PSİKROMETRİ – I – Bölüm 2 – Başlık 6 – KLİMA UYGULAMALARININ PSİKROMETRİK OLARAK İNCELENMESİ

6. KLİMA UYGULAMALARININ PSİKROMETRİK OLARAK İNCELENMESİ

6.1. SOĞUTMA YÜKÜNE BAĞLI OLARAK HAVA DEBİSİNİN TAYİNİ

 Bir mahallin soğutma yükünü karşılamak için gerekli hava debisi o mahallin duyulur ısı kazancına bağlıdır. Bunun nedeni de duyulur ısı yükünün kuru termometre sıcaklığının değişimi ile karşılanmasından kaynaklanmaktadır. Bu nedenle mahal için gerekli hava debisi mahallin duyulur ısı kazancının üflenen sıcaklık fakı ile havanın sabit basınçtaki özgül ısısı ve özgül ağırılığının çarpımına bölünmesi ile elde edilir.

Bu işlemde:

Q_duy= Mahallin duyulur ısı kazancı   (kJ/h)

ɤ    = havanın özgül hacmi  (m³/kg)

Δt   = Oda kuru termometre sıcaklığı ile üflenecek klimatize hava

Arasındaki sıcaklık farkı . Genelde 8^oC ila 10^oC alınır.

C_p    = havanın sabit basınçta özgül ısısı ( 1.00483 kJ/kg) (Havanın özgül ısısı ile ilgili hususlar Bölüm-1, konu 3.2’de geniş olarak anlatılmıştır.)

Bundan sonra yapılacak işlem psikrometrik diyagram üzerine “t_RA”ve “t_sa” değerlerini izotermler halinde işlemektir. İkinci işlem ise “RSHR”ye bağlı proses hattının çizilmesidir.

Sisteminiz %100 dış hava ile çalışacaksa “SA” konumu ile “OA” konumu bir doğru ile birleştirmek yeterlidir. Elde edeceğiniz doğru klima santralındaki soğutma prosesidir. Bu hattın eğimi “ESHR” ye eşittir ve hattın doyma eğirisini (%100 bağıl nem eğrisini) kestiği nokta da “ADP” olarak tanımlanan cihaz çiy noktasıdır.

Eğer sistem karışım havası ile çalışacaksa önce “RA” ile “OA” konumlarını düz bir çizgi ile birleştirip bu hat üzerinde karışım noktasını bulmanız gerekir. İkinci işlem ise bulunan bu “KA” noktasını “SA” ile birleştirmektir. Karışım havalı uygulamalardaki soğutma prosesi çizginiz bu olacaktır. Bu çizginin de doyma eğrisini kestiği nokta “ADP” noktanızdır. Bu noktayı soğutucu akışkan dönüş sıcaklığı olarak alabilirsiniz.

%100 dış havalı uygulama aşağıdaki psikrometrik diyagramda görülmektedir.

Bu uygulamada:

Q_duy-oda= V.(1/ɤ)c_p(t_RA-t_SA)
Q_giz-oda= V.(1/ɤ)(w_RA-w_SA).h_fg
Q_top-oda= V.(1/ɤ)c_p(t_RA-t_SA) + V.(1/ɤ)(w_RA-w_SA).h_fg
RSHR= Q_duy-oda/ Q_top-oda

Q_duy-sist= V.(1/ɤ)(h_OA-h_SA)= V.(1/ɤ)c_p(t_OA-t_SA)
Q_giz-sist= V.(1/ɤ)(w_OA-w_SA).h_fg
Q_top-sist= V.(1/ɤ)c_p(t_OA-t_SA) + V.(1/ɤ)(w_OA-w_SA).h_fg
ESHR= Q_duy-sist/ Q_top-sist

olmaktadır.

“ADP” sıcaklığı 11^oC olduğu için tercih edilen soğutucu akışkan, istenen “ESHR” soğutma prosesi eğrisini sağlayabilmek için 5/11^oC veya  6/11^oC olmalıdır.

Aşağıdaki psikrometrik diyagramda da karışım havalı bir uygulama görülmektedir. Bu uygulama için aynı denklemlerle mahal ve sistem yüklerini bulabiliriz. Ancak sistem karışım havalı olduğu için sistem yükünün hesabında “OA”ların yerini “KA”lar alacaktır.

 Q_duy-oda= V.(1/ɤ)(h_RA-h_SA)= V.(1/ɤ)c_p(t_RA-t_SA)
Q_giz-oda= V.(1/ɤ)(w_RA-w_SA).h_fg
Q_top-oda= V.(1/ɤ)c_p(t_RA-t_SA) + V.(1/ɤ)(w_RA-w_SA).h_fg
RSHR= Q_duy-oda/ Q_top-oda

Q_duy-sist= V.(1/ɤ)(h_KA-h_SA)= V.(1/ɤ)c_p(t_KA-t_SA)
Q_giz-sist= V.(1/ɤ)(w_KA-w_SA).h_fg
Q_top-sist= V.(1/ɤ)c_p(t_KA-t_SA) + V.(1/ɤ)(w_KA-w_SA).h_fg
ESHR= Q_duy-sist/ Q_top-sist

ADP konumu 12^oC olması nedeniyle seçilen soğuk su rejimi 7/12^oC’dir.

Bu prosese uygun klima santralı aşağıda gösterilmektedir. Şemtik çizim üzerine, takip kolaylığı açısından psikrometrik prosesteki tanımlar da işlenmiştir.

6.2. KIŞ UYGULAMASI İÇİN HAVA DEBİSİ VE ISITMA YÜKLERİNİN TESPİTİ-1, NEMLENDİRMESİZ ve SU İLE NEMLENDİRMELİ ÖRNEKLER.

 Genelde kış uygulaması için gerekli hava debisi yaz klima yükü esas alınarak belirlenen hava debisine eşit alınır. Ancak daha yüksek üfleme sıcaklıklarının arzu edilmesi, veya dış hava yükünün fazla olması gibi  durumlarda enerji tasarrufu açısından değişik debili uygulamalara gidilebilir ve kış uygulamaları için daha düşük hava debileri seçilebilir. Bu tip uygulamaların çift devirli veya frekans konvertörlü vantilatör ve aspiratörlerin kullanılması suretiyle gerçekleştirilmesi mümkündür. Biz örneğimizde sabit hava debili bir klima santralı için psikrometrik prosesi belirlemeye çalışacağız.

