Daldırma Tip Debimetre Montajı ve Yapılan Hatalar

Strateji yanlışsa taktik hamleler yenilgiyi engelleyemez diyor Sun Tzu Savaş Sanatı kitabında. Konu ölçüm olduğunda hem stratejinin hem de taktiklerin doğru olması gerekiyor. Herhangi bir aşamada yapılan yanlışı düzeltmek mümkün değil.

Bilhassa basınçlı gaz ölçümünde dikkat edilmesi gereken çok fazla parametre var. Bunun temel sebebi sıkışabilir akışkanlar olan gazların hacimlerinin basınç ve sıcaklıkla değişiyor oluşu, yani akışkanın sıkışabilirliği.

Basınçlı gazların en tipik uygulaması olan basınçlı hava da adı üstünde, “basınçlandırılmış” hatta İngilizce tabiriyle söylemek gerekirse “sıkıştırılmış” (compressed air). Bu sebeple basınçlı havanın hacimsel debisi ölçülürken dikkat edilmesi gerekenlere kısaca değinmeye çalışacağız.

Şekil 1: Viskoz Akışkanlarda Levha Teorisi ve Akış Profili [1]

Akışkanlar mekaniğinde akış profili modellenirken paralel levha modeline sıklıkla başvurulur. Üst levhanın sabit hızla hareket ettirildiği varsayılan modelde levhanın hareket hızı akışkan içindeki ses hızına göre oldukça düşüktür. Bu modele göre üst levha yüzeyinde akış hızı levhanın hızına eşit, alt levha yüzeyinde ise sıfırdır. Peki arada hız profili nasıl değişiyor? İşte bütün mesele bu.

Şekil 1’de verilen örnek aslında basınçlı hava için tam olarak geçerli sayılmaz. Zira burada verilen örnek viskoz akışkanlar için önerilmiş. Bu örneği verme sebebimiz “akış profili” kavramına giriş yapmak. Çünkü akış hızı ve hız profili kavramlarını en sade haliyle bu modelde anlaşılabiliyor. Bu özel örnekte alt levha sınırında sıfır olan akış hızı üst levha sınırında sabit ve maksimum değerine ulaşır ve bu hızı korumak için üst levhayı hareket ettiren sabit bir F kuvveti vardır. Hız gradyanı ise doğrusaldır ve bu durumda tam gelişmiş laminer akış söz konusudur.

Şekil 2: Boru İçindeki Akışta Akışın Gelişimi [2]

Şekil 2 boru içindeki akışın gelişimini gösterir. Akışın “tam gelişmiş” olması durumunda hız profili simetriktir. Yani akış hızı boru cidarlarında sıfır, borunun merkezinde ise maksimumdur. Böyle bir durumda şayet akışın ortalama hızı bilinirse boru kesit alanıyla çarpılarak hacimsel debi elde edilir.

 Basınçlı hava debisi ölçümünde tam gelişmiş akış profilinin önemi de tam bu noktada ortaya çıkar. Debimetreler farklı ölçüm prensiplerine sahip olsalar da hemen hemen tamamı akış hızının ölçülmesi ya da hesaplanması yoluyla debi hesabı yaparlar. Bu sebeple akışta ilave türbülans yaratacak etkilerden kurtulmuş olduğumuz bir “tam gelişmiş düz boru mesafesi” ihtiyacı vardır.

Tam gelişmiş akışın profilinin sağlanacağı düz boru mesafelerinin ne kadar olacağına dair kesin bir hesap yapmak çok zor olmakla birlikte uzun yıllara dayanan deneysel ve teorik çalışmalar sonucunda akışkanlar mekaniği literatüründe kabul edilmiş modeller vardır. Ölçüm ekipmanı imalatçıları da bu modelleri kullanarak birbirine çok yakın koşulları önerirler.

