Kategori: PSİKROMETRİ

1. KIŞ KLİMASI

1.1. %100 HARİCİ HAVALI KLİMA SANTRALI,YALNIZ ISITMA:

Problem: Toplam hacmi 1200 m³olan bir mahallin ısı kaybı 26 kw’tır. Bu mahallin havasının saatte  8 defa değiştirilmesi ve %100 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava kış dizayn şartları -10^oC, mahal şartları ise 20^oC’tır. Klima santralındaki psikrometrik prosesi çizin ve klima santralının tasarımını yapın.

1 kJ = 0.238846 kCal

1 Watt= 0.86 kCal/h

dolayısıyla

1 Watt= 0.86/0.238846 = 3.60065 kJ    ;   1kW= 3600.65kJ

Bu durumda yeni “SI” birimlerine göre mahallin ısı yükü:

26×3600.65=93617 kJ/saat’tir.

Mahal için gerekli hava debisi ise:

V=8 x 1200 = 9600 m³/saat bulunur.

Mahal sıcaklığı 20C ve hava debisi 9600 m³/saat olduğuna göre, mahal ısı kaybını karşılamak için gerekli üfleme sıcaklığını bulalım.

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t_RA)

c_p=Havanın özgül ısısı……………………………………………..    1.041 kJ/kg

ϒ =Havanın özgül hacmi (ortalama)..……………………….    0.800 m³/kg

Değerleri yerine koyduğumuzda:

93617= 9600 x 1.041 x( 1/0.800)x(t_SA – 20)

t_SA  = 27.49^oC ≈ 28^oC bulunur.

Dış havanın mahal şartlarına kadar ısıtılması için gerekli ısı miktarı:

Q_{dış hava}=V x c_px (1/γ)x (t_RA – t_OA)

Q_{dış hava}=9600 x 1.041 x (1/0.800)x (20 + 10)=374769 kJ/saat

Klima santralındaki ısıtıcı bataryanın toplam yükü ise:

ΣQ= Q_mahal + Q_{dış hava}

ΣQ= 93617 + 374760 = 468377 kJ/saat  (= 130.08 kW)

Bu prosesi psikrometrik diyagram üzerinde gösterelim.

h_OA= -7.2585 kJ/kg …………………..(bkz. Psikrometri-I, sayfa 132, 8-Tablo ve diyagramlar)

γ_OA= 0.7469 m³/kg…………………… (bkz. Psikrometri-I, sayfa 132, 8-Tablo ve diyagramlar)

h_RA    = 23.00   kJ/kg …………………… (Yukarıdaki psikrometrik diyagramdan)

γ_RA    = 0.8305 m³/kg h…………………(bkz. Psikrometri-I, sayfa 133, 8-Tablo ve diyagramlar)

h_SA= 31.60    kJ/kg …………………… (Yukarıdaki psikrometrik diyagramdan)

γ_SA= 0.8565  m³/kg h…………………(bkz. Psikrometri-I, sayfa 133, 8-Tablo ve diyagramlar)

Önceki hesabımızda olduğu gibi “ϒ”değerini 0.800 m³/kg kabul ederek hesabımızı yapabiliriz.

Q_{dış hava}=V x (1/γ)x (h_RA– h_OA)

Q_mahal   =V x (1/γ)x (h_SA – h_RA)

ΣQ= Q_mahal + Q_{dış hava}

Bu duruma göre:

Q_{dış hava}=V x (1/γ)x (h_RA– h_OA)

Q_{dış hava}=9600 x (1/0.800)x (23.00+7.2585)

Q_{dış hava}=363 102 kJ/saat

 

Q_mahal   =V x (1/γ)x (h_SA – h_RA)

Q_mahal   =9600 x (1/0.800)x (31.60– 23.00)

Q_mahal   =103200 kJ/saat

 

ΣQ= Q_mahal + Q_{dış hava}

 ΣQ= 103200+ 363102 = 466302 kJ/saat= 129.50 kW

İki hesaplama metodu arasındaki farklılık havanın özgül hacminin sabit kabul edilmesinden ve psikrometrik diyagramda yapılan okuma hatalarından kaynaklanmaktadır. Fark %1’den azdır ve ihmal edilebilir. Çok hassas bir hesap için her sıcaklık için özgül hacimleri de dikkate almak gerekir, söyleki:

Q_{dış hava}=V x (h_RAx(1/γ_RA)– h_OAx(1/γ_OA))

Q_mahal   =V x (h_SAx(1/γ_SA)– h_RAx(1/γ_RA))

 ΣQ= Q_mahal + Q_{dış hava}

Q_{dış hava}=9600 x (23.00x(1/0.8305)+ 7.2585x(1/0.7469))=359158 kJ/saat

Q_mahal  =9600 x (31.60x(1/0.8565)– 23.00x(1/0.8305))  = 88322 kJ/saat

ΣQ        = 359158 + 88322 = 447480 kJ/saat = 124.3 kW

Son yapılan hesap üç metod içinde en hassas olanıdır. Ancak aradaki fark %5’in altındadır. Bu nedenle konfor şartları içinde yapılacak hesaplarda her üç metod da uygulanabilir. Tercih hesap  yapan  kişiye aittir. Ancak  çok  yüksek sıcaklıklar (t>50^oC) ve çok  düşük  sıcaklıklar

(t<-15^oC) esas alınarak hesap yapılacaksa muhakkak her sıcaklığa ait özgül hacim değerleri dikkate alınmalıdır.

Dikkate alınması gereken diğer bir husus ta irtifa (deniz seviyesinden yükseklik)tir. İrtifa arttıkça atmosferik basınç azalacağından ve bu nedenle havanın özgül hacmi artacağından toplam ısı yüklerinde değişiklikler olacaktır. Be nedenle hesaba esas olan ortama en yakın psikrometrik diyagram ve tablolar kullanılmalıdır.

Aşağıdaki resimde, probleme konu olan,%100 harici havalı klima santralı görülmektedir.

1.2. KARIŞIM HAVALI KLİMA SANTRALI, YALNIZ ISITMA:

Problem: Toplam hacmi 1200 m³olan bir mahallin ısı kaybı 26 kw’tır. Bu mahallin havasının saatte  8 defa değiştirilmesi ve %100 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava kış dizayn şartları -10^oC, mahal şartları ise 20^oC, bağıl nemi %35’dir.Mahalde 32 kişi bulunmaktadır. Kişi başına 60 m³/saat taze hava miktarı esas alınarak klima santralındaki psikrometrik prosesi çizin ve klima santralının tasarımını yapın.

V_toplam=1200 x 8 = 9600 m³/saat

V_dış       = 32 kişi x 60 m³/saat.kişi = 1920 m³/saat

Dış hava oranı= 1920 / 9600 = 0.20 =%20

Psikrometrik diyagram üzerine dış hava-mahal havası karışımı işleyip prosesimizi belirleyelim.

“Ka” olarak gösterilen konum %20 dış hava ile %80 dönüş (resirküle) havanın karıştığı konumdur. “OA-RA” hattı iç hava ile dış havanın karışım prosesini göstermektedir. Analitik olarak çözüm yaptığımızda “OA-RA” uzunluğunun %20’sine eşit olan mesafe “RA” tarafından işaretlenir. Bu nokta “Ka”, iki havanın karışım noktasıdır.

“RA” mahal şartlarını, “SA” da üfleme havasının şartlarını simgelemektedir. Bir önceki örnekte olduğu gibi “t_SA” ile “t_RA” arasındaki ısıtma prosesi mahal ısı kaybını karşılamak için yapılan prosestir. “t_KA” ile “t_SA” arasındaki proses ise dış havadan kaynaklanan ısıtma prosesidir. 20^oC kuru termometre sıcaklığındaki hava -10^oC kuru termometre sıcaklığındaki dış hava  ile  yukarıda belirtilen  şartlarda  karışarak “Ka” meydana  gelmiştir. “Ka”nın kuru termometre sıcaklığı 14^oC’tır.  Dolayısıyla karışım nedeniyle 14^oC’a kadar soğuyan karışım havası mahal kuru termometre sıcaklığı olan 20^oC’a kadar ısıtılacak ve bu sayede dış havanın yarattığı soğuma efekti giderilecek, bilahare hava üfleme sıcaklığına kadar ısıtılmak suretiyle mahal ısı kaybı karşılanmış olacaktır. Bu uygulamada %100 harici hava yerine mahaldeki insan sayısı dikkate alınarak belirli bir oranda (%20) harici hava kullanımına gidilmiş ve önemli ölçüde enerji tasarrufu yapılmıştır.

Mahal ısı yükünün karşılanması “1.0” daki problemde olduğu gibidir. Oradaki hesabı aynen buraya alıyoruz.

Yeni “SI” birimlerine göre mahallin ısı yükü:

26×3600.65=93617 kJ/saat’tir.

Mahal için gerekli hava debisi ise:

V=8 x 1200 = 9600 m³/saat’tir.

Mahal sıcaklığı 20^oC ve hava debisi 9600 m³/saat olduğuna göre, mahal ısı kaybını karşılamak için gerekli üfleme sıcaklığını bulalım.

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t_RA)

c_p=Havanın özgül ısısı……………………………………………..    1.041 kJ/kg

ϒ =Havanın özgül hacmi (ortalama)..……………………….    0.800 m³/kg

Değerleri yerine koyduğumuzda:

93617= 9600 x 1.041 x( 1/0.800)x(t_SA – 20)

t_SA  = 27.49^oC ≈ 28^oC bulunur.

Karışım havasının mahal şartlarına kadar ısıtılması için gerekli ısı miktarı:

Q_{dış hava}=V x c_px (1/γ)x (t_RA – t_OA)

Q_{dış hava}=9600 x 1.041 x (1/0.800)x (20 – 14)=74952 kJ/saat

Klima santralındaki ısıtıcı bataryanın toplam yükü ise:

ΣQ= Q_mahal + Q_{dış hava}

ΣQ= 93617 + 74952 = 168569 kJ/saat  (= 48.62 kW)

Karışım havalı, yalnız ısıtıcı bataryalı klima santralının resmi aşağıdadır. Bu uygulamada klima santralının iki hava girişi bulunmaktadır. Bunlardan biri “RA” olarak gösterilen dönüş havası, diğeri de “OA” olarak gösterilen dış havadır. Bu uygulamada her iki hava girişi üzerinde debi reğlaj damperleri vardır. Bu damperler sayesinde karışım oranı belirlenir ve sabitlenir. Ancak

Dış hava sıcaklığının 0^oC’ın altında olması nedeniyle, sistem karışım havasıyla da çalışsa bir donma riski vardır. Bu nedenle damperlerin üzerine iki konumlu servomotorlar (damper motorları) konmasında yarar vardır. Donma konusu klima santralları otomatik kontrolunda detaylı bir biçimde ele alınacaktır.

1.3. %100 DIŞ HAVALI KLİMA SANTRALI, ISITMA VE HAVA YIKAYICI İLE NEMLENDİRME

Problem: Toplam hacmi 1200 m³olan bir mahallin ısı kaybı 26 kw’tır. Bu mahallin havasının saatte  8 defa değiştirilmesi ve %100 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava kış dizayn şartları -10^oCKT,%70 rH, mahal şartları ise 20^oCKT, %50 rH’tır.Klima santralında hava yıkayıcı ile nemlendirme yapılıp, üfleme havasının mutlak neminin oda şartlarına çıkarılması istenmektedir.  Klima santralındaki psikrometrik prosesi çizin ve klima santralının tasarımını yapın.

1 kJ = 0.238846 kCal

1 Watt= 0.86 kCal/h

dolayısıyla

1 Watt= 0.86/0.238846 = 3.60065 kJ    ;   1kW= 3600.65kJ

Bu durumda yeni “SI” birimlerine göre mahallin ısı yükü:

26×3600.65=93617 kJ/saat’tir.