Kış uygulamasında karşımıza çıkan en büyük sorun nemlendirmenin yapılıp yapılmayacağıdır. Nemlendirmeye olan ihtiyacı o mahaldeki gizli ısı kazançları belirler. Eğer gizli ısı kazançları neticesi %35’in üzerinde bir bağıl nem “rH” gerçekleştirilebiliyorsa ve özel bir gereksinim yoksa nemlendirme yapılmayabilir (Bkz. Konu 5.7. Oda Efekti) . Ancak %35’in altındaki bağıl nem oranlarının insanları rahatsız edeceği, ciltte ve burun mukozasında kurumalara neden olacağı için nemlendirme yapılmalıdır. Biz sistemlerimizde her ikisini de ele alacağız.

Yukarıdaki örneğimizde 510 harici havalı bir kış kliması uygulaması gösterilmektedir. Bu uygulamada “t_OA-t_RA” arası ısıtma işlemi dış havanın mahal şartlarına kadar ısıtılmasını, “t_RA-t_SA” arasındaki işlem ise mahallin ısı kaybını karşılamak için mahal şartlarına kadar ısıtılmış havanın “SA” şartına kadar aşırı ısıtılmasını içermektedir.

Q_DH= V.(1/ɤ)c_p(t_OA-t_RA)………… dış havanın oda şartlarına kadar ısıtılması

Q_Kış= V.(1/ɤ)c_p(t_RA-t_SA)………… mahal ısı kaybı

∑Q_Kış= Q_DH+ Q_Kış…………………. Toplam ısıtma yükü

Bu uygulamada oda efekti neticesi istenen mahal şartları olan 22^oCKT, %35 rH’ın elde edileceği,  dolayısıyla mahalde birim hava debisi için “W_OA-W_RA”kadar gizli ısı kazancı olduğu varsayılmıştır.

Diğer bir uygulama da ısıtılan dış havanın mahal konfor şartını temin etmek amacıyla nemlendirilmesidir. Bu uygulamada mahalde gizli ısı kazancı olmadığı veya ihmal edilebilecek bir düzeyde olduğu varsayılmıştır.

Bu prosese uygun klima santralının şematik çizimi aşağıda gösterilmektedir.

Nemlendirme işlemi, konu 5.5’de anlatıldığı gibi iki şekilde yapılabilmektedir.

• Su ile nemlendirme
• Buhar ile nemlendirme

Biz bunlardan önce su ile nemlendirmeyi ele alacağız.

Sulu nemlendirme daha önceki bahislerde de bahsedildiği gibi hava yıkayıcı püskürtücülerle veya dolgu tipi (matt type) nemlendiricilerle yapılabilir. Bu iki uygulamanın psikrometrik prosesler açısından birbirinden farkı yoktur.

Su ile nemlendirmedeki en önemli özellik havanın içine pulverize su püskürtüldüğü taktirde mutlak nem oranının artmasına ilaveten adyabatik soğutmanın meydana gelmesidir. Isıtılmış havanın nemlendirme işlemi sonucu soğuması, havanın tekrar ısıtılmasını gerekli kılmaktadır. Bu da genelde ikinci bir ısıtıcı batarya gereksinimini ortaya çıkarmaktadır. Bu prosesi belirlerken en doğru yaklaşım oda şartları olan “RA” konumundan işe başlamak olacaktır. Son ısıtıcıda “SA” noktasına kadar ısıtma ve bilahare ısı kaybı nedeniyle mahalde soğuma oda şartları olan “RA” konumundan geçeceği için ilk yapacağımız işlem “RA”dan geçen bir doğru çizmektir. Bu doğru üzerinde “SA” noktasını mahal ısı kayıpları belirler. “2” konumu ise hava yıkayıcı ve nemlendiricinin verimi ile ilgilidir ve proje mühendisi tarafından belirlenir. Konu 5.5.1’de hava yıkayıcı ve nemlendiricilerin verimlerinin %70 ile %95 arsında olduğu belirtilmektedir. Bu nedenle verimi %85 almak doğru bir yaklaşım olur.

“2” noktasını bulduktan sonra bu noktaya ait sabit entalpi çizgisinin “OA” konumundan gelen yatay hat ile kesiştiği “1” noktası da hava yıkayıcı ve nemlendiriciye giriş şartlarıdır.

Bu psikrometrik diyagramda görülen OA-1 hattı dış havanın nemlendirmeye uygun koşula kadar ısıtılmasını içermektedir. 2-SA hattı ise adyabatik soğumaya tabi tutulmuş havanın Sa koşuluna kadar ısıtılmasını kapsamaktadır. Bu işlem içinde 2-RA arası havanın mahal şartına kadar ısıtılmasını, RA-SA arası ise mahal ısı kaybını karşılamak için daha da ısıtılmasını içermektedir. Bu prosesleri şu şekilde formülize edebiliriz.

Q_ÖI= V.(1/ɤ)c_p(t₁-t_OA)= V.(1/ɤ)(h₁-h_OA)…………Ön ısıtıcı
Q_SI= V.(1/ɤ)c_p(t_SA-t₂)= V.(1/ɤ)(h_SA-h₂)…………..Son ısıtıcı

Mahal ısı kaybı ise aşağıdaki gibidir.

Q_SI= V.(1/ɤ)c_p(t_SA-t_RA)= V.(1/ɤ)(h_SA-h_RA)………..Mahal ısı kaybı

Bu uygulamaya uygun bir klima santralı örneği aşağıda görülmektedir.

Bu uygulamayı, mahallin taze hava ihtiyacını dikkate alarak %100 dış havalı bir sistem yerine karışım havalı bir sistem olarak ta tasarlamak mümkündür. Psikrometrik diyagramdaki fark OA-RA karışımının ilavesinden ibaret olacaktır. Ancak karışım nedeniyle ısı yüklerinde, özellikle ön ısıtıcı yükünde önemli bir azalma meydana gelecektir.  Karışım havalı uygulamanın psikrometrik diyagramı ve santral şematik çizimi aşağıda yer almaktadır.

