KATI PARTİKÜL İÇEREN ENDÜSTRİYEL AKIŞKANLARDA SANTRİFÜJ POMPA UYGULAMALARI VE GENEL BİLGİLER

İnsanlığın varoluşundan itibaren suyun taşınması için çeşitli aletler kullanılmıştır. Bilinen ilk su aracı M.Ö. 2000 yılında kullanılan şaduf (seren) adı verilen kaldıraç benzeri bir alettir.[1] Günümüzde kullanılan su pompalarına en yakın ekipman ise M.Ö. 3. yüzyılda Arşimet tarafından tasarlanan Arşimet Vidası adı verilen su transfer mekanizmasıdır.[2] Ayrıca 12. yüzyılda Artuklu döneminde ülkemizde yaşamış, özellikle su transferi konusunda geliştirdiği mükemmel mekanik sistemler ve o yıllarda robot biliminde yaptığı çalışmalarla dünya genelinde tanınan fizikçi ve mekanikçi El-Cezeri’yi de anmadan geçemeyiz.

Su döngüsü veya hidrolik döngü, denizlerde ve okyanusta bulunan suyun buharlaşıp atmosfere, ardından da yağmur olarak toprağa ve tekrar denize, okyanusa kavuşmasıyla tamamlanır. Bu süreçte su kütlesi değişmez. Bununla beraber insan elinin değdiği her yerde dengeler değişir. Buna suyun tarımsal, endüstriyel veya evsel kullanımlarında döngünün dışına çıkartılması örnek gösterilebilir.

Şekil 1: Su döngüsü [3]

Bilinçsiz su kullanımının nelere yol açabileceğini hepimiz biliyoruz. Örneğin ülkemizde, Konya Ovası’nda oluşan obrukları, Karadeniz Bölgesi’nde bile görülebilen su kıtlığını, Göller Yöresi’nde kuruyan gölleri haber bültenlerinde sıkça duymamız bilinçsiz su kullanımının sonuçlarıdır. Su kıtlığına karşı çözüm olabilecek yeni fikir ve projeler geliştirmek zorunda kalıyoruz. Bu yüzden Kıbrıs’a içme suyu sağlayabilmek için Mersin’den başlayan hat, deniz tabanından uzanarak 107 km’lik mesafe kat eder ve Girne Geçitköy Barajına ulaşır.[4] Benzer bir proje de İstanbul için yapılmıştır. Düzce’de Melen Nehri üzerine kurulan Melen Barajı’nda toplanan su, yer altı boruları vasıtası ile İstanbul Anadolu Yakası’ndaki başka bir baraja ulaşmaktadır. Bu şekilde hatta yılda 1 milyar metreküpün üzerinde su taşınmaktadır.[5]

Araştırma sonuçlarından alınan verilere göre son yıllarda Türkiye, tarım ve sanayi üretimi yoğun bir toplum haline gelmiştir. Günümüzde en çok su tüketimi tarım sektöründe gerçekleşirken bunu sanayi tüketimi ve evsel kullanımlar takip etmektedir.[6]  Dünyadaki su tüketim oranlarının ortalaması da yaklaşık olarak ülkemizdeki gibidir. Küresel su tüketiminin en yoğun olduğu yer tarım sektörüdür. Az gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde toplam tatlı suyun %85-90’ı tarımsal üretimde kullanılırken, gelişmiş olan ülkelerde bu oran %16’lara kadar düşer.[7]

Şekil 2: Ülkemizde Yıllara ve Sektörlere Göre Su Kullanım Oranları [6]

