Yangın Pompası Teorik ve Pratik Değerlendirmeler

Marmara Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü ve DUYAR iş birliği ile yangın pompaları, tipleri, çalışma biçimleri ve örneklem pompa analizleri konusunda bir araştırma gerçekleştirilmiştir. Yangın Pompası konusunda teorik ve pratik değerlendirmelerimiz akademik ve sahadan bilgiler içermektedir.

Pompa

Bir akışkanı bir yerden başka bir yere transfer eden sistemlere pompa denir. Pompa/mekanik enerjiyi hidrolik enerjiye çeviren su makinesidir.

Pompa Tipleri

1- Rotadinamik Pompalar

Santrifüj pompalar

Helikosantrofüj pompalar

Eksenel pompalar

2- Volumetrik Pompalar

Pistonlu pompa

Dişli pompa

Vidalı Pompa

Diyaframlı pompalar

Bir gövde içinde yer alan kanatlı bir pervanede (Çark) oluşan bu pompalarda sıvı, bir girişten çarkın ortasına iletilir. Basınç, sıvının çarkla döndürülmesiyle elde edilir. Şekil 1’de örnek bir simülasyon sonucundan alınan hız konturları ile bu çalışmada kullanılan pompanın çizimi bulunmaktadır.

Şekil 1a
Şekil 1b

Temel Özellikler

  • Düşük basınçta bol akışkan basabilirler.
  • Verimleri pistonlu pompalardan düşüktür.
  • Emme yetenekleri yoktur, graviteyle beslenirler.
  • Havasının her zaman alınması gerekir.
  • Az yer kaplar, discharge’ı süreklidir.

Çalışma Prensibi

Çarkın emiş tarafında meydana gelen vakum nedeniyle sıvı çarkın kanatları arasına girer. Çark kanatları arasından geçen sıvı, çarkın dönüş hareketleriyle büyük teğetsel bir hız kazanır. Çark kanatları ile çarkın ön ve arka profili tarafından sınırlanan kanallar arasında sıvı çarkın çıkış tarafına doğru dönme hareketi esnasında meydana gelen santrifüj kuvvetler etkisiyle itilir. Bu şekilde oluşan hareket, sıvının devamlı akışını ve pompanın emme etrafındaki emişini sağlar.

Belirli bir dönme hızıyla en yüksek basınç elde edilir. Bu tür bir pompanın bir hidrodinamik pompa olduğu söylenebilir. Bütün sıvılarda kullanılmaya elverişlidir. Plastikten, bronzdan, titanyum ve tantal gibi maddelere kadar her türlü maddeden yapılabilir.

Pompayı Oluşturan Parçalar

  • ÇARK: Mekanik enerjiyi hidrolik enerjiye çeviren ve üzerinde çok sayıda kıvrık kanatlar bulunan organdır.
  • SALYANGOZ: Çarktan çıkan suyu toplayıp basma borusuna veren kısımdır.
  • DİFÜZÖR: Bazı pompalarda çark ile salyangoz arasına yerleştiren ve çarktan çıkan suyun hızını azaltarak yüksek kinetik enerjinin bir kısmını basınç enerjisi haline dönüştüren halka şeklindeki kısım.
  • SALMASTRA KUTUSU: Mil ile gövde arasında doğacak kaçakları önlemek için alınmış düzendir.
  • MİL: Tahrik organı ile çark arasını bağlayan ve çarkı taşıyan organdır.
  • GÖVDE: Tulumbanın salyangoz ve diğer organları taşıyan kısımdır.
  • EMME BORUSU: Emme haznesiyle tulumba girişi arasındaki borudur.
  • DİŞ KLAPESİ VE SÜZGEÇ: Emme borusunun girişinde tek taraflı akış sağlayan yani tulumba dururken tulumba içindeki ve emme borusundaki suyun geri boşaltılmasına engel olan bir klape mevcuttur. Genel olarak bu klape bir süzgeç içerisine konmuştur.
  • YIPRANMA HALKASI VE HİDROLİK CONTA: Dönen çark ile tulumba gövdesi arasında bulunan ve çarkın basma kısmında emme kısmına bu geçit yolu ile kaçan akışkan miktarını önlemek için alınan düzendir.

