18 Aralık 2012 | TEKNÄ°K MAKALE 203. Sayı (kasım 2012)

45.085 kez okundu

Vantuzlar, boru hatlarının dolumu, boÅŸaltılması ve iÅŸletilmesinde hatta hava giriÅŸini ve hattan havanın tahliye edilmesini saÄŸlamak amacıyla kullanılan, hidromekanik prensiplere göre çalışan vanalardır.

Boru hatlarının güvenliÄŸi ve verimliliÄŸi, hatta oluÅŸan havanın sürekli olarak tahliye edilebilmesi ve hava giriÅŸinin saÄŸlanabilmesi ile yakından ilgilidir. Vantuzlar, boru hattının toplam maliyeti içerisinde % 0.5 - % 1’lik bir kısmı teÅŸkil eder, ancak yanlış seçildiklerinde ve yanlış konumlandırıldıklarında boru hattı problemlerinin % 60’ına sebep olurlar. Sadece Kanada’da su hasarı kaynaklı onarım maliyetleri yılda 100 milyon doları aÅŸmaktadır.

1. Boru Hatlarında Hava OluÅŸumunun Sebepleri ve Sonuçları

Boru hatlarında oluÅŸan havanın üç kaynağı vardır. Birincisi; baÅŸlangıçta boru hattı boÅŸ deÄŸildir, tümüyle hava doludur, dolayısıyla boru hattını su ile doldururken bu havanın tahliye edilmesi gerekir. 

Boru hatlarında hava oluÅŸumuna sebep olan ikinci kaynak, suyun kendisidir. Normal ÅŸartlar altında (1 atm basınç ve 25°C sıcaklıkta) suyun içerisinde hacimce % 2 oranında çözünmüÅŸ hava bulunur. Basınç ve sıcaklığa baÄŸlı olarak bu miktar daha da yüksek olabilir. Henry’nin yasasına göre “bir sıvının içerisinde çözünmüÅŸ halde bulunan gazın miktarı, sıvı üzerinde bulunan gazın basıncıyla doÄŸru orantılıdır”. Buna göre, suyun basıncı arttıkça havayı tutma kabiliyeti de artar. 

Boru hatlarında hava oluÅŸumu, kısmen açık durumdaki vanaların yarattığı düÅŸük basınç koÅŸulları, kısmen dolu bir hattaki suyun yarattığı dalgalanma, deÄŸiÅŸken çaplar ve eÄŸimler ile boru hattının hidrolik eÄŸim çizgisindeki deÄŸiÅŸimlerden de kaynaklanır. 

Su cepleri, borunun kesit alanında daralmaya yol açarak suyun geçiÅŸini zorlaÅŸtırır, su cebinin yeterli büyüklüÄŸe ulaÅŸtığı durumlarda suyun akışı tamamen engellenir. Bunun yanı sıra, hava cebi oluÅŸumu, boru hatlarındaki yük kayıplarını artırarak basılan suyun debisinin azalmasına ve pompa tarafından yutulan gücün artmasına neden olmaktadır. 

Boru hatlarında oluÅŸan hava ceplerini tespit etmek zordur ve bu hava cepleri boru hattının toplam verimine eksi yönde etki ederler. Hava ceplerinin bir diÄŸer sakıncası ise koç darbesi oluÅŸturmaları, gürültü, korozyon ve arızalara sebep olmaları ve boru hattına baÄŸlı bulunan kontrol vanaları ve debimetrelerin düzensiz çalışmalarına neden olmalarıdır. Boru hatlarındaki havanın üçüncü ve son kaynağı ise pompalardır. Dik türbin tipi pompalar ve dalgıç pompalar ilk çalıştırmada borularının içerisindeki havayı iterek sisteme pompalarlar ve bu havanın da tahliyesi gerekir.

Sonuç olarak, boru hatlarında hava daima olacaktır ve bu havanın miktarı azımsanamayacak büyüklüktedir. Havanın birikmesine izin verilen koÅŸullarda verimlilik düÅŸer, ekipmanlarda ciddi hasarlar meydana gelebilir. Boru hattından havanın tahliye edilmesi bütün problemleri çözmese de en önemli problem çözer. Bu iÅŸlemde vantuz kullanımı verimliliÄŸi artırmak ve su darbelerini önlemek açısından uygun maliyetli ve güvenilir bir yöntemdir.

