ATIKSU DEBİLERİNİN ÖLÇÜMÜ
Atıksu deşarj, toplama ve arıtma sistemlerinin tasarımında temel adım atıksu debisinin
belirlenmesidir. Bu sistemlerin düzgün çalışabilmesi, yatırım maliyetlerinin minimize
edilebilmesi ve sistemlerin birden fazla gurup tarafından paylaşılması halinde katılım
paylarının belirlenebilmesi için mevcut debi ve tahmin edilen debi hakkında fiili ölçümlere
güvenilir bilginin elde edilmiş olması gerekir. Atıksu debisinin belirlenemediği durumlarda
debi, su sarfiyatı, nüfus ve endüstri ile ilgili istatistikî bilgilere dayanılarak hesaplanır.
A) Debi Ölçümleri
Atıksu arıtma tesislerinde atıksu debisinin rutin ölçümü, tesisin tasarım ve işletme
kontrolünün sağlıklı yapılabilmesi için esastır. Ortalama ve günlük debi değişimlerinin
bilinmesinin sağladığı faydalar şu şekilde özetlenebilir:
• Sisteme ilave edilecek günlük kimyasal madde miktarının belirlenmesi.
• Sisteme verilecek hava miktarının belirlenmesi.
• Çamur geri devir oranının tespiti.
• Tesisin büyütülmesi söz konusu olduğunda mevcut debi kayıtlarının oluşturulması.
• Günlük kurak hava şartlarında belirlenen önemli debi artışları; infiltrasyon veya
kanalizasyon sistemine endüstriyel atıksu deşarj ve nüfus artışı hakkında bilgi
edinilmesi.
• Yağışlı hava şartlarında ortaya çıkan önemli debi artışından hareketle yağmur suyu
katkısının tahmini.
A.1) 2.1.1. Debi Ölçüm Cihazlarının Yerleştirilmesi
Atıksu arıtma tesislerinde uygun bir debi ölçüm cihazının konulabileceği yerler aşağıda
sıralanmıştır (1):
• kanal üstü ve kontrol bacası,
• arıtma tesisinin girişi,
• çubuk ızgaranın, kum tutucunun veya ön çöktürmenin çıkışı,
• pompa istasyonunun ana terfi hattı,
• alıcı ortama deşarj öncesi.
Bu hususlardan her birinin fayda ve mahzurları vardır. Bu yüzden, bazı özel şartlar göz
önüne alınarak ölçüm cihazının yerleştirebileceği konuma karar verilir. Genellikle farklı
yerlere birden fazla debi ölçüm cihazı yerleştirilir. Tablo 2.1’de akım ölçüm cihazlarının
arıtma tesisindeki konumlarına göre işletme özellikleri karşılaştırılmıştır.
|
Debi ölçüm cihazının Konumu |
Ölçüm, akımdaki dalgalanmalardan etkileniyor mu? |
Ölçüm, arıtılan ortalama debi miktarını temsil ediyor mu? |
Ölçüm, katı parçacıklardan etkileniyor mu? |
Ölçüm, kum ve diğer çökelebilen katılardan etkileniyor mu? |
Ölçüm, tesis işletmesinde yararlı mı? |
Ölçüm, deşarjın yapılacağı alıcı ortam için yararlı mı? |
|
Kanalların kesişme noktası veya kontrol bacası |
Evet | Hayır | Evet | Evet | Evet | Hayır |
| Arıtma tesisinin girişi | Evet | Evet | Evet | Evet | Hayır | |
| Kaba ızgara mansabı | Evet | Hayır | Hayır | Evet | Evet | Hayır |
|
Kum tutucu veya çöktürme çıkışı |
Hayır | Hayır | Hayır | Hayır | Evet | Hayır |
| Deşarj öncesi | Hayır | Evet | Hayır | Hayır | Hayır | Evet |
| x | x | x | x | x | x | x |
A.2) Debi Ölçüm Yöntemi ve Ölçme CihazlarıTablo 2.1 Debi ölçüm cihazlarının uygulama yerine göre işletme özelliklerinin kıyaslaması (2)
Atıksu deşarj debisinin ölçümünde kullanılan yöntemler iki ana başlıkta toplanır:
• Basınçlı borularda
• Açık kanallarda
Tablo 2.2’de akışkanın hız ölçümünde kullanılan farklı yöntemler ve ölçme cihazları
sınıflandırılmıştır.