Mahal için gerekli hava debisi ise:

V=8 x 1200 = 9600 m³/saat bulunur.

Mahal sıcaklığı 20^oC ve hava debisi 9600 m³/saat olduğuna göre, mahal ısı kaybını karşılamak için gerekli üfleme sıcaklığını bulalım.

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t_RA)

c_p=Havanın özgül ısısı……………………………………………..    1.041 kJ/kg

ϒ =Havanın özgül hacmi (ortalama)..……………………….    0.800 m³/kg

Değerleri yerine koyduğumuzda:

93617= 9600 x 1.041 x( 1/0.800)x(t_SA – 20)

t_SA  = 27.49^oC ≈ 28^oC bulunur. Bu sıcaklık psikrometrik diyagramda “SA” olarak gösterilmektedir.

Psikrometrik proses ise aşağıda gösterildiği gibidir.

Bu prosesle ilgili önemli hususları aşağıdaki gibi belirtebiliriz:

• Nemlendirme neticesinde “w_OA” olan dış havanın mutlak nemi “w_RA”seviyesine çıkarılacaktır.
• Bu işlem için hava yıkayıcısı kullanılacaktır. Havanın içine su püskürtülme ile neminin arttırılması işlemi adyabatik bir işlemdir, sabit entalpide cereyan eder. Buharlaşan su gerekli buharlaşma enerjisini havadan alacak ve bunun neticesi bir soğuma meydana gelecektir.
• Evaporatif işlem neticesi havanın soğumasını karşılayabilmek, aynı zamanda mahal ısı ihtiyacını karşılayabilmek için ikinci bir ısıtıcıya gerek vardır. Bu nedenle klima santralında “ön ısıtıcı” ve “son ısıtıcı” olarak adlandırılan iki ısıtıcı batarya bulunacaktır.

“OA-1” prosesi dış havanın ön ısıtıcıda ısıtılması işlemidir. “1-2” prosesi ise havanın içine su püskürtülmesi neticesi mutlak neminin arttırılması işlemidir. “2-SA” prosesi ise havanın tekrar ısıtılması işlemidir. Bu işlem hem evaporatif soğumayı karşılamakta, hem de mahal ısı kaybı için gerekli enerjiyi üfleme havasına ilave etmektedir.

Şimdi ön sıtıcı ve son ısıtıcı büyüklüklerini belirleyelim.

c_p=Havanın özgül ısısı ………………………………………………. 1.041 kJ/kg

γ=Havanın özgül hacmi (ortalama)..……………………….    0.800 m³/kg

h_OA= -7.2585 kJ/kg …………………..(bkz. Psikrometri-I, sayfa 132, 8-Tablo ve diyagramlar)

h₁    =   29.80 kJ/kg …………………… (Yukarıdaki psikrometrik diyagramdan)

h₂    =   29.80 kJ/kg …………………… (Yukarıdaki psikrometrik diyagramdan)

h_SA    =  46.70 kJ/kg …………………… (Yukarıdaki psikrometrik diyagramdan)

Ön ısıtıcı büyüklüğü:

Q_{ön ısıtıcı}=V x (1/γ)x (h₁– h_OA)

Q_{ön ısıtıcı}=9600 x (1/0.800)x (29.80+7.2585)

Q_{ön ısıtıcı}=444 702 kJ/saat

Q_{ön ısıtıcı} =123,50 kW

 

Son ısıtıcı büyüklüğü:

Q_{son ısıtıcı}=V x (1/γ)x (h₁– h_OA)

Q_{son ısıtıcı}=9600 x (1/0.800)x (46.70– 29.80)

Q_{son ısıtıcı}= 202 800 kJ/saat

Q_{son ısıtıcı} = 56.32 kW

Nemlendirici için bir hesaba gerek yoktur. Hava yıkayıcılı sistemlerde genel tatbikat 1 m³/saat hava için 0.8 ila 1 lt/saat suyun püskürtülmesi tarzındadır.Nozul basıncı da seçilen nozul tipine bağlı olup genelde 15mSS ila 30mSS arasındadır. Dolgu tipi nemlendirici (matt type humidifier) kullanılıcaksa üretici firma değerleri esas alınmalıdır. Klima santralının şematik çizimi aşağıdadır.

 

Şekilde görülen “deflektör” havaya yön verici görevini yerine getirmektedir. “Separatör” ise havaya karışmamış su damlacıklarının sürüklenmesine mani olmaktadır.

1.4. KARIŞIM HAVALI KLİMA SANTRALI, ISITMA VE HAVA YIKAYICI İLE NEMLENDİRME

Problem: Toplam hacmi 1200 m³olan bir mahallin ısı kaybı 26 kw’tır. Bu mahallin havasının saatte  8 defa değiştirilmesi ve %50 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava kış dizayn şartları -10^oCKT,%70 rH, mahal şartları ise 20^oCKT, %50 rH’tır.Klima santralında hava yıkayıcı ile nemlendirme yapılıp, üfleme havasının mutlak neminin oda şartlarına çıkarılması istenmektedir. Klima santralındaki psikrometrik prosesi çizin ve klima santralının tasarımını yapın.

1 kJ = 0.238846 kCal

1 Watt= 0.86 kCal/h

Mahal için gerekli hava debisi ise:              V=8 x 1200 = 9600 m³/saat bulunur.

Mahal sıcaklığı 20^oC ve hava debisi 9600 m³/saat olduğuna göre, mahal ısı kaybını karşılamak için gerekli üfleme sıcaklığını bulalım.

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t_RA)

c_p=Havanın özgül ısısı……………………………………………..    1.041 kJ/kg

ϒ =Havanın özgül hacmi (ortalama)..……………………….    0.800 m³/kg

Değerleri yerine koyduğumuzda, daha önceki problem çözümlerinde olduğu gibi:

93617= 9600 x 1.041 x( 1/0.800)x(t_SA – 20)

t_SA  = 27.49^oC ≈ 28^oC bulunur. Bu sıcaklık psikrometrik diyagramda “SA” olarak gösterilmektedir.

%50 dış hava ile %50 dönüş havasının karışım konumu OA-RA proses hattının tam ortasında olup aşağıdaki değerlere sahiptir.

t_Ka= +5^oCKT

h_Ka= 15.6 kJ/kg

w_Ka=4.2 gr/kg_da

 

Mahal şartları (RA) :

t_RA= +20^oCKT

h_RA= 38.8.0 kJ/kg

w_RA=7.3 gr/kg_da (=%50 rH)

 

Dış hava şartları (OA):

t_OA= -10^oCKT

h_OA= -7.2585 kJ/kg

 

Daha önceden belirlenen üfleme havası (SA) şartları:

t_SA= +28^oCKT

h_SA= 47.0 kJ/kg

w_SA=7.3 gr/kg_da

 

Ön ısıtıcı batarya çıkışı “1” konumunun değerleri:

t₁= +18.6^oCKT

h₁= 29.5 kJ/kg

w₁=4.2 gr/kg_da

 

Hava yıkayıcı çıkışı “2” değerleri:

t₂= +11.3^oCKT

h₂= 29.5 kJ/kg

w₂=7.3 gr/kg_da

Psikrometrik proses bir önceki, %100 dış havalı sistemin benzeridir. Ön ısıtıcı batarya kapasitesi:

Q_{ön ısıtıcı}=V x (1/γ)x (h₁– h_KA)

Q_{ön ısıtıcı}=9600 x (1/0.800)x (29.50+15.60)

Q_{ön ısıtıcı}= 166 800 kJ/saat

Q_{ön ısıtıcı} = 46.33  kW

Son ısıtıcı kapasitesi:

Q_{son ısıtıcı}=V x (1/γ)x (h_SA– h₂)

Q_{son ısıtıcı}=9600 x (1/0.800)x (47.00-29.50)

Q_{son ısıtıcı}= 210 000 kJ/saat

Q_{son ısıtıcı} = 58.32  kW

Son ısıtıcı batarya kapasitesinin 26 kW’ı mahal ısı kayıplarını karşılamak, bakiye ise hava yıkayıcıda evaporatif olarak soğuyan havanın mahal kuru termometre sıcaklığına kadar ısıtılması için gerekli olan ısı miktarıdır.

1.5. %100 DIŞ HAVALI KLİMA SANTRALI, ISITMA VE BUHARLI NEMLENDİRİCİ İLE NEMLENDİRME

Buharlı nemlendirmenin sağladığı en büyük avantaj klima santralının boyunun kısalması ve daha az yer işgal etmesidir. Buharlı nemlendiricilerin buhar püskürtme probları santral gövdesi içine yerleştirilebileceği gibi üfleme kanalına da yerleştirilebilir.

Buharlı nemlendirmenin diğer bir üstünlüğü de hassas bir oransal kontrol yapabilme olanağıdır. Hava yıkayıcılı nemlendirmede çok zor olan bu uygulama, iki yollu bir oransal vana ve oransal bir higrostat ile (veya DDC/BMS uygulaması varsa bir bağıl nem hissedici ile)kolaylıkla gerçekleştirilebilir.

Atık buharın mevcut olduğu, büyük lokanta, hastane, otel be benzeri tesislerde de son derece ekonomik çözümler getirir.

Burada da, devamlılık açısından, 1.3. numaralı konuda ele aldığımız mahallin kış klimasını bu sefer buharlı nemlendirici ile yapacağız.

Problem: Toplam hacmi 1200 m³olan bir mahallin ısı kaybı 26 kw’tır. Bu mahallin havasının saatte  8 defa değiştirilmesi ve %100 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava kış dizayn şartları -10^oCKT,%70 rH, mahal şartları ise 20^oCKT, %50 rH’tır.Klima santralında havanın nemlendirilmesinin buharlı nemlendirici ile yapılıp, üfleme havasının mutlak neminin oda şartlarına çıkarılması istenmektedir.  Klima santralındaki psikrometrik prosesi çizin ve klima santralının tasarımını yapın.

1 kJ = 0.238846 kCal

1 Watt= 0.86 kCal/h               dolayısıyla

1 Watt= 0.86/0.238846 = 3.60065 kJ    ;   1kW= 3600.65kJ

Bu durumda yeni “SI” birimlerine göre mahallin ısı yükü:

26 kW x 3600.65=93617 kJ/saat’tir.

Mahal için gerekli hava debisi ise:

V=8 x 1200 = 9600 m³/saat bulunur.

Mahal sıcaklığı 20^oC ve hava debisi 9600 m³/saat olduğuna göre, mahal ısı kaybını karşılamak için gerekli üfleme sıcaklığını bulalım.

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t_RA)

c_p=Havanın özgül ısısı……………………………………………..    1.041 kJ/kg

γ=Havanın özgül hacmi (ortalama)..……………………….    0.800 m³/kg

Değerleri yerine koyduğumuzda, daha önceki problem çözümlerinde olduğu gibi:

93617= 9600 x 1.041 x( 1/0.800)x(t_SA – 20)

t_SA = 27.49^oC ≈ 28^oC bulunur. Bu sıcaklık psikrometrik diyagramda “SA” olarak gösterilmektedir. Bu nedenle -10^oCKT sıcaklığındaki dış hava +28^oCKT sıcaklığına kadar ısıtılacaktır.