TÜİK verilerine göre belediyelerin sağladığı içme ve kullanma suyu şebekesinden tüketilen kişi başı günlük ortalama su miktarının 224 litre olduğu görülmektedir. 3 büyük şehirde ise tüketilen kişi başı günlük ortalama su miktarının; İstanbul için 189 litre, Ankara için 239 litre ve İzmir için 208 litre olduğu tespit edilmiştir.[8] (Bu değerler 2018 yılına aittir. Sonraki yıllarda Covid-19 pandemisi koşulları ile değerlerde artış yaşanmıştır.) Yani çekirdek bir ailenin evindeki 1 aylık su ihtiyacı ortalama koşullarda yaklaşık olarak 25 m³ diyebiliriz. Sanayide ise su tüketimi bu değerlerden çok daha fazladır. Endüstriyel tesislerin su tüketimlerinin genel olarak temiz ve içilebilir sudan karşılandığını düşünürsek en küçük bir kaçak veya kaybın aslında ne kadar değerli olduğunu aşağıda vereceğimiz örnekte daha iyi kavramış oluruz. Örneğin 500.000 kcal kapasiteye sahip bir soğutma kulesinde buharlaşma ile saatte yaklaşık olarak 700-900 litre su, buhar olarak atmosfere salınır. Bu değerler demir çelik fabrikaları ve enerji santralleri gibi aşırı soğutma ihtiyacı bulunan tesisler için ise saniyelik tüketimdir. Ayrıca üretim tesislerinin proseslerinde kimyasal ya da biyolojik olarak kirlenen sularının oluşturduğu atık suyu düşünürsek, sanayideki su tüketimini daha iyi anlamış oluruz. Örneğin Doğal Hayatı Koruma Vakfı’nın yapmış olduğu araştırmada bir tişört üretmek için 2.700 litre su tüketimi tespit edilmiştir.[8] Bu durumda kirli suyu geri kazanmak için en önemli önlemlerden biri de su arıtma sistemleridir. Endüstriyel tesisten çıkan kirli suyu, atık su geri kazanım sistemleri ile tekrar prosese kazandırabiliriz.  Biyolojik ve kimyasal arıtma sistemleri kullanılarak endüstriyel tesislerin atık sularının depolanıp daha sonra arıtılarak tekrar kullanımı mümkündür. Ayrıca yağmur suyu arıtma sistemleri ile de temiz su tasarrufu sağlamak mümkündür. Bu tesislerin kirli sularının transferinde kullanılacak olan pompalarda aşağıdaki hususları göz önünde bulundurmak gereklidir.

Endüstriyel akışkanların ve atık suların transferindeki önemli hususlar

Endüstriyel akışkanların transferi için kullanacağımız pompaların seçiminde aşağıdaki başlıklarda ifade edilen konuları dikkatlice tespit etmek gerekmektedir.

Sıvının karakter tespiti

Endüstriyel proseste kullanılan ve arıtılmak istenen akışkanın içinde barındırdığı kimyasalları, PH değerini, katı partikülleri, bu partiküllerin boyutunu, sıvının sıcaklığını, yoğunluğunu ve viskozitesini (akmazlığını) belirleyerek işe başlamamız gerekir. Akışkan ilk bakışta temiz ve duru olarak görünse bile içerisinde çözünebilen tuz ya da kimyasallar olabilir.

Yoğunluk ve viskozite

Sıvı yoğunluğu ve viskozitesi arttıkça pompanın elektrik motorundan çekeceği güç artacaktır. Eğer pompa seçiminde bu konuya dikkat edilmezse sahada pompanın elektrik motoru tahmin edilenden daha yüksek akım çekecek ve arızalara sebep olacaktır.

P_şaft = Q x H x  ρ / (367 x η_pompa)

P_şaft / η_motor = P_şebeke

Bu formüllerde basılacak olan akışkanın debisi [m³/saat] basıncı [mSS] yoğunluğu [g/cm³] ve pompanın hidrolik veriminin bilinmesi gerekir. Çıkan değer, pompanın çalışması için gerekli şaft gücünü [kW] verir. Bu değeri elektrik motoru verimine böldüğümüzde ise şebekeden çekilecek toplam güç tespit edilmiş olacaktır. Çıkan sonuçtan akışkanımızı transfer etmek için ihtiyaç duyulan pompa rahatlıkla seçilebilir.

Viskozite için durum biraz daha karmaşıktır. Çünkü viskozitenin değişimi pompa gücüne ve performansına doğrudan etki etmesine rağmen doğrusal orantıda etki göstermez. Viskozite arttıkça pompanın performansı yani debi ve basma yüksekliği başta daha yavaş sonra hızla azalmaya başlar. Sahadaki tecrübelerimize göre viskozitesi 500 mPas’a kadar olan akışkanların transferi santrifüj pompalarla yapılabilirken, daha yüksek viskoziteli akışkanlar için pozitif deplasmanlı pompalar gibi farklı yapıdaki ekipmanlar kullanılmalıdır. Sıvı akıcılığını koruduğu sürece santrifüj pompalar ile basılabilir. Örneğin antifriz, bor yağı, motor yağı, bio-dizel, tuzlu su, bitkisel yağ vb.