2. Vantuz Tipleri, Fonksiyonları ve asarım Özellikleri

Vantuzlar, fonksiyonlarına göre üç farklı konfigürasyonda üretilmektedirler.

a. Tahliye Vanaları

Küçük orifisli vanalar olarak da tabir edilen hava tahliye vanaları, sistemin atmosferik basınçtan daha yüksek basınçlarda çalıştığı durumlarda hattın belirli noktalarında oluÅŸan hava ceplerini tahliye etmek için kullanılırlar. Hava tahliye vanalarına bir örnek Åžekil 2’de verilmiÅŸtir. 

Hava tahliye vanalarında yer alan tahliye orifisi, vananın anma çapından (DN) çok küçüktür. Bu tip vanalarda anma çapı DN25 ile DN150 arasında deÄŸiÅŸirken orifis çapları 1.6 mm ile 25 mm arasında deÄŸiÅŸmektedir.

Normal durumda tahliye vanası açık pozisyondadır ve bu suretle orifisten hava geçiÅŸi saÄŸlanır. Vana suyla doldukça flatör yükselir ve orifisi kapar. Boru hattında biriken vana vananın içine ulaÅŸtığında suyun yerini alır ve flatör aÅŸağıya düÅŸerek havanın orifisten dışarı tahliye edilmesini saÄŸlar. Uygun flatör ağırlığı ve mekanizması doÄŸru tasarlanmış bir vantuzda, vantuzun maksimum çalışma basıncına kadar olan her basınçta havayı doÄŸru ÅŸekilde tahliye etmesi gerekir.

b. Vakum Vanaları

Büyük orifisli vanalar olarak da adlandırabileceÄŸimiz vakum vanaları, boru hattının dolumu esnasında havanın hatta emilimini saÄŸlamak amacıyla dizayn edilmiÅŸlerdir. Bu özelliklerinin yanı sıra hat basıncının atmosferik basıncın altına düÅŸtüÄŸü vakum ortamında hatta otomatik olarak hava emilmesini saÄŸlarlar.  Vakumun baÅŸlıca nedenleri; kolon kopması, hat boÅŸalması, pompa arızası veya enerji kesilmeleridir. Åžekil 3’te vakum vanasının resmi görülmektedir.

Vakum vanalarının orifis çapları DN25 ile DN500 arasında deÄŸiÅŸmektedir. Boru hattı su ile doldukça, oluÅŸması muhtemel darbeleri önlemek için hatta bulunan hava saÄŸlıklı bir ÅŸekilde tahliye edilmelidir. Tersi durumlarda ise, yani enerji kesilmesi gibi durumlarda havanın boru hattına düzgün bir ÅŸekilde emilmesini saÄŸlamak gereklidir, aksi takdirde hatta darbeler oluÅŸacak ve ekipman zarar görecektir.

Vakum vanalarının çalışma prensibi hava tahliye vanalarına benzerdir, ancak orifis çapları çok daha büyüktür ve basınç altında açılmazlar. Vakum vanaları normalde açık pozisyondadır ve bu sayede orifislerinden yüksek miktardaki havayı emebilecek ÅŸekilde dizayn edilirler. Hattın doldurulması sırasında flatör yukarı çıkarak orifisi kapatır. Vakum vanaları kapalı duruma geçtiklerinde su seviyesi düÅŸmeden tekrar açılmazlar.

c. Kombine Vantuzlar

Bu tip vantuzlar, hava tahliye ve vakum vanalarının fonksiyonlarına ilave olarak çalışan boru hattındaki hava ceplerini tahliye etme özelliÄŸine de sahiptir. Böylelikle tek üründe iki vantuzun gerçekleÅŸtirdiÄŸi 3 fonksiyonu yerine getirme özelliÄŸine sahiptir ve günümüzde en çok tercih edilen vantuz tipidir. Åžekil 4’te darbesiz antiÅŸok vantuz, Åžekil 5’te ise çift küreli kinetik vantuz kesitleri yer almaktadır.

3. Vantuzlar Boru Hatlarının 

Hangi Noktalarına Yerleştirilmelidir?

Boru hatlarında kullanılacak vantuzların çaplarının doÄŸru seçimi kadar hattın hangi noktalarına yerleÅŸtirileceÄŸi de büyük önem taşımaktadır, zira yanlış konumlandırılan bir vantuz etkisiz olacaktır. AÅŸağıda yer alan bilgiler, boru hatlarında vantuzların nerelere konulacağını genel hatlarıyla vermekle beraber; reel anlamda vantuz konulması gereken baÅŸka noktalar da olabilmektedir.

Åžekil 6’da örnek bir hat profil ÅŸeması verilmiÅŸtir. Bu profilde yatay eksen hattın uzunluÄŸunu, düÅŸey eksen ise kotunu göstermektedir. 

