Newton tipi olmayan akışkan transferi için ağır hizmet pompası tasarımı, HAD yöntemiyle optimizasyonu ve deneysel incelenmesi
Heavy duty pump design, CFD optimization and experimental investigation for non-Newtonian type fluid transfer
Yazar: OSMAN FATİH ÇELEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ZEKERİYA PARLAK
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Gelişen mühendislik uygulamalarında Newton tipi olmayan akışkanların kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Newton tipi olmayan akışkanlar asidik veya bazik yapıda ve yüksek aşındırıcılığa sahip olabilmektedir. Günümüzde uzun çalışma ömrüne sahip, asidik veya bazik ortamlarda yüksek basınç ve debi üreten ve Newton tipi olmayan akışkanların transferinde kullanılan pompalar daha fazla kullanım alanı ve önem kazanmaktadır. Genellikle yüksek güç tüketim değerleri olan bu pompaların transfer edeceği akışkana göre tasarlanıp verimliliğinin artırılması, mali açıdan büyük tasarruflar sağlayacaktır.

Bu çalışmada Newton tipi olmayan akışkan transferinde kullanılacak bir pompanın tasarım ve optimizasyonu yapılmış, prototip ve test düzeneği imal edilip, testleri gerçekleştirilmiştir. Transfer edilen akışkanın aşındırıcı yapısına karşı kullanılan malzeme ömürleri incelenmiş, daha uzun çalışma saatlerine sahip olması için malzeme kalitesinde iyileştirmeler yapılmıştır.

Pompa salyangoz ve çarkının tasarımı için, öncelikle ihtiyaç duyulan debi ve basma yüksekliği belirlenip Newton tipi akışkanlar için analitik hesaplamalarla, fiziksel boyutlandırılması yapılmış ve ön tasarım bilgileri elde edilmiştir. Elde edilen ön tasarımın ardından detaylı analizler 3B hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Elde edilen analiz sonuçlarından yola çıkılarak Newton tipi olmayan nişastalı su için analizler gerçekleştirilmiş ve HAD tabanlı optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. 

Pompa karakteristik eğrilerinin elde edilebileceği bir test ünitesi komple tasarlanıp imal edilmiş, optimal pompa burada test edilmiş ve performans eğrileri çıkartılmıştır. Test sonuçlarından elde edilen karakter eğrileri ile HAD sonuçlarının doğrulaması gerçekleştirilmiştir. 

Yapılan çalışmalar sonucunda aynı debi ve basma yüksekliği için tasarlanıp imal edilmiş muadil bir pompaya göre enerjide  %5, kullanım ömründe %11 daha fazla verim elde edilmiştir. Test sonuçları ile HAD yönteminden elde edilen sonuçlar arasında uyum olduğu görülmüştür.

Anahtar kelimeler: Turbomakine, Ağır hizmet merkezkaç pompa, Optimizasyon, Nişastalı su, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, HAD.

Abstract:
The use of non-Newtonian fluids in developing engineering applications is increasing day by day. Non-Newtonian fluids may have an acidic or basic structure and high abrasion. Nowadays, pumps which are used in transfer of non-Newtonian fluids, which produce high pressure and flow in acidic or basic environments with long working life, gain more usage and importance. These pumps, which are generally of high power consumption values, will be designed according to the fluid to be transferred and the efficiency will be increased and this will lead to great financial savings.

In this study, the design and optimization of a pump to be used in non-Newtonian fluid transfer was done, prototypes and test devices were manufactured and tested. Materials used for the abrasive structure of the transferred fluid have been examined and material quality improvements have been made in order to have longer working hours.

For the design of the pump housing and impeller, firstly the required flow rate and head height were determined. After the preliminary design, detailed analysis was performed by 3D computational fluid dynamics (CFD) method. Based on the results of the analyzes, analyzes were performed for non-Newtonian starchy water and CFD based optimization was performed. 

A test unit where pump characteristic curves can be obtained is fully designed and manufactured, the optimal pump has been tested and performance curves have been removed. The results of the test were obtained by using the characteristic curves.

As a result of the studies, 5% energy efficiency and 11% more efficiency are obtained compared to the equivalent pump which is designed and manufactured for the same flow and head. The results of the test and the results obtained from the HAD method were found to be in agreement.

Keywords: Turbomachine, Heavy duty centrifugal pump, Optimization, Starchy water, Computational Fluid Dynamics, CFD.