Bu duruma göre:

Q=V x (1/γ)x (h₁ – h_OA)

Q=9600 x (1/0.800)x (31.60+7.2585)

Q= 466 302 kJ/saat

Q= 466 302 /3600.65=129.50 Kw

(h_SA= 31.60    kJ/kg …………………… ( psikrometrik diyagramdan))

Buhar ile nemlendirme izotermik bir proses olarak tanımlanır. Havaya doğrudan buhar ilave ettiğimiz için yalnız havanın mutlak nem oranı artmakta, sıcaklığın sabit kaldığı kabul edilmektedir. Örneğin buharın sıcaklığı ile buhar üflenen havanın kuru termometre sıcaklıkları birbirine eşit olması durumunda bu varsayım doğrudur. Ancak hakikatte bu proses psikrometrik diyagramda hafif sağa yatan bir doğru tarzında oluşur. Çünkü üflenen buharın sıcaklığı havanın kuru termometre sıcaklığından çok yüksektir. Bu nedenle havayı nemlendirmeye ilaveten az da olsa havayı bir miktar ısıtmış olur.

Aşağıdaki psikrometrik diyagramda bu prosesi görmekteyiz. Burada psikrometrik diyagramda bulunan yeni bir şema ile karşılaşıyoruz. Dairesel olan bu şema “Psikrometri-I” kitabımızda deteylı bir biçimde anlatılmıştı. Ancak kısaca tekrarında fayda görüyoruz.

Bu daire ortadan ikiye bölünmüş olup alt kısmı duyulur ısı oranını “q_sens/q_tot” vermektedir. Üst kısmı ise “Δh/Δw” değeridir. Bu değer bir gram buharın entalpik değerine eşit olup bize buharlı nemlendiricilerde proses hattının eğimini belirler.

Jeneratör tipi buharlı nemlendiricilerde jeneratör buhar çıkış sıcaklığı 102 ila 103^oC civarındadır. Ancak boru şebekesi içinde soğuma olabilmesi ihtimali dikkate alınarak buhar üfleme sıcaklığı 100^oC kabul edilebilir. 100^oC buharın entalpisi “h_g-100” 2675.57 kJ/kg’dır (bkz, Psikrometri-I, sayfa-26, Tablo-2).

h_g-100= 2675.57 kJ/kg = 2.67557 kJ/gr.

Biz de üst yarı dairede 2.67557 noktasını bulup bu noktası dairenin merkeziyle birleştiririz. Bu bizim nemlendirme proses hattımızın eğimidir. Bu hattı “SA” noktasına taşıyıp, “OA-1” ısıtma proses hattıyla kesiştiriz. “1” noktasının kuru termometre sıcaklığı 28^oC değil, aslında 27.3^oCKT’dir. Bu değeri dikkate alarak ısıtıcı batarya kapasitesini yenileyebiliriz.

Q=V x (1/γ)x (h₂ – h_OA)

Q=9600 x (1/0.800)x (30.50+7.2585)

Q= 453 102 kJ/saat

Q= 453 102 /3600.65=125.84 Kw bulunur.

Buharlı nemlendiricinin kapasite de aşağıdaki gibi hesaplanır:

W_OA= 1.2 gr/kg_da

W_RA= 7.4 gr/kg_da

ϒ     = 0.850 m³/kg (ortalama değer)

M_buhar= V x (1/γ) x (W_RA– W_OA)

M_buhar= 9600 x (1/0.850) x (7.4 – 1.2)

M_buhar= 70 023.53 gr/saat = 70 kg/saat

Bu sistem için gerekli olan buhar jeneratörünün kapasitesi 70 kg/saat olmalıdır.

Jeneratörün elektrik sarfiyatını hesaplayalım (%100 adyabatik olduğu kabulüyle)

h_f-15  = 62.98 kJ/kg  ………….(suyun 15^oC’ta jeneratöre geldiği varsayımıyla)

h_g-103=2680.28 kJ/kg

Q=M x (h_g-103– h_f-15  )

Q=70 x (2680.28 – 62.98  )

Q=183 211 kJ/saat = 50.88 kW

Buharlı nemlendirici bünyesinde olan %100 dış havalı klima santralı şematik olarak aşağıdadır.

1.6. KARIŞIM HAVALI KLİMA SANTRALI, ISITMA VE BUHARLI NEMLENDİRİCİ İLE NEMLENDİRME

Problem: Toplam hacmi 1200 m³olan bir mahallin ısı kaybı 26 kw’tır. Bu mahallin havasının saatte  8 defa değiştirilmesi ve %30 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava kış dizayn şartları -10^oCKT,%70 rH, mahal şartları ise 20^oCKT, %50 rH’tır.Klima santralında havanın nemlendirilmesinin buharlı nemlendirici ile yapılıp, üfleme havasının mutlak neminin oda şartlarına çıkarılması istenmektedir. Klima santralındaki psikrometrik prosesi çizin ve klima santralının tasarımını yapın.

Önceki problemlerde sunduğumuz değişim çarpanlarını, mahal ısı yükünü belirleyelim.

1 kJ = 0.238846 kCal

1 Watt= 0.86 kCal/h               dolayısıyla

1 Watt= 0.86/0.238846 = 3.60065 kJ    ;   1kW= 3600.65kJ

Bu durumda yeni “SI” birimlerine göre mahallin ısı yükü:

26 kW x 3600.65=93617 kJ/saat’tir.

Mahal için gerekli hava debisi :

V=8 x 1200 = 9600 m³/saat olduğuna göre,

Mahal ısı kaybını karşılamak için gerekli üfleme sıcaklığını bulalım.

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t_RA)

c_p=Havanın özgül ısısı……………………………………………..    1.041 kJ/kg

γ=Havanın özgül hacmi (ortalama)..……………………….    0.800 m³/kg

Değerleri yerine koyduğumuzda, daha önceki problem çözümlerinde olduğu gibi:

93617= 9600 x 1.041 x( 1/0.800)x(t_SA – 20)

t_SA= 27.49^oC ≈ 28^oC bulunur. Bu sıcaklık psikrometrik diyagramda “SA” olarak gösterilmektedir.

Buradaki çözüm bir önceki, %100 dış havalı çözüme benzemektedir. Ancak bu uygulamada %30 dış hava kullanılmaktadır. Bu nedenle OA-RA proses hattı üzerinde %30 karışım noktası belirlenir. “Ka” olarak adlandırdığımız bu noktadan sabit mutlak nem oranında, yatay bir hat çizilir. Bu bizim ısıtma proses eğrimiz olacaktır.

Diğer yatay bir bir hat ta kesik çizgi halinde “RA” noktasından çizilir. Bu hat üzerindeki 28^oCKT noktası bizim klimatize üfleme havası konumu “SA”dır. “Δh/ Δx” çemberi üzerindeki 2.675 değeri ile daire merkezini birleştiren hattı paralel olarak “SA” noktasına taşıyıp uzatır ve “OA”dan gelen yatay hatla kesişmesini sağlarız. Bu bizim “1” konumumuz olup ısıtıcı batarya çıkış şartıdır. 1.6. sayılı konuda anlattığımız gibi buharla nemlendirme hattı tam bir isotermik hat değildir, üflenen buharın sıcaklığına göre belirlenir.

Bu duruma göre:

Q=V x (1/γ)x (h₁ – h_Ka)

(h₁= 42.00    kJ/kg …………………… ( psikrometrik diyagramdan))

(h_Ka= 25.00    kJ/kg …………………… ( psikrometrik diyagramdan))

Q=9600 x (1/0.800)x (42.00+25.00)

Q= 204 000 kJ/saat

Q= 204 000 /3600.65= 56.66 Kw

Buharlı nemlendirici kapasitesi:

W_Ka= 5.3 gr/kg_da

W_RA= 7.4 gr/kg_da

γ     = 0.850 m³/kg (ortalama değer)

M_buhar= V x (1/γ) x (W_RA– W_Ka)

M_buhar= 9600 x (1/0.850) x (7.4 – 5.3)

M_buhar= 23 717.65 gr/saat = 24 kg/saat

Bu sistem için gerekli olan buhar jeneratörünün kapasitesi 24 kg/saat olmalıdır.

Jeneratörün elektrik sarfiyatını hesaplayalım (%100 adyabatik olduğu kabulüyle)

h_f-15  = 62.98 kJ/kg  ………….(suyun 15^oC’ta jeneratöre geldiği varsayımıyla)

h_g-103=2680.28 kJ/kg

Q=M x (h_g-103– h_f-15  )

Q=24 x (2680.28 – 62.98  )

Q=62 815 kJ/saat = 17.45 kW bulunur.

Karışım havalı, buharlı nemlendiricili, yalnız ısıtma bataryalı klima santralının çizimi aşağıda görülmektedir.

1.7. DÖNÜŞ KANALINDAKİ SOĞUMANIN İNCELENMESİ

Şu ana kadar yaptığımız tüm uygulamalarda dönüş havası kuru termometre sıcaklığını oda sıcaklığına eşit olarak kabul ettik. Ancak hakikatte bu durum biraz farklıdır. Eğer dönüş havası kanalları ısıtılmamış (klimatize edilmemiş) mahallerden geçiyorsa kış uygulamasında belirli bir oranda ısı kaybına uğrayacak, bunun neticesi olarak ta dönüş havası kuru termometre sıcaklığında belirgin bir düşme olacaktır. Eğer dönüş havası kanalları izole edilmemişse bu sıcaklık düşüşü çok daha belirgin ve daha büyük değerlerde olacaktır. Bu husus ısıtıcı batarya büyüklüğü belirlenirken dikkate alınması gereken bir husustur.

Dönüş havasındaki soğumayı hesap yoluyla bulmak mümkündür. Bunun için öncelikle ısıtılmamış mahallerin sıcaklıklarının bilinmesi veya hesaplanması gerekir. Hesaplanması gereken ikinci bir husus ta dönüş havası kanalının toplam satıh alanıdır. Kanal ısı iletim katsayısı bilindiğine veya kolaylıkla hesaplanabileceğine göre ısı kaybı ve bunun neticesi dönüş havasındaki soğuma hesap yoluyla bulunabilir. Ancak bu hesap yöntemi ile elde edilecek sonuç yaklaşık bir değer olacağından soğuma kabul edilebilir. Soğuma ve sıcaklık düşümü dış hava sıcaklığına da son derece bağlıdır. Ancak bu düşüm  izoleli kanallarda sıcaklık düşümü 1^oC ila 2^oC, izolesiz kanallarda da 2^oC ila 4^oC kabul edilebilir.

%100 dış hava ile çalışan, ısı geri kazanımsız sistemlerde bu soğumanın hiçbir önemi yoktur. Çünkü havanın tamamı egzost edilmektedir.Ancak düşük dış hava oranıyla çalışan, örneğin %50’nin altında dış hava oranına sahip uygulamalarda karşımıza küçümsenmeyecek değerler çıkar. Bu durumu psikrometrik diyagramda inceleyelim. Önceki örneklerde olduğu gibi -10^oCKT, %70 rH dış hava, 20^oCKT, %50 rH mahal şartlarında, %20 dış hava oranıyla çalışan bir klima santralını ele alalım. Dönüş havası kanallarının izolesiz olması nedeniyle dönüş havasında 3^oC soğuma olduğunu, daha önceki örneklerimizde olduğu gibi üfleme havası sıcaklığının da 28^oCKT olduğunu kabul edelim. Hava debimiz 9600 m³/saat’tir.

Yukarıdaki psikrometrik diyagramda “RA” mahal şartlarını, “RR” dönüş havasının klima santralına giriş şartlarını, “RA-RR” proses hattı da dönüş kanalındaki soğumayı göstermektedir. Bu soğumanın neticesi karışım noktası “Ka₂” olarak belirlenmektedir. Halbuki dönüş hava kanalında hiç ısı kaybı olamasaydı karışım noktası “Ka₁” olacaktı. Bu nedenle klima santralı ısıtıcı batarya büyüklüğü belirlenirken “Ka₂-Ka₁” hattı kadar ilave ısıya ihtiyaç duyulacaktır.

Her iki durum için klima santralı ısıtıcı batarya büyüklüğünü belirleyelim.