| Debi ölçüm cihazı | Ölçüm prensibi |
| 1. Basınçlı borularda | 1. Basınçlı borularda |
| a. Venturi metre | Basınç değişimi ölçülür. |
| b. Ölçüm ağzı (nozzle) | Basınç değişimi ölçülür. |
| c. Orifis metre | Basınç değişimi ölçülür. |
| d. Elektromanyetik metre | Manyetik alan oluşturulur voltaj ölçülür. |
| e. Türbin metre | Türbin kullanılır. |
| f. Akustik esaslı debimetre |
Hız ve akışkan seviyesini ölçmede ses dalgası kullanılır. |
| 2. Açık kanallarda | 2. Açık kanallarda |
| a. Kanal | Kanalda kritik derinlik ölçülür. |
| b. Savak | Savak arkasındaki su yüksekliği ölçülür. |
| c. Derinlik ölçümü | Akımın derinliğini ölçmede yüzgeç kullanılır. |
| g. Akustik esaslı debimetre |
Hız ve sıvı seviyesini ölçmede ses dalgası kullanılır. |
|
3. Açık akışlı enjektör (Kennison enjektörü veya Kaliforniya boru yöntemi) |
Serbest düşme ucundaki akış derinliği ölçülür. |
Tablo 2.2 Su ve atıksu debisi ölçümünde kullanılan cihazlar
Debi ölçüm yönteminin belirlenmesinde dikkate alınması gereken hususlar şu şekilde
özetlenebilir:
• Akım hızı aralığı,
• Akım şartları (sürekli veya kesikli),
• Maksimum işletme basıncı ve basınç düşmesi,
• Atık suyun yapısı (katı, yağ, aşındırıcı madde vb. içeriği),
• Bakım yöntemleri ve sıklığı,
• Ölçme yönteminin kolay ölçülebilir tek bir parametreye bağlı olmasıdır.
Ölçümde kullanılan cihazın özelliklerine bağlı olarak debi hesabı yapılır. Aşağıda, basınçlı
boru ve açık kanal akımında debi ölçümünde kullanılan bazı cihazların hesap esasları
hakkında kısaca bilgi verilmiştir.
2.1.2.1. Basınçlı Borularda Debi Ölçüm Cihazları
Venturi debi ölçer: Basınç farkı ölçme prensibine dayanır. (Şekil 2.1.a). İki musluklu
basınç ölçme birimini birleştiren daralmış bir borudan oluşur. Boğaza giriş ve boğaz
kısmındaki basınç farkı akış katsayısı ile orantılıdır.
Venturi kanalı boyunca sürekli basınç düşüşünün, ölçülen farkın sadece %10’u olması
Venturi debi ölçerinin kullanılmasının temel nedenidir.
Venturi metreler için ASME (3) tarafından önerilen oranlar:
• giriş konik kısım için α1 = 21±2o,
• çıkış konik kısım için α2 = 5-15o,
• boğaz uzunluğu = bir boğaz çapı,
• boğaz öncesi basınç ölçme noktası = giriş konisinin 0.25-0.5 boru çapı öncesidir.
Şekil 2.1. Basınçlı borular için debi ölçme cihazları (a)Venturi (b) Ölçüm ağzı.
ASME Araştırma Komitesinin akışkan hızı ölçümü için uyguladığı pratik bağıntı aşağıda
verilmiştir (4):
Burada;
A : boğaz kısmının kesit alanı, (uzunluk2)
gc : boyutsuz sabit
K : akış katsayısı, C / 1 − β4
C : deşarj katsayısı, boyutsuz
p1 , p2 : boğaz öncesi ve sonrasında ölçülen statik basınçlar, (kuvvet/uzunluk2)
Q : boğaz öncesi basınç ve sıcaklıktaki hacimsel debi, (hacim/zaman)
Qm : kütlesel debi, (kütle/zaman)
Y : genişleme faktörü, boyutsuz (sıvılarda 1 alınır)
ß : boğaz çapının boru çapına oranı d/D, boyutsuz
d : boğaz kısmının çapı, (uzunluk)
D : boru çapı, (uzunluk)
ρ1 : boğaz öncesi basınç ve sıcaklıktaki yoğunluk, (kütle/uzunluk3)
Deşarj katsayısı C, Herschel tipi Venturi metrede Reynolds sayısına ve Venturi boyutuna
bağlıdır. C sabitinin hesaplanmasında kullanılan formüller bu bölümde verilmiştir.