%100 dış havalı uygulama ile karşılaştırdığımızda hava karışımı neticesi ön ısıtıcının kapasitesinin önemli ölçüde azaldığını, ancak son ısıtıcı kapasitesinin değişmediğini görürüz. Havayı nemlendirmek için gereken su miktarında da %50 tasarruf sağlandığı görülmektedir.

6.3. KIŞ UYGULAMASI İÇİN HAVA DEBİSİ VE ISITMA YÜKLERİNİN TESPİTİ-2,

      BUHAR İLE NEMLENDİRMELİ ÖRNEKLER.

 Hava yıkayıcılı nemlendiricilerde bağıl nem oranının oransal kontrolu oldukça zordur. Bu nedenle bu proseslerde iki konumlu uygulamalar genellikle tercih edilmektedir. Çünkü nemlendirme proses hattı üzerinde “2” noktasını herhangi bir yerde sabitlemek ve kontrol altında tutmak oldukça zordur. Bu işlem yalnızca havaya püskürtülen suyun debisinin kontrolu ile yapılamaz. Pulverizasyon, damlacık tanelerinin büyüklükleri ve nozullardaki basınç bunu etkileyen unsurlardır. Bu nedenle sulu nemlendiricilerde elde edilebilecek maksimum verimle ulaşılabilecek “2” noktası hedeflenir ve bu noktanın kontrolu iki konumlu kontrol, örneğin santrifuj pompaya verilen “dur-kalk” komutu ile gerçekleştirilir. Aksi mümkün olsaydı “2” noktası ile “SA” noktası çakıştılmak suretiyle sistem basitleştirilebilir, son ısıtıcı elimine edilebilirdi.

Sulu nemlendiricilerin diğer bir handikapı havada adyabatik soğutmaya neden olmalarıdır. Bu nedenle son ısıtıların kullanımı gerekmektedir.

Üçüncü bir husus ta havaya püskürtülen pulverize suyun buharlaşması ve havaya karışması için belirli bir hacım ve hücre uzunluğuna ihtiyaç göstermeleridir. Bu uzunluk imalatçı firmalar arasında farklılık göstermekle birlikte 1500mm ile 2500mm arasında olduğunu söyleyebiliriz. Bu da klima santralının boyunu uzatmakta, daha büyük makina dairelerine gereksinim göstermektedir.

Buharlı nemlendiriciler bu handikapları gidermek üzere geliştirilmişlerdir. Buharlı nemlendiricilerin sağladıkları faydaları aşağıdaki gibi özetleyebiliriz.

• Oransal olarak kontrol edilmeleri mümkündür. Havaya püskürtülen buhar miktarının oransal kontrolu ile bu işlem kolaylıkla gerçekleştirilmektedir.
• Sulu nemlendiricilerde olduğu gibi uzun hücrelere gereksinim göstermezler, çok daha küçük hacimlerde çözülebilirler. Kanala monte edilebilirler.
• Eğer uygulanan mahalde buhar, örneğin atık buhar mevcutsa enerji açısından son derece ekonomik çözüm getirirler.

%100 haricihavalı , buharlı nemlendiricili bir klima santralının psikrometrik diyagramı ile santralın şematik çizimi aşağıdadır.

Diyagramda da görüldüğü gibi OA-1 hattı dış havanın ısıtıcı bataryada ısıtılması işlemidir. 1-SA hattı ise buhar püskürtülmesi suretiyle mutlak nem oranının arttırılmasıdır. Konu 5.5.2’de buhar ile nemlendirme bahsi detaylı bir biçimde anlatılmıştır. Örneğimizde elektrodlu buhar jeneratörü kullanıldığı ve doymuş kuru buharın sıcaklığının 100^oC olduğu kabul edilmiştir.100^oC’taki doymuş kuru  özgül entalpisi 2675,57 kJ/kg’dır (Bkz. Tablo-1, Doymuş Haldeki Suyun termodinamik Özellikleri). Bu durumu psikrometrik diyagramın sol üst köşesindeki “Δh/ΔW” skalasına çizer ve bu çizgiyi paralel olarak “1” noktasına taşırız. Bu bizim nemlendirme prosesimizdir.

“SA” noktasında mahalle sevk olunan klimatize hava mahallin ısı kaybı nedeniyle “RA” şartına kadar soğuyacaktır. Bu prosesteki ısıtma ve nemlendirme işlemleri aşağıdaki gibidir.

Q_Isıt= V.(1/ɤ)c_p(t₁-t_OA)= V.(1/ɤ)(h₁-h_OA)………… ısıtıcı

W_nem= V.(1/ɤ)(W_RA-W_OA)= …………………………..…nemlendirici

Bu miktar ön ısıtıcıdan çıkan havaya ilave edilen su buharı miktarıdır ve birimi “kg”dır. Bu işlem için gerekli enerji ise aşağıdaki gibidir.

Q_nem= V.(1/ɤ)(W_RA-W_OA)h_fg= V.(1/ɤ)(h_SA-h₁)….nemlendirici yükü

Bu işlemde “h_fg” birim ağırlıktaki suyun buharlaşması için gerekli entalpidir. (100^oC su için h_fg=2256,47 kJ/kg).

Aynı uygulamayı karışım havalı bir klima santralı ile yaparsak psikrometrik diyagramımız ve klima santralımız aşağıdaki gibi oluşur.

Bu uygulamanın psikrometrik işlemleri bir önceki %100 dış havalı buharlı nemlendiricili klima santralının aynıdır. Aynı formüller kullanılabilir.

6.4. ISI GERİ KAZANIMI

6.4.1 Genel 

Reküperatör kullanılan ısı geri kazanım işlemlerini dört ana grupta toplayabiliriz.

