[B]SULAMA POMPAJ TESİSLERİNDE POMPA SEÇİMİNE ETKİ EDEN FAKTÖRLER[/B][CENTER] [/CENTER]
[h=1]Sedat ÇALIŞIR* Ali Yavuz ŞEFLEK** Abdulkadir ERKOL***[/h][CENTER]*Yrd.Doç.Dr., S.Ü. Ziraat Fakültesi Tarım Makineleri Bölümü, Kampus, Konya.**Araş. Gör., S.Ü. Ziraat Fakültesi Tarım Makineleri Bölümü, Kampus, Konya.***Jeomorfolog, Köy Hizmetleri 2. Bölge, Plan Proje Şube Müdürlüğü, Konya.[/CENTER][h=1]ÖZET[/h]Bu çalışmada, pompa performans parametreleri ve bunların pompa seçimindeki rolü ve önemi tartışıldı. Pompa ve sistem karakteristiği ile belirlenebilen işletme noktasının, pompanın en iyi verim noktasının değişimine olan etkisi ayrıntılı olarak tartışıldı. Ayrıca, pompa tipleri ve bunların sulamadaki uygulamaları incelendi. Sonuç olarak, pompa seçimi ve işletme giderleri üzerinde verimin etkisi vurgulandı.
1. GİRİŞ
Sulama pompaj tesislerinin, en önemli elemanı pompadır. Bir pompaj tesisine en uygun pompa seçiminde, sistemin mevcut durumunun iyi bir şekilde araştırılması ile tesisten tatmin edici bir performans sağlanabilir. Verilen bir sistem için, uygun ve yüksek verimli bir pompa seçiminden önce, sistemin tasarım sınırları, sulama yöntemi ve istenilen esneklik iyi bir şekilde araştırılmalıdır.
2. POMPA PERFORMANS PARAMETRELERİ
Debi, toplam dinamik yükseklik, pompa mil gücü, verim, emmedeki net pozitif yük ve pompanın özgül hızı, bir santrifüj pompanın performansını tanımlayan parametrelerdir.
2.1. Debi
Pompanın debisi, birim zamanda pompalanan kütlesel veya hacimsel su miktarıdır. Büyüklüğü, pompanın geometrisi ve devir sayısına bağlıdır. Metrik sistemde, m3/s, l /s, l /min, t/h birimleri kullanılır. Pratikte, sulama pompaları için en fazla l /s ve t/h , hidrolik pompaları için ise l /min birimleri tercih edilmektedir. Bunun nedeni, rakamsal büyüklüğünün daha basit ve kolay ifade edilebilmesidir.
2.2. Toplam Dinamik Yükseklik (TDY)
Toplam dinamik yükseklik (TDY), pompa çarkı vasıtasıyla, suyun birim ağırlığının yaptığı iştir (Nm/N). Pompanın giriş ve çıkışı arasındaki suyun taşıdığı enerjideki artış, toplam dinamik yükseklikle belirtilir. Toplam dinamik yükseklik, pompa çıkışı ve girişinde ölçülen, Bernouilli denkleminde yer alan enerji bileşenlerinin toplamları arasındaki fark olup, emme (pe) ve basma (pb) borularına yerleştirilen vakum metre ve manometre ile ölçülür. Pompa çarkı su düzeyi üzerinde ise emme borusundaki basınç değeri negatif işaretli, vakum basıncı (pe) olacaktır. Emme ve basma borusu aynı çapta ise hız farkı sıfıra eşit olur. Bunlara ek olarak her iki göstergenin de pompa ekseninde bulunduğu kabul edilirse pompanın geliştirdiği toplam dinamik yükseklik (TDY),
TDY = (pb+pe)/g
olarak yazılabilir. Diğer deyişle manometre ve vakummetre okumalarının pompa eksenine göre düzeltilmiş ve basıncın su sütunu yüksekliğine çevrilerek toplanan değerleri pompanın toplam dinamik yüksekliğini vermektedir. Hidrolikte basınç ile yükseklik arasındaki ilişki ise şu şekilde ifade edilmektedir.
p = h*g
IS birim sisteminde basınç birimi ise kPa olarak kullanılmaktadır. Basıncın su sütunu yüksekliğine çevrilmesi ile TDY in birimi mSS yada pratikte kısaca m olarak ifade edilmektedir.
