Yağ enjekteli vidalı kompresörlerdeki hava-yağ ayrıştırma tankının CFD metotları ile performans analizi

Kompresörler hemen hemen tüm endüstriyel sektörlerde kullanılmaktadırlar. Yapılan araştırmalarda dünyadaki sanayi elektriğinin yaklaşık %10'u kompresörler tarafından kullanılmaktadır [2-4]. Son yıllarda kompresörlerin enerji verimliliği üzerine bir çok ülke yeni regülasyonlar uygulamaktadır. Yağ enjekteli vidalı kompresörler endüstride en yaygın olarak kullanılan kompresör tipidir. Yağ enjekteli vidalı kompresörlerde en önemli sistemlerden biri hava-yağ ayrıştırma sistemidir. Kompresör sisteminde bulunan yağın bir çok kritik işlevi bulunmaktadır. Bu yüzden sistemde bulunan yağın basınçlı hava ile taşınması istenen bir durum değildir. Yağ tankında gerçekleştirilen ayrıştırma işleminin performansı kompresörlerin düzgün çalışması için önemli bir rol oynamaktadır. Hava ile yağı ayrıştırmak için farklı yöntemler ve ayrıştırmanın gerçekleştiği tankın farklı tasarımları bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında, dikey siklon bir hava yağ ayrıştırma tankının hesaplamalı akışkanlar dinamiği metodları kullanılarak performans incelemesi yapılmıştır. Performans incelemesi sırasında, tank tasarımını da optimize etmek için tankın için bulunan vortex tüpünün çap ve uzunluk ölçüleri değiştirilerek toplamda dokuz farklı ölçüde analizler yapılmıştır. Geometrik değişikliklerin yanı sıra, tank girişindeki havanın hızı üç farklı değerde incelenmiştir. Toplamda yirmi yedi farklı kombinasyon için hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizi yapılmıştır. Kompresörlerde kullanılan hava yağ ayrıştırma tankları, siklon tip ayrıştırıcılarla kullandıkları yöntem ve geometri olarak büyük benzerlik göstermektedir. Yapılan literatür araştırmasında RSM metodunun yüksek dönel akışların hakim olduğu durumlar için güvenilir sonuçlar verdiği görülmüştür. İki fazlı akışlarda, ana faz ile ikincil fazın hacimsel debi oranlarının %10 ve aşağısı olduğu durumlarda, ikinci fazın modellenmesi için DPM methodunun diğer metodlara göre daha tutarlı sonuçlar verdiği görülmüştür. Bu tez çalışmasında da yukarıda bahsedilen metodlar kullanılarak hava yağ ayrıştırma tankı analizleri yapılmıştır. Giriş sınır koşulu olarak üç farklı 8-10-12 m/s hız değeri parametrik olarak tanımlanmıştır. Tank çıkışında nominal çalışma basıncı olan 700000 Pa değeri girilmiştir. Ayrıca, DPM metodu sınır koşulu olarak giriş ve çıkış portu "escape" koşulu olarak tanımlanmıştır. Tankın iç yüzeyleri "reflect", alt yüzeyi ise "trap" olarak tanımlanmıştır. Tankın ayrıştırma veriminin hesaplanması için bu koşullar yüksek önem teşkil etmektedir. Son olarak, girişteki yağ partiküllerinin çapları, partiküllerin küresel olduğu kabulu ile, Rosim Rammler methodu baz alınarak 1 µm ile 100 µm arasında dağılım olarak tanımlanmıştır. Vıdalı kompresörler için özel olarak üretilen ISO V46 sınıfında, 868 kg/m3 özkütleye, 0.0085 kg/m-s dinamik vizkositeye sahip yağ kullanılmıştır. Yağ debisi 60 L/dak olarak tanımlanmıştır. Sistemin çalışma basıncına göre havanın özkütlesi 7.986 kg/m3, dinamik viskositesi 2.11*10-5'dir. Analizler yaklaşık 4000 iterasyon sonucunda yakınsamıştır. Hava-yağ ayrıştırma tanklarının performansı için en önemli iki parameter ayrıştırma verimi ve basınç kaybıdır. Ayrıştırma veriminin düşük olduğu hava-yağ tanklarında, yağ partikülleri basınçlı hava ile sistemin dışına taşınmaktadır. Zamanla sistemdeki yağın azalmasından dolayı kompresör veriminde düşüş ve arızalar meydana gelebilmektedir. Basınç kaybının yüksek olması ise kompresör sisteminin olağandan fazla enerji tüketmesine sebebiyet vermektedir. Yapılan analizler sonucunda giriş hızının basınç kaybı üzerinde ciddi bir etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Giriş hızının artması ile birlikte basınç kayıpları da hızlı bir şekilde artış göstermiştir. Ek olarak, giriş hava hızlarının artması ile birlikte santrifüj kuvvetlerin ana bileşenlerinden biri olan teğetsel hız değerleri de artmaktadır. Santrifüj kuvvetler ayrıştırma verimi için önemli bir parametredir. Ancak analizler sonucunda, teğetsel hızlardaki artış ayrıştırma verimini bazı vortex tüp dizayları için arttırırken, bazı durumlarda ayrıştırma veriminin azalmasına sebep olmuştur. Vorteks tüp çapı ve uzunluğundaki ölçüsel değişikliklerin etkisi daha net bir şekilde görülmüştür. Vorteks tüp çapındaki ve uzunluğundaki artış ayrıştırma veriminin ve basınç kaybının azalmasını ile sonuçlanmıştır. Tank içindeki yağ partiküllerinin hareketleri incelendiğinde, büyük çaptaki partiküllerin hızla tankın iç yüzey kısımlarına yöneldiği ve büyük ölçüde tankın alt yüzeyine giderek ayrıştığı görülmüştür. 10µm çapına kadar olan partiküllerin zamanla tankın çıkış port bölgesine doğru toplandığı ve bir kısmının çıkıştan kaçtığı görülmüştür. Yirmi yedi farklı konfigürasyon birbiriyler kıyaslandığında en verimli tank tasarımının 8m/s hava giriş hızı değerine, 200 mm vortek tüp çapına ve 300 mm vortex tüp uzunluğuna sahip tank tasarımının olduğu sonucunda varılmıştır.