• Çift Serpantinli Isı Geri Kazanım Sistemleri
• Isı Borulu Isı Geri Kazanım Sistemleri
• Plakalı Eşanjörlü Isı Geri Kazanım İşlemleri
• Döner Tamburlu Isı Geri Kazanım İşlemleri

Klima santralarının tasarımı açısından her dört uygulama birbirinden farklılık gösterse de psikrometrik açıdan birbirinin aynıdır. Temel ayırım ısı geri kazanım ünitelerinin ısı geri kazanım tarzlarındaki farklılıktır. Bu açıdan ısı geri kazanım ekipmanlarını iki kategoride toplayabiliriz.

• Yalnız duyulur ısı bazında ısı geri kazanımı gerçekleştirenler
• Entalpi bazında (toplam enerji) bazında ısı geri kazanımı gerçekleştirenler

Diğer bir sınıflandırma da ısı transfer tarzına göredir.

• Direkt ısı transferi ile geri kazanım sağlayanlar
• Üçüncü bir transfer elemanı (hidronik) kullananlar.

Yukarıdaki şematik çizimde her dört tip ısı geri kazanım uygulaması görülmektedir.

Çift serpantinli ısı geri kazanım sistemleri ile ısı borusu geri kazanım sistemleri ısı transferi için hidronik eleman kullanırlar. Bu eleman çift serpantinli sistemlerde su veya su-etilen glikol karışımıdır. Verimi düşük olan (%40 civarı) ve salt duyulur ısı bazında ısı geri kazanımı sağlayan bu sistemin en büyük avantajı vantilasyon ve aspirasyon ünitelerinin aynı mahalde bulunmaları mecburiyetinin olmamasıdır. Örneğin egzost ünitesi çatıda, klima santralı ise bodrum katta olabilir. Transfer boru donanımı ve sirkülasyon pompası vasıtasıyla gerçekleştirilir.

Isı borusunda ise direkt genleşmeye müsait soğutucu akışkandır; en geniş kullanımı olan R-134’dür. Pomapaya gerek göstermeyen, soğutucu akışkanın dansitesinde buharlaşmaya bağlı olarak meydana gelen değişiklikler nedeni sirkülasyonu kendi içinde sağlar. Verim olarak çift serpantinli sistemlere benzerlik gösterirler.

Plakalı eşanjörlerde metal veya LiBr solüsyonu emdirilmiş selülozik elemanlar egzozt ve dış hava arasındaki bölmeyi oluşturur, bu bölme üzerinden ısı iletimi sağlanır. Bu nedenle plakalı ısı geri kazanım eşanjörleri kararlı rejim çalışması olarak kabul edilirler. Plakaları aluminyum veya benzeri metallerden oluşan eşanjörler salt duyulur ısı transferi yapar ve (^oC) bazında ısı geri kazanımı sağlar. Selüloz, örneğin LiBr veya benzeri sıvı emdirilmiş kağıt  elemanları olanlar duyulur ve gizli ısı transferi yaparlar. Bu eşanjörlere entalpi bazlı ısı geri kazanım eşanjörleri tabir edilir. Plakalı eşanjörlerin verimleri tasarımına bağlı olarak %40 ila %85 arası değişmektedir. Bir plakalı eşanjör aşağıda görülmektedir.

Döner tamburlu eşanjörler salt metal veya satıh kaplamalı metal dolgu malzemesine sahiptirler. Bulundukları klima santralları içinde 80 ila 100 d/dak hızla dönerler. Dönme işlemi küçük bir elektrik motoru vasıtasıyla gerçekleştirilir. Egzost havası tarafındaki tekerleğin yarısı egzost havasının sıcaklığı nedeniyle ısınır ve dönme hareketi neticesi bu havayı soğuk olan dış havaya taşır (yaz aylarında bu işlemin tersi olur). Bu nedenle döner tamburlu ısı geri kazanım eşanjörlerinin çalışma tarzı kararsız rejim olarak kabul edilir. Döner tamburlu eşanjörler üç değişik şekilde imal edilmektedirler:

1. Salt metal (aluminyum) dolgu malzemeli olanlar : Bu modeller yalnız duyulur ısı tarnsferinde kullanılırlar. Dönme işlemi neticesi cüzi bir miktar nemli havayı da sürükleseler gizli ısı transferi açısından bu husus kabili ihmaldir. Oldukça yüksek duyulur ısı geri kazancı verimine sahiptirler ((%70 ve üzeri).
2. Satıhları oksitlenmiş aluminyum dolgu malzemeli olanlar:Bu modellere antalpi tekerleği de tabir edilir. Aluminyum dolgu malzemeleri özel banyolarda oksitlendirilip belirli bir mikron kalınlığında oksit tabakasına sahip olurlar. Bu eşanjörlerin yüksek duyulur ısı geri kazanım verimlerine (%70 ve üzeri) karşılık gizli ısı geri kazanım verimleri oldukça düşüktür (%40 civarı).
3. Dolgu malzemesinin satıhları silika jel kaplı olanlar:Bu modellere absorbsiyon tekerleği de denir. Aluminyum dolgu malzemelerinin sathı özel işlemlerle pulverize silika jel ile kaplanmıştır. Yüksek duyulur ve gizli ısı geri kazanım verimlerine sahiptirler (%70 ve üzeri).

  

6.4.1. Duyulur Isı Bazında Isı Geri Kazanım:

Duyulur ısı bazında ısı geri kazanım işleminde dış hava ile oda havasının mutlak nem oranları eşnjördeki proses nedeniyle değişmemekte, aynı kalmaktadır. Bu proseste, ısı alış-verişi sonucu oluşan sıcaklıkların nasıl hesaplanacağı  TS EN 308’de belirtilmiştir.

Bu formülde:

η= Eşanjör ısı kazanım verimi ………………………………..…. (%)
t_RA=Egzost edilen havanın sıcaklığı ……………………………. (^oC)
t_OA=Dış havanın sıcaklığı ………………………………………..…. (^oC)
t₁=Egzost edilen havanın eşanjörden çıkış sıcaklığı ……. (^oC)

Bu işlemi psikrometrik diyagramda şu şekilde gösterebiliriz:

Bu prosesle ilgili olarak şu denklemleri kurabiliriz:

 Q₁=Q₂
Q₁= V(1/ɤ)C_p(t_RA-t₁)= V(1/ɤ)(h_RA-h₁)
Q₂= V(1/ɤ)C_p(t₂-t_OA)= V(1/ɤ)(h₂-h_OA)

Bu denklemlerde egzost ve dış hava debilerinin eşit olduğu varsayılmıştır. Debilerin farklı olması durumunda aynı denklemler “V” değerlerinin eşit olmayan değerlerle değiştirilmesi sonucu elde edilir.