Sürekli basınç kaybı, Herschel tipi Venturi metrelerde çap oranı (ß), ve çıkış konisi açısına
(α2 ) bağlıdır:
• Küçük açılarda (5-7o) basınç farkının (p-p1) %10-15’i
• Büyük açılarda (15o) basınç farkının (p-p1) %10-30’u
Piyasada kısa tüplü birçok Venturi metre mevcuttur, bunlar Herschel tipi Venturi metrelere
kıyasla daha küçük yerlere monte edilebilmesine rağmen aynı zamanda basınç kaybına da
sebep olabilmektedir. Deşarj katsayısı C, tipe göre çok farklılık gösterir bu nedenle
üreticinin kalibrasyonu mevcut değilse tekil kalibrasyon önerilmektedir.
Ölçüm ağzı (nozzle): Basit bir ölçüm ağzı Şekil.2.1.b’de verilmiştir. Ölçüm ağzı ani açılan
kısa bir silindirden meydana gelir. Açılan kısmın kesiti eliptik veya silindirik olabilir.
Boğaz kısmının düz bölümünün uzunluğu boğaz çapının yaklaşık yarısı; ağız öncesi basınç
musluğu, ağzın iç yüzeyinden bir boru çapı uzaklıkta; ağız sonrası basınç musluğu ise
ağzın iç yüzeyinden yarım boru çapı uzaklıkta olmalıdır. Sesten düşük hızdaki akışlarda 2
ve 3 noktalarındaki basınç pratik olarak eşittir. Ölçüm ağzının iç yüzü konik seçilirse, giriş
ve boğaz kısımlarının geometrisi Herschel tipi Venturi metre ile aynı alınabilir.
Ölçüm ağzında kritik altı akım şartlarında akım hızı, Venturi metreler için verilen bağıntı
ile (2.1) hesaplanabilir. Bu bağıntıda deşarj katsayısı, C, Reynolds sayısına ve çap oranı
ß’ya bağlıdır. Deşarj katsayısının hesaplanması bu bölümde verilmiştir.
Orifis metreler: Orifis metrelerde debi ölçme, aralıklı plaka boyunca basınç farkı (p1-p2)
ölçme prensibine dayanır. İki boruyu bağlayan flanşlara monte edilir. Borunun
büyüklüğüne göre küçük çaplı (D<5cm) ve büyük çaplı (D>5cm) orifisler mevcuttur.
Orifislerde basınç musluklarının yeri deşarj katsayısını etkiler. Flanşlı orifislerde basınç
muslukları orifisden her iki tarafa doğru 2.54 cm uzaklıktadır. Köşeli orifislerde ise
musluklar orifisin hemen yanındadır. Büyük çaplı orifislerde, basınç ölçme musluklarının,
aralığa D ve D/2 uzaklıkta yerleştirilen tipleri de vardır (Şekil 2.2).
Şekil 2.2 Orifis metrelerde basınç ölçme musluklarının yerleşimi.
Orifis metrelerde akışkan hızının belirlenmesinde (2.1) bağıntısı kullanılabilir. Orifis
metrelerde bu bağıntıların kullanılmasında Re sayısının üst limitinin olmaması bir üstünlük
olmakla birlikte, bu sistemlerde Venturi metre ve ölçme ağızlarına kıyasla basınç kaybının
yüksek olması bir mahzur olarak görülmektedir. Statik basınç kaybı 2.2 bağıntısı ile
hesaplanabilir.
