DENEY-5: Akış Ölçme Deneyi - 1
HAZIRLIK SORULARI:
Deneye gelmeden önce aşağıda belirtilen aşamaları eksiksiz yapınız. İstenilen tüm verileri rapor halinde deneye gelirken ilgili araştırma görevlisine teslim ediniz. Deney öncesi yapacağınız bu çalışma deneyden alacağınız puanın %40’ını oluşturacaktır. Deney sonrası hazırlık soruları için getirilen raporlar kesinlikle değerlendirilmeyecektir. Hazırlayacağınız deney sonu raporu, deney notunuzun %40’ını oluşturacaktır. Deneydeki performansınız ise %20 olarak değerlendirilecektir.
1) Türbinmetrenin nasıl ve hangi amaçlarla kullanıldığını araştırınız ve açıklayınız.
2) Venturimetre çalışma prensibini açıklayınız. Orifismetre ile venturimetre farkını açıklayınız.
DENEY İLE İLGİLİ TEORİK BİLGİ VERİLMESİ VE DENEYLERİN YAPILIŞI
AKIŞ ÖLÇME EĞİTİM SETİ
YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü
ESM 413 Enerji Sistemleri Laboratuvarı-I
DENEY SİSTEM PARÇALARI
Sistemi oluşturan ve yaptırılacak deneyler kapsamında kullanılan sistem parçaları aşağıdaki tabloda teknik bilgileriyle verilmiştir.
S.NO PARÇANIN ADI ADEDİ MARKASI VE ÖZELLİĞİ
1 Su tankı 1 350x300x300 mm,
2 Sirkülasyon pompası 1 Alarko NVPO
3 Ventürimetre 1 Özel yapım 32/20 mm
4 Delikli levha (orifis plate) 1 Özel yapım 32/20 mm
5 Rotametre tipi debimetre 1 250-2500 L/h
6 Türbinmetre 1 Ordel ½” bağlantılı
7 Kontrol vanası 1 PVC küresel tip
DENEYİN ADI: Türbin Tipi Akış Ölçer ile Akış Ölçümü (1) ve Venturimetrede Akış Katsayısının Hesaplanması (2)
DENEYİN AMACI: Türbin tipi akış ölçerlerin (türbin metre) nasıl kullanıldığını, sinyal kablo bağlantılarının gösterge cihazına nasıl bağlandığını kavramak. Venturimetre tipi akış ölçerlerde akış katsayısının (CD), hesaplanması deneysel olarak nasıl yapıldığını kavramak.
Türbin Tipi Akış Ölçer ile Akış Ölçümü (1) TEORİK BİLGİ
Akışkanlar mekaniğinin ana uygulama alanlarından biri akışkanların debilerinin belirlenmesi olup bu anlamda uzun yıllardır farklı özelliklere sahip cihazlar geliştirilmiştir. Akış ölçen sistemler sistemin ölçüleri, kapasitesi, maliyeti, sonuçların güvenilirliği, basınç düşüşü ve çalışma prensiplerine göre değişiklik göstermektedir.
Türbin metreler orta ve büyük ölçekteki sanayi tesislerinin, şehir dağıtım şebekelerinin, elektrik üretim santrallerinin sıvı ve gaz akışkan ölçümlerinde geniş çapta bir kullanıma sahiptir. Türbin metreler şebeke içindeki pisliklere karşı rotary tip sayaçlar kadar hassas değildir. Ama bu tür pislikler pervanelere zarar vereceği için şebekenin iyi filtrelenmesi ölçüm hassasiyeti açısından önemlidir. Türbin tip akışkan sayacı (türbin metre) akış ölçümünde kullanılan ölçü cihazlarından
biri olup esas ölçüm elemanı olarak kullanılan ve türbine benzeyen şekle sahip pervanelerinden adını almıştır. Akışkan akışı türbin çarkını döndürür, dolayısıyla çarkın dönüş hızı akışkanın doğrusal hızıyla orantılıdır. Hareket, mekanik olarak manyetik kaplın vasıtasıyla numaratöre aktarılır. Borunun bir kısmına serbestçe dönebilen bir pervane yerleştirilerek ve gerekli kalibrasyonu yapılarak boru içerisindeki akış ölçülebilir. Bu amaca göre çalışan akış ölçüm cihazlarına türbinmetre ya da türbinli akış ölçer ya da türbin tipi debimetre denilmektedir.
