Tabak tipi girdap kırıcının tankın boşaltılması esnasındaki etkilerinin deneysel olarak incelenmesi

Abstract

Bu tezde içi sıvı dolu silindirik bir tankın tahliyesi esnasında tahliye hattına gaz girmesi olayı ve tabak tipi girdap önleyicilerin gaz girme üzerine olan etkilerinin incelenmesi gerçekleştirilmiştir. Silindir şekle sahip, alt yüzeyinin ortasında tahliye deliği bulunan bir tankta tahliyenin açılması ile hidrostatik basınç gereği debi sıfırdan başlayarak bir değere kadar hızlıca gelir. Sonrasında tankın içerisindeki sıvının azalması ile bu debi yavaş bir şekilde azalır. Deliğin çapı tankın çapından küçük olduğu için deliğin içerisinde akışkan daha hızlıdır ve tankın tahliye olması için deliğin olduğu yerde basıncın düşmesi gerekmektedir. Bu düşüş tankın tahliyesi esnasında belirli bir noktada sıvı gaz yüzeyinin bozularak gazın tahliye hattına gitmesine sebebiyet verir. Tankın tahliyesi sırasında gaz girme olayını açıklayan iki önemli parametre bulunmaktadır. Bunlardan ilki tahliye hattına gaz girişinin gerçekleştiği andaki sıvının tank tabanına olan yüksekliğidir. Bu yüksekliğe kritik yükseklik ismi verilir. Diğer önemli parametre ise gaz girme olayının gerçekleştiği süredir. Bu süre kritik süre olarak adlandırılır ve tahliyenin başladığı andan ilk gaz girişinin gerçekleştiği ana kadar ölçülür. Tez çalışmasında öncelikli olarak numerik çalışmalara yer verilmiştir. Literatürde önceden yapılan deneysel çalışmalardan biri hesaplamalı akışkanlar dinamiği çözücüsü ANSYS Fluent programı ile tekrar çözülmüş, doğrulaması yapılmış ve gaz girme olayı incelenmiştir. Numerik çalışmaların çok zaman alması, bilgisayar gücü istemesi ve deneysel çalışma imkânı olması sebebiyetiyle çalışmaya deneysel olarak devam edilmiştir. Deney düzeneğinde tankın hatta çabuk bağlantı olarak adlandırılan bağlantısı ile bağlı olması, hattın uzunluğu ve küresel vana gibi bilgisayar ortamında modellenmesi zorlu ve yüksek hesaplama gücü isteyen özellikleri sebebiyle test çalışmalarının numerik doğrulaması yapılmamıştır. Tezde kullanılan deney düzeneği 500 mm çapında ve 500 mm yüksekliğinde silindirik bir tank, tankın alt kısmın ortasında yer alan 35 mm çapında bir tahliye deliği, bu deliğin devamında borulamalar ve bir vanadan oluşmaktadır. Tankın içerisindeki sıvının tamamını dikey bir şekilde görebilecek bir kamera sabitlenmiştir. Tank üzerindeki cetvel sayesinde istenilen su seviyesinde doldurulur ve vana ile tahliye edilir. Kamera anlık olarak suyun yüksekliğini çeker. Tankın içerisindeki sıvıyı karıştırabilmek için elektrik motor ve sabitleme elemanlarından oluşan bir düzenekte bulunmaktadır. Sıvı olarak şebeke suyu kullanılmıştır. Testlere öncelikli olarak sıvının durgun olduğu koşul ile başlanmıştır. Bu koşul için 3 farklı su yüksekliği 10, 20 ve 30 cm seçilmiştir. Su istenilen seviyeye getirildikten sonra su doldurma bırakılarak suyun durgunlaşması için 1 saat beklenmiştir. Burada amaç suyun içerisinde tahliye esnasında dönmeye sebebiyet verebilecek herhangi bir hareketin kalmamasıdır. 1 saat beklemenin ardından kamera kaydı açılarak su vanası açılmıştır. Böylece suyun tahliyesi başlamıştır. Su tahliye olurken kritik yükseklik değerine gelince tankın tahliye hattına gaz girişi gözlemlenmiştir. Bu kritik yükseklik ve gaz girişinin gerçekleştiği zaman olan kritik zaman kayıt edilmiştir. Durgun halde tankta da gaz girişi gözlemlendikten sonra gaz giriş yüksekliğini düşürmek ve gaz giriş zamanını daha geç zamanlara taşımak için girdap önleyici cihazlar kullanılmıştır. 