Pervaneli Tip Akış Ölçerlerin Diferansiyel Basınç Ölçer Prensibi ile Debi Ölçümünde Kullanılabilirliği

(1)

Tesisat Mühendisliği Dergisi Sayı: 91, s. 63-68, 2006

1. GİRİŞ

Sıvılar ın debi ölçü münde en iyi bilinen ve en çok kullan ılan ölçü m tekniği diferansiyel basınç ölçer - lerdir. Diferansiyel basın ç ölçme cihazlarına ör - nek olarak; pitot tü pü, venturi tüp ü, orifis, dirsek ti - pi akış ölçer, akış nozulu, vb. verilebilir (Şekil 1).

Diferansiyel basınç akış ölçerlerin ölçme tekni -

ğinde temel husus, akış oran ının karesiyle ba - sınç d üşüşü arasındaki oranı tespit etmektir.

Debi, basınç fark ını ölçü p karekökünü alarak bu - lunur [1].

Pitot tüpleri toplam ve statik basınc ı ölçer. Toplam bas ın ç ile statik basın ç uçlar ına takılı borular bir manometreye bağlanarak aradaki basınç farkı okunur. Bu fark dinamik basınc ı vermektedir. Pi -

Pervaneli Tip Akış Ölçerlerin Diferansiyel Basınç Ölçer Prensibi ile Debi Ölçümünde Kullanılabilirliği

Haydar EREN Aydın ÇITLAK Şeyha YILDIZ

Özet

Kapalı kanal akışlar ında kullanılan pek çok akış ölçer vardır. Bu cihazlar genellikle "diferansiyel basınç öl- çerler" ve "pozitif yer değiştirmeli hız ve kütle ölçerler" olarak sınıflandırılabilirler. Diferansiyel basınç ölçer- lerde cihaz üzerinde iki farklı kesitte basınç fark ı ölçü lerek hidrodinamik teori yardımıyla debi hesaplanır. Po- zitif yer değiştirmeli ölçerlerde ise temel prensip, yer değiştiren akışkan hacmini ölçmektir. Ölçerin toplam devir sayısı, geçen toplam hacmin ölçü lmesini sağlar. Türbin ölçerler; dönen tip akış ölçerlerin bir çe şididir.

Boru merkezinde bulunan bir pervane, akış kanın hareketi ile döner. Dö nme sonucu elde edilen elektrik sin- yalleri sayılır ve yapılan kalibrasyon sonucu geçen akışkan miktarı tespit edilir [1]. Bu çalış mada, pervane- li tip akış ölçerlerin diferansiyel basın ç ölçme cihazlarının çalışma prensibine benzer bir şekilde debi ölçü- münde kullanılabilirli ğ i araştırıldı. Bu amaçla 46.5 mm iç çaplı bir borunun içerisine, iki yatak arasında dö- nebilen bir pervane yerleştirildi. Pervanenin boru çapı D/2 kadar önü ne ve D/2 kadar arkasına basınç priz- leri açıldı. Bunlar piyezometre boruları yardımıyla eğik manometreye bağlanarak değ işik debilerde, değişik kanat sayısı ve açılarında basınç farkı ölçüldü . Bö ylece basınç fark ı ile debi arasındaki ilişki elde edildi.

Anahtar Kelimeler: Türbin tip debi ölçer, pitot, venturi, orifis, dirsek tipi akış ölçer, akış nozulu, rotamet - re.

* Yrd. Doç. Dr., Fırat Üniv. Müh. Fak. Makina Müh. Böl. - Elazığ.

** Yrd. Doç. Dr., Fırat Üniv. Müh. Fak. Makina Müh. Böl. - Elazığ.

*** Y. Lisans Öğr., Fırat Üniv. Müh. Fak. Makina Müh. Böl. - Elazığ.

(2)

tot tüpü yerel ö lçü mlerde kullanılır. Ucuz olması, hareketli aksamının olmaması, kolay kurulması ve minimum basınç kaybına sahip olması avan - tajları arasında sayılabilir.

Venturi tüp ünün en büyük avantajı, d üşük basınç kayıplarında yü ksek hacimdeki sıvıların debisini ölçebilmektir. Bir venturi tü pü, daralan bir kesit, bir boğ az ve genişleyen bir difüzörden oluşur.

Akışkan boğazdan geçerken hızı artar, dolayı - sıyla giriş ve boğaz kesitleri arasında bir basınç fark ı oluşur. Bu tip akış ölçerlerin de hareketli aksamı yoktur. Ancak maliyetleri pitot tüpüne oranla biraz daha pahalıdır.