Vantuzlar, hat üzerinde ÅŸu noktalara konumlandırılmalıdır:

a) Yüksek Noktalar: Dolum esnasında havayı tahliye etmek, boÅŸaltım esnasında havayı hatta emmek ve hattın kullanımı esnasında oluÅŸan hava ceplerini tahliye edebilmek için 3 fonksiyonlu vantuzlar kullanılmalıdır. Yüksek noktalar hidrolik eÄŸim çizgisiyle belirlenir. Çizgiye paralel giden veya yukarı eÄŸimin sonu olarak tespit edilen nokta olarak kabul edilir.

b) Hat Vanaları: Vantuzlar, hat vanalarının boşaltma tarafına konumlandırılır.

c) Artan Aşağı Eğimler: Aşağı eğimin aniden arttığı noktalarda vantuz kullanılmalıdır.

d) Azalan Yukarı Eğimler: Yukarı eğimin aniden azaldığı noktalarda vantuz kullanılmalıdır.

e) Uzun Rampalar: Botu hattının uzun mesafeli rampalarına 400 ile 800 metrede bir vantuz yerleştirilmelidir.

f) Uzun DüÅŸüler: Boru hattının uzun mesafeli düÅŸülerine 400 ila 800 metrede bir vantuz yerleÅŸtirilmelidir.

g) Yatay GeçiÅŸler: Uzun yatay geçiÅŸlerin baÅŸlangıç ve bitiÅŸ noktalarına 400 ila 800 metrede bir vantuz yerleÅŸtirilmelidir. DüÅŸük hızlı akışlarda yatay borularda havayı tahliye etmek zor olabilir.

h) Venturimetreler: Venturimetrelerin akış yönüne, olası hava ceplerinin yanlış ölçüme sebebiyet vermesini engellemek amacıyla vantuz yerleÅŸtirilmelidir.

i) Dik Türbin Pompaları ve Dalgıç Pompalar: Pompanın çalıştırılması sırasında kolon borularındaki havayı tahliye etmek ve pompa stop edildiÄŸinde bu borulara tekrar hava emilmesini saÄŸlamak amacıyla pompa çıkışına vantuz yerleÅŸtirilmelidir. Bu noktalara konulacak vantuzlar özel hesaplama gerektirebilir; ÅŸöyle ki, pompa çalışırken deÄŸiÅŸik akış hızları mümkün olabilmektedir. 

4. Vantuzların Boyutlandırılması ve Seçimi

a. Hava Tahliye Vanalarının Boyutlandırılması

Basınçlı havayı tahliye edebilmek için seçilmesi gereken orifis çapı 1.6 mm ile 25 mm arasında deÄŸiÅŸmektedir, buna karşılık vantuzun anma çapı 25 mm  ile 150 mm arasında deÄŸiÅŸir.

Boru hatlarında biriken havanın miktarının tam olarak belirlenmesi mümkün deÄŸildir. Bunun sebebi, hatta giren havanın hat boyunca deÄŸiÅŸen basınçla birlikte deÄŸiÅŸkenlik göstermesidir. Bunun için benimsenen metod, borudan geçen havanın %2’si kadar hava olduÄŸunu varsaymaktır. Vantuzun tahliye etmesi gereken havanın miktarı bu ÅŸekilde hesaplanır. 

Yüksek basınç oluÅŸumundan ötürü, orifisten geçen havanın akışı sıkıştırılabilir adyabatik akıştır ve bu durumda havaya hiç ısı transferi olmadığı kabul edilir.

Vantuzdan tahliye edilen havanın basıncı, atmosferik basıncın 1.9 katını aÅŸtığında hava akışı ses hızına eriÅŸir. Ses hızındaki akışta, havanın hızı ses hızıyla limitlidir, bu sebeple yüksek basınçlarda havanın tahliye edilmesinde kısıtlama sözkonusudur.