Yukarıdaki örnekte ısı geri kazanım veriminin %55 alınması nedeniyle soğuyan oda havasının oda doyma noktası olan “DP”ye varmadığı görülmektedir. Eğer verim daha yüksek olsaydı ve bunun neticesi hesaplanan “t₁” sıcakığı doyma eğrisinin dışında çıksaydı bu durumda entalpi eşitlikleri ile prosesi belirlemek gerekecekti. Bu durumu verimi %80 olan bir ısı geri kazanım eşanjörü ile gösterelim.

 Bir önceki sayfada vermiş olduğumuz verim denklemini %80 için yaptığımızda hayali “t_x” noktasını +2^oC olarak buluruz. Ancak bu sıcaklık doyma eğrisinin üstünde olduğu için mümkün değildir. Ancak bu sıcakılığın özgül entalpisi denklemde kullanılabilir.

Q₁=Q₂
Q₁= = V(1/ɤ)(h_RA-h₁)        ( h_x=h₁)
Q₂= V(1/ɤ)C_p(t₂-t_OA)= V(1/ɤ)(h₂-h_OA)

Bu işlemde egzost edilen hava “DP” sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa soğutulduğu için yoğuşma meydana gelmektedir. Eğer “1” noktası 0^oC’ın altında olsaydı bu sefer karlanma ve buzlanma yoğuşmanın yerini alacaktı.

Yoğuşma ve karlanma olan plakalı ısı geri kazanım eşanjörlerinin egzost tarafında bir yoğuşma kabı bulunması gereklidir. Eğer karlanma olayı varsa defrost tertibatı bulunmalıdır. Bu husus konumuz dışı olduğundan detayına girilmeyecektir; imalatçı firmalarla temasa geçilmesi tavsiye olunur.

6.4.2. Toplam Isı (Entalpi) Bazında Geri Kazanım:

 Toplam ısı bazında ısı geri kazanımı hem duyulur ısı bazında “^oC” olarak, hem de gizli ısı bazında “W” olarak ısı geri kazanımını, diğer bir ifadeyle hem ısı hem de kitle transferini içermektedir. Bu nedenle iki değişik verim değerinin belirtilmesinde yarar vardır. Bunlardan biri duyulur ısı geri kazanım verimi, diğeri de gizli ısı geri kazanım verimidir.

Bu işlemi psikrometrik diyagrama aktarabilmemiz için “t₁” ve “t₂” değerlerine ilaveten “W₁” ve “W2” değerlerini de bulmamız gerekmektedir. Burada yapacağımız işlemi şu şekilde özetliyebiliriz:

1. Duyulur ısı bazında ısı geri kazanımı verimi “η_t“yi esas alarak “t₁” egzost havası eşanjör çıkış sıcaklığını belirleyin. Bu noktanın kuru termometre koordinatından sabit kuru termometre çizgisini çizin (diyagramda “t₁” noktasından yukarı doğru uzanan yeşil çizgi).
2. Isı denklemini kurup dış havanın eşanjörden ısınmış olarak çıkacağı “t₂” noktasını belirleyin. Bu noktanın kuru termometre koordinatından da aynı şekilde sabit kuru termometre çizgisini çizin (diyagramda “t₁” noktasından yukarı doğru uzanan yeşil çizgi).
3. Psikrometrik diyagramdan “W_RA” ve “W_OA” değerlerini bulun.
4. “η_w“ verim değerini esas alarak diyagramdan “W₁” ve “W₂” değerlerini hesaplayın. Her iki değer için mutlak nem oranı ordinatına dik iki sabit mutlak nem çizgisini çizin (Bizim örneğimizde verim %50 olduğu için her iki hat üst üste çakışacaktır).
5. “W₁” yatay hattı ile “t₁” dikmesinin kesiştiği nokta “1” konumudur.
6. “W₂” yatay hattı ile “t₂” dikmesinin kesiştiği nokta “2” konumudur.
7. RA-1hattı eşanjörde egzost havasının soğuma hattıdır. Aynı şekilde OA-2 hattı da ısı geri kazanımı ile dış havanın ısınma ve nem kazanma hattıdır.

Aşağıdaki psikrometrik diyagramda mahal şartları 22^oC, %50 rH, dış hava şartları -3^oC, %30 rH  ve eşanjör verimleri η_t=%75, η_w=%50 olan bir uygulama örneği verilmektedir.

  

6.5. ISI GERİ KAZANIMLI KLİMA SANTRALI ÖRNEKLERİ

6.5.1.  Kış Uygulaması

Kış kliması örneğimizde antalpi bazlı ısı geri kazanım tamburu olan, karışım havalı ve buharlı nemlendiricili bir klima santralını inceleyeceğiz.

Klima santralımız dört mevsim çalışmak üzere dizayn edildiği için bünyesinde soğutucu batarya da bulundurmaktadır. Önce kış klima uygulamasını inceleyeceğiz, bilahare yaz klimasını göreceğiz.

Isı geri kazanım işlemi 6.4.3’deki örneğin aynıdır. Ancak egzost ettğimiz hava psikrometrik proses açısından bizi ilgilendirmediğinden kesin çizgilerle gösterilmiştir. OA-2 dış havanın döner tamburlu ısı geri kazanım cihazında ısı ve mutlak nem kazanmasını göstermektedir. “2” konumundaki hava, döner tamburlu eşanjörden geçmeyen %50 oranındaki mahal havası ile karışmaktadır. Bu proses 2-RA hattı olup karışım noktası “KA” ile gösterilmiştir. KA-3 hattı ise ısıtıcı bataryada karışım havasının ısıtılması hattıdır. “3” noktasındaki havanın beher kligramına “W_ra-W_ka” kadar buhar ilavesi ile nemlendirme yapılmaktadır. “SA” noktası ise klimatize havanın mahalle sevk olunduğu konumdur.

