Artık Prototipe Gerek Yok

Alarko Carrier: Sirkülasyon pompası performans değerlerini CFD analizleriyle belirliyor.

Artık Prototipe Gerek Yok

Didem Deniz KAYABAŞI Makine Mühendisi / Alarko-Carrier Ticaret ve Sanayi A.Ş.

1. Özet

Sirkülasyon pompaları, konutlarda ve ticari işyerlerinde, sıcak suyun ya da kullanım suyunun basınçlandırılarak tesisatta dolaştırılmasını sağlamaktadır. Günümüzde, sirkülasyon pompasını oluşturan çark ve salyangoz bileşenlerinin tasarımları, çeşitli yazılımlar kullanılarak bilgisayar ortamında yapılabilmektedir. Bilgisayar ortamında 3 boyutlu olarak tasarlanan çark ve salyangoz parçalarının uygun montajı yapıldıktan sonra ortaya çıkan sirkülasyon pompasına ait karakteristik eğrileri, CFD (Computational Fluid Dynamics / Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yazılımları kullanılarak yapılan akış analizleri ile elde edilebilmektedir. Geleneksel yöntemler yerine kullanılan yazılımlar ile tasarım ve üretim süreçleri kısalmakta; böylelikle maliyetler de düşmektedir.

2. Giriş

Günümüzde, maliyet düşürme ve üretim süreçlerini kısaltmanın önemi düşünüldüğünde, bilgisayar yazılımlarının bu süreçlerde kullanılmasının sağladığı faydalar göz ardı edilemez.

Şekil 1. CFD analizi için hazırlanan katı model.
Bu çalışmada, bir sirkülasyon pompasının performans değerleri, CFD yöntemiyle çözümleme yapan ANSYS CFX yazılımı kullanılarak elde edilmiştir.
Bilgisayar ortamında tasarımı tamamlanmış olan sirkülasyon pompasının, bir katı modelleme programında CFD analizi için uygun bir modeli oluşturulurken, öncelikle çark ve salyangoz geometrileri montajı yapılmış; daha sonra, bu modele ek olarak emiş yönünde çarka giren ve basma yönünde salyangozdan çıkan silindir şeklinde su hacimleri oluşturularak analiz modeli tamamlanmıştır (Şekil 1). Ayrıca, model hazırlanırken ağ oluşturmada sorun yaratacak küçük boşluklar göz ardı edilerek kapatılmış; böylece analiz sırasında meydana gelebilecek stabilite problemlerinin önüne geçilmiştir.Hazırlanan analiz modeli, ağ yapısı oluşturmak amacıyla ANSYS Meshing programına aktarılarak, analiz için uygun ağ ayarları seçilmiştir.

Ağ oluşturulurken çark ile çevresini içine alan hız gradyenlerinin yüksek olduğu, dönen bölge olarak ifade edilen akış hacmi için daha küçük eleman boyutları seçilerek, bu bölgelerde daha sık bir ağ yapısı oluşturulmuştur (Şekil 2). Çarka giren ve salyangozdan çıkan akış hacimlerinde ise çark ve çevresine göre daha kaba bir ağ yapısı oluşturulmuştur (Şekil 3). Sirkülasyon pompası ağ yapısında, 3 boyutlu modelin duvar bölgelerinde kayma olmadığı ve sınır tabaka kabulü ile bu bölgelerde daha ince bir ağ yapısı oluşturulmuştur.

Şekil 2. ANSYS Meshing’de hazırlanmış çark içindeki akış hacmi ağı.

Şekil 3. CFD analiz modelindeki akış hacminin ağ yapısı.

3. CFD Analizi ve Sonuçları

ANSYS Meshing programında tamamlanan ağ işleminden sonra, analiz modeline ait sınır koşulları belirlenmiştir. Sınır koşulu olarak modelde su giriş kesitinde 0 Pa efektif basıncı tanımlanırken su çıkış yüzeyinde debi değeri tanımlanmıştır (Şekil 4). Pompa karakteristik eğrisini elde etmek için, 1-36 m3/h debi aralığında 5 farklı noktada debi değerleri değiştirilerek analiz tekrarlanmıştır.
Analiz sonrası pompa içerisindeki akışa ait hız ya da basınç gibi büyüklerin değişimini, “post-processing” bölümünde incelenebilmiştir (Şekil 5, Şekil 6 ve Şekil 7). Analiz ile elde edilen sonuçlar kullanılarak pompaya ait basma yüksekliği ve verim değerleri hesaplanmıştır. Basma yükseklikleri hesaplarında Şekil 4’te görülen 1 ve 2 kesitleri için Bernoulli Eşitliği (Denklem 1) kullanılmıştır.
                                         (1)Analiz sonuçlarından, dönen bölge eksenindeki tork değeri kullanılarak önce pompanın hidrolik verimi (Denklem 2) daha sonra da toplam verim değeri (Denklem 3) hesaplanmıştır.
hh =                                               (2)ht = hh. hm. hv                                         (3)Farklı debi değerlerinde tekrarlanan analiz sonuçlarından hesaplanan basma yüksekliği ve verim değerleri ile pompa karakteristik eğrileri oluşturulmuştur.
Tasarımı yapılan sirkülasyon pompasının prototipi imal edilerek test edilmiştir. CFD analizi ile elde edilen karakteristik eğriler ve prototip testleri sonucunda çizilen karakteristik eğriler birbirleriyle karşılaştırılmış ve değerlerin birbirleriyle tutarlı oldukları görülmüştür (Şekil 8 ve Şekil 9).

Şekil 4. CFD analizi sonrası sirkülasyon pompasının su giriş ve çıkış borularında basınç değerlerinin okunduğu kesitler.

Şekil 5. CFD analizi sonrası sirkülasyon pompası içerisindeki suyun izlediği yolun akım çizgileri ile gösterimi.

Şekil 6.CFD analizi sonrası sirkülasyon pompası içerisindeki suyun izlediği yolun hız vektörleri ile gösterimi.

Şekil 7. CFD analizi sonrası çark içerisindeki suyun izlediği yolun hız vektörleri ile gösterimi.

4. Sonuçlar

Bu çalışmada, bir bilgisayar yazılımı kullanılarak tasarımı yapılmış olan sirkülasyon pompasının CFD yöntemi ile performans değerleri elde edilmiştir. Geleneksel tasarım yöntemleri yerine bilgisayar yazılımları kullanılarak gerçekleştirilen sirkülasyon pompası tasarımı ve performans ölçümlerinin, çok daha kısa sürelerde yapılabileceği görülmüştür.
Tasarlanan sirkülasyon pompasının prototipi üretilerek bu prototipin testleri gerçekleştirilmiştir. Test sonuçlarından elde edilen pompa karakteristik eğrileri ile ANSYS CFX’te yapılan CFD analizinden elde edilen karakteristik eğrileri karşılaştırılmış ve iki eğrinin birbirleri ile uyumlu oldukları görülmüştür.

Şekil-8. CFD analizleri ve testler sonucunda elde edilen pompa Q-H eğrilerinin karşılaştırılması.

Şekil-9. CFD analizleri ve testler sonucunda elde edilen pompa Q-n eğrilerinin karşılaştırılması.