Orifisler, günümüzde en çok kullanılan düşü k maliyetli sıvı ak ış ölçerleridir. Bir orifis basit bir levha üzerine açılmış özel boyutlu bir delikten oluşur. Orifis levhası iki flanşla borunun içerisine takılır. Akışı daraltarak bu bö lgede bir basınç far - kına sebep olurlar. Orifislerin en önemli avantajı hareketli parçalarının olmayışı ve fiyatlarının ise düşü k olmasıdır. Ancak basın ç farkının yüksek olması debi katsayısının düş mesine sebep ol - makta, bu da ö lçme hassasiyetini azaltmaktadır.

Dirsek ölçerlerde dairesel kesitten geçen sıvı,

dış köş elerde merkezi bir kuvvet olu şturur. Bu kuvvet sıvının yoğunlu ğu çarp ı hızının karesiyle doğ ru orantılıdır. Ayrıca kuvvet dirseğin yarıç a - pıyla ters orantılıdır. Herhangi bir 90°'lik dirsek bir ak ış ölçer gibi kullanılabilir. Sadece dirseğin orta noktasına iki tane delik açmak ve bunu piyezo - metre boruları ile bir manometreye bağlamak ye - terlidir.

Akış nozulları, yüksek hızl ı ak ışlarda kullanılır - lar. Orifislere nazaran, çok daha fazla sıvı ak ışı - nın ölçümünü ayn ı bas ınç kaybında ölçebilirler.

Rotametreler de "Diferansiyel basın ç ölçerler" sı - nıfına girer. Şekil 2'de gö rüldüğü gibi daralan bir boru ve şamand ıradan oluşurlar.

Akış yokken, içindeki şamand ıra aşağıda ser - best halde durur. Alt kısımdan akışkan girince şamand ıra, kaldırma kuvvetinin etkisiyle yukarı doğ ru hareket eder. Şamand ıran ın dengede kal - dığı konum, akışın debisiyle orantılıdır. Kalibras - yon sonucu debi, rotametre üzerindeki skaladan direkt olarak okunabilir. Arzu edilirse, otomatik al - gılayıcılar kullanılarak denge elemanın ın yeri ve seviyesi sinyaller yardımıyla tespit edilebilir. An - cak bu akış ölçerin maliyetini artıracaktır [2,4].

64 TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 91, 2006

d) Dirsek tipi akış ölçer e) Akış nozulu Şekil 1. Çeşitli diferansiyel basınçlı akış ölçme sistemleri.

a) Pitot tüpü b) Ventürimetre c) Orifis

Ak ış

yö nü

P_T

P_S

Ak ış

y önü

Ak ış

y önü

Ak ış

y önü

Ak ış y önü

(3)

Pozitif yer değiştirmeli sistemler oval dişli, pis - ton, dö nen diskli tip vb. akış hacmi ölçerlerdir.

Burada esas prensip sıvıyı ölçü lebilecek parçala - ra ayırarak her bir parçayı hareket ettirmektir. Her bir kısım bir kaydediciyle kaydedilir. Üç farklı tipi örnek olarak gösterilebilir. Çift rotorlu dişli ölçer - ler, oval çarkl ı ölçerler, sü rgülü vana ölçerler. Bu ölçerler yü ksek doğrulu ğa sahip pahalı mühen - dislik ü rünleridir. Diğer amaçlar için de kullanılma - larına rağ men, asıl kullanım alanları, yakıtlar ve ya ğlar gibi pahalı sıvılar ın satış amaçları için öl - çü mlerinin yapılmasıdır[3]. Günümüzde yalnızca yü ksek kaliteli sıvı ölçü mlerinde bu metot kullanı - lır ve "pozitif deplasman ö lçü mü" terimine sıkça rastlan ır. Ölçme aletinin bir devrinde yer değ işti - ren toplam sıvı hacmi ; debi, viskozite, basın ç ve sıcakl ığın oldukça geniş bir aralığı boyunca yak - laşık olarak sabittir. Ölçerin toplam devir sayısı, geçen toplam hacmin ö lçülmesini sağlar.

Pozitif deplasman ölçerlerde, hareketli parçalar ı en az sürtünme oluşturacak şekilde yerleştir - mek gerekir. Sü rtü nme etkisi sıvı ölçü münde ha - talara neden olmaktadır. Bu sebeple ölçme aletle - ri değişik debi oranlarında kalibre edilmelidir. Po - zitif deplasman ölçerler, debinin geniş bir alanın - da ve toplam sıvı hacminin ölçümünde, ayrıca çok uzun periyotlarda yapılan ölçümlerde yüksek doğ ruluk sağlarlar. Tü rbülansl ı ak ışlardan etki - lenmezler. Özellikle büyük boylarının çok yer kap - laması, yüksek basınç kayıplarına sahip olması,

sadece sın ırlı bir basınç ve sıcakl ık aralığında kullan ılabilmesi ve bazı çeşitlerinin akışta vu - runtular meydana getirmesi dezavantajlarından sayılabilir [3].