80-250 Örneklem Pompa Analizi

Analizler sonlu hacimler yöntemine dayalı, ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak yapılmıştır. Çözümlerde k-w SST türbülans modeli kullanıldı. Akışkan su olduğundan yoğunluk sabit alındı ve çözümler sıkıştırılamaz akış koşullarında yapıldı. Çalışma şartları anlık değişimleri görme gereksinimi olmadığından ve pompa devreye girdiğinden itibaren hızlı bir şekilde sabit bir değere ulaştığından dolayı zamandan bağımsız çözüm yapılması yeterli görüldü.

Geometri

Çözümlerde 80-250 santrifüj pompa geometrisi kullanıldı. Pompanın çark çapı 250 mm ve çıkış çapı 80 mm dir. Geometri katı geometri baz alınarak içindeki sızdırmazlık için kullanılan katı parçaların da çıkarılmasıyla iç hacmini oluşturarak simülasyona hazır hale getirilmiştir. Katı geometrinin bir örneği Şekil 2’de görülebilmektedir.


Şekil 2: 80-250 Pompa CAD Geometrisi

Mesh (Ağ Yapısı)

Analizlerde 3 farklı ağ yoğunluğu denenerek ağ yapısının çözüm üzerindeki etkisi minimize edildi. Seçilen ağ yapısı kanatların etrafında daha yoğun olacak şekilde yüzeyde iyileştirmeler içermektedir. Ayrıca çözümlerdeki hatayı azaltmak amacıyla, özellikle pompaya giriş ve çıkış boruları iç yüzeylerine doğru ağ yoğunluğu artacak şekilde değişikliğe gidilmiştir. Seçilen ağ yoğunluğu, geometrinin karmaşık yapısı nedeniyle, dört yüzü de üçgen olan konveks sonlu hacimlerden oluşan (tetrahedral) bir yapıda oluşturulmuştur. Seçilen ağ yoğunluğunda yaklaşık 1000000 eleman bulunmaktadır. Şekil 3’te çözümlerde kullanılan ağ yapısı görülmektedir

Şekil 3: Çözümlerde kullanılan ağ yapısı

Simülasyonda kullanılan bazı değerler

  • ρsu = 998.2 kg/m3
  • g = 9.81 m/s2
  • n = 2900 d/d
  • Açık hava basıncı (P0 = 101325 Pa)
  • Giriş sınır şartı: Basınç-giriş (atmosferik basınç)
  • Çıkış sınır şartı: Kütle-çıkışı (toplam 6 farklı değer, her debiye karşılık gelen kütlesel debi değeri)

Sonuçlar

Simülasyon sonuçları, orta düzlemden alınan basınç, hız konturları, akış çizgileri ve vektörlerde oluşan görsel çıktıların dışında sayısal değerler içeren bir tablo ile bu tablodaki değerler kullanılarak çizdirilmiş grafikleri içermektedir. Tablo 1’de görülebilecek giriş ve çıkış hızları, basma yüksekliği, hidrolik ve mekanik güç ile pompa verimi gibi bazı önemli performans verileri belirlenen debiler için gösterilmiştir.

Tablodaki simülasyon sonuçlarından alınan değerler, literatürle ve deneysel sonuçlarla örtüşmekte olup beklenen trendleri takip etmektedir. Bu bağlamda, basma yüksekliği artan debi ile ters orantılı olarak azalmaktadır. Artan debi doğal olarak, giriş ve çıkış hızlarında da artışa neden olmaktadır. Daha fazla debi sağlamak için pompanın mekanik güç ihtiyacı da aynı şekilde yükselmektedir. Öte yandan, artan debiyle azalan basma yüksekliği bir noktadan sonra ciddi bir düşüş gösterdiğinden, debideki artışın etkisini yener ve hidrolik güçte azalma gözlemlenir ve bu da debiyle artan mekanik güce oranlandığında verimin düşmesine neden olur.