Pompa ve borulama sistemlerinde oluşan enerji kayıplarının deneysel ve sayısal analizi
Experimental and numerical analysis of energy losses in pumps and piping systems
Yazar: ALİ OSMAN KOCA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ATMACA
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji tasarrufu = Energy saving

Özet:
Bu çalışmada içme suyu arıtma tesisindeki pompa hattı ile cazibeli akışlı hattın kolektörde birleştirildiği bir sistem incelenmiştir. Mevcut sistemde pompalar birlikte çalıştırıldığında beklenen debi oluşmamaktadır. Pompalarda debi ve enerji kayıplarına sebep olan hususların incelenerek problemlerin nasıl giderileceği üzerinde durulmuştur. Deneysel çalışmalar tesisteki pompalar ve boru hatları üzerinde yapılmıştır. Pompalar çalışırken, pompaların hattına yüksek basınçlı cazibeli bir akış dahil edilmiştir. Daha sonra pompa hattına giren bu akış durdurulmuştur. Her iki durumun sonuçları karşılaştırılmıştır. Pompaların harcadığı elektrik enerjisi ve verimleri hesaplanmıştır. Deneysel çalışmalarda pompa hattının başka hatlarla birleştirilmesinin yüksek enerji kayıplarına neden olduğu görülmüştür. Deneysel çalışma sonucunda pompalı hatlarla nispeten daha yüksek basınçlı hatlar birlikte çalıştırıldığında, pompalarda %48'lere varan debi kaybı olduğu tespit edilmiştir. Yapılan bir senaryoda, farklı pompa grupları çalıştırılarak benzer debinin alınabildiği ancak doğru pompa grubunun %54,95 oranında daha az maliyetle aynı debiyi verebildiği hesaplanmıştır. İstenilen debiye göre çalıştırılacak en ekonomik pompa grupları belirlenmiştir. Boru içerisinde debi ve enerji kayıplarına sebep olan etkileri görmek için HAD yöntemi ile sayısal analizler yapılmıştır. Analizlerde, yüksek basınçlı akışın düşük basınçlı pompa hattına girerek sistemin basınç dengesini bozduğu, pompalar için bir engel oluşturduğu ve enerji kayıplarına sebep olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this study, a system was investigated where the pump line in a drinking water treatment plant is combined with the gravity flow line in a pipeline header. The existing system fails to achieve the expected flow rate when the pumps are operated together. The study focuses on analyzing the factors that contribute to flow and energy losses in the pumps and proposes solutions to address these issues. Experimental studies were conducted on the pumps and pipelines within the facility. During the experiments, a high-pressure gravity flow was introduced into the pump line while the pumps were in operation. Subsequently, this flow entering the pump line was stopped, and the results of both scenarios were compared. The electrical energy consumed by the pumps and their efficiencies were calculated. The experimental studies revealed that combining the pump line with other lines in the system caused high energy losses. As a result of the experimental study, it was determined that there was a flow loss of up to 48% when the pump lines were operated together with relatively high-pressure lines. In a hypothetical scenario, it was calculated that similar flow rates could be obtained by operating different pump groups, but the correct pump group could provide the same flow rate with a 54.95% lower cost. The study identified the most economical pump groups to be operated according to the desired flow rate. Numerical analyses were conducted using the computational fluid dynamics (CFD) method to observe the effects that cause flow and energy losses within the pipe. The analyses revealed that the high-pressure flow entering the low-pressure pump line disrupted the pressure balance of the system, posed an obstacle for the pumps, and resulted in energy losses.