Türbinmetre bazen pervaneli metre olarak adlandırılmakta olup bir boru hattına bağlanan serbestçe dönen pervanedir. Ama pervane akışkana enerji aktardığı ve türbin akışkandan enerji çektiği için bu adlandırma teknik olarak doğru kabul edilmemektedir. Tipik bir türbinmetre tasarımı Şekil-1’de görülmektedir. Türbinmetre içinde serbestçe dönebilen bir türbin (kanatlı rotor), akışı doğrultmak amacıyla girişe konumlandırılmış ilave sabit kanatlar ve dönme hızını bulmak için türbin üzerinde işaretli bir noktanın her geçişinde bir darbe sinyali üreten sensörün yerleştirildiği silindirik akış bölümünden meydana gelmektedir. Özel olarak üretilen bu türbinler açılı yapısı sayesinde akışkanın hızını kolaylıkla ölçebilirler. Türbinin dönme hızı akışkanın hızı ile yaklaşık doğru orantılıdır. Türbinden kaynaklı yük kaybı çok düşüktür.
Türbinmetrelerin en önemli avantajı her bir sinyalin sayısal olarak çok küçük bir akışkan debi artışına cevap verecek şekilde kolaylıkla ölçülebilmesidir. Sıvı tipi türbinmetreler iki kanatlı olarak yapılırlar ve sinyallerin sabit sayısı her bir akış birimi için 5:1 akış kademesinde yüzde
±0,25 hassasiyetle ölçüm yaparlar. Gaz metreler ise gerekli momenti oluşturabilmek için çok kanatlı yapılırlar ve hassasiyetleri yüzde ±1 değerindedir.
Şekil 1. Türbinmetre
Türbinmetreler son derece birseysel cihazlar olduklarından kalibre edilmek zorundadırlar. Bu amaçla üretici firmalar belirli debi aralıkları için kalibrasyon eğrileri hazırlamışlardır. Ayrıca sayısal göstergeli cihazların ayarları yardımıyla da debi-hız kalibrasyonları yapılabilmektedir.
Bunlara ek olarak yasal olarak zorunlu olan periyodik kalibrasyon işlemi daha sık tekrarlanarak ölçüm kayıpları kontrol edilebilir.
DENEYİN YAPILIŞI
Ana şalteri açıp pompayı çalıştırın. Vanayı açarak, debiyi 1000 L/h ayarlayın. Rotametre ile karşılaştırın. Vanayı açarak 1500 L/h debiye ayarlayın ve rotametre ile karşılaştırın. Vanayı açarak 2000 L/h debiye ayarlayın. Rotametre ile karşılaştırın. Okuduğunuz değerleri aşağıda verilen tabloya yazınız.
Ölçüm No
Debi (türbinmetre) [L/h]
Debi (rotametre) [L/h]
Fark [L/h]
1 1000
2 1500
3 2000
1 m3 /h=1000 l/h
Venturimetrede Akış Katsayısının Hesaplanması (2) TEORİK BİLGİ
Akışkan debisinin ölçümünde yaygın bir yöntem venturi tüpü veya orifis pleyt gibi akışkan kısıtlayarak akış hattı girişindeki ve boğazdaki basınç farkı ölçülür. Bu basınç farkı akış debisini hesaplamakta kullanılır. Venturimetre engelli akış ölçerler grubunun en hassas akış ölçeri olup, diğer taraftan da en pahalısıdır. Venturimetrede giriş konisinde hız artar, basınç düşer. Giriş konisindeki basınç düşüşü, sistem boyunca olan akış hızının ölçülmesine olanak verir. Sonra hız azalır ve koninin çıkışına doğru akım orijinal basıncına döner. Düşen basıncın tümüyle geri kazanılması için çıkış kısmındaki konikliğin açısı küçük tutularak sınır tabakası ayrılması önlenir ve sürtünme en aza indirilir. Venturimetredeki yavaş yavaş ayrılma ve genişleme akışın ayrılmasını ve çevrinti oluşmasını engeller ve sadece iç çeper yüzeylerinde sürtünme kayıpları vardır. Venturimetreler gazların ölçülmesinde kullanılan ölçü aletleri olmasına karşın, özellikle su gibi bazı sıvılar için de uygundur.
Ventüri girişindeki ve boğazındaki basınç farklarını Şekil 2’deki gibi basınç göstergeleri veya diferansiyel manometre yardımıyla okumak gerekir.
Şekil 2. Venturimetre
Orifismetre, venturimetre ile aynı prensiple çalışır ve venturi tüpü yerine sıvı akışını kısıtlamak için delikli bir levha kullanır. Bunun avantajı deliğin çapının çabuk ve kolayca değiştirebilmelidir, fakat dezavantajı venturi tüpüne göre basınç kayıplarının fazla olmasıdır.