Bu uygulamada entalpi bazlı ısı geri kazanım tamburunun kullanımının getirdiği avantajlar açıkça görülmektedir. Örneğin KA-3 ısıtma proses çizgisi kısalmıştır. Eğer ısı geri kazanımı olmasaydı karışım işlemi OA-RA hattı üzerinde yapılacak ve ısıtma bataryası da bunun neticesi olarak daha büyük çıkacaktı. Keza aynı mantığı nemlendirme prosesi için de yürütmek mümkündür. “KA” noktasının daha solda ve aşağıda bir konumda olması gerekli buhar miktarında da artışa neden olacak, neticede daha büyük bir buharlı nemlendirici kullanılacaktı. Bu da bize işletme maliyeti açısından büyük avantajlar sağlamaktadır.

6.5.1. Yaz Uygulaması

  Yukarıdaki psikrometrik diyagramımızda 550 karışım havalı bir yaz uygulaması görülmektedir. Veriler aşağıdaki gibidir.

η_duy= %75……………………  Duyulur ısı verimi

η_giz= %50………………….  Gizli ısı verimi

Dış hava oranı = %50

Oda şartları:

26^oCKT, %50rH,    RSHR=0,82

Bu diyagramda “OA-2” hattı dış havanın döner tamburdan geçerken soğuması ve mutlak neminin belirli bir miktarını bırakmasını, “SA-1” hattı da egzost edilen mahal havasının ısınırken dış havadan transfer edilen nemi bünyesine almasını göstermektedir. Ancak egzost havası bu aşamada bizleri ilgilendirmediği için yalnız malumat kabilinden kesik çizgiler halinde gösterilmiştir. Bir antalpi bazında ısı geri kazanımı aparatından hava çıkış şartlarının hesabı 6.4.3.’de gösterilmiştir.

“2-RA” hattı oda havası ile döner tamburlu ısı geri kazanım cihazından çıkan havanın karışım prosesinin meydana geleceği hattır ve “KA” noktası karışım noktasıdır.

“RA-SA” ESHR’ye eşit olup oda efekti neticesi havanın mahalde ısınması işlemini göstermektedir. Havanın 10^oC sıcaklık farkı ile üfleneceği kabul edildiğinden “KA-SA-ADP” hattı da klima santralı soğutma bataryasındaki soğutma prosesidir. Daha önceki bahislerde anlatıldığı gibi ADP kuru termometre sıcaklığı soğutucu su çıkış sıcaklığına eşit alınırsa, soğutucu bataryada sirküle eden soğutulmuş su 7/12^oC bulunur.

6.6. DEĞİŞKEN HAVA DEBİLİ SİSTEMLER

 Değişken hava debili sistemlerde iki temel uygulama tipi vardır.

1. Yaz ve kış uygulamasında değişken hava
2. Yaz uygulamasında değişken hava, kış uygulamasında miminum debide sabit hava.

VAV terminal üniteli sistemlerin en büyük özelliklerinden biri mahallin sıcaklığının kontrolunu üflenen havanın sıcaklığını ayarlayarak yapmak yerine sabit sıcaklıkta ve değişken debide hava sevk etmesidir. VAV ismi de buradan kaynaklanmaktadır, “Değişken Hava Debili” tabirinin İngilizcesinin baş harflerinden oluşmaktadır.  Bu sistemde maksimum debi mahallin maksimum yaz yüküne göre, minimum debi de IAQ’ya bağlı olarak mahaldeki insan sayısına göre belirlenir. Mahal sıcaklık değişimine bağlı olarak hava debisi oransal olarak regüle edilir. Bu uygulama yaz-kış uygulanabileceği gibi (Bkz üstteki diyagram sol çizim) enerji ekonomisi açısından yaz uygulamasında değişken hava debisi, kış uygulamasında ise minimumda sabit hava debisi uygulaması da yapılabilir (Bkz. Sağ çizim). Kış çalışmasında minimum debi uygulaması yapılıyorsa klima santralı hava çıkışı miminum sıcaklıkta, örneğin 16^oC’ta sabit tutulur, mahallin bakiye ısı ihtiyacı VAV terminal ünitesinin hava çıkış tarafına yerleştirilen bir ısıtıcı batarya ile gerçekleştirilir.

VAV terminal ünitelerinin diğer bir özelliği de değişen basınç farkları, örneğin giriş basınçları karşısında sabit debi uygulamsını yapabilmesidir. Özellikle HEPA filtreli uygulamalarda faydalanılan bu özellik konumuz dışı olduğundan yalnızca bilgi vermekle yetinilecektir.

Aşağıdaki psikrometrik diyagramda VAV terminal üniteli, değişken hava debili sistemlerin yaz-kış uygulamaları gösterilmektedir.

Diyagramda kırmızı çizgiler yaz uygulamasını, mavi çizgiler de kış uygulamalarını göstermektedir. Her iki uygulama için 5100 dış hava kabul edilmiştir. Yaz uygulamasında “OA” şartlarındaki hava klima santralında “SA” şartlarına kadar soğutulmakta ve mahalle sevk olunmaktadır. “SA-RA” hattı mahalde oda efekti neticesi duyulur ve gizli ısı kazancını göstermektedir. Bu uygulamada “SA” konumu daima sabittir. (Dış hava şartlarındaki değişikliklerin bu konum üzerindeki etkisi  tolere edilebilecek sınırlar içindedir). Mahal ihtiyaçlarına bağlı olarak üflenen havanın debisi oransal olarak kontrol edilmekte, azaltılmakta veya çoğaltılmaktadır.

Kış uygulamasında ise iki alternatif mevcuttur.