İki farklı akışkan için motor gücü hesabı

Debi = 25 m³/h [Q]

Basma yüksekliği = 4 bar [H]

Akışkan sıcaklığı = 25°C

Akışkan 1 = Su

Akışkan 2 = Etilen glikol

25°C’de suyun yoğunluğu 0,99 g/cm³ iken etilen glikolün 1,11 g/cm³’tür.

Aynı sıcaklıkta suyun viskozitesi 0,9 mPas ve etilen glikolün 16 mPas’dır. iki sıvı da santrifüj pompa ile transfer edilebilebilir. (x<500 mPas)

1.       Akışkan (su)

P_şaft = 25x40x0,99 / (367x0,75) = 3,59 kW

3,59 / 0,95 = 3,77 kW Su için şebekeden elektrik motorunun çekeceği güçtür. Bu pompa için 4 kW’lık elektrik motoru kullanmak gerekir.

2.       Akışkan (etilen glikol)

P_şaft = 25x40x1,11 / (367x0,75) = 4,03 Kw

4,03 / 0,95 = 4,24 kW Etilen glikol için 4 kW’lık motor yeterli olmayacağı için 5,5 kW’lık elektrik motoru kullanmamız gerekecektir.

Kimyasal ve fiziksel şartlar

Bu kısma sıvı içinde bulunan katı partiküller ile başlamak gerekir. Çünkü çoğu zaman göz ile görülemeyen suda çözünmüş maddeler, pompaya ve tesisattaki diğer elemanlara ciddi hasar verir. Buna en güzel örnek deniz suyudur. Duru ve berrak olan deniz suyunun ihtiva ettiği tuz ve diğer mineraller, pompa içinde ciddi fiziksel ve kimyasal aşınmaya sebebiyet verir. Özellikle temiz su hatlarında kullanılan metal tesisat enstrümanlarının (pompa, vana, boru, çekvalf, pislik tutucu vb.) korozyona uğraması ile zamanla su içinde biriken pas ve kir, gerekli filtreleme işlemleri ile temizlenmez ise hareketli tüm parçaları aşındırarak (zımpara etkisi yaratarak) arızalara sebep olur. Aynı etki, açık havuzların yüzeyine düşen toz, kum vb. partiküllerin suya karışarak tesisata girmesiyle de görülür. Karşılaşılan diğer unsurlar ise kireç, çamur, tesisat montajından oluşan metal parçaları ve kaynak tozlarıdır.

Atık suların transferi gündeme geldiğinde ise durum daha da zorlaşır. Atık su içinde kimyasal ve biyolojik olarak çeşitli materyaller bulunabileceği için pH ölçümü yapılmalıdır. Sıvı içinde çökelme ya da katılaşma olup olmadığı tespit edilmelidir. Ayrıca atık sularda karşılaşılan yabancı cisimler (örneğin lifli parçalar, halat ya da kablo parçaları, çuval ipleri ve naylon parçalar gibi) pompaya ulaşmadan bertaraf edilmelidir. Aksi halde bu istenmeyen parçalar pompa çarklarında tıkanmalara sebep olur.

Akışkanın kimyasal özelliklerine göre doğru pompa seçimi hayati önem taşımaktadır. Sıvının kimyasallar ihtiva etmesi, tamamen asidik veya bazik özellikte olması durumunda pompanın tüm parçaları tek tek seçilmelidir. Pompa gövdesi, çarkı, mili, salmastrasının yüzeyleri ve elastomerleri sıvı ile teması halinde deforme olmayacak malzemelerden seçilmelidir. Aksi takdirde kimyasal ile reaksiyona giren bir materyal deforme olur ve pompanın arızalanmasına yol açar. Örneğin etilen glikol içeren bir sıvı için paslanmaz veya karbon çelik malzemeden imal bir pompa kullanılabilecekken, hidroklorik asit içeren bir sıvı için plastik pompa kullanılması gerekmektedir.