Q₁=V x (1/γ)x (h_SA – h_Ka1)

Q₂=V x (1/γ)x (h_SA – h_Ka2)

Bu denklemlerde:

Q₁: Dönüş hava kanalında soğuma olmaksızın ısıtma yükü

Q₂: Dönüş hava kanalındaki soğuma dikkate alınarak ısıtma yükü

h_Ka1= 29.00 kJ/kg

h_Ka2= 27.00 kJ/kg

h_SA = 43.00 kJ/kg

γ   = 0.825 m³/kg

Q₁=V x (1/ϒ)x (h_SA – h_Ka1)

Q₁=9600 x (1/0.825)x (43.00– 29.00)

Q₁=162 909 kJ/saat =45.25 Kw

Q₂=V x (1/γ)x (h_SA – h_Ka2)

Q₂=9600 x (1/0.825)x (43.00– 27.00)

Q₂=186 182 kJ/saat = 51.71 kW

Kanaldaki soğuma neticesi 51.71-45.25=6.46 kW daha fazla ısıtmaya ihtiyaç bulunmaktadır.

1.8. ISI GERİ KAZANIM ELEMANLARININ TANIMI

Isı geri kazanım sistemleri “Psikrometri-I” isimli kitabımızda detaylı bir şekilde incelenmişti. Ancak burada kısa bir tanımının yapılmasının faydalı olacağı düşüncesiyle konuyu özet olarak tekrarlıyoruz. Reküperatör, veya Türkçe tabiriyle ısı değiştirgeçlerinin kullanıldığı ısı geri kazanım işlemlerini dört ana grupta toplayabiliriz.

• Çift serpantinli ısı geri kazanım sistemleri
• Isı borulu ısı geri kazanım sistemleri
• Plakalı eşanjörlü ısı geri kazanım sistemleri
• Döner tamburlu ısı geri kazanım sistemleri

Klima santrallarının tasarımı açısından her dört uygulama birbirinden farklılık gösterse de psikrometrik açıdan birbirinin aynıdır. Temel farklılık ısı geri kazanım ünitelerinin ısı geri kazanımı gerçekleştirmede gösterdikleri farklılıktır. Bu açıdan ısı geri kazanım elemanlarını iki ana 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.

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).

Bu konu ile ilgili detaylı bilgi “Psikrometri-I” kitabında bulunabilir.

1.9. %100 DIŞ HAVALI, DUYULUR ISI GERİ KAZANIMLI, YALNIZ ISITMALI KLİMA SANTRALI.

Problem: Toplam hacmi 1200 m³olan bir mahallin ısı kaybı 26 kw’tır. Bu mahallin havasının saatte  8 defa değiştirilmesi ve %100 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava kış dizayn şartları -3^oCKT, %70 rH, mahal şartları ise 20^oCKT, %40 rH’tır. Klima santralında duyulur ısı bazında %55 verimli plakalı ısı geri kazanım eşanjörü kullanılacaktır.  Psikrometrik prosesi çizin ve klima santralının tasarımını yapın.

1kW= 3600.65kJ

Bu durumda yeni “SI” birimlerine göre mahallin ısı yükü:

26×3600.65=93617 kJ/saat’tir.

Klima santralının hava debisi :  V=1200 m³x 8 defa/saat=9600 m³/saat’tir.

Mahal ısı kaybını karşılamak için gerekli olan üfleme sıcalığı da, daha önceki örneklerimizde olduğu gibi:

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t_RA)

c_p=Havanın özgül ısısı……………………………………………..    1.041 kJ/kg

γ=Havanın özgül hacmi (ortalama)..……………………….    0.800 m³/kg

Değerleri yerine koyduğumuzda:

93617= 9600 x 1.041 x( 1/0.800)x(t_SA – 20)

t_SA  = 27.49^oC ≈ 28^oC bulunur.

Bu işlemle ilgili prosesler alttaki psikrometrik diyagramda görülmektedir.

 

Eğer plakalı ısı geri kazanım eşanjörü kullanılmasaydı “OA” şartlarındaki dış havanın “SA” şartlarına kadar ısıtılması gerekecekti. Bunun için de gerekli olan ısı miktarı:

ΣQ=V x c_px (1/γ)x (t_SA– t_OA)

ΣQ= 9600 x 1.041 x (1/0.800)x(28+3)

ΣQ=  387 252 kJ/saat = 107.55 kW  olacaktı.

Ancak %55 ısı geri kazanım verimli plakalı  eşanjör  kullanıldığına  göre egzost edilen mahal havasının ısısı büyük oranda dış havaya transfer olunacak ve bu sayede önemli miktarda enerji tasarrufu yapılmış olacaktır. Duyulur ısı bazında ısı geri kazanım işleminde dış hava ile mahal havasının mutlak nem oranları eşanjördeki proses nedeniyle değişmemekte, aynı kalmaktadır. Isı alışverişi yalnız duyulur ısı bazında olmaktadır. Isı alışverişi sonucu oluşan sıcaklıkların nasıl nesaplanacağı TS EN-308’de belirtilmiştir.

η=100 x (t_RA-t_EA)/(t_RA-t_OA)

Bu formülde:

η= Eşanjörün ısı kazanım verimi……………………………………………………. (%)

t_RA= Egzost edilen havanın eşanjöre giriş sıcaklığı …………………………..(^oC)

t_EA= Egzost edilen havanın eşanjörden çıkış sıcaklığı ……………………….(^oC)

t_OA= Dış hava sıcaklığı……………………………………………………………………….(^oC)

Bizim örneğimizde ısı geri kazanım eşanjörünün verimi %55 olduğuna göre

η=(t_RA-t_EA)/(t_RA-t_OA) = 0.55 =(20-t_EA)/(20+3)

t_EA=7.35^oC

Isı geri kazanım işlemi esnasındaki egzost ve dış havaların ortalama yoğunluklarının eşit olduğunu kabul edersek:

η=(t₁-t_OA)/(t_RA-t_OA) = 0.60 =(t₁+3)/(20+3)

t₁= 9.65^oC   bulunur.

Dolayısıyla egzost edilen mahal havasının duyulur ısısının %60 oranında dış havaya transferi ile önemli bir miktarda ısı tasarrufu sağlanmış bulunmaktadır. Çünkü artık dış hava -3^oC’tan +28^oC’a değil, +9.65^oC’tan +28^oC’a ısıtılmış olacaktır. Bu nedenle klima santralındaki ısıtıcı batarya büyüklüğü:

ΣQ=V x c_px (1/γ)x (t_SA– t₁)

ΣQ= 9600 x 1.041 x (1/0.800)x(28-9.65)

ΣQ= 229 228 kJ/saat = 63.70 kW olacaktır.

Bu uygulama sayesinde:

107.55 – 63.70 = 43.85 kW enerji tasarrufu sağlanmaktadır.

Bu uygulamayla ilgili klima santralı da aşağıdaki şematik resimdedir. Resmimizde plakalı eşanjör kullanılmıştır.

 

Plakalı eşanjör, döner tambur veya ısı borusu uygulamalarında vantilatör ve aspiratörün aynı klima santralının kabini içinde olması gerekmektedir. Örneğin çizimimizde görüldüğü gibi iki katlı klima santralı uygulaması yapılmalıdır.

Örneğimizde egzost havasında herhangi bir yoğuşma olmamaktadır. Çünkü RA-EA soğuma proses hattı %100 doyma eğrisini kesmemektedir. Soğuma yalnız duyulur soğuma olduğundan herhangi bir soğuma sözkonusu değildir. Bir sonraki örneğimizde yoğuşmalı bir uygulamayı inceleyeceğiz.

Problem: 20^oCKT, %50 rH şartlarındaki  mahal havası egzost edilmektedir. Egzost edilen miktar 10 000 m³/saat’tir. Aynı miktardaki dış hava da duyulur ısı verimi %60 olan plakalı eşanjörden geçirilerek mahalle sevk edilmektedir. Dış hava şartları -10^oCKT, %70rH’tır.

• Mahal havasının eşanjör çıkış sıcaklığını ve yoğuşma miktarını belirleyiniz.
• Dış havanın eşanjörden çıkış sıcaklığını belirleyiniz.
• Transfer edilen ısı miktarını hesaplayınız.
• Eşanjörde karlanma riski var mıdır, irdeleyiniz.

η=100 x (t_RA-t_EA)/(t_RA-t_OA)=%60

η=100 x (t₁-t_OA)/(t_RA-t_OA)=%60………….. (özgül hacimlerin değişmeyeceği varsayımıyla)

t_RA= 20 ^oC

t_OA= -10 ^oC

Değerleri yerlerine koyduğumuzda:

0.60 = (t_RA-t_EA)/(t_RA-t_OA)

0.60 = (20 – t_EA)/(20 + 10)

t_EA= +2^oC

Bu işlemi psikrometrik diyagrama işlediğimizde “EA” konumunun %100 doyma eğrisinin dışında olduğunu görürüz. Bu mümkün değildir (Bkz. Psikrometri-I ). Çünkü 20^oCKT, %50 rH

değerlerine sahip “RA” oda konumunun çiy noktası “DP”dir. Bu noktaya kadar yalnız duyulur soğutma olarak gerçekleşen soğutma prosesinin aynen devam etmesi mümkün değildir. Soğutma prosesi bu noktadan itibaren %100 doyma eğrisini takip ederek soğutma ve nem alma olarak devam ederek “EA¹” noktasına kadar gelecektir. Bu proseste de dış havaya transfer olunan ısı, egzost edilen mahal havasının ısı kaybına eşittir. Bu eşitliği aşağıdaki gibi gösterebiliriz.

Q_OA-1 = Q_RA-EA1 ……………………………………………………………………………………………..…..1

Q_OA-1= V x c_px(1/γ) x (t₁– t_OA)………………………………………………………………………….2

Q_RA-EA1= V x c_px (1/γ)x(t_RA– t_DP) +  V x (1/γ) x h_fgx(w_RA– w_EA)………..……………3

Q_RA-EA1= V x (1/γ)x(h_RA– h_EA) …………………………………………………………………………4

“2” numaralı denklemdeki işlem salt ısınma işlemi olduğundan özgül ısı “c_p” ve kuru termometre sıcaklık farklarını kullanarak gerçekleştirilmektedir. Ancak “3” numaralı denklem iki farklı işlemden meydana gelmektedir. Bunlardan birisi havanın duyulur olarak soğutulmasıdır. Diğeri de havadaki mutlak nem oranının azaltılmasıdır. Birinci işlem kuru termometre sıcaklık farkları ve havanın  özgül ısısı dikkate alınarak gerçekleştirilmektedir. Nem alma işleminde ise mutlak nem oranında “w_RA-w_EA” kadar bir azalma olduğundan bu fark suyun o  sıcaklıktaki buharlaşma (=yoğuşma) entalpisi ile çarpımı neticesi bulunur. Toplam ısı kaybı da bu iki değerin toplamıdır ve entalpi farklarının havanın yoğunluğu ile çarpımına eşittir.

Q_OA-1= V x c_px(1/γ) x (t₁– t_OA)

Q_OA-1= 10000 x 1.041 x(1/0.800) x (8 + 10)

Q_OA-1= 234 225 kJ/saat = 65.05 kW

Q_RA-EA1= V x (1/γ)x(h_RA– h_EA)

Q_RA-EA1= 10000 x (1/0.800)x(40.0 – 21.7)

Q_RA-EA1= 228 750 kJ/saat = 63.53 kW

Hesapları sadeleştirmek için havanın özgül hacminin sabit olduğu kabul edilmiştir. Hakikatte verilen sıcaklıklarda havanın özgül yoğunluğu 0.7467 kg/m³ile 0.8403 kg/m³arasında değişmektedir. Değerler aşağıda verilmektedir:

-10^oCKT, %70rH…………………0.7467 kg/m³

+8^oCKT, %20rH…………………0.7982 kg/m³

+7^oCKT, %100rH…………………0.8016 kg/m³

+20^oCKT, %50rH…………………0.8403 kg/m³

Egzost havası ısı kaybını hesaplarken +7^oCKT ile +20^oCT’deki değerlerin ortalaması ile dış havanın ısınmasında -10^oCKT ile +8^oCKT deki değerlerin ortalamasının kullanılmaları daha hassas bir sonuç verecektir. Ancak önerilen işlemdeki hata payı son derece düşük olduğu için uygulamalarda kullanılabilir.