Burada;
ω: orifisin D mesafe öncesinde ve 6D mesafe sonrasında oluşan statik basınç
kaybı (kuvvet/uzunluk2)
Orifisli boru sistemi tasarımında yersel yük kaybının hesaplanmasında aşağıdaki bağıntılar
kullanılır:
Burada;
Km : yersel yük kaybı katsayısı, (boyutsuz)
V : borudaki akım hızı, (uzunluk/zaman)
h : yük kaybı, (uzunluk)
g : yerçekimi ivmesi, (uzunluk/zaman2)
Elektromanyetik debi ölçer: Elektromanyetik debi ölçerler (magmetre), fizikte Faraday’ın
Elektromanyetik İndüksiyon prensibine göre çalışır. Faraday kanununa göre herhangi bir
iletici bir manyetik alandan geçerken oluşan voltaj bu ileticinin hızı ile orantılıdır.
Elektromanyetik debimetrelerde iletici atıksudur.
Manyetik debi ölçer, yalıtılmış manyetik olmayan bir tüp ve bunun üstüne karşılıklı monte
edilmiş iki adet elektromanyetik sargıdan oluşmuştur. Sargıdan geçen alternatif akım,
hareketli bir iletici gibi davranan akışkanda alternatif akım voltajı oluşturur.
Elektrotlarda algılanan alternatif akım voltajı akışkanın akım hızı ile orantılıdır. Burada
akışkan elektrik akımının taşıyıcısı olarak davrandığından taşıyıcı olmayan akışkanlar için
elektromanyetik debi ölçer kullanılamaz.
Elektromanyetik debi ölçer kullanımında dikkate alınması gereken hususlar şunlardır:
• Boruda tam dolu akış gerçekleşmelidir; aksi takdirde akım hızı gerçek değerinden
daha yüksek okunur,
• 0.3 m/s’nin altındaki akım hızlarında güvenilirlik azalır.
Tam dolu akış halindeki bir boruda, boru çapı mm ve akım debisi m3/saat olarak alınırsa,
borudaki akım hızı m/sn olarak aşağıdaki bağıntı yardımı ile bulunabilir (8):
V = 354 Q/D2 (karesi)
Burada;
D : Boru çapı, uzunluk
Q : Debi, uzunluk3/zaman
V : Akım hızı, uzunluk/zaman
Elektromanyetik metrelerin güvenilirliği çok yüksektir. Bu nedenle, geniş bir debi
aralığında kullanılabilir. Düz bir parça borudan ibaret olduğu için ilave bir yük kaybı
yoktur. Performansları, sıcaklık, iletkenlik, viskozite, türbülans ve askıda katı madde
parametrelerinden etkilenmez. En büyük mahzurları ise ilk yatırım maliyeti ile işletme ve
bakım için eğitimli bir personelin sürekli istihdamıdır.
Türbin metre: Türbin metrelerde dönme hızı suyun akış hızına eşit hızda dönen bir türbin
vardır. Bu cihazın kullanımı, borunun tam dolu ve basınç altında olması ile sıvıda askıda
katı madde içeriğinin düşük olması koşulları ile sınırlıdır. Güvenilirliği ve akış aralığı
yüksektir.
Akustik esaslı debimetre: Akustik esaslı debi ölçerlerle akım hızı ses dalgası ile ölçülür.
Akustik esaslı debi ölçerler sıvı seviyesini, alanı ve gerçek hızı (ses dalgasının akımın iki
noktası arasında gitme süresi) belirlerler. Hız ve alan yardımıyla deşarj debisi hesaplanır.
Akustik esaslı debi ölçerlerin üstünlüğü düşük yük kaybı, doğruluk, değişik boru çaplarında
kullanılabilirlik, katılarla tıkanmama ve geniş bir akım hızı aralığında kullanılabilir
olmasıdır.
Deşarj katsayısının hesaplanması: Debi katsayıların hesaplanması için literatürde birçok
genelleştirilmiş formül bulunmaktadır. Ancak her bir debi ölçme yönteminde imalatçı
firmaların geliştirdiği değişik tipleri olduğundan montaj ve hesaplamalarda imalatçı firma
katalog verileri en iyi kaynaktır. Tablo 2.3’de deşarj katsayısının hesaplanmasında
kullanılan bağıntılar ve bu bağıntıların kullanım şartları verilmiştir.