Sıcaklık

Bir proseste kullanılacak tesisat malzemelerinin tamamında maksimum dayanım sıcaklığı limiti bulunmaktadır. Prosesin ihtiyaç duyduğu sıvı sıcaklığı, malzemelerin maksimum dayanacağı sıcaklık limiti ile karşılaştırılmalıdır. Sıcak su kazanlarında basınç altında su sıcaklığı 180°C’ye kadar çıkarılabilir. Su kazanlarının sirkülasyon hatlarında hava soğutmalı salmastra ile donatılmış pompalar kullanılmaktadır. Çoğu endüstriyel prosesin çalışma sıcaklığı 110-120°C aralığındadır. Bu durumda kullanılacak olan ekipmanların tamamını uygun sıcaklık dayanımına göre seçmek gerekir. Özellikle EPDM ya da FPM (Viton®) gibi sıcaklığa dayanımı yüksek elastomer malzemelerden imal edilmiş sızdırmazlık elamanlarının kullanılması önemlidir. Sıfırın altına inen sıvı sıcaklarında da ayrıca limitler tespit edilmelidir. Suyun dışındaki proseslerde, örneğin kızgın yağ kullanımında akışkan sıcaklığı 300°C’ye kadar çıkabilmektedir.

Şekil 3: 180°C için e-SVH serisi hava soğutmalı salmastralı kademeli paslanmaz çelik santrifüj pompa – Gıda tesisi

Dış ortam sıcaklığının da kontrol edilmesi gereklidir. Pompa istasyonun bulunduğu hava koşulları suyun donma sıcaklığının altına iniyor ise pompa ve tesisatın izole edilmesi gerekmektedir. Aksi halde akışkanın donması sonucu pompalarda büyük hasarlar oluşacaktır. Çoğu zaman pompa odası yapılması da uygun bir çözümdür.

Dalgıç pompalarda elektrik motorunun basılan akışkan içinde olduğu unutulmamalı ve pompanın sorunsuz çalışması için akışkanın izin verilen üst sıcaklık sınırı kontrol edilmelidir. Çoğu dalgıç pompa imalatçısı pompaların çalışabileceği akışkan sıcaklığı üst sınırını 40-50°C arasında belirlemiştir.

Salmastra seçimi

Pompa seçimlerinde sızdırmazlık elemanları malzemeleri her zaman göz önünde bulundurulmalıdır. Aksi takdirde sorunsuz çalışması gereken bir pompa devreye alındığı anda bile sızdırmaya başlayabilir. Günümüzde endüstriyel tesislerin çoğunda mekanik salmastralar kullanılmaktadır. Bunun yanında maden ve ağır sanayinin özel proseslerinde yumuşak salmastra kullanımı da mevcuttur. Özellikle katı partikül ihtiva eden sıvıların transferinde salmastra yüzey malzemelerinin aşınmaya karşı dayanım göstermesi beklenirken, kimyasal içerikli sıvılarda ise elastomer malzemelerin dayanımı daha fazla önem arz etmektedir. Hafif tuzlu sular için salmastra yüzeylerinde karbon ve seramik kullanılabilirken, deniz suyu transferinde salmastra yüzeyleri silikon karbid ya da tungsten malzemeden seçilmelidir. Özellikle gıda endüstrisinde temizlik amaçlı kullanılan CIP hatlarındaki pompaların salmastralarında EPDM elastomer uygun olurken, asit içeriği yoğun sıvılarda ise FPM elastomerler çok daha uzun ömürlü olmaktadır. Daha aşındırıcı sıvılarda ise çift mekanik salmastrayla birlikte salmastra haznesi tampon sıvı ile sabit basınç altında sirküle edilmektedir. Buna en güzel örnek otomotiv ve beyaz eşya sektörlerinde oldukça yoğun çalışan kaplama tesislerinin kimyasal sirkülasyonunu sağlayan çinko fosfat transfer pompalarıdır.

 Şekil 4: Çift Mekanik salmastra ve tampon akışkan uygulaması [10]

Pompa seçimi

Pompa seçimine, prosesteki akışkan özellikleri tespit edildikten sonra pompanın yüzeyde mi yoksa dalgıç olarak mı çalışacağına karar vererek başlayabiliriz. Katı partikül içeren sıvılar için dalgıç pompa seçimi yapılacak ise sudaki maksimum partikül büyüklüğünü tespit etmeli ve pompamızın katı partikül geçirgenliğine uygun olup olmadığını kontrol etmeliyiz. Devamında sıvı sıcaklığı ve havuzda çökelme-katılaşma olmadığını kontrol edip uygun seçimi yapabiliriz.

Örnek uygulama:

Otomotiv sektöründe üretim yapan bir fabrikanın boyahane atıklarının biriktirildiği havuzdan, atık sıvıyı arıtma tesisine 20 m³/saat debi,  1 bar basınçta transfer edecek dalgıç pompa talebi için sorulması gereken sorular şu şekilde olmalıdır.