Bu görüşlerin ışığı altında yapılan hesaplar neticesi egzost edilen havadan dış havaya 65 kW enerji tasarruf edilerek tasarruf sağlandığı görülmektedir. Bir de kondansasyon miktarını hesaplayalım.

M = V x (1/γ)x (w_RA– w_EA)

M = 10000 x (1/0.800) x( 7.7 -6.0)

M = 21 250 gram/saat

Dizayn koşullarında saatte 21.25 kg yoğuşma meydana gelecektir. Bu nedenle mahal havasının çıkış tarafına (egzost tarafına) terleme tavası konulması gerekmektedir. Eğer çıkış hızı 2.5 m/san.’in üzerindeyse ilaveten separatör (damla tutucu) konması da önerilir. Egzost havası çıkış sıcaklığı 0^oC’ın üzerinde olduğu için herhangi bir şekilde karlanma riski yoktur. Eğer çıkış sıcaklığı 0^oC veya daha düşük olsaydı defrost tertibatı kullanılması gerekecekti.

1.10. KARIŞIM HAVALI, DUYULUR ISI GERİ KAZANIMLI, YALNIZ ISITMALI KLİMA SANTRALI

Problem: Klima santralının toplam hava debisi 10 000 m³/saat’tir. Klima santralı %50 dış hava ile çalışmaktadır. Dış hava şartları -10^oCKT, %70rH’tır. Klima santralında %60 duyulur ısı geri kazanım verimi olan plakalı eşanjör kullanılması düşünülmektedir. Mahallin ısı kaybı 30 kW’tır. Psikrometrik diyagramı çizin, ısıtıcı batarya büyüklüğünü belirleyin.

Önce psikrometrik diyagramı çizip prosesleri inceleyelim.

“OA” şartlarındaki dış hava palakalı ısı geri kazanım eşanjöründen geçerek “1” şartlarına kadar ısıtılma. Bu arada da “RA” şartlarında olan egzost havası “RA-DP-EA” proses hattını takip ederek soğumakta ve ısısını dış havaya transfer etmektedir. Dolayısıyla “OA-1” prosesi dış havanın ısı geri kazanımı neticesi ısınmasını göstermektedir. “1” şartlarındaki ısınmış dış hava “RA” şartlarındaki mahal havası ile %50 oranında karışarak “KA” konumunu belirler. “KA-SA” prosesi ise %50 oranında dış hava, mahal havası karışımının ısıtıcı bataryada ısıtılmasıdır. Bu prosesin 20^oCKT’ye kadar olan kısmı dış havanın mahal sıcaklığına kadar ısıtılması, geri kalan kısmı ise mahal ısı kaybını karşılamak için yapılan ilave ısıtma işlemidir. Bu işleme uygun klima santralı aşağıdaki çizimde gösterilmektedir.

Eğer klima santralında plakalı ısı geri kazanım elemanı bulunmasaydı ısıtıcı batarya büyüklüğü “X-SA” olarak belirlenecekti. Halbuki plakalı eşanjör kullanımı ile bu büyüklük “KA-SA”ya indirgenmiş, “X-KA” kadar enerji tasarrufunda bulunulmuş bulunmaktadır.

Isı geri kazanımı olmaksızın ısıtıcı batarya büyüklüğü:

Q= V x c_px (1/γ) x ( t_SA-t_x)= V x (1/ϒ) x ( h_SA-h_x)

Isı geri kazanımı sonucu ısıtıcı batarya büyüklüğü:

Q_ıg= V x c_px (1/γ) x ( t_SA-t_KA)= V x (1/ϒ) x ( h_SA-h_KA)

Yapılan enerji tasarrufu ise:

ΔQ= Q – Q_ıg= V x c_px (1/γ) x ( t_KA-t_x)= V x (1/ϒ) x ( h_KA-h_x)

Bu ifadeleri problemimize uygularsak:

Q= 10000 x 1.041 x (1/0.825) x ( 29.4-5)=295 757 kJ/saat =82.14 kW

Q_ıg= 10000 x 1.041 x (1/0.825) x ( 29.4-14)=194 320 kJ/saat= 53.97 kW….. ısıtıcı batarya büyüklüğü ve;

ΔQ= Q – Q_ıg= 82.14 – 53.97 = 28.17 kW…………enerji tasarrufu bulunur.

1.11. %100 DIŞ HAVALI, TOPLAM ENERJİ GERİ KAZANIMLI, YALNIZ ISITMALI KLİMA SANTRALI

Çözümlü örneklere geçmeden önce, toplam ısı geri kazanımlı eşanjörler hakkında kısa bilgi verelim. 1.8 sayılı konumuzda ısı geri kazanım elemanlarının genel tanımını yapmış, dört değişik tip elemanı incelemiştik. Bunlardan ikisinin entalpi bazında ısı geri kazanımı yapabildiğini görmüştük. Entalpi bazında ısı geri kazanımı hem duyulur ısı geri kazanımını, hem de gizli ısı geri kazanımı içerir. Bu nedenle bu tip eşanjörler için iki değişik verim kullanılır.

η_duy=100 x (t_RA-t_EA)/(t_RA-t_OA)

η_giz= 100 x (w_RA-w_EA)/(w_RA-w_OA)

Bu formülde:

η_duy= Eşanjörün duyulur ısı kazanım verimi……………………………………………. (%)

t_RA= Egzost edilen havanın eşanjöre giriş sıcaklığı …………………………….…..(^oC)

t_EA= Egzost edilen havanın eşanjörden çıkış sıcaklığı ……………….…………….(^oC)

t_OA= Dış hava sıcaklığı…………………………………………………………………….…………(^oC)

 

η_giz= Eşanjörün gizli ısı kazanım verimi…………………..………………………………. (%)

w_RA= Egzost edilen havanın mutlak nem oranı …………………….…….…..( gr/kg_da)

w_EA= Egzost edilen havanın eşanjörden çıkış mutlak nem oranı ..….( gr/kg_da)

w_OA= Dış havanın mutlak nem oranı…………………………………….……………(gr/kg_da)

Bu işlemi entalpi tekerleği de tabir edilen döner tamburlu toplam enerji geri kazanım elemanını inceleyerek yapalım.

Şematik çizimdeki semboller şöyledir.

t_RA= Egzost edilen havanın eşanjöre giriş sıcaklığı …………………………………..(^oC)

w_RA= Egzost edilen havanın mutlak nem oranı ……………………………….( gr/kg_da)

h_RA= Egzost edilen havanın entalpisi ……………..…………………………………..( kJ/kg)

 

t_EA= Egzost edilen havanın eşanjörden çıkış sıcaklığı ………………………………(^oC)

w_EA= Egzost edilen havanın eşanjörden çıkış mutlak nem oranı ……( gr/kg_da)

h_EA= Egzost edilen havanın eşanjörden çıkış entalpisi ……………..……….( kJ/kg)

 

t_OA= Dış havanın eşanjöre giriş sıcaklığı ………………………..…………………………(^oC)

w_OA= Dış havanın mutlak nem oranı …………………………..………………..….( gr/kg_da)

h_OA= Dış havanın entalpisi ……………..………………………..………………………….( kJ/kg)

 

t₁ = Dış havanın eşanjörden çıkış sıcaklığı ………………………..………………………(^oC)

w₁ = Dış havanın eşanjörden çıkış mutlak nem oranı ……………..……….( gr/kg_da)

h₁ = Dış havanın eşanjörden çıkış entalpisi ……………..………………………….( kJ/kg)

Hava yoğunluğunun sıcaklığa bağlı olarak çok az değişeceği nedeniyle sabit kabul edilmesi durumunda verim formüllerimiz aşağıdaki duruma gelir.

η_duy=100 x (t_RA-t_EA)/(t_RA-t_OA)= 100 x (t₁-t_OA)/(t_RA-t_OA)

η_giz= 100 x (w_RA-w_EA)/(w_RA-w_OA) = 100 x (w₁-w_OA)/(w_RA-w_OA)

η_top= 100 x (h_RA-h_EA)/(h_RA-h_OA) = 100 x (h₁-h_OA)/(h_RA-h_OA)

Şimdi yukarıdaki işlemleri bir örnekle hesaplayalım ve psikrometrik diyagramda prosesi gösterelim.

Problem: Klima santralının toplam hava debisi 10 000 m³/saat’tir. Klima santralı %100 dış hava ile çalışmaktadır.Mahal şartları 20^oCKT, %50 rH, dış hava şartları ise -10^oCKT, %70rH’tır. Klima santralında %75 duyulur ısı geri kazanım verimi, %55 gizli ısı geri kazanım verimi olan entalpi tekerleği kullanılmaktadır.  Egzost havası ile dış havanın eşanjör çıkış şartlarını ve sistemin toplam ısı geri kazanım verimini hesaplayın.

η_duy=100 x (t_RA-t_EA)/(t_RA-t_OA)= 100 x (t₁-t_OA)/(t_RA-t_OA)

75 =100 x (20-t_EA)/(20 + 10)

T_EA= -2.5^oCKT

η_duy= 100 x (t₁-t_OA)/(t_RA-t_OA)

η_duy= 100 x (t₁-t_OA)/(t_RA-t_OA)

75 = 100 x (t₁+10)/(20 + 10)

t₁= +12.5^oCKT

η_giz= 100 x (w_RA-w_EA)/(w_RA-w_OA)

55 = 100 x (7.2 -w_EA)/(7.2 – 1.3)

w_EA= 3.95 gr/kg_da

η_giz= 100 x (w₁-w_OA)/(w_RA-w_OA)

55 = 100 x (w₁ – 1.3)/(7.2 – 1.3)

w₁ = 5.25 gr/kg_da

Bu değerleri psikrometrik diyagram üzerine koyup “OA-1” ve “RA-EA” proses doğrularını çizelim.

Şimdi de sistemin toplam ısı geri kazanım verimini hesaplayalım.

η_top= 100 x (h_RA-h_EA)/(h_RA-h_OA)

h_RA= 38.8 kJ/kg

h_EA= 7.0 kJ/kg

h_OA= -7.2585 kJ/kg (bkz. Psikrometri-I, sayfa-132, Tablo-8)

η_top= 100 x (38.8 – 7.0)/(38.8 + 7.2585)

η_top= 69 (%)

Uygulamamızda sistemin toplam enerji bazında ısı geri kazanım verimi %69’dur.

1.12. KARIŞIM HAVALI, TOPLAM ENERJİ GERİ KAZANIMLI, YALNIZ ISITMALI KLİMA SANTRALI

Problem: Klima santralının toplam hava debisi 10 000 m³/saat’tir. Klima santralı %50 dış hava ile çalışmaktadır.Mahal şartları 22^oCKT, %50 rH, dış hava şartları ise -5^oCKT, %70rH’tır. Klima santralında %75 duyulur ısı geri kazanım verimi, %45 gizli ısı geri kazanım verimi olan entalpi tekerleği kullanılmaktadır. Mahal ısı kaybı 30 kW’tır.  Egzost havası ile dış havanın eşanjör çıkış şartlarını ve sistemin toplam ısı geri kazanım verimini hesaplayın.

