Verim iyileştirilmesi için optimize edilen ve poliüretan kaplama yapılan pompa çarkının sayısal ve deneysel analizi
Experimental and numerical investigation of an optimized pump impeller with polyurethane surface coating effect for efficiency improvement
Yazar: OSMAN KOCAASLAN
Danışman: PROF. DR. MUAMMER ÖZGÖREN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında Sempa Ltd.Şti firmasının üretiminde yer alan yatay milli tek kademeli bir santrifüj pompanın verim iyileştirmesi amaçlı yapılan deneysel ve sayısal araştırma sonuçları karşılaştırılmıştır. Üretilmekte olan bu santrifüj pompanın verimini iyileştirmek için salyangoz ve çarkında geometrik olarak değişimler yapılmış ve hidrolik verimde gerçekleşebilecek iyileşmeler sayısal olarak tespit edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda mevcut üretilen pompanın çalışma noktası olarak önerilen 100m^3⁄h hacimsel debide hidrolik tork değeri 55.44 Nm 'den 49.54 Nm 'ye düşmüştür. Bu sonuca bağlı olarak tasarlanan santrifüj pompa ile mevcut pompaya göre mil gücünde %10.71 mertebesinde enerji tasarrufunun yapılabileceğini göstermektedir. Ayrıca aynı sınır şartları koşulları ile yapılan sayısal analizlerde tasarlanan santrifüj pompada mevcut pompaya göre %14 oranında hidrolik verim artışı sağlanmıştır.
Bilim Sanayi Teknoloji Bakanlığı'nın 01076 STZ 11-2 nolu projesinin bir bölümü olarak gerçekleştirilen bu tez çalışmasında yüzey pürüzlülüğünün santrifüj pompa verimi üzerine etkisi de incelenmiştir. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile 100m^3⁄h çalışma noktasında mevcut pompa çarkının ve salyangozunun sıvı akışkan ile temas eden yüzeylerine 0,0.1,0.3,0.5 ve 0.7 mm pürüzlülük yükseklikleri tanımlanarak sayısal analizler yapılmıştır. Yüzey pürüzlük yüksekliğinin artması ile hidrolik verim değerinin % 68'den % 53'e kadar düştüğü gözlemlenmiştir.
Pompalarda kullanım esnasında aşınma ve kavitasyon ile çark yüzeylerinde oluşan deformasyonları önlemek amacıyla pompa çark ve salyangozunun sıvı akışkan ile temas eden yüzeyleri poliüretan malzeme ile kaplanmış ve yapılan kaplama işlemi ile santrifüj pompa veriminde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Kaplamalı ve kaplamasız mevcut pompanın deneysel sonuçları incelendiğinde mil gücü değerlerinde %10 oranında azalmanın meydana geldiği hidrolik veriminde ise %25 oranında artış sağladığı gözlemlenmiştir. Yapılan ekonomik analiz sonucu poliüretan kaplama işlemi için yapılan yatırım 1 yıldan daha az sürede kendini geri ödediği ve pompa dikkate alınan 10 yıllık ömrü süresince yapılan kabuller çerçevesinde % 114 oranında kar getirebileceği görülmüştür. Poliüretan kaplama ile santrifüj pompa hidrolik veriminin arttırılmasının yanı sıra santrifüj pompa kullanım ömrünü de arttırıyor olması önemli bir avantaj olarak sunulabilecektir.

Abstract:
In this thesis study, performance results of an available single-stage centrifugal pump taken as model pump with a horizontal shaft belonging to Sempa Co.Ltd company were compared with the experimental and numerical studies for the purpose of the efficiency improvement. This thesis study is performed as a part of a SANTEZ Project no: 01076 STZ 11-2 which is supported by Republic of Turkey of Ministry of Science, Industry and Technology.
In order to improve the efficiency of the manufactured centrifugal pump impeller and volute, some geometrical modifications have been made and the new designed geometry has been analyzed numerically by using Ansys-Fluent Computational Software. According to the analysis results for the volume flow rate value  at operation point, hydraulic torque value is decreased from 55.44 Nm to 49.54 Nm. Depending on these results, energy saving magnitude of the shaft power of the new designed centrifugal pump can be in the range of 10.71% when compared to the model pump. Also, application of the same boundary conditions yields the hydraulic efficiency increment around 14% with respect to the model pump.
Roughness effect on the performance of the model pump for roughness values of 0, 0.1, 0.3, 0.5 and 0.7 mm of the wetted surface of the model pump impeller and volute was analyzed by using Computational Fluid Dynamics Software ANSYS-FLUENT at the flow rate value of 100m^3⁄h at operating point. It is found that the hydraulic efficiency is decreased from 68% to 53% as the roughness value increases from 0 to 0.7 mm. 
Another section of the thesis,  in order to avoid deformation on the impeller and volute surfaces that causes wearing and cavitation during the operation of the pump, the wetted surfaces of the impeller and volute were coated with a special polyurethane dye material. Later, performance curves of the coated and uncoated pump are experimentally obtained which shows that the shaft power of the pump for the coated case is decreased around 10% and the hydraulic efficiency of the pump is increased approximately 25%. According to the preliminary economic analysis method for this application, it is found that basic payback period of the polyurethane coating is less than one year and the internal income ratio for ten-year life-cycle period is around %114. The polyurethane coatings as well as increasing hydraulic efficiency improve the life cycle time of the centrifugal pump that may be presented as an important advantage.