Tablo 1’de hava tahliye vanalarının basınç ve orifis çapına göre kapasiteleri L/s cinsinden verilmiÅŸtir. Bu deÄŸerler hesaplanırken tahliye katsayısı (Cd) deÄŸeri 0.7 olarak kabul edilmiÅŸtir. Bu deÄŸer yaklaşık bir deÄŸerdir ve düzgün akışlı bir nozül ile köÅŸeli orifis arasında bir yere denk düÅŸmektedir. Gerçek hayattta boruların ve vanaların katsayıları farklı olacaktır. Bu sebeple, vantuz çaplarını deÄŸru olarak belirleyebilmek için mutlaka üretici firmanın kapasite tabloları dikkate alınmalıdır.

b.  Boru Hattı Dolumu için Boyutlandırma

Boru hattının ilk dolumunda, hattı doldurabilmek için suyun debisi ile aynı hacimsel oranda hava dışarıya tahliye edilmelidir. Bu nedenle boru hattı tam dolana kadar sadece tek pompaya start verilir. Ancak en doÄŸru uygulamada, darbeleri önlemek amacıyla hat, kademeli olarak doldurulmalıdır. Doldurma hızı 0.3 m/s hızı geçmemelidir. Ä°lk dolumda tahliye edilmesi gereken hava 0.136 atm’lik fark basıncı ile tahliye edilir. Darbe önleyici teçhizatla donatılan vanalarda fark basıncı 0.35 atm olarak kabul edilir. 

Tablo 2’de hat dolumu için kullanılan vantuzların orifis çaplarına göre seçilen fark basıncında tahliye edebileceÄŸi kapasiteler L/s cinsinden verilmiÅŸtir.

c. Boru Hattının BoÅŸaltılması için Boyutlandırma

Enerji kesilmesi veya boru hattında meydana gelen arızalar sonucunda sütun kopması nedeniyle akış hızı ani olarak deÄŸiÅŸir. Bu gibi durumlarda akış, hattın tepe noktalarında çok yüksek miktarda vakum oluÅŸmasına sebep olur. OluÅŸan vakum, özellikle yüksek çaplı boruların negatif basınca dayanamayarak çökmesine sebebiyet verir. Bu nedenle hattın boÅŸaltılması sırasında boru hattının saÄŸlamlığını ve güvenliÄŸini koruyabilmek için vantuzların doÄŸru tasarlanmış olmaları ÅŸarttır.

Hattın boÅŸaltılmasında kullanılacak vantuzları seçerken, vakumu engellemek için gerekli hava emme miktarı borunun eÄŸiminden hesaplanır. Tablo 3’te çeÅŸitli boru çapları ve eÄŸimleri içimn hesaplanmış hava emiÅŸ miktarları L/s cinsinden verilmiÅŸtir. 

5. Sonuç

Boru hatlarında havanın oluÅŸması, hattın veriminin önemli miktarda düÅŸmesine ve ciddi hasarlara sebep olmaktadır. Boru hattından havanın tahliye edilmesi darbe ve verimlilik problemlerinin tümünü çözmese bile, en çok karşılaşılan problemleri bertaraf edecektir. Boru hattı mühendislerinin, tahliye edilmesi gereken hava miktarını ve de hattın boÅŸaltılması esnasında emilmesi gereken hava miktarını doÄŸru ÅŸekilde hesaplayarak; vantuz konumlandırma kriterlerine göre hareket etmeleri ve üretici firmaların performans deÄŸerlerini gözönünde bulundurarak boru hatlarını daha verimli ve güvenli ÅŸekilde tasarlamaları ve iÅŸletmeleri mümkün olacaktır.

Unutulmamalıdır ki, pompalama sistemi demek önce boru, sonra pompa ve en sonunda vana ve çekvalf gibi hidromekanik elemanlardan oluÅŸur. Bu hidromekanik elemanların da en önemlisi vantuzdur.

Kaynaklar

[1] ANSI / AWWA C512-92, “Air-Release, Air/Vacuum and Combination Air Valves for Waterworks Service”, AWWA Publications, 1992.

[2] AWWA M51, “Air-Release, Air/Vacuum and Combination Air Valves”,  AWWA Publications, 2001.

[3] S.J. van Vuuren, “The Advantages and Modeling of Controlled Air Release from Pipelines”, University of Pretoria.

[4] KavurmacıoÄŸlu L. and KaradoÄŸan H., “Su Darbesi Projelendirme Hataları”, VI. Ulusal Tesisat MühendisliÄŸi Kongresi ve Sergisi.

[5] “Well Service Air Valves for Vertical Pumps”, Valmatic Bulletin, 1998.

[6] “Air in Pipelines”, Valmatic, 1998.

[7] “Theory, Application and Sizing of Air Valves”, Valmatic, 1998.

[8] “How to Select Proper Valve Size for Vertical Turbine Pump Installations”, Valmatic, 1998.

[9] “Why an Air Release Valve Opens During System Operation”, Valmatic, 1998.

[10] “Why an Air/Vacuum Valve Stays Closed Under Pressure”, Valmatic, 1998.

[11] TEMPO Pompa – Vana Ürün KataloÄŸu.

 

---

R E K L A M