Q_mahal= 30 kW= 30 x 3600.65 = 108 110 kJ/saat

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t₁)

108 110 = 10 000 x 1.041 x (1/0.85) x (t_SA – 20)

t_SA = 28.82^oC

Şimdi prosesi psikrometrik diyagramda gösterelim.

Psikrometrik diyagramımızda “OA-1” hattı, döner tamburda dış havanın ısı ve kütle transferi  neticesi kuru termometre sıcaklığıyla mutlak nem oranının artarak “OA” konumunan “1” konumuna gelmesi prosesidir. Kesik çizgiyle gösterilen “RA-EA” hattı aynı döner tamburda, egzost edilen hava içindeki duyulur ısı ile mutlak nem oranının  dış havaya transferidir. “1-RA” hattı, döner tamburdan “1” şartlarında çıkan dış hava ile “RA” şartlarındaki oda havasının karışım prosesidir. “Ka” karışım havasının konumunu bu hat üzerinde karışım yüzdesi belirler. “Ka-SA” ise karışım havasının sevk şartı olan “SA” konumuna kadar ısıtıcı bataryada ısıtılmasıdır. Havanın “t_Ka” kuru termometre sıcaklığından “t_RA” kuru termometre sıcaklığına ısıtılması, karışım havasının mahal şartlarına kadar ısıtılmasıdır. “t_RA”dan “t_SA” kuru termometre sıcaklığına ısıtılması ise mahal ısı kaybını karşılamak içindir.

Bu prosese uygun klima santralı yukarıda görülmektedir. Klima santralı içinde soğutucu batarya da bulunmaktadır. Ancak soğutma ile ilgili prosesleri “Yaz Kliması” isimli bahiste inceleyeceğiz.

Isıtıcı batarya kapasitesinin belirlenmesi

ΣQ = V x c_p x (1/γ) x ( t_SA – t_Ka)

ΣQ = 10 000 x 1.041 x (1/0.85) x (28.82– 18.80)

ΣQ = 122 716 kJ/saat

ΣQ = 34.08 kW

Bu kapasitenin 4.08 kW’ı karışım havasının mahal şartlarına kadar ısıtılması için gerekli olan kapasitedir.

ΣQ = Q_Ka + Q_mahal

Q_Ka= V x c_p x (1/γ) x ( t_RA – t_Ka)

Q_Ka= 10 000 x 1.041x (1/0.85) x ( 20– 18.80 )

Q_Ka= 14 696 kJ/saat = 4.08 kW

Mahal ısı kaybı

30 kW= 30 x 3600.65 = 108 110 kJ/saat

Q_mahal=V x c_px (1/γ)x (t_SA – t_RA)

108 110 = 10 000 x 1.041 x (1/0.85) x (t_SA – 22)

t_SA = 30.82^oC

Bu arada sistemimizin toplam ısı geri kazanım verimliliğini hesaplayalım.

η= (h_RA– h_EA)/(h_RA– h_OA)

h_RA= 43.3 kJ/kg

h_EA = 12.1 kJ/kg

h_OA = -1.0 kJ/kg

 

η= (43.3 – 12.1)/(43.3 + 1.0)

η= 0.70 = %70

geri kazanılan ısı miktarı ise:

Q_hr= V_dışhavax (1/γ) x (h_RA– h_EA )

Q_hr= (10 000 x 0.50) x (1/0.825) x (43.3- 12.1)

Q_hr= 189090 kJ/saat = 52.53 kW

3. ÖZEL UYGULAMALAR

3.1. AT NALI ISI BORUSU UYGULAMALARI

Isı boruları veya yaygın olan İngilizce tanımıyla “heat pipe” aslında yerçekimi ile çalışan pasif bir ısı geri kazanım ve transferi elemanıdır. Konstrüksiyon olarak bakır boru-aluminyum/bakır kanatlı hava ısıtıcı/soğutucu bataryaları andırmaktadır. Boruların içleri fabrikasyon esnasında R-134A, R404A gibi soğutucu akışkanlarla doldurulmuştur. Çalışma prensibi aşağıdaki şemada görülmektedir.

Isı borusunun alt bölümünden geçen sıcak hava, içindeki ısının bir miktarını transfer ederek eşanjör içindeki akışkanın buharlaşmasına neden olur. Buharlaşan akışkan yoğunluk farkı nedeniyle yükselir (mavi oklar). Üst kısma gelince ise soğuk dış hava ile temas eder, içindeki ısı enerjisini soğuk havaya transfer ederek ısınmasına neden olur. Kendi de ısı kaybı neticesi yoğuşur, yoğunluğu arttığı için tekrar aşağı iner (kırmızı oklar). Bu ısı geri kazanım cihazlarının verimleri yalnız duyulur ısı bazında olup genelde %50’nin altındadır. Yerçekimi ile çalıştıkları için genelde dik bir yapıya  veya kondenser kısmının daha yüksek bir seviyede olmaları gerekir.

Atnalı uygulaması da aynı prensip ile çalışan, nem alma işlemlerinde enerji tasarrufuna yönelik bir uygulamadır.

Bu uygulama ile ilgili resimler aşağıda görülmektedir.

Resimlerde de görüldüğü gibi ısı borusu atnalı tarzında imal edilmiş; “U” harfi tarzındaki formunun ortasında da soğutma serpantini yerleştirilmiştir. Ancak ısıyı tranfer edecek olan akışkan yerçekimi ile çalıştığı için kondenser görevini gören ısıtma parçası biraz daha yükseğe yerleştirilmiş bulunmaktadır.

Nemli ve sıcak hava ilk olarak , ön soğutma amacıyla atnalı ısı borusunun evaporatör kısmıyla temas ederek içindeki ısının bir kısmını akışkana transfer ederek duyulur ısı bazında bir soğuma işlemine tabi olur. Bu işlemden sonra kısmen soğumuş hava soğutucu batarya ile temas eder. Burada hem soğutma hem de nem alma işlemleri gerçekleştirilir. Nem alma miktarı soğutucu bataryada kullanılan soğutucu akışkanın ve dolayısıyla soğutucu bataryanın satıh sıcaklığına bağlıdır. İçindeki nemi büyük oranda burada bırakan hava atnalı ısı borusunun son elemanı olan kondenser kısmıyla temasa geçer. Burada daha önce soğurken vermiş olduğu ısıyı geri kazanır, ısınmış ve nemi düşmüş olarak mahalle sevk olunur.

Şimdi bu işemi bir örnekle pekiştirelim:

Problem: Kapalı bir yüzme havuzundaki toplam buharlaşma miktarı 42 kg/saat’tir. Yüzme havuzunun bulunduğunu mahallin tasarım şartları 26^oCKT, %50 rH olup müsaade edilen maksimum bağıl nem seviyesi %65’dir. Sistem %100 resirküle hava ile çalışmaktadır. Isı borusunun verimi %50’dir.Aşağıdaki doneleri bulunuz:

• Gerekli hava debisi
• Gerekli soğutma yükü
• Atnalı ısı borusu kullanılmasaydı gerekli olacak soğutma ve son ısıtma yükleri.

 Yapacağımız ilk işlem havanın soğutucu bataryadan çıkış sıcaklığını tahmin etmektir. Bunun için mahal tasarım şartı olan 26^oCKT, %50 rH’ı psikrometrik diyagram üzerinde belirler, bu  noktadan yatay  bir  hat çizeriz. Hattımız  %100  doyma eğrisini  14.4^oC’ta kestiğine göre soğutucu batarya çıkışını yaklaşık %95 rH’a tekabül eden 15^oCKT olarak kabul edebiliriz. Bu sıcaklık “t₃”kuru termometre sıcaklığıdır.

Bundan sonra yapılacak ikinci işlem TS-308’e göre ısı geri kazanım ünitesi verim denklemini kurmak ve gerekli “t₂” sıcaklığını bulmaktır.

η= (t₁-t₂)/(t₁-t₃)

0.50= (26-t₂)/(26-15)

t₂= 20.5^oCKT

Aynı şekilde t₄kuru termometre sıcaklığını da bulabiliriz. Bu sıcaklık ta 20.5^oCKT bulunur.

Şimdi artık psikrometrik diyagramı çizebiliriz.

Psikrometrik diyagramımızda “RA” konumu mahal şartlarını, “1” konumu da maksimum mahal şartlarını belirlemektedir. “1-2” ve “3-4” doğrularıyla gösterilen prosesler atnalı ısı borusundaki ısı alış verişlerini göstermektedir. “1” konumundaki iç hava ısı borusunun üzerinden geçerken “2” noktasına kadar duyulur soğutma işlemine tabi olmaktadır. “2” konumunda ısı borusunu terk eden hava soğutucu bataryada “3” konumuna kadar soğutulmakta ve nemi alınmaktadır. “3” konumudaki hava ise atnalı ısı eşanjörünün son kademesinden geçerek “4” konumuna kadar ısıtılmakta ve mahalle sevk edilmektedir.

Bu örnekte yalnız nem alma öngörüldüğünden “4” konumundaki havanın  “RA” şartlarına kadar tekrar ısıtılması yapılmamaktadır. Mahalde ayrı bir ısıtma sistemi ve/veya dahili ısı kazançlarının olduğu varsayılmaktadır. Eğer “RA” şartlarına kadar  bir

Isıtma işlemi gerekirse, “4-RA” prosesinde gösterilen son ısıtıcı bataryanın klima santralına ilavesi gerekir.

Şimdi psikrometrik diyagram üzerinden okuduğumuz değerleri kaydedelim.

w₁= 13.9 gr/kg

w₂= 10.8 gr/kg

h₁= 62.0 kJ/kg

h₂= 55.7 kJ/kg

h₃= 41.5 kJ/kg

h₄= 47.8 kJ/kg

Verilen değerleri esas alarak hava debisini belirleyelim:

V= (M x 1000)/[(w₁-w₄)x(1/γ)]……………………………… ( M= 42 kg/saat)

V= (42 x 1000)/[(13.9 – 10.8)x(1/0.850)]

V= 11 516 m³/saat

Şimdi de soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyelim.

Q_soğ= V x (1/γ) x (h₂-h₃)

Q_soğ= 11 516 x (1/0.850) x (55.7 – 41.5)

Q_soğ= 192 385 kJ/saat

Q_soğ= 53.4 kW

Atnalı ısı borusu uygulaması, daha önce de belirtildiği gibi enerji tasarrufuna yönelik bir uygulamadır. Eğer bu uygulama yerine klasik soğutma ve son ısıtma uygulamasını yapmış olsaydık enerji sarfiyatımız ne olurdu hesaplayalım.

Q_soğ= V x (1/γ) x (h₁-h₃)

Q_soğ= 11 516 x (1/0.850) x (62.0 – 41.5)

Q_soğ= 277 739 kJ/saat

Q_soğ= 77.2 kW

Q_ısıt= V x (1/γ) x (h₄-h₃)

Q_ısıt= 11 516 x (1/0.850) x (47.8 – 41.5)

Q_ısıt= 85 354 kJ/kW

Q_ısıt= 23.7 kW

ΣQ = Q_soğ+ Q_ısıt

ΣQ = 77.2 + 23.7 = 100.9 kW

Bu uygulamadaki enerji tasarrufumuz ise:

100.9 – 53.4 = 47.5 kW olmaktadır.

Buna benzer diğer bir uygulama da %100 dış havalı, ancak mutlak nemi yüksek olan klima sistemlerinde nem kontrolunu atnalı ısı borusu ile sağlamaktır. Bunu da bir örnekle pekiştirelim:

Problem: Dış hava şartları 36^oCKT, 27^oCYT, mahal şartları 26^oCKT, %50rH olan bir mahallin taze hava ihtiyacı 8000 m³/saat’tir. Sistemi %100 taze hava ile çalışacaktır ve dış hava mahalle mahal şartlarında üflenecektir. Sistemi atnalı ısı borusu kullanmak suretiyle çözünüz. Kullanılacak ısı geri kazanım eşanjörünün verimi %45’dir.

