Pompa benzerlik (afinite) yasaları nedir?
Pompa benzerlik yasaları, diğer adıyla pompa afinite ya da yakınlık yasaları, santrifüj pompanın performansının devirle nasıl değiştiğini anlatan üç bağıntıdır. Debi devirle doğru orantılıdır. Basma yüksekliği devrin karesiyle, güç ise devrin küpüyle değişir: Q₂/Q₁ = n₂/n₁, H₂/H₁ = (n₂/n₁)², P₂/P₁ = (n₂/n₁)³. Bağıntılar aynı pompa, aynı akışkan ve benzer sistem koşulları için geçerlidir.
Küp ilişkisi enerji tasarrufunun sırrıdır. Devri yüzde 20 düşürdüğünüzde debi yüzde 20 azalır, ancak güç neredeyse yarıya iner, çünkü 0,8 sayısının küpü 0,512 eder. Tersi de geçerlidir: devri yüzde 10 artırırsanız debi yüzde 10, basma yüksekliği yaklaşık yüzde 21, güç ise yaklaşık yüzde 33 artar. Bu yüzden mevcut bir pompanın devrini artırarak debi kazanmak, motoru ve tesisatı sınırlarına yaklaştırır.
Devir oranına göre debi, basma yüksekliği ve güç değişimi
Aşağıdaki değerler, nominal devrin yüzdesi olarak debi, basma yüksekliği ve güç oranlarını verir: devir %100 iken debi %100, basma %100, güç %100; devir %90 iken debi %90, basma %81, güç %72,9; devir %80 iken debi %80, basma %64, güç %51,2; devir %70 iken debi %70, basma %49, güç %34,3; devir %60 iken debi %60, basma %36, güç %21,6; devir %50 iken debi %50, basma %25, güç %12,5.
İki kutuplu motorlu bir pompada 50 Hz şebekede devir yaklaşık 2900 dev/dk civarındadır. Frekans konvertörüyle frekans düşürüldüğünde devir kabaca frekansla orantılı azalır: 45 Hz için yaklaşık 2610, 40 Hz için yaklaşık 2320, 35 Hz için yaklaşık 2030, 30 Hz için yaklaşık 1740, 25 Hz için yaklaşık 1450 dev/dk. Gerçek devir motor kaymasına bağlı olarak bir miktar farklı olabilir; kesin değer için plaka ya da konvertör göstergesine bakılmalıdır. Dört kutuplu motorlarda nominal devir yaklaşık 1450 dev/dk'dır.
Frekans konvertörü ve değişken debili sistemlerde kullanım
Asenkron motorun devri besleme frekansıyla orantılıdır. Frekans konvertörü frekansı düşürerek devri ayarlar; böylece vana ile kısma yapmaya gerek kalmaz. Vana kısarak debi azaltmak basıncı yükseltir ve enerji ısıya dönüşür, devir düşürmek ise sistemin gerçekten ihtiyaç duyduğu enerjiyi sağlar. Vana ile kısmada güç düşüşü sınırlı kalır; devirle kontrolde ise güç devrin küpüyle azalır.
Birçok modern sirkülasyon pompası zaten dahili elektronik devir kontrolü içerir. Sabit basınç ya da orantılı basınç modları, debi azaldıkça devri düşürür ve benzerlik yasalarını otomatik uygular. Pompa seçerken bu özelliğin kataloglarda yer alıp almadığına bakmak yararlıdır.
Çalışma noktaları sabit bir sistem eğrisi üzerinde hareket ederken benzer noktalar, H = c·Q² biçimindeki bir parabol üzerinde bulunur. Kapalı devrede statik bileşen olmadığından sistem eğrisi de bu biçimdedir ve devir değiştirildiğinde çalışma noktası kendiliğinden benzer noktaya taşınır. Yukarıdaki çizimde kesik çizgili parabol bu noktaları birleştirir.
Çark çapı değişimi ve geometrik olarak benzer pompalar
Aynı pompanın çarkı tornalanarak küçültüldüğünde, devir yerine çap oranı kullanılarak benzer bağıntılar yazılır: debi çapla, basma yüksekliği çapın karesiyle, güç çapın küpüyle orantılı değişir. Bu yaklaşım yalnızca küçük çap azaltmalarında makul sonuç verir; çark kanatları ve gövde ile ilişkisi bozulduğundan verim değişimi devir değişimine göre daha büyüktür ve üretici eğrisiyle doğrulanmalıdır.
Geometrik olarak benzer, ama farklı boyutlu pompalar için aynı devirde bağıntılar farklıdır: debi çapın küpüyle, basma yüksekliği çapın karesiyle, güç çapın beşinci kuvvetiyle orantılıdır. Hem devir hem çap değişirse etkiler birleştirilir. Bu bağıntılar pompa ailelerinin ölçeklendirilmesinde ve model deneylerinin gerçek pompaya uyarlanmasında kullanılır. Fanlar için de benzer devir bağıntıları geçerlidir; ancak hava yoğunluğu değiştiğinde basınç ve güç ayrıca düzeltilmelidir.
Pompa benzerlik yasalarının sınırlamaları
Benzerlik yasaları sürtünmesiz ideal benzerlik varsayar. Gerçekte devir düştükçe verim biraz azalır, bu nedenle güç hesaplanan değerden bir miktar yüksek çıkabilir. Devir oranı yüzde 50 altına inerse sapma büyür. Ayrıca minimum devirde motor soğutması ve pompa yatakları için üretici sınırları dikkate alınmalıdır.
Sistem eğrisi sabit statik yükseklik içeriyorsa, yeni çalışma noktası benzer nokta olmayabilir. Açık sistemde basma yüksekliğinin bir kısmı kot farkıdır ve devir düşürüldüğünde debi beklenenden hızlı azalır; belirli bir devirin altında pompa statik yüksekliği yenemez ve debi tamamen kesilir. Pozitif yer değiştirmeli pompalarda ise bu yasalar uygulanmaz.
2.900 dev/dk'dan 2.300 dev/dk'ya düşürme için benzerlik yasaları hesabı
- Veriler: Q₁ = 20 m³/h, H₁ = 15 mSS, P₁ = 1,5 kW, n₁ = 2.900, n₂ = 2.300 dev/dk.
- Devir oranı: 2.300 / 2.900 = 0,7931 (%79,3).
- Debi: Q₂ = 20 × 0,7931 = 15,86 m³/h.
- Basma yüksekliği: H₂ = 15 × 0,7931² = 9,44 mSS.
- Güç: P₂ = 1,5 × 0,7931³ = 0,748 kW; güçte yaklaşık %50,1 azalma.
- Enerji kazancı: yılda 4.000 saat çalışırsa mil gücü bazında (1,5 − 0,748) × 4.000 ≈ 3.007 kWh daha az enerji harcanır; bu sonuç ideal benzerlik varsayımına dayanır.