Türbinli tip debi ölçerler; dönen tip akış ölçerlerin bir çe şididir (Şekil 3).

Geniş bir boru merkezinde iki yatakla destekle - nen bir pervaneden oluşur. Pervane kanatları ya

manyetik malzemeden yapılır ya da kanadın uç kısmının içine küçü k bir mıknat ıs koyulur. Perva - ne dönerken kanatların ağızlar ı boru içinde elekt - riksel bir sinyal meydana gelmesine sebep olur.

Eğer sinyal bir frekans metreden geçirilirse, akış oran ın ın frekansından hacim ö lçümü yap ılabilir.

Hidrodinamik teori tü rbin ölçerlerin performansını belirlemede yeterli olamamaktadır. Bu yüzden, türbin ölçerler için ayar gerekir, bu sayede elekt - riksel sinyalle arasındaki ilişki bulunur ve geçen ak ışkan hacmi deneysel yöntemle bulunabilir [1,2,3].

Özellikle geniş çapl ı borularda kullanılan bü yük boyuttaki türbin ölçerler frekans aralığı iyi ayarla - nabilirse dijital olarak oldukça kesin sonuçlar ve - rebilirler. Ancak diğer akış ölçerlerden oldukça pahal ıdırlar, parça çaplar ı bü yüktür. Çok uzun pe - riyotlarda aşınma, yatak problemleri gibi sebep - lerle orijinal ayarlarını koruyamayabilirler. Tü rbin ölçerler, türb ülansl ı akış lara ve özellikle girdap oluşumlarına hassastırlar. Boyutları küçü k oldu - ğunda, yataklardaki sürtünmenin oluşturdu ğu tehlike nedeniyle büyükleri kadar iyi performans alınamaz.

2. DENEY DÜZENE Ğİ

TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 91, 2006 65

Şekil 2. Değişken kesitli akış ölçer (rotametre)

Şekil 3. Türbin tip akış ölçerler denge

konumu

şamandıra

dış gövde manyetik ba şl ı k

ak ış y önü

rotor desteği şaft rotor kaldırma

kuvveti

skala ağırlık

akışyönü

(4)

Deney düzeneğ i Şekil 4'te görü lmektedir. Depo - dan bir pompa yardımıyla temin edilen su, siste - me girdiğinde boru eksenine yerleştirilmiş per - vane dönmeye başlamaktad ır. Debi arttıkça per - vanenin dönme hızı da artar. Debi, tartı kab ında toplanan suyun toplanma süresine bölünerek bu - lunmakta, basınç kayb ı ise boru cidarlarına yer - leştirilmiş bas ınç prizleri yardımıyla eğik mano - metreden ölçü lmektedir.

Çalışmada kullanılan boru iç çap ı 46.5 mm, flan şlar arası toplam boru uzunluğu ise 450 mm'dir. Basın ç prizleri, (1) ve (2) kesitlerinde per - vaneden D/2 kadar uzağa yerleştirilmiştir. Per - vaneler 3, 4 ve 5 kanatlı olup, kanat açıları 15, 30 ve 60 derecedir. Deney borusunun çap ı, giriş ve çıkış çaplarından daha büyük tutularak deney borusu içerisinde bir karşı bas ın ç oluşmas ı sa ğ - lanmıştır. Bu sayede düşük debilerde (1) ve (2) kesitleri arasında bir basınç düşüşü ya şan ır - ken, yüksek debilerde tam tersi bir basınç art ışı sö z konusu olmaktadır. Bu durumda (1) ve (2) ke - sitleri arasında (akış halinde) basınc ın eşit oldu - ğu kritik bir debi değeri vardır. Bu kritik debi değe - rinden daha büyük debilerde basınç fark ı ile debi - nin yaklaşık lineer olarak değiştiği gö rülmekte -

dir. Pervaneli tip akış ölçerin diferansiyel akış öl - çer prensibine benzer bir tarzda kullanılması ha - linde, bu lineer değişim bölgesi ö lçü m aralığı ola - rak alınabilir. Kullanılan pompanın gücün ün, do - lay ısıyla debi aralığının düşü k olması nedeniyle bu çalış mada daha yüksek debilere çıkılama - mıştır. Daha yü ksek debilerde de bu lineerliğin devam edip etmediği ayrıca araştırılmal ıdır.

3. SONUÇLAR

Deney setinde kullanılan pompanın gücü nün dü - şü klüğü sebebiyle bu çalışmada en çok 0,35 kg/s debiye ulaşılabilmi ş ve bu debi aralığında ölçü mler yapılarak piyezometre boruları arasın - daki basınç fark ı bulunmuştur. Değişik kanat açı ve sayılarında deneyler tekrarlanarak basınç far - kı ile kütlesel debi arasındaki eğriler çizilmi ştir.