Venturimetreler uygulamada bazı dezavantajlara sahiptir, maliyeti yüksektir, daha fazla hacim kaplarlar ve boğaz çapının boru çapına oranı değiştirilemez. Çok düşük yük kayıplarına neden olduklarından büyük basınç düşüşlerine izin verilmeyen uygulamalar için tercih edilmelidir. 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. Orifismetrenin çalışma ilkesi daha önce de belirtildiği gibi venturimetre ile benzemektedir. Akışkanın orifisten geçerken kesitinin azalması hız yüksekliğini artırır ve uçlar arasındaki basınç düşmesi manometreyle ölçülür.
Her iki cihazın teorisi benzemekte ve Bernoulli eşitliği ve süreklilik denkleminin uygulanmasını gerektirir. Yataydaki akış durumunun ideal olduğunu farz ederek;
12 2 p
2
2 p 2 1
2 1 2
2 1 22
2 2 1 1
u gh 2 u
) yüksekliği farkı
Basınç ( g h
P P g
u u
) h h , eşitliği Bernoulli
g ( 2 u g P g 2 u g P
2 1 2 p 2
.
2 2 1 1 .
2 1 2 p 2
p 2
1 2 2
2
2 1 2 2 2 2 p
2
1 2 2 1
2 2 1 1
A 1 A
gh A 2
V
; z yazabiliri şunu
olduğundan A
u A u V
; Debi
A 1 A
gh u 2
gh A 2
1 A u
A u A gh 2 u
; konursa Yerine
A u A u
A u A u
Bu ideal debidir. Gerçek debiyi bulmak için bu değere debi katsayısı eklemek gereken, böylelikle debi şu şekilde hesaplanabilir;
2 1 2 p 2
d .
A 1 A
gh A 2
. C V
(1)
Yine pitot tüpünde olduğu gibi hp akışkan akışındaki metre cinsinden basınç yüksekliğidir.
Bu şekilde;
g .
P hp P1 2
ve diferansiyel manometre kullanılıyorsa;
P1-P2 = (𝜌𝑖– g)gh
(1) eşitliği hem venturimetrelere ve hem de orifismetrelere uygulanır. Venturimetrede debi katsayısı akış debisine bağlı olarak artar ve 0,8 ilâ 0,98 değişir. Orifismetrede ise onun en yüksek artış noktası düşük debide 0,94 olur ve akış debisi arttıkça 0,6’ya kadar düşer. Bu yüksek hızlarda orifismetredeki basınç kayıplarının daha yüksek olduğunu gösterir (özellikle yüksek hızlarda).
(1) eşitliğini pratik bir duruma uygulayabilmek için bundan dolayı bir iterasyon (yaklaşım) prosedürü ile Cd hesaplanmalı, (1)’de debiyi bulmak için kullanılmalıdır. Sonra yeni Cd değeri için kalibrasyon eğrisi kullanılmalıdır. Bu prosedür ’ün başarılı sonuçlarına ulaşıncaya kadar istenen hassasiyet derecesi çok fazla değiştirilmeden tekrarlanır.
DENEYİN YAPILIŞI
Ana şalteri açıp pompayı çalıştırınız. Kontrol vanası ile akış debisini önce 1000 L/h değerine ayarlayıp fark basınç değerini tabloya kaydediniz. Sonra sırasıyla 1500, 2000, 2500, 1800 L/h değerlerine ayarlayıp fark basınç değerlerini tabloya kaydediniz. Aşağıdaki formülde değerleri yerine yazarak CD değerini hesaplayın.
1 2 2
1 2
A A A gh
C V
p D
formülde A2=3,14x10-4
1
1 2
A
A yerine 0,609375
10 0384 , 8
10 14 ,
1 3 4
4
x x
2g yerine 2x9,81=19,62 konursa (1) formülü aşağıdaki şekilde sadeleşir:
609375 ,
0 62 , 10 19
14 ,
3 4 p
D xh
x C V
1 mmss = 9,8066 x 10^(-5) bar Ölçüm
no
Debi [L/h]
Debi [m3/s]
P1
[mSS]
P2
[mSS]
hp
[mSS]
CD
1 1000 2,7777x10-4 2 1500 3,3333x10-4 3 2000 3,8888x10-4 4 2500 4,4444x10-4
Toplam Ortalama CD/5
DENEY SONU RAPORUNDA İSTENENLER:
1) Deney sonu raporunuzda tüm hesaplamalar ve belirtilen tablolar olmalıdır.
2) Teorik olarak hesaplanan ve deneysel olarak ölçülen değerlerle alakalı tüm yorumlarınız deney sonu raporunuzda yer almalıdır. Her aşamada yaptığınız tüm hesaplamalar ve oluşturduğunuz tablolarda birimlerin yazıldığına ve doğru olduğuna emin olunuz.