1. Değişken hava debili uygulama
2. Sabit hava debili ve son ısıtıcılı uygulama

Değişken hava debili uygulamada dış hava klima santralında “OA” konumundan “2” konumuna kadar ısıtılmaktadır. Bilahare buharla nemlendirilen hava “SA konumunda mahalle sevk olunmaktadır. “SA-RA” hattı ise mahalde ısı kaybı neticesi soğumayı göstermektedir. Bu proseste üflenen havanın sıcaklığı sabittir. Mahal ısısı yaz uygulamasında olduğu gibi debinin oransal reglajı ile sağlanmaktadır. Nemlendirici kullanıldığı taktirde bağıl neme bağlı olarak oransal kontrol yapılabilir.

Sabit hava debili kış uygulamasında ise hava belirlenmiş olan minimum debide sabit debili olarak üflenmektedir. Klima santralındaki ısıtma işlemi “OA-2” prosesi olup sıcaklık  sabittir. “2-3” arasında nemlendirme prosesine tabi tutulan hava VAV terminal ünitesindeki son ısıtıcı serpantine girmektedir. Burada hava “3-SA” prosesi ile ısıtılmakta ve mahalle sevk olunmaktadır. Mahal sıcaklığını sabit tutabilmek için, hava debisi sabit olduğundan “SA” üfleme sıcaklığı mahal yüküne bağlı olarak oransal kontrol edilmektedir.

6.7. ENDÜKSİYON SİSTEMLERİ 

Endüksiyon cihazları klima santralında şartlandırılmış primer havanın bir cihaz içindeki nozullardan yüksek hızla üflenmesi, yüksek hız ile yaratılan kısmi vakum sayesinde sekonder hava olarak tabir edeceğimiz mahal havasının cihazdaki serpantin üzerinden endüklenmesi ve soğutulması esasına dayanır. Primer ve sekonder hava cihaz içinde karışıp mahalle sevk olunurlar.

Yukarıdaki resimde bir endüksiyon cihazı ve çalışma prensibi görülmektedir. Endüksiyon cihazının psikrometrik analizine geçmeden önce cihazın çalışma prensibini bilmekte fayda vardır.

Endüksiyon cihazının içinde primer havanın girdiği bir plenum hücre vardır. Bu plenum hücrenin üst tarafında nozıllar bulunmaktadır. Bu nozıllar vasıtasıyla primer hava ısıtma-soğutma serpantinine paralel bir şekilde ve yüksek hızda üflenmektedir. Bu sayede serpantinin arka tarafında kısmi vakum yaratılmakta ve basınç farkı nedeniyle sekonder hava tabir ettiğimiz oda havası serpantin üzerinden cihaz içine emilmekte, diğer bir tabirle endüklenmektedir. Serpantin arkasındaki haznede primer ve sekonder havalar karışmakta, klimatize edilmiş hava olarak mahalle sevk olunmaktadır. Burada iki değişik proses ve bunların neticesi iki değişik hava kütlesinin karışması meydana gelmektedir. Primer hava önceden belirlenmiş şartlarda merkezi klima santralında klimatize edilmekte ve cihaza sevk olunmaktadır. Mahal şartlarındaki sekonder hava ısıtma-soğutma serpantini üzerinden geçerek soğumaktadır. Bu iki hava birbiriyle karışmakta ve mahalle sevk olunmaktadır.

Yukarıdaki proseste iki değişik işlem yer almaktadır. Dış hava klima santralında “3” koşuluna kadar şartlandırılıp primer hava olarak endüksiyon cihazına sevk olunmakta ve nozıllardan püskürtülmektedir. Mahal havası “RA” da “4” şartlarına kadar endüksiyon cihazı içinde şartlandırılmaktadır. Soğutucu olarak her iki sistemde de aynı akışkan kullanıldığından sistemlerin ADP’leri birbirlerine çok yakındır ve bu nedenle “3” ve “4” noktaları çakışmakta aynı zamanda mahalle sevk olunan karışım havası şartlarını oluşturmaktadır. Bu çalışmada “RA”nın mutlak nem oranı “4” şartının  nem oranından fazla olduğu için endüklenen havayı soğutan serpantin üzerinde kondansasyon meydana gelmektedir. Bu kondansasyon serpantin altındaki terleme tavasınca toplanıp drene edilmektedir.

Benzeri bir uygulama da endüksiyon ünitesindeki soğutma serpantini üzerinde yoğuşma olmaksızın, mahal havası “RA”yı yalnız duyulur olarak soğutmaktır. Bu işlem aşağıdaki psikrometrik diyagramda gösterilmektedir.

Bu tarzda çalışan cihazlara “aktif soğutmalı tavan” veya “aktif soğutmalı ünite” tabir edilmektedir. Endüksiyon cihazlarına çok benzeyen bu ünitelerin içinde drenaj tertibatı yoktur. Bu cihazdaki işlemi psikrometrik açıdan şu şekilde izah edebiliriz.

“OA” şartlarındaki primer hava “1” şartına kadar soğutulmaktadır. Kullanılan soğutucu akışkan 6/10^oC soğuk su olduğu için “ADP” noktası da 10^oC olarak çıkmaktadır. Endüklenen oda havası (sekonder hava) “2” şartlarına kadar soğutulmaktadır. Bu serpantinde kullanılan su sıcaklık kontrollü olup dönüş sıcaklığı “DP”ye eşit alınmakta, ayrıca serpantin satıh sıcaklığı ölçümü yapılarak soğuk su debisi ve dönüş sıcaklığı kontrol altında tutulmaktadır. Serpnatinden “2” şartlarında çıkan sekonder hava ile nozıllardan üflenen “1” şartlarındaki hava “SA” şartlarında karışmakta ve mahalle üflenmektedir. Bu uygulamanın en büyük özelliği sekonder havada yalnız duyulur soğutma yapılmasına rağmen primer hava sayesinde mahal bağıl nem şartları kontrol altında tutulabilmektedir. Bu uygulamada kullanılan primer-sekonder hava karışım oranları ile elde edilebilecek minimum RSHR imalatçılara bağlı olmakla birlikte yaklaşık olarak miminum RSHR değerinin %80, karışım oranının da 1/3 primer hava 2/3 sekonder hava olduğunu söyleyebiliriz. Hassas değerler için imalatçı firmaların kataloglarına bakılmalıdır.