Şekil 5, kanat açısına bağlı olarak basın ç farkı ile kü tlesel debi arasındaki ilişkiyi göstermektedir. 3 kanatlı pervanede aynı debide en yüksek basınç fark ı 30° kanat açısında görülü rken, 4 kanatlı pervanede en yüksek basınç fark ı 60° kanat açı - sında gö rülmektedir. 5 kanatlı pervanede ise en yü ksek basınç farkı 30 °'lik kanatta oluşmu ştur.

Şekil 4. Deney düzeneğinin şematik görünüşü flanş ve yatak

Debi ayar vanası Eğik manometre

Tartı kabı

Denge ağırlığı

Su 2

2

1

Besleme syu girişi Su deposu

(5)

Şekil 6'da kanat sayısına gö re basınç fark ının kü tlesel debi ile değ işimi görülmektedir. Kanat sayısının artması ak ış alan ın ı daraltarak perva - nenin daha yavaş dönmesine sebep olmakta, bu ise aynı debide basınç fark ın ın daha düşük ol - masına yol açmaktadır. 15° ve 30° kanat açılar ın - da 3 kanatlı pervane daha hızlı d önerken, 60° ka - nat açısında ise 4 kanatlı pervanenin daha hızl ı dönd üğü görülmüş tür.

Kütlesel debi (kg/s) (a)

Kütlesel debi (kg/s) (b)

Kütlesel debi (kg/s) (c)

Şekil 5. Kanat açısına göre basınç farkı- kü tlesel debi değişimi

(a) 3 Kanat (b) 4 Kanat (c) 5 Kanat

Kütlesel debi (kg/s) (a)

Kütlesel debi (kg/s) (b)

Kütlesel debi (kg/s) (c)

Şekil 6. Kanat sayısına gö re basınç fark ı- kü tlesel debi değişimi

(a) 15 Derece (b) 30 Derece (c) 60 Derece

Bu çalışmanın amacı, pervanenin dönme hızın ı etkileyen kanat açısı ile kanat sayısı arasındaki optimum değeri bulmak değ il, bu yöntemin debi tayininde kullanılabilirli ğini araştırmak ve arzu edilen debi aralığında hangi pervanenin kullanıl -

TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ DERGİSİ, Sayı 91, 2006 67

3 K, 15 Derece 3 K, 30 Derece 3 K, 60 Derece

(p2-p1) (N/m

2)

800

700

600 500 400 300 200 100 0

(p2-p1) (N/m

2)

800

700

600 500 400 300 200 100 0

(p2-p1) (N/m

2)

15 Derece, 3 K 30 Derece, 4 K 60 Derece, 5 K

(p2-p1) (N/m

2)

(p2-p1) (N/m

2)

(p2-p1) (N/m

2)

800

700

600 500 400

300 200

100

0

(6)

4. DEĞERLEND İRME

Diferansiyel basınçölçerlerde debi-bas ınç düşü - şü ilişkisi şeklindedir. Tü rbin tip akış ölçerde ise bu ilişki olarak bulunmuştur. Debi ile basınç dü - şüşü arasındaki bu lineer ilişkinin ölçme hassa - siyetini de artıracağı söylenebilir. Debi ö lçer, C2 değ erinden daha küçü k debileri ölçemez. Bu kritik debinin üzerindeki debilerde bu yöntemin geçerli olaca ğı gö rülmektedir. Ayrıca bu tip debi ölçerler - de, pervanede kullanılan kanat sayısı, kanat açısı gibi faktörler formüldeki C1 ve C2 katsayılarının değ işmesine yol açacakt ır. Dolayısıyla debi ölçü - mü amacıyla bir sisteme yerleştirmeden ö nce, bu tip ölçerler kalibre edilmelidir.

Bu tip debi ölçerler genellikle bü yük kesitli boru - larda ve büyü k debilerin ölçü münde kullanılabilir.

Hassas sonuçlar verebilirler. Ancak çok uzun pe - riyottaki kullanımlarda meydana gelecek aşın - malar ölçme hassasiyetini düşü recektir. Bu du - rumda yeniden kalibre edilmeleri gerekecektir.

KAYNAKLAR

1) Tse, Francis S. and Morse, Ivan E. "Measure - ment and Instrumentation in Engineering", Marcel Dekker, Inc., New York, 1989.

2) Miller, R.W., "Flow Measurement Engineering Handbook", McGraw-Hill, New York, 1983.

3) Hayward, Alan T.J. "Flowmeters", Macmillan Pub., Hong Kong, 1984.

4) Collett, C.V. and Hope, A.D., "Engineering Me - asurements", Longman Scientific & Technical, Singapore, 1987.