Aynı bahsin bir önceki örneğinde olduğu gibi, psikrometrik diyagramda “RA” mahal şartlarından yatay bir hat çizerek bu hattın %100 doyma eğrisiyle kesişmesi sağlanır. Bu hat üzerinde soğutucu batarya çıkış şartı 15^oCKT, %97rH olarak kabul edilir. 15^oCKT bizim “t₃” kuru termometre sıcaklığımızdır. İkinci aşama olarak ısı geri kazanım eşanjörü verimini esas alarak “t₂” sıcaklığını belirleriz.

 η= (t₁-t₂)/(t₁-t₃)

0.45= (36-t₂)/(36-15)

t₂= 26.5^oCKT

Aynı şekilde “t₄” sıcaklığını da belirleriz.

η= (t₄-t₃)/(t₁-t₃)

0.45= (36-t₂)/(36-15)

t₂= 24.5^oCKT

Artık psikrometrik diyagramımızı çizebiliriz.

Bir önceki örnekte olduğu gibi bu örneğimizde de “1-2” hattı atnalı ısı borusunda dış havanın soğuması, “2-3” hattı soğutma bataryasında havanın soğutulması, “3-4” hattı da soğutucu bataryadan çıkan havanın ısı geri kazanımı sonucu “4” noktasına kadar ısınması prosesidir. Eğer mahalde herhangi bir ısı kaynağı yoksa “4-RA” prosesine uygun bir son ısıtma yapılabilir.

Aşağıdaki değerler psikrometrik diyagramdan alınmıştır.

h₁= 85.7 kJ/kg                               w₁= 19.0 gr/kg

h₂= 76.4 kJ/kg

h₃= 41.4 kJ/kg

h₄= 50.3 kJ/kg

h_RA=53.0 kJ/kg                               w_RA=10.4 gr/kg

Soğutucu bataryanın büyüklüğü:

Q_soğ= V x (1/γ) x (h₂-h₃)

Q_soğ= 8 000 x (1/0.850) x (76.4 – 41.4)

Q_soğ= 329 412 kJ/saat

Q_soğ= 91.5 kW

Son ısıtıcı bataryanın büyüklüğü:

Q_ısıt= V x (1/γ) x (h_RA-h₄)

Q_ısıt= 8 000 x (1/0.850) x (53.0 – 50.3)

Q_ısıt= 24 412 kJ/kW

Q_ısıt= 7 kW

3.2. ÇİFT TAMBURLU ISI GERİ KAZANIMLI SİSTEMLER

Yüksek dış hava kuru termometre sıcaklığına ve yüksek bağıl neme sahip yerlerde gerekli konfor şartlarını temin edebilmek için havanın soğutulması, mutlak neminin azaltılması ve bilahare belirli bir konuma kadar ısıtıldıktan sonra mahalle sevk edilmesi gerekir. Bu uygulama işletme ekonomisi açısından çok pahalı bir sistemdir. Çünkü bağıl nemin kontrol edilebilmesi için havanın gereğinden fazla soğutularak neminin azaltılması, bilahare aynı havanın normal üfleme şartlarına kadar son ısıtıcıda tekrar ısıtılması gerekmektedir. Bu uygulama konu 2.4’de anlatılmıştır. Daha önce anlatılmış bu konuda maksimum enerji geri kazanımı ile minimum enerji sarfiyatı ve dolayısıyla minimum işletme masrafıyla bu prosesi gerçekleştirebilmek için geliştirilen sistemlerden biri de çift tamburlu ısı geri kazanım sistemleridir.  Çift tamburlu sistem uygulamasıyla soğutma ihtiyacı minimumda tutulmakta, mahalden egzost edilen havanın içindeki enerjiden maksimum tarzda faydalanılmaktadır.

Bu uygulamada kullanılan klima santralları iki katlı olup şematik çizimi aşağıda gösterilmektedir.

Santral %100 taze hava ile çalışmaktadır. Dönüş havası önce duyulur ısı tamburundan geçerek içinde enerjinin bir miktarını bırakmakta, bilahare absorbsiyon tamburunda ise büyük oranda hem duyulur ısısının hem de gizli ısısının taze havaya transferini gerçekleştirmektedir. Aynı şekilde taze hava da absorbsiyon tamburundan geçerek egzost edilen havanın duyulur ve gizli ısısını kazanmaktadır. Bundan sonraki aşamada taze hava soğutucu bataryada soğutulmakta, bilahare duyulur ısı tamburunda da ısı transferi sayesinde belirli bir konuma kadar ısıtılmakta ve mahalle sevk olunmaktadır.

Önceki sayfadaki psikrometrik diyagramda dış havanın klimatizasyonu ile ilgili prosesler kırmızı, dönüş-egzost havası ile ilgili prosesler de mavi hatlarla gösterilmektedir. Kırmızı “OA-1” proses hattı ile mavi “3-EA” hattı absorbsiyon tamburunda toplam enerji transferini simgelemektedir. “OA” konumundaki dış hava “1” konumuna kadar soğur ve nemini kaybederken içindeki nem ve ısıyı “3” konumundaki egzost edilecek havaya transfer etmektedir. “1-2” ise absorbsiyon tamburundan çıkan havanın soğutulması işlemidir ve hava “2” konumuna kadar soğutulmaktadır. “2” konumundaki hava ile “RA” konumundaki mahal havası ise duyulur ısı tamburunda yalnız duyulur ısı bazında ısı tranferini gerçekleştirmektedir. Bu prosesler mavi “RA-3” ve kırmızı “2-SA” hatlarıyla gösterilmektedir. “SA-RA” hattı ise mahalle sevk edilen havanın %55 duyulur ısı oranıyla mahalde ısınmasını göstermektedir.

Şimdi de bununla ilgili bir örnek yapalım:

Problem: Bir mahallin duyulur ısı oranı %55, mahallin ısı yükü ise 60kW’tır. Mahal şartları 26^oCKT, %50rH, dış hava şartları 36^oCKT, 30^oCYT’dir. Sistem %100 dış hava ile çalışacaktır. İki katlı klima santralı kullanılacak olup dış hava sırasıyla absorbsiyon tamburu, soğutucu batarya ve duyulur ısı tamburundan geçtikten sonra mahalle sevk edilecektir. Taze hava-klimatize hava iki katlı klima santralının alt katını oluşturacaktır. Üst kat ise dönüş havası-egzost için ayrılmış olup akış yönü taze havaya göre ters yöndedir (bkz. şekil s.61). Duyulur ısı tamburunun verimi %50’dir. Absorbsiyon tamburunun duyulur ısı verimi %85, gizli ısı verimi ise %75’tir. Kullanılacak soğutucu akışkan 7/12^oC soğuk sudur.

• Psikrometrik diyagramı çizin
• Hava debisini belirleyin
• Soğutucu batarya yükünü belirleyin.

Soğutucu bataryada kullanılacak soğutucu akışkan 7/12^oC soğuk su olduğundan soğutma prosesi cihaz çiy noktasını “ADP” 7^oC,ve belirli bir by-pass oranı kabulüyle soğutucu batarya çıkış şartlarını 11^oCKT olarak kabul edebiliriz. (burada soğutucu bataryanın ters yönlü ısı eşanjörü olduğunu kabul ediyoruz, bu durumda ADP 7^oC’tır. Eğer soğutucu batarya paralel yönlü ısı eşanjörü olsaydı ADP 12^oC olurdu) Bu kabuller neticesi “2” noktasını psikrometrik diyagram üzerinde belirleyebiliriz.

Dönüş havası duyulur ısı tamburundan geçeceği için buradaki proses yatay çizgilerle gösterilecektir. Bu nedenle “2” noktasından yatay bir hat, “RA” noktasından da diğer bir yatay hattı çizebiliriz.

Şimdi sırada “RSHR” oda duyulur ısı oranını esas alarak klimatize havanın mahalde ısınmasını belirleyen yatay hattı çizmemiz gerekir. Bunun için “q_sens/q_tot” çemberinde RSHR=0.55 hattını çizer ve bunu paralel bir şekilde “RA” noktasına taşırız. Bu hatla “2” noktasından gelen yatay hattın kesiştiği nokta, klimatize havanın mahalle üfleneceği “SA” noktasıdır. Ancak bu noktanın duyulur ısı tamburunun verimi olan %50 şartını karşılaması gekekir. Şöyleki:

η=(t_SA-t₂)/(t_RA-t₂)

η=(t_SA– 11)/(26 -2)=0.50

t_SA =18.5^oCKT

Dolayısıyla seçimimiz doğrudur. Eğer psikrometrik diyagramdaki çizim ile hesap neticesi bulunan “t_SA” birbirinden farklı çıkarsa iki uygulama yapılabilir.

• “t₂”şartının konumu, istenen eşitlik sağlanana kadar deneme-yanılma metoduyla değiştirilir, veya
• Duyulur ısı tamburunun verimi değiştirilerek yeniden belirlenir.

Aynı şekilde “3” konumunun kuru termometre sıcaklığını da hesaplayabiliriz.

η=(t_RA-t₃)/(t_RA-t₂)

η=(26-t₃)/(26 – 11)= 0.50

t₃= 18.5^oCKT

Egzost havası “3” konumunda absorbsiyon tamburundan geçerek bu tambura “OA” şartlarında giren dış havayla duyulur ve gizli ısı transferinde bulunur. Bu tamburun iki verimi vardır.

Duyulur ısı verimi:

η_sens=(t_OA-t₁)/(t_OA-t₃)= 0.85

η_sens=(36-t₁)/(36-18.5)= 0.85

t₁= 21.13^oCKT

Gizli ısı verimi:

η_lat=(w_OA-w₁)/(w_OA-w₃)= 0.75

η_lat=(24.8-w₁)/(24.8-10.5)= 0.75

w₁= 14.08 gr/kg

Bu iki değeri belirledikten sonra “1” konumunu psikrometrik diyagram üzerinde işaretleyebiliriz.  Şimdi de aynı yöntemle “EA” konumunu belirleyebiliriz.

η_sens=(t_EA-t₃)/(t_OA-t₃)= 0.85…………………buradan t_EA= 33.38^oCKT

η_lat=(w_OA-w₁)/(w_OA-w₃)= 0.75…………….buradan da w_EA= 21.33 gr/kg bulunur.

“EA” değerleri yalnız bilgi için olup psikrometrik prosesimizle direkt ilişkili değildir.

Tekrar hava debisinin hesaplanmasına dönelim:

ΣQ= V x (1/γ) x (h_RA-h_SA)

veya

Q_SENS= ΣQ x RSHR

Q_SENS= V x c_px (t_RA-t_SA)

Q)h_SENS= 60 x 0.55 = 33 kW = 118 820 kJ/saat

118 820 = V  x 1.0054 x (26 – 18.5)

V = 15757    ~  16 000 m³/saat

Hava debisini bulduktan sonra soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyebiliriz. Ancak ondan önce psikrometrik diyagramımızdan okuduğumuz entalpi, mutlak nem ve kuru termometre değerlerini bir tablo halinde aşağıya yazalım.

h_OA= 101.0 kj/kg                       w_OA= 24.8 gr/kg                 t_OA= 36.0^oCKT

h_EA=   87.0 kj/kg                       w_EA= 21.3 gr/kg                  t_EA= 33.0^oCKT

h₁  =   57.8 kj/kg                       w₁ = 14.3 gr/kg                     t₁  = 21.3^oCKT

h_RA=   52.5 kj/kg                       w_RA= 10.6 gr/kg                 t_RA= 26.0^oCKT

h₃  =   45.0 kj/kg                       w₃ = 10.6 gr/kg                   t₃  = 18.5^oCKT

h_SA=   38.7 kj/kg                                                                       t_SA= 18.5^oCKT

h₂  =   31.0 kj/kg                                                                       t₂  = 11.0^oCKT

Bu değerleri belirledikten sonra soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyebiliriz.