Şekil 3: Basınçlı Hava Debimetresi için Önerilen Montaj Koşulları [3]

Şekil 3’te bir ölçüm ekipmanı imalatçısının basınçlı hava debimetreleri için önerdiği düz boru mesafeleri yer almaktadır. Bu koşullarla göre örneğin tek bir dirsekten sonra debimetrenin montajlanmasından önce boru iç çapının 15 katı kadar düz boru mesafesinin debimetreden önce sağlanması gerekmektedir. Ayrıca debimetrenin arkasında da boru çapının beş katı kadar düz boru mesafesi gerekir. Şekil 4 iki farklı doğru montaj örneğini göstermektedir. Bu örneklerde boru hattı üstüne türbülans yaratacak dirseklerden yeterince uzakta kalacak şekilde düz boru mesafeleri bırakılmıştır. Söz konusu düz hat üstünde montajlanmış herhangi bir branşman ya da bağlantı noktası (kör dahi olsa) muazzam bir türbülans kaynağı olacak ve hız profilini bozacaktır.

Şekil 4: Boru Üstünde Türbülans Kaynağı Olmayan Düz Hat Montajları

Şekil 5: Turbo Kompresör Çıkışı Vortex Debimetre Montaj Örneği

Saha koşullarında düz boru mesafeleri bulmak her zaman mümkün olamayabilir. Bu durumda yapılması gereken, önerilen mesafeleri sağlamak boru hattı revizyonu yapmaktır. Örneğin Şekil 5, gerekli düz boru mesafesini (örnekteki debimetre için 20D + 5D) sağlamak için yapılan bir hat revizyonunu gösterir. Yeterli düz boru uzunluğuna erişmek için imalat geri dönüşlü yapılmak zorunda kalınmıştır. Ancak büyük enerji tüketicileri olan kompresörlerin debilerinin izlenmesinde hata yapılmaması için bu titizlikte çalışmak mecburidir.

Yanlış Montaj Örneği

Sahada uygun montaj koşulları olmadan yapılan ölçümler yanıltıcı sonuçlar verir. Bilhassa seyyar ölçümlerde kullanılan daldırma tip basınçlı hava debimetreleri montaj kolaylığı nedeniyle çok tercih edilirler. Ancak ölçüm için tasarlanmamış bir boru hattına sonradan monte edilen branşmanlar saha koşullarında uygun açılmadıysa ölçüm sonucu yanlıştır. Daldırma tip debimetreler sahada kullanılırken dikkat edilmesi gereken en önemli konular düz boru mesafesi, dalma boyu ve boru hattında türbülans yaratacak etkilerden kaçınmaktır.

Şekil 6: Yanlış Montaj Yapılan Daldırma Tip Debimetre

Şekil 6’da görülen montajda yeterli düz boru mesafesi olmasına rağmen debimetre probunun hemen önünde iki adet hemen arkasında ise bir adet olmak üzere toplam üç geçiş noktası görülmektedir. Bu durumda proba birkaç cm mesafede üç ayrı düzensiz geçiş noktası muazzam bir türbülans kaynağı oluşturur.

Şekil 7: Boru İçinde Akışı Bozan Etmenlerin Türbülans Etkisi [4]

Şekil 7’de görülen CFD (bilgisayar destekli akış analizi) örneğinde boru içinde yer alan düzensizliklerin akışta yarattığı darbeli (pulse) türbülansa bir örnek verilmiştir. Şekil 6’daki yanlış montaj örneğinde 1 numaralı boru geçiş bağlantısı, 2 numaralı T bağlantı girişi ve 3 numaralı T bağlantı çıkışı, Şekil 7’de gösterilen analiz sonucuna benzer vortex etkileri yaratacaktır. Bu durumda debimetre probunun ölçebileceği düzenli bir akış profiline ulaşmak imkansızdır.

Ölçülemeyen parametrenin yönetilemeyeceği doğrudur. Ancak daha kötüsü yanlış ölçüm sonucuna göre yönetmektir. Yanlış montajlanan debimetreler ve diğer ölçüm ekipmanları ölçüm sonucu yanıltacaktır. Yanlış ölçüm sonuçlarıyla da doğru teknik ve ticari kararlar almak mümkün olmayacağı için işletmenin verimi olumsuz etkilenecektir.

[1] Fundamentals of Compressible Flow, Cantwell B. J. (2018)

[2] Akışkanlar Mekaniği, White, M. F., çev. Ayder E, Kırkköprü K., (2016)

[3] CS Instruments, VA550 model debimetrenin montaj manuelinden alınmıştır.

[4] Direct numerical simulation of a pulsatile flow in a stenotic channel using immersed boundary method, Mirfendereski S., Park J., S. 2021