1. Havuzdaki sıvı sıcaklığı nedir?

• İşletme çalışıyorken 30-35°C arası ama gece daha düşük sıcaklıkta.

1. Sıvı içindeki yabancı cisimler nelerdir? En büyük partikülün ölçüsü nedir?

• Sıvı homojen su ile karışık boya, maks. 1-2 cm büyüklüğünde parçalar olabiliyor.

1. Sıvı yoğunluğu ve viskozitesi nedir?

• Kirli su, yoğunluğu 1,1 g/cm³ civarındadır.

1. Havuz tabanına çökelme oluyor mu?

• Evet oluyor. Yılda 1 defa havuzu boşaltıp iş makinesi ile havuz dibi temizleniyor.

1. Sıvının içindeki kimyasallar nelerdir? pH değeri kaçtır?

• Sıvı bazik karakterli, pH değeri 9-10 civarı ama tesisatta paslanmaz çelik malzemeler kullanmaktayız.

1. Havuz derinliği nedir?

• Yaklaşık 10 metre.

Bu durumda seçilmesi gereken pompanın en az 40°C’de çalışabilen, paslanmaz çelik malzemeden imal edilmiş, en az 30 mm katı partikül geçişine izin veren çark yapısına sahip, 10 m daldırma derinliği olan bir dalgıç atıksu pompası olmalıdır. Kullanımda dikkat edilmesi gereken husus, dipteki biriken çamurdan daha yüksek bir seviyede pompayı çalıştırarak, pompanın çamura gömülmesine engel olmaktır.

Bu örnekteki sıvı sıcaklığını daha yüksek bir değere çıkardığımızda örneğin 50°C’nin üzerindeki sıcaklıklar için talep edildiğinde, satın alma maliyetleri oldukça yükselmektedir. Alternatif olarak bu tip durumlarda kolon tipi pompalar ya da kendinden emiş kabiliyeti olan yatay santrifüj çamur pompaları da tercih edilebilir.

Sonuç

Su insan hayatı için çok değerli bir madde olduğu gibi, tedariğinden tüketim aşamasına kadar kullandığımız ekipmanların doğru seçimi de bir o kadar önemlidir. Bunların başında suyun transferini sağlayan pompalar gelirken yanlış pompa seçimi su kaçak ve kayıplarına sebebiyet verir. Tesislerde su olmadan üretim yapılamaz. Bu nedenle insan, yaşama direkt olarak suyla bağlı olduğu gibi genel ihtiyaçlarını da yine su sayesinde karşılar. Endüstrinin de su olmadan çalışabilmesi mümkün değildir. Endüstriyel tesislerden çıkan atık sular her zaman bize sorun oluşturacaktır ancak doğru pompa ve ekipman seçimi ile bu sorunun üstesinden gelebiliriz. Bu sayede üretimin aksamadan devam etmesini sağlayabiliriz ve gelecek nesillere hem su kaynaklarını hem de temiz üretimi miras bırakabiliriz.  

FAYDALANILAN BAŞLICA KAYNAKLAR;

• https://www.lowara.com.tr/
• https://www.ilpa.com.tr/
• ÇENGEL, Yunus A.; CIMBALA John M.. Fluid Mechanics Fundamentals and Applications
• İstanbul Üniversitesi Coğrafya Enstitüsü dergisi", 1-6. sayılar. İstanbul Üniversitesi Coğrafya Enstitüsü

1. https://tr.wikipedia.org/wiki/%C5%9Eaduf#cite_note-1
2. https://tr.wikipedia.org/wiki/Pompa
3. https://sutema.org/mavi-gezegen/su-dongusu.2.aspx
4. https://www.aa.com.tr/tr/turkiye/asrin-projesi-askili-boru-sistemiyle-anadoludan-kktcye-su-tasiyor/2011317
5. https://www.aa.com.tr/tr/turkiye/dsi-istanbulda-su-sikintisi-yasanmayacak/1973612
6. https://cevreselgostergeler.csb.gov.tr/su-kullanimi-i-85738
7. https://sutema.org/kirilgan-dongu/suyun-sektorlere-gore-kullanim-oranlari.9.aspx
8. https://data.tuik.gov.tr/Bulten/Index?p=Belediye-Su-Istatistikleri-2018-30668
9. https://sutema.org/kirilgan-dongu/su-ayak-izi.15.aspx
10. https://www.aesseal.com/tr/node/2650