2.3. Pompa Mil Gücü (NM)
Pompalarda mil gücü, pompalanan suyun debisi, toplam dinamik yükseklik ve pompa veriminin bir fonksiyonudur. Pompanın verdiği güç, su gücü yada hidrolik gücün belirlenebilmesi için, pompalanan suyun debisi ve toplam dinamik yüksekliği bilinmelidir. Hidrolik güç (NH), şu eşitlik ile hesaplanmaktadır.
NH (kW) = Q(l /s)TDY(m)g(kg/l) / 102
NH (BG) = Q(l /s)TDY(m)g(kg/l) / 75
Herhangi bir mekanik sistemde hesaba katılması gereken, önlenemeyen kayıplar her zaman vardır. Bunun sonucunda belirlenen hidrolik gücü sağlamak için, her zaman daha fazla miktarda güç, pompa miline aktarılması gerekmektedir. Pompa miline aktarılması gereken güç yani mekanik güç (NM), hidrolik güç (NH) ve pompa verimi (hp)belirler. Şu eşitlik ile hesaplanır.
NM (kW) = NH (kW) /hp (%)
2.4. Pompa Verimi (hp)
Pompa verimi(hp), pompa miline verilen gücün, suya aktarılan kısmının yüzdesini ifade eder. Başka deyişle, hidrolik gücün mekanik güce oran ı ile belirlenir.
hp (%) = NH (kW) / NM (kW)
Kayıplar, pratikte tümüyle ortadan kaldırılamadığından dolayı pompa verimi her zaman %100 den küçüktür. Pompalarda kayıplar genelde, hidrolik, mekanik ve hacimsel kaynaklı olmaktadır. Teknoloji ve mühendislik çalışmaları bu kayıpları en aza indirmek gayreti içinde bulunmaktadır. Pompa verimi, esas olarak pompa büyüklüğü, tipi, tasarımı ve yapımında kullanılan malzeme özelliklerine bağlı olarak değişebilmektedir. Büyük debili pompaların verimi genellikle daha yüksek olmaktadır. Pompa verimi, pompa deney standlarında, belirli bir çalışma hızındaki, debi, basınç ve yükseklikler ölçülerek hidrolik güç hesaplanır. Mekanik güç ise elektriksel veya mekanik güç ölçme yöntemleri ile belirlenir. En sağlıklı mekanik güç ölçme yöntemi ise, torkmetre yöntemidir.
2.5. Emmedeki Net Pozitif Yükü (ENPY)
Emmedeki net pozitif yük (ENPY) terimi, pompaların emme koşullarının incelenmesinde kullanılır. Kavitasyonu önlemek için, emme hattındaki herhangi bir noktada mutlak basınç değeri, suyun sıcaklığına bağlı buhar basıncı değerinin altına düşmemelidir. Pompanın emme hattında suyu pompa çarkına taşıyan toplam yararlanabilir enerji olarak tanımlanabilen ENPY, mutlak basınç olarak belirtilen genel emme yüksekliği ile buhar basıncının farkıdır.
ENPY, yabancı literatürde, NPSH harfleri ile simgelenmiş olup, açılımı “ Net Positive Suction Head” dir. Su yüksekliği cinsinden ifade edilmekte ve m birimi ile kullanılmaktadır. Ayrıca, tesis, mevcut, kullanılabilir yada faydalı olarak bilinen ENPY, bundan sonra ENPYT – bunun yabancı literatürdeki karşılığı NPSHA yada NPSHa– , pompaya ait yada gerekli ENPY değeri de ENPYP - bunun da yabancı literatürdeki karşılığı NPSHR yada NPSHr – olarak gösterilecektir.
ENPYT = Ha – ( hse + Hke + hb )
Burada, Ha pompaj tesisinin kurulacağı yerdeki atmosfer basınç yüksekliği (m), hse statik emme yüksekliği (m), Hke emme hattının sürtünme kaybı toplama (düz boru ve armatür kayıpları toplamı) (m) ve hb pompalanan suyun sıcaklığına bağlı buhar basınç yüksekliği (m) dir. ENPYP , değerinin belirlenmesi Kısım 4.4 de açıklanmıştır.