3 boyutlu yazıcıdan üretilen üstü dairesel plaka olan girdap önleyici cihazların boyutları tahliye çapının yarısından başlayarak 1,2,3 ve 4 katı olacak şekilde tasarlanmıştır. Burada amaç girdap önleyici cihazın çapının tahliye çapının oranıyla etkisini incelemektir. Tank boşken ve 5 farklı girdap önleyici cihaz tankın tahliye deliğinin üstüne yerleştirilmişken 3 farklı sıvı yüksekliğinde testler 3 tekrar olarak gerçekleştirilmiştir. Testleri 3 tekrar yapılmasının sebebi çevresel etkiler sebebiyle testin etkilenmesi ihtimalini ortadan kaldırmaktır. Yapılan 3 tekrarlı testlerden herhangi birinde bir farklılık görülmesi durumunda dördüncü bir test yapılmış ve en az 3 eş değer test sonucu elde edilmiştir. Hiçbir koşul için beşinci testin yapılmasına ihtiyaç duyulmamıştır. Sıvının durgun haliyle yapılan deney sonuçları tabak çapının artışı ile kritik yüksekliğin azaldığı, girdap önleyici cihaz kullanmanın özellikle 2 çap boyuttan sonra etkisi olduğunu ve 4 çap boyutunda girdap önleyici cihaz ile neredeyse kendi yüksekliği kadar gaz girişini engellediğini göstermektedir. Durgun halde iken yapılan testlerde literatürdeki verilere paralel olarak kritik yükseklik değerinin başlangıç su seviyesiyle kayda değer bir değişim göstermediğini göstermiştir. Tahliye esnasında tahliye edilen tankın dönmesi veya yatay kuvvetlere maruz kalması tahliye esnasında hızlı bir şekilde girdap oluşturacak ve bu girdap tankın merkezinde basınç düşüşüne sebebiyet vererek daha erken gaz girişine neden olacaktır. Bu yüzden sıvının durgun olarak başladığı koşullarda testler tamamlandıktan sonra sıvının başlangıç koşulunda açısal hıza sahip olduğu durum için testler gerçekleştirilmiştir Durgun hale benzer bir şekilde 3 farklı su seviyesinde bu işlemi gerçekleştirmek için devri voltaj ile ayarlanabilen bir elektrik motor vidalı bir mekanizmanın üzerine yerleştirilmiştir. Bu mekanizma sayesinde elektrik motorun çıkışına takılan tankın çapının yarısı uzunluğunda bir karıştırıcı plaka farklı su yüksekliklerinde suyun içerisine tam olarak yerleştirilmiştir. Testler 10, 20, 30 ve 40 devir/dakika olmak üzere 4 farklı başlangıç açısal hız koşulunda gerçekleştirilmiştir. Karıştırıcı vidalı sistem ile sıvı seviyesine kadar ayarlandıktan sonra 2 dakika boyunca belirlenen hızda sıvı karıştırılmıştır. 2 dakikalık karıştırma işlemi bittikten sonra karıştırıcının girdabı engellememesi veya sıvının açısal hızını sönümlememesi için elektrik motorun kapatılmasıyla eş zamanlı olarak karıştırıcı sıvının içerisinden çıkarılmıştır. Karıştırıcının çıkarılmasından sonra beklenmeden tahliye vanası açılmıştır. Böylece açısal hızın sıvının tank yüzeyiyle sürtünmesi kaynaklı yavaşlamasının etkisi en aza indirilmiştir. Durgun hale benzer bir şekilde kamera ile gaz girişi gerçekleşen sıvı yüksekliği ve süre kaydedilmiştir. Test sonuçlarına göre hiçbir girdap kırıcı kullanılmaz ise en ufak bir açısal hızda bile kritik yüksekliğin çok büyük ölçüde arttığı ve gaz girmesi kaynaklı tahliye sürelerinin önemli ölçüde yükseldiği gözlemlenmiştir. Sıvıya başta verilen açısal hızın artışı ile tüm girdap önleyiciler olan ve olmayan koşullarda gaz giriş yüksekliği artmıştır. Bu sonuçlar tankın maruz kaldığı kuvvetlerin gaz girişine önemli etkileri olduğunu göstermektedir. Kritik yükseklik hiçbir girdap kırıcı olmayan durumdan tahliye ile eş değer çaplı girdap kırıcıya geçince çok önemli ölçüde düşüş göstermiş olup bu girdap kırıcıdan tahliye çapının 2 katı olan girdap kırıcıya geçişte de gene önemli bir ölçüde düşüş göstermiştir. Yani girdap kırıcıların çaplarının artmasıyla oluşan iyileşme giderek azalmaktadır. 3 çaplı girdap kırıcı ile 4 çap girdap kırıcı arasındaki fark oldukça düşüktür. Bu yüzden çalışmada tahliye çapının 5 veya daha fazla katı girdap kırıcı kullanılmamıştır. Tahliye çapının 4 katı girdap kırıcı kullanılan durumda 10 ve 20 rpm karıştırma değerlerinde durgun hale benzer bir şekilde gene neredeyse kendi yüksekliğine kadar gaz girişini engellemiştir. 4D olarak adlandırılan bu girdap kırıcının düşük sarsıntılar kaynaklı oluşan girdapların oluşturduğu gaz girişini önemli ölçüde engelleyeceğini göstermektedir.