Santrifüj Pompalarda Kavitasyonun Etkileri

Santrifüj Pompalarda Kavitasyonun Etkileri

Kavitasyon pompa içindeki sıvının bulunduğu şartlardaki mutlak basıncının, aynı koşullardaki buharlaşma basıncı altına düşmesi durumudur. Bu şartlarda sıvının içerisinde küçük gaz kabarcıkları oluşur. İçinde sıvı buharı ve suda erimiş hava bulunan kabarcıklar basıncın buharlaşma basıncından daha yüksek bölgeye gelince şiddetle patlayarak metalin yüzeyini delik deşik eder ve zamanla pompanın kapasitesini düşürür. Dolayısıyla kavitasyon pompa ömrünü kısaltır ve gürültülü çalışmasına sebep olur. Pompa için istenmeyen durumdur. Uygulamada bu konunun önemi bilinmediğinden veya göz ardı edildiğinden dolayı, pompaların pek çok defa kavitasyonda işletmeye maruz kaldıkları görülmektedir.

Kavitasyon oluşumunu kısaca özetleyecek olursak Bir santrifüj pompanın çark giriş kesiti alanı, pompa emme flanşı kesitinden her zaman küçüktür. Akışkan bu kesitten geçerken hızlanır ve dolayısıyla basıncı düşer. Debi ne kadar fazlaysa, bu kesitteki hız o kadar fazla olacağından dolayı, bu basınç düşüşü de aynı oranda fazla olur. Debinin belli bir kritik değerinde buradaki basınç, sıvının buharlaşma basıncının altına düşerse sıvı içinde küçük gaz kabarcıkları oluşmaya başlar (Şekil 1). Akış ile birlikte kanatların arasında sürüklenmeye başlayan bu kabarcıklar, basıncın buharlaşma basıncının üzerine çıktığı bir bölgeye geldiklerinde aniden patlayarak yok olurlar. Bu patlamalar neticesinde boşalan hacimler aynı hız ile sıvı tarafından doldurulur. Dakikada binlerce kez gerçekleşen bu fiziksel olay sırasında meydana çıkan basınç değerleri yüzler ve hatta binlerce bar mertebesindedir. Özellikle kanat emme kenarlarına yakın bölgelerde meydana gelen bu olaya kavitasyon olarak adlandırılır.

 

Şekil 1. Kavitasyonda meydana gelen hava kabarcıkları 

Pompalar, ideal çalışma noktalarında, en yüksek hidrolik verime sahiptir ve akış formunda tüm bileşenleri gibi çark ve difüzör kanatlarında da sorunsuz çalışır. Ancak ömür süreçlerinde, pompalar her zaman seçilen değerlerde çalıştırılmazlar. Bu urum, ister altında ister üstünde olsun, doğrudan pompaların ömür süreçlerini etkiler. Bu ömür süreç maliyetlerinde pompa bakım maliyetleri ile enerji maliyetlerini olumsuz etkiler. Pompa imalatçıları bu durum için pompaların çalışma problemlerini de dikkate alarak, çalışma debi aralıklarını dikkate alırlar. Örneğin, düşey milli pompalar için çalışma debileri normal koşullarda %70 ile %120 aralığına sahiptir. Ancak ömür sürecinde debide uzun süreli veya sık değişimler pompalarda zamana problemlere yol açar. Düşük debilerde çalışmaya zorlanan pompalarda oluşabilecek problemler Şekil 2’de verilmiştir.

 

Şekil 2

Şekil 2’de görüleceği gibi, her iki yönde çalışma noktasından uzaklaştıkça kavitasyon etkisinin arttığı görülmektedir. Bu koşul her iki durum için pompalarda çalışma noktasının önemini ortaya çıkartmıştır. Şekil 2’den de görülebileceği gibi debisel azalmanın pompa bileşenleri üzerinde farklı deformasyonlara yol açabilmektedir. Bu problemler veya kavitasyon etkileri, pompalarda; performans kaybı, hidrolik kararsızlık ve basınçta kararsızlık gibi çalışma rejimini doğrudan etkileyen problemlere neden olurlar.

Pompa tasarımında kavitasyon oluşum parametreleri dikkate alınmalıdır. Bu parametreler kısaca;

Emme haznesinde düşük basınç

Pompanın ani durması / yol alması sonucu sıvı kolonunun kopması

Emme borusu yük kayıplarının fazla olması

Sıvı içinde erimiş halde bulunan yüksek miktarda hava ve gazlar

Sıvı sıcaklığının artması

Sıvı içindeki asılı maddelerin çoğalması

Sıvı ve buhar fazlarının dengesinde yüzey gerilimi, buhar yoğunluğu ve ısıl iletkenlik olarak tanımlanabilir.

Sonuç olarak Günümüzde enerji maliyetlerinde önemli bir paya sahip olan pompalar, yaşam döngülerinde performans kayıplarına bağlı olarak enerji tüketimlerini ve maliyetlerini yükseltirler. Bu süreçte, pompalı sistemlerin ve özellikle pompaların karşı karşıya kaldığı en önemli problemlerden biri, pompa çarklarında meydana gelen deformasyonlardır. Bu tür problemler çoğunlukla, akışkanın termofiziksel özelliklerine bağlı oluşan kavitasyon etkisi ile tanımlanabilir. Bu etki, öncelikle pompalarda doğrudan, performans kayıplarına, aşırı enerji tüketimine ve sonunda pompa ömrünün kısalmasına yol açar. Temel sorun pompanın nasıl çalıştırıldığı ile ilişkilidir. Ancak bu korozif etki, pompalarda, akışkanın korozif bir etkisi olmadığı durumlar için kavitasyon oluşumu, doğrudan yanlış tasarım ve işletme özelliklerinden de kaynaklanabilir.  Bu yüzden tesislerde özellikle pompa-türbin seçimi yapılırken kavitasyon, dikkat edilecek hususlar arasında en başlarda olmalıdır.