6.8.1. HAVANIN NEMİNİN ALINMASI

6.8.1.Soğutma İle Nem Alma

Soğutma ile nem alma işlemi nemli havanın  çiy noktası “DP”den daha düşük bir sıcaklığı soğutulmasını ve bilahare mahal şartlarına kadar ısıtılması prosesini içerir. Bilinen en klasik nem alma sistemidir.

Bu işlemi ve gerekli hava debisinin belirlenmesini şu şekilde ifade edebiliriz.

M_w= Alınması gereken nem miktarı (kg/h)

Mahal şartları “RA” için h_RA, t_RA, w_RA

Seçilen soğutucu akışkan, R407C,

T_evap=+5^oC,

ΔT_superheat=5^oC

Bu verilerle ADP=+10^oC bulunur. Soğutma prosesi eğrimiz “RA-ADP”dir.

By-pass oranını kabulle “2” noktası bulunur.

Hava debisi:

Buradan da gerekli soğutma kapasitesini bulabiliriz.

Mahal şartlarına kadar ısıtmak için gerekli olan ısıtma kapasite de:

Soğutma ile nem alma sistemlerinde soğutucu batarya üzerinde homojen bir ısı dağılımı gerçekleştireceği için doğrudan genleşmeli sistemler tercih edilmelidir. 

6.8.2. Adsorbsiyonlu Nem Alma Sistemleri

Soğutma ile nem alma uygulamalarında  mutlak nem oranının azaltılması ADP ile sınırlıdır. Teorik olarak ADP’yi daha aşağılara çekmek soğutucu bataryada kullanılan direkt genleşmeli gazın evaporasyon sıcaklığını düşürmek ile mümkün olacak gibi görünse dahi pratikte bu mümkün değildir. Çünkü evaporasyon sıcaklığının aşırı düşürülmesi, örneğin 0^oC’ın altındaki değerlere çekilmesi batarya yüzeylerinde karlanmaya neden olacak, nem alma randımanını düşürecektir. Defrost yapılsa dahi kesintili çalışma olacağı için verimde yine düşmeler olacaktır. Evaporasyon sıcaklığının 0^oC’ın biraz üzerinde, örneğin +2^oC gibi bir seviyede tutulması da bu mahsuru gidermemektedir. Çünkü kısmi kapasite kullanımlarında da evaporasyon sıcaklığı azalacak ve karlanma olayı yine meydana gelecektir. Kademeli kapasite kullanımlı ve frekans konvertörlü kompresörlerle bunun önüne kısmen geçilse dahi 0^oC evaporasyon bu uygulamanın alt limiti olacaktır. 4^oC aşırı ısınma (superheat) sıcaklığı kabul edilse dahi ADP’yi bu derecenin altına çekmek mümkün olmamaktadır. Evaporasyon sıcaklığının düşmesi komprsörlerde kapasite azalmasına da neden olmakta, daha büyük kompresörlerin seçilmesi gerekmektedir.

Bu negatif hususların önüne geçmek için adsorbsiyonlu nem alma sistemleri geliştirilmiştir. Adsorbsiyonun anlamı taşınım yoluyla nem tutmadır. Bu işlem için “dessicant” tabir edilen özel tamburlar kullanılmaktadır. Isı geri kazanım sistemlerinde kullanılan tamburlara son derece benzeyen bu tamburların ana maddesi aluminyum yerine silika-jel’dir. Tamburlar fibrocam dokudan yapılmakta, bu dokunun üstü silika-jel kaplanmaktadır. Silika-jel tamburun %80’ini oluşturmaktadır. Ayrıca üzerinde koruyucu olarak akrilik bir kaplama da bulunmaktadır.

Silika-jel kaplı “Dessicant” tambur  (Pro-flute firması müsaadesiyle)

Bu uygulamada genelde tamburun ¾’ü hava kurutmada, 1/4’ü de tamburun adsorbe etmiş olduğu nemin dışarı atılmasında kullanılır.Adsorbsiyonlu nem alma santralı aşağıda şematik olarak gösterilmektedir.

Bu uygulamada “PA” rumuzlu proses havası, nemi azaltılmak istenen mahal havasıdır. “RA” ise yaklaşık 120^oC’a ısıtılmış reaksiyon havası tabir edilen kurutucu havadır. Bu uygulamada döner tambur çok düşük bir devirle dönmektedir (yaklaşık 20 tur/saat). “PA”da bulunan nem 3 numaralı tambur tarafından adsorbe edilmekte ve nemi azalmış hava “DA” 4 numaralı vantilatör tarafından mahalle üflenmektedir. “PA” tamburun ¾’ünden geçmektedir. “RA” filtrelendikten sonra 120^oC’a ısıtılmakta, tamburun bakiye ¼’lük kısmından geçerek tamburun kurutulmasını sağlamaktadır. Tamburun devamlı bir dönme hareketi içinde olması “PA”daki nemin alınmasına ve bu tamburun sıcak “RA” ile teması neticesi kurumasına ve işlemine devam devam etmesine neden olmaktadır. Bu işlem aşağıdaki psikrometrik diyagramda görülmektedir.

Bu proseste “RA” reaktif hava olarak mahal havası kullanılmakta, bu uygulama ile mahallin havalandırılması da sağlanmaktadır.

Çok düşük mutlak nem oranı istenen uygulamalarda çift tambur veya mekanik soğutma ile birlikte adsorbsiyonlu nem alma uygulaması da yapılmaktadır. Bu tip bir santralın şematik çizimi ve psikrometrik diyagramı aşağıdadır. Bu işlemde mahal havası “PA” önce soğutulmakta ve bu surette mutlak nem oranı azaltılmaktadır. Bilahare adrosbsiyonlu nem alma tamburundan geçen havanın nemi daha da azaltılmaktadır. Bu prosesler psikrometrik diyagramda ab, bc , ae ve ef çizgileriyle gösterilmektedir. cd prosesi isehavanın mahal şartlarına kadar ısıtlmasını içerme olup zorunlu bir işlem değildir. Ancak mahalde ısı kazançları yoksa “DA” sevk havasının sevk olunmadan önce mahal şartlarına veya mahallin ısı kaybını karşılayacak düzeye ısıtılması amacıyla düşünülebilir.