2.6. Pompa Tipi ve Özgül Hız (nq)
Özgül hız (nq veya ns), pompanın bir kademesinin maksimum verim noktasındaki, debi (Q), toplam dinamik yükseklik (TDY) ve pompa devir sayısının (n) bir fonksiyonu olup pompanın tipini belirleyen index sayısıdır.
nq = n* Q 1/2 * (TDY) – 3 / 4
ns = 3.65 * nq
Tanım olarak bir santrifüj pompanın özgül hızı, bu pompaya hidrolik ve geometrik olarak benzeyen ve optimum çalışma durumunda 1 m3/s debiyi 1 m su sütunu (mSS) toplam dinamik yüksekliğe ileten model pompanın dakikada devir sayısıdır.
Özgül hız, 1687 yıllarında Newton tarafından ortaya konulan “ Dinamik Benzerlik” kuralına göre de açıklanabilir. Bu, kurala göre, birbirine geometrik olarak benzeyen pompaların, işletme performansları da benzerlik göstermektedir.
Genellikle yüksek TDY ye sahip pompalar küçük özgül hızlı, düşük TDY ye sahip pompalar ise büyük özgül hızlı pompalardır. Pratikte, düşük özgül hızlı pompaları kullanmak daha avantajlıdır. Çünkü, yüksek devirde çalışırlar, daha küçük yapıda ve daha ucuzdurlar. Bununla beraber, verimleri daha düşük ve yüksek devirden dolayı daha çabuk aşınır ve ömürleri daha kısadır. Santrifüj pompaların debi, özgül hız ve çark tasarımının fonksiyonu olarak teorik pompa veriminin değişimi Şekil 1 de verilmiştir.
Santrifüj pompalarda en doğru sınıflandırma özgül hıza göre yapılabilmektedir. Buna göre santrifüj pompalar radyal, eksenel ve karışık akışlı olmak üzere üç tipte değerlendirilmektedir. Bu pompa tipleri arasında özgül hız bakımından kesin bir sınır bulunmamaktadır. Bununla beraber yapılabilirlilik ve verim açısından pompa tiplerinin özgül hız aralıkları şu şekilde ifade edilmektedir.
Pompa çark tipi nq ns
Radyal akışlı çarklar 12 –35 43-128
Karışık akışlı çarklar 35-160 128-584
Eksenel akışlı çarklar 160-400 584-1460
Pompa tiplerine göre performans özellikleri şu şekilde özetlenebilir. Radyal pompalarda işletme hızı ve debisi düşük, basıncı yüksektir. Eksenel pompalarda ise basınç düşük, debi daha yüksek değerdedir. Bu nedenle, yüksek basınç gerektiren yerlerde radyal, yüksek debi gerektiren yerlerde ise eksenel pompalar kullanılır. Karışık akışlı pompalar gerek debi, gerekse basınç için orta değerdedir.
Şekil 1. Pompa debisi, çark tasarımı ve özgül hızın fonksiyonu olarak pompa teorik verimi.
3. İŞLETME KOŞULLARININ BELİRLENMESİ
Tesise uygun pompa seçiminden önce, sulama sisteminin gereksinim duyduğu debi ve toplam dinamik yükseklik değerleri belirlenmelidir. Bunun için sisteme ait, debi ve toplam dinamik yükseklik ilişkisini gösteren tesis toplam yük kaybı eğrisinin (TYKE) çizilmesi gerekmektedir. TYKE nin çizilebilmesi için, sistemin geometrisi (geometrik yükseklik, kullanılacak borunun çapı, cinsi, toplam uzunluğu, kullanılması kaçınılmaz olan boru armatür ve donanımları) önceden belirlenmelidir. Sistemde kullanılacak optimum boru çapının belirlemesinde, pompalanan debi ve su hızı önemli rol oynamaktadır. İletilmesi istenen debi için 2±0.5 m/s su hızı esas alınır. Pompaj tesislerinde zorunlu kalınmadıkça borudan akacak suyun hızı hiçbir zaman 3 m/s yi aşmamasına özen gösterilmelidir. Sulamada kullanılan, standart boru çapları için, izin verilen ortalama debiler Tablo 1 verilmiştir.