D ve d’ ye göre Reynolds sayısı aşağıdaki bağıntılar yardımı ile hesaplanır (9):
REd=V(boru)D/V
REd=V(boğaz)D/V
Burada;
Vboru, Vboğaz : boru ve boğaz kısımlarındaki hızlar, (uzunluk/zaman)
v : kinematik viskozite, (uzunluk2/zaman)
2.1.2.2. Açık Kanallarda Debi Ölçümü
2.1.2.2.1. Savak Kanalları
Savak kanallar, açık kanallarda debi ölçümünde kullanılırlar. Genişlikleri birkaç cm ile 15m
arasında, daralma kısmında ise su derinliği birkaç cm ile 2m arasında olabilir. Savak
kanallarını klasik savaklara kıyasla daha düşük yük kaybı üstünlüğü yanı sıra, kurulma ve
hesaplamaların daha karmaşık olması gibi mahzurları da vardır.
Kanallarda su seviyesi, daralma bölümünde ölçülür. Parshall kanalında ölçüm, daralma
kanalının 2/3 mesafesinde; dikdörtgen, trapez ve U kanallarda ise boğazdan ve beklenen
maksimum savak yükünün 3-4 katı uzaklıkta ölçülür. Bu üç kanalda savak yükü, pozisyonla
fazla değişmediğinden, Parshall kanalında olduğu gibi tam bir ölçüm yerinin olması fazla
önem arz etmemektedir.
Bu bölümde, uygulamada ağırlıklı olarak kullanılmakta olan Parshall, dikdörtgen, trapez ve U
kesitli kanalları ile ilgili hesaplamalar verilmiştir. Bunlardan her birinin montaj, savak yükü
ölçümleri, çökme ve analizleme ile ilgili fayda ve mahzurları vardır. En yaygın olarak
Parshall kanalı kullanılmaktadır. Ancak son yıllarda gelişen yeni kanal tasarımları, Parshall
kanallarının montaj zorlukları ve tortulanma eğilimi nedenleri ile daha fazla tercih edilmeye
başlanmıştır.
Bu bölümde verilen hesaplama yöntemleri ISO, ASTM ve USBR standartlarından alınmıştır
(10), (11), (12), (13). Bu bağıntılar teorik bağıntıların deneysel gözlem sonuçlarına göre
uyarlanmasıyla oluşturulmuştur. Parshall kanalları için batmış ve batmış olmayan şartlar,
dikdörtgen, trapez ve U kanallar için ise sadece batmış olmayan şartlar için bağıntılar
verilmiştir. Batmış olmayan durum boğaz kısmında su seviyesindeki düşüşün gözle fark
edildiği durumdur.
Parshall(Venturi) kanalı: Parshall kanalı, bu tür savak kanallar arasında en geniş kullanımlı
olanıdır ve 1930’larda tasarlanmasından bu yana kanal ölçümlerinde standart olmuştur.
Parshall kanalının en önemli üstünlüğü yük kaybının düşük olması ve kendi kendini
temizleme kapasitesidir. Parshall kanalı üç bölümden oluşur: daralma bölümü, boğaz ve
genişleme bölümü. Serbest akışlı ve batmış olmak üzere iki tipi mevcuttur (Şekil 2.3).
Parshall kanalı boyutlandırması ISO 9826(10) ve ASTM D1941 (1991)(11) standartlarında
verildiği gibi yapılmalıdır.
Kanallar sıvı akışını, kritik altından süper kritik özelliğine geçirmek üzere tasarlanmıştır.
Parshall kanalı durumunda ise bu geçiş boğaz kısmında daralma ve düşüş ile sağlanır. Bu
dönüşüm akımın kanal boğazında kritik bir derinlikten geçmesine neden olur. Kritik derinlikte
enerji minimuma iner. Kritik derinlik akış hızına bağlıdır ve hızın kesin yerinin tespit zorluğu
nedeniyle bu derinliğin ölçümü fiziksel olarak çok zordur. Diğer taraftan boğaz öncesi
derinlik kütle korunumu nedeniyle kritik derinlik ile ilişkilidir. Bu nedenle akış hızı boğaz
öncesi derinliğin ölçümü ile hesaplanır.
Serbest akışlı Parshall kanalında debi hesabı: Bu halde boğaz kısmında hidrolik sıçrama
gözle net olarak fark edilir. Yani boğaz sonrası su seviyesi, boğaz öncesi su seviyesinden
belirgin derecede fark edilecek kadar düşük seviyededir.
Türkçe
English
