Basınçlı su borularında hava iletimi ve oksijen transferinin incelenmesi
Study of air entrainment and oxygen transfer at pressure conduit
Yazar: FAHRİ ÖZKAN
Danışman: Y.DOÇ.DR. MEHMET TUĞAL
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yapı Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2005
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
ÖZET Doktora Tezi BASINÇLI SU BORULARINDA HAVA İLETİMİ VE OKSİJEN TRANSFERİNİN İNCELENMESİ Fahri ÖZKAN Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yapı Eğitimi Anabilim Dalı 2005, Sayfa: 64 Sudaki çözünmüş oksijen miktarı, su kalitesi açısından çok önemli bir parametredir. Suyun yapı ile çok kısa bir süreyle teması durumunda bile, Hidrolik yapıların küçük su birikintileri içerisindeki çözünmüş oksijen miktarına önemli etkileri vardır. Oksijen transferinin hızlanmasındaki en önemli neden akım içerisine çok sayıda hava kabarcığının girmesidir. Bu hava kabarcıkları kütle transferi için gerekli olan yüzey alanını büyük miktarda artırır. Serbest yüzeyli akımlara ait havalandırma özellikleri laboratuar ve saha şartlarında etraflıca araştırılmıştır. Ancak basınçlı borulara ait havalandırma verimi özellikleri ve oksijen transfer verimleri araştırılmamıştır. Bu çalışmada basınçlı borulara hava girişi ve bunun oksijen transferine etkisi araştırılmıştır. Konduit kapağınm kısmen açık olduğu durumda oluşan düşük basınç, havayı kapak mansabındaki delikten içeri doğru sürükler. Su içerisine giren hava kapak mansabında çabuk bir şekilde küçük hava kabarcıklarına bölünmeye zorlanır. Su içerisinde oksijenin çözünmesi konduitlerde kapak mansabında oluşan bu emmeden kaynaklanmaktadır. Ayrıca yüksek basınçlı borulardaki akım sistemi oksijenin su içerisinde çözünmesini kolaylaştırır. Araştırma sonuçlan yüksek basınçlı kapaklı konduitlerin, suda çözünmüş oksijen değerini neredeyse doygunluk değeri derecesine çıkardığını göstermiştir. Bu nedenle yüksek basınçlı kapaklı konduitler oksijen transferi açısından oldukça yüksek verime sahiptir. Venturi sistemlerinde daralan kesit içerisinde ilerleyen suyun hızının ani bir şekilde artması sonucu venturi boğaz bölgesinde düşük basınç oluşur. Hız değişiminin neden olduğu bu IXdüşük basınç havayı sistem içerisine sürükler. Sistem içerisine giren hava miktarı venturi giriş- çıkış kesitleri arasındaki orana bağlı olarak değişir. Bu çalışmada, venturi tüpünün giriş çapı, boğaz bölgesi çapının giriş çapına oranı, mansaptaki boru boyu, mansaptaki borunun eğimi ve giriş hızının değişiminin hava çekme verimi üzerindeki etkisi deneysel olarak araştırıldı. Sonuçlar, venturi tüpleri ile yapılan sistemlerinin hava emme ve oksijen transfer verimlerinin yüksek olduğunu göstermiştir. Havalandırma, hem tabii hem de mekanik yollarla, hava ve su arasındaki temas yüzeyini artırmayı sağlayan bir metottur. Uygun ve doğru bir havalandırma küçük su birikintileri ekosisteminde dikkate değer iyileşme sağlayabilir. Bu çalışmada venturi tüplerinin ve yüksek basınçlı kapaklı konduitlerin kullanıldığı iki fazlı akım sistemleri ile küçük su göletlerinin havalandırılması araştırılmıştır. Sonuçlardan iki fazlı akım sistemlerinin derin göletlerde sığ göletlerden daha yüksek verime sahip olduğu görülmüştür. ANAHTAR KELİMELER: Oksijen transferi, Havalandırma, Havalandırma verimi, Hava girişi, İki fazlı akım, Çözünmüş oksijen, Kapaklı konduit, Venturi X

Abstract:
ABSTRACT PhD Thesis STUDY OF AIR ENTRATNMENT AND OXYGEN TRANSFER AT PRESSURE CONDUIT Fahri OZKAN Firat University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Construction Education 2005, Page: 64 The amount of dissolved oxygen (DO) in the waters is very important parameter for water quality. Hydraulic structures have an impact on the amount of dissolved oxygen in a pond system, even though the water is in contact with the structure for only a short time. The primary reason for this accelerated oxygen transfer is that air is entrained into the flow, which produces a large number of bubbles. These air bubbles greatly increase the surface area available for mass transfer. The aeration properties of free surface flows have been studied widely in the laboratory and field over a number of years. However, the aeration efficiency properties and oxygen transfer efficiency of pressure conduits have not been studied. This study seeks the air entrainment of pressure conduits and how they affect the oxygen transfer efficiency. When the gate of a high head outlet conduit is partly opened, a negative pressure drew air in through air vent. Air that is entrained into the water is momentarily forced downstream in the form of small air bubbles. The dissolution of oxygen into the water results from the air suction downstream of high head gated conduit. Moreover, high pressure in high head gated conduit flow systems also facilitates the dissolution of oxygen into the water. It was observed from the results that approximately full transfer up to the saturation value occurred at the high head gated conduits. Therefore, high head gated conduit flow systems have an extremely high efficiency for transferring oxygen from air bubbles to water. XIThe venturi system creates a pressure differential that forms a vacuum. As water flows through the tapered venturi orifice, a rapid change in velocity occurs. This velocity change creates a reduced pressure (vacuum), which draws the air to be injected into the system. The injection rate varies with the pressure differential across the venturi. In present study, experimental studies were conducted to investigate the effect of inlet diameter of venturi tube, the ratio of throat diameter of venturi tube to inlet diameter of venturi tube, pipe length downstream of venturi tube, angle of pipe downstream of venturi tube and flow velocity at inlet portion of venturi tube on air injection of venturi tube. It was observed from the results that venturi tubes were high efficiency in the air injection and oxygen transfer efficiency. Aeration is the process by which the area of contact between water and air is increased, either by natural methods or by mechanical devices. Proper aeration can make considerable improvements in a pond ecosystem. This study investigates pond aeration by two phase flow systems such as high head gated conduit flow systems and two phase pipe flow systems using venturi tubes. It was observed from the results that two phase flow systems were more efficient in deep ponds than in shallow ponds. KEY WORDS: Oxygen transfer, Aeration, Aeration efficiency, Air entrainment, Two phase flow, Dissolved oxygen, Gated conduit, Venturi XII