Tablo 1. Standart Boru Çapları İçin İzin Verilen Debi Aralıkları
[CENTER]Boru çapı mm[/CENTER]
[CENTER]75(3”)[/CENTER]
[CENTER]100(4”)[/CENTER]
[CENTER]125(5”)[/CENTER]
[CENTER]150(6”)[/CENTER]
[CENTER]175(7”)[/CENTER]
[CENTER]200(8”)[/CENTER]
[CENTER]250(10”)[/CENTER]
[CENTER]300(12”)[/CENTER]
[CENTER]350(14”)[/CENTER]
[CENTER]Debi[/CENTER]
[CENTER]l/s[/CENTER]
[CENTER]6-11[/CENTER]
[CENTER]12-18[/CENTER]
[CENTER]19-25[/CENTER]
[CENTER]26-35[/CENTER]
[CENTER]36-45[/CENTER]
[CENTER]46-60[/CENTER]
[CENTER]61-100[/CENTER]
[CENTER]101-140[/CENTER]
[CENTER]141-200[/CENTER]
[CENTER]m3/h[/CENTER]
[CENTER]20-40[/CENTER]
[CENTER]41-65[/CENTER]
[CENTER]66-90[/CENTER]
[CENTER]91-126[/CENTER]
[CENTER]127-162[/CENTER]
[CENTER]163-216[/CENTER]
[CENTER]217-360[/CENTER]
[CENTER]361-504[/CENTER]
[CENTER]505-720[/CENTER]
Bir pompaj tesisinin tasarımında önemli rol oynayan ana parametreleri içeren “pompaj tesisi temel denklemi” olarak bilinen aşağıdaki eşitlik iyi analiz edilmelidir.
NM (kW) = [Q (l/s) * TDY (m) * g (kg/l) ] / [ 102 * hp (%)]
3.1. Sistem Debisi (Q)
Bir pompaj tesisinin debisi, sulanacak alan, bitki cinsi, tesisin kurulacağı yerdeki toprak ve iklim özellikleri, sulama yönteminin tipine, verimine ve sulama süresine bağlıdır.
Sistem debisi, kabaca aşağıdaki eşitlik yardımıyla belirlenebilir.
Q (l/s) = A (ha) * q (l /s ha)
Burada, A sulanması istenen alanı, q ise bitki cinsi, toprak ve iklim etkenleri ile sulama yöntemine ait etkenleri içeren, teorik yada uygulamalı olarak belirlenebilen, sulama modülü olarak tanımlanan bir terim olup, değeri değişik Tarımsal Araştırma Enstitüleri tarafından yayınlanan “Bitki Su Tüketim Rehberi”nden alınabilmekte veya toprak-bitki-su ilişkilerini açıklayan temel literatürden hesaplanmaktadır. Orta Anadolu koşulları için kurulacak pompaj tesislerinde sulama modülü 0.5 – 0.75 l /s ha alınmaktadır. Bitki su tüketimi düşük, etkinliği yüksek sulama yöntemi, fazla doğal yağış alan yöreler ve su tutma kapasitesi yüksek olan toprak koşulları için sulama modülünün küçük değerleri, tersi durumda ise daha büyük değerleri alınabilir.
Gerek yer altı gerekse yer üstü su kaynağı, belirlenen bu sistem debisini karşılayıp karşılamadığı kontrol edilmelidir. Eğer su kaynağı bu debiyi karşılamıyorsa, su kaynağını artırmak- örneğin ikinci bir derin kuyu açmak-, alanı azaltmak veya bitki desenine müdahale etmek gibi seçenekler değerlendirilmelidir.
3.2. Sistemin Gereksinim Duyduğu Toplam Dinamik Yükseklik (TDY)
Pompa, verilen bir sulama sisteminde istenilen toplam dinamik yükseklikte istenilen debiyi sağlamalıdır. Belirli bir sistemden, geçen değişik debilerdeki, toplam dinamik yükseklik bileşenlerinin değişimi Şekil 2 de gösterilmiştir.
Şekil 2. Toplam tesis yük kaybı eğrisi ve bileşenleri.
Geometrisi belirlenmiş bir sistemde, toplam dinamik yükseklik (TDY) aşağıda eşitlikte belirtilen bileşenlerden oluşmaktadır.
TDY = Hg + Hd + Hp + Hf + Hv
Bunlar, Hg geometrik yükseklik, Hd derin kuyu yada su kaynağında debiye bağlı meydana gelen düşüm, Hp sistemin çıkışında istenen basınç veya işletme basıncı, Hf sistemde kullanılan düz boru ve armatürlerde meydana gelen toplam sürtünme kayıpları ve Hvpompalanan suyun hız enerjisidir.