Q_soğ= V x (1/γ) x (h₁-h₂)

Q_soğ= 16 000 x (1/0.850) x (57.8 – 31.0)

Q_soğ= 504 471 kJ/saat = 140 kW

Bu uygulama ile ne kadar enerji tasarrufu yaptığımızı belirleyebilmemiz için hiç enerji geri kazanımı yapmaksızın salt soğutma ve son ısıtıcı ile “SA” noktasını gerçekleştirmek için enerji gereksinimimizi hesaplamamız gerekir.

Önce soğutma yükünü hesaplayalım:

Q_soğ= V x (1/γ) x (h_OA-h₂)

Q_soğ= 16 000 x (1/0.850) x (101.0 – 31.0)

Q_soğ= 1 317 647 kJ/saat = 366 kW

Şimdi de son ısıtıcı yükünü hesaplayalım:

Q_ısıt= V x (1/γ) x (h_SA-h₂)

Q_ısıt= 16 000 x (1/0.850) x (38.7 – 31.0)

Q_ısıt= 144 941 kJ/saat =  40.3 kW

Neticede 366+40.3= 406.3kW enerji sarfiyatı ile gerçekleştirilecek bir yaz kliması, ısı geri kazanımı sayesinde 140kW ile çözülmektedir. Buradaki enerji tasarrufu:

η= (406.3-140)/406.3 = 0.656 ~ %66 oranındadır.

Aynı uygulamayı kış için yapalım.

Problem: Önceki örnekteki mahallin ısıtma yükü 30kW’tır. Mahal şartları 22^oCKT, %50rH, dış hava şartları -10^oCKT, %60rH’dır. Sistem %100 dış hava ile çalışacaktır ve hava debisi bir önceki örnekte hesaplandığı gibi 16000 m³/saat’tir. Aynı klima santralı kullanılacaktır.

Duyulur ısı tamburunun verimi %50’dir. Absorbsiyon tamburunun duyulur ısı verimi %85, gizli ısı verimi ise %75’tir. Kullanılacak ısıtıcı akışkan 60/40^oC sıcak sudur.

• Psikrometrik diyagramı çizin
• Hava debisini belirleyin
• Isıtıcı batarya yükünü belirleyin.

Psikrometrik diyagramda ilk yapacağımız işlem mahal “RA” ve dış hava şartlarının “OA” konumlarını belirlemek olacaktır. Bir önceki örneğimizde olduğu gibi duyulur ısı tamburundaki ısı transferi prosesi sonucu “2” ve “4” konumları bulunur. “4” konumundaki hava absorbsiyon tamburuna girmekte, içindeki duyulur ısı ve nemi dış havaya transfer etmektedir. “OA-1” prosesi dış havaya olan ısı ve nem transferini, “4-EA” prosesi de duyulur ısı tamburundan çıkan mahal havasının içindeki duyulur ısıyı ve nemi dış havaya transfer ettikten sonra “EA” şartlarında egzost edilmesini göstermektedir. Burada dikkat edilecek bir husus vardır. “4-EA” prosesi 4.5^oC’ta doyma noktasına varmakta ve bu noktadan itibaren %100 doyma eğrisini takip etmektedir. “EA” ise egzost edilen havanın konumunu göstermektedir. “1” konumunda absorbsiyon tamburunu terk eden dış hava “1-2” prosesi ile duyulur ısı tamburunda “2” konumuna kadar ısınır.

61’inci sayfada şematik olarak gösterilen klima santralı dış havayı “2” şartlarında mahalle sevk edebilecek durumdadır. Ancak mahallin 30 kW ısı kaybını karşılayabilmek için iki yol vardır.

• Kış uygulamasında duyulur ısı tamburunu kullanım dışı bırakmak. Bunun için tamburun dönüş  hızının sıfıra  ayarlanması    Böyle  bir  uygulamada soğutma bataryası kış uygulamasında ısıtma bataryası olarak çalışacaktır. Bu uygulama ile ilgili psikrometrik diyagram aşağıdadır.

• Diğer bir uygulama da her iki tamburun kış uygulamasında çalışması, ancak soğutucu bataryanın devre dışı kalmasıdır. Bu uygulamada duyulur ısı tamburu ile vantilatör arasına bir ısıtıcı batarya ilavesi gerekecektir. Bu uygulamaya ait klima santralının şematik çizimi aşağıdadır.

Isı ekonomisi açısından çift tamburlu ve ilave ısıtıcı bataryalı klima santralı uygulaması daha uygundur. Çünkü çift tamburlu kış uygulamasında ısıtma prosesi “2-3”den ibarettir. Halbuki soğutma bataryasının ısıtıcı olarak kullanılmasında “1-3” hattında görüldüğü gibi daha yüksek bir ısı ihtiyacı oluşacaktır.

3.3. ABSORBSİYONLU NEM ALMA SİSTEMLERİ:

Adsorbsiyonlu nem alma “Psikrometri-I” isimli kitabımızın 118’inci sayfasındaki 6.8.2. sayılı bahiste geniş olarak anlatılmıştır. Burada yalnız bu işleme uygun bir klima santralının çizimini vermekle yetinecek, bir nem alma problemini çözeceğiz.

Problem: 26^oCKT, %65 rH şartlarındaki bir mahalde insanlardan ve havuz sathından 69 kg/saat su buharı üretimi bulunmaktadır. Mahalli istenen şartlarda tutabilmek için gerekli adsorbsiyon tamburlu klima santralının proses havasının ve reaksiyon havasının debilerini hesaplayınız. Kullanılacak olan adsorbsiyonlu tamburun belirtilen şartlardaki nem alma miktarı 9 gr/kg kuru havadır (imalatçı firma kataloğundan).

Bu uygulamada normal sıcaklık psikrometrik diyagramı yerine yüksek sıcaklık psikrometrik diyagramını kullanmamız gerekecektir. Çünkü reaksiyon havasının sıcaklığı 120^oCKT olacaktır.

İlk olarak mahal şartını, mahal havasının 120^oCKT sıcaklığına kadar ısıtılmış durumunu psikrometrik diyagramda işaretleyelim. Psikrometri-I kitabımızda belirtildiği gibi nemi alınacak olan havanın üçte biri kadarı da 120^oCKT’ye ısıtılacak ve nemi taşıyan adsorbiyonlu tamburun kurutulmasını sağlayacaktır.

Prosesimiz teorik olarak adyabatik bir işlem olarak kabul edilebilir. Bu nedenle “A” şartlarındaki havanın adyabatik olarak “B” şartına kadar kurutulması işlemi “A-B” proses hattı ile gösterilmiştir.

“A”  konumun şartlarını psikrometrik diyagramımızdan veya “Tablolar ve Diyagramlar” bölümündeki Tablo-1’den alabiliriz.

W_A= 0.01385 kg/kg kuru hava

W_B= 0.01385 -0.009 =0.00485 kg/kg kuru hava

γ_A-B= 1.000 m³/kg (26^oC ile 120^oC arası yaklaşık ortalama değer)

Bu durumda gerekli hava debisi:

V_pro= M/[( W_A– W_B) x (1/ γ_A-B)]

M   = 69 kg/saat olduğuna göre

V_pro= 69/[(0.01385-0.00485)x (1/1)]

V_pro= 7666 ~ 7700 m³/saat  proses havası

Adsorbsiyonlu tamburu kurutmak için gerekli reaksiyon havası proses havasının 1/3’ü olduğuna göre:

V_rea= (1/3) x  V_pro

V_rea= (1/3) x  7700

V_rea= 2567 m³/saat reaksiyon havası

Reaksiyon havasını 120^oCKT sıcaklığına kadar ısıtabilmek için gerekli ısı miktarı:

Q_rea= V_reax (1/ γ_A-B) x c_px(t_C– t_A)

c_p= 1.007……………….. (26^oC ile 120^oC arası ortalama değer)

Q_rea= 2567 x (1/ 1) x 1.007 x(120 – 26 )

Q_rea= 242 987 kJ/saat = 67.50 kW

Reaksiyon havasını 120^oC’a kadar ısıtabilmek için 67.50 kW kapasiteli bir ısıtıcı bataryaya ihtiyaç vardır. Hava çıkış sıcaklığının yüksek olması nedeniyle böyle bir işlem için elektrikli ısıtıcı veya akışkan sıcaklığı 120^oC’ın üzerinde olan, örneğin kızgın su veya buhar kullanan bir batarya gereklidir.

“A” şartlarındaki nemli hava adsorbsiyon tamburundan “B” şartlarında çıkacak ve mahalle üflenecektir. “C  “ şartına kadar ısıtılmış hava ise tamburdaki nemi alacak, bu işlem esnasında adyabatik olarak soğuyacak, “D” şartlarında atmosfere egzost edilecektir. “A-B” prosesi ile alınan toplam nem miktarı ile “C-D” ile atmosfere egzost edilen nem miktarı birbirlerine eşittir. “A-B” ve “C-D” prosesleri teorik olarak adyabatiktir. Ancak uygulamada adsorbsiyonlu tamburun ısı taşınımını gerçekleştirmesi nedeniyle adyabatik uygulamadan küçük sapmalar meydana gelmektedir. Bunun için uygulamacılara, adsorbsiyonlu tambur üreticilerinin kataloglarına ve/veya seçim programlarına refere olmaları önerilir.

 

3.4. YÜZEY KONDANSASYONUNA ENGEL OLMAK  İÇİN GEREKLİ İZOLASYON KALINLIĞI.

 Nem oranı yüksek ve/veya dış hava sıcaklığı çok düşük yerlerde duvar ve pencerelerde yüzey kondansasyonu çok sık karşılaşılan bir sorundur. Buna mani olmak için bu satıhlara paralel sıcak hava üflenir. Bu uygulama bir çözümdür, ancak enerji sarf etmeden de bunun önlenmesi mümkündür. Bu da bir etüd gerektirir. Prosedürü şu şekilde özetleyebiliriz:

• Önce mahal şartları dikkate alınarak oda çiy noktası “DP” psikrometrik diyagram üzerinden belirlenir.
• Separasyonun (duvar, pencere, tavan vb.) satıh sıcaklığı hesap yoluyla bulunur. Bu sıcaklık oda çiy noktası “DP” ile karşılaştırılır. Eğer hesaplanan sıcaklık “DP”den düşükse satıh kondansasyonu oluşacaktır.
• Bu durumda duvar ısı iletim katsayısı izolasyon malzemeleri de dikkate alınarak yenilenir. Yeni hesaba göre satıh sıcaklığı tekrar hesaplanır. Bulunan sıcaklık “DP”den büyükse çalışma başarılı olarak neticelenmiştir. Eğer değilse izolasyon kalınlığı arttırılarak veya cinsi değiştirilerek tekrarlanır.

Problem:Oda şartlarımız 26^oC, %65 rH, dış hava şartlarımız da -12^oC (örneğin Ankara) olan bir mahalde dış duvar kalınlığı 50mm sıvasız beton perdedir. Kondansasyon olup olmayacağını, eğer oluşuyorsa gerekli izolasyon kalınlığını hesaplayın:

Psikrometrik diyagramdan 26^oC, %65 rH oda şartları için doyma noktası “DP” 19,3^oCKT olarak bulunur.

İkinci olarak beton perde duvarın ısı iletim katsayısını hesaplayalım:

K=Isı iletim katsayısı (W/^oK.m²)

α_iç=İç hava film katsayısı (23,50 W/^oK.m²)

α_dış=Dış hava film katsayısı (8,15 W/^oK.m²)

δ = duvar kalınlığı (0,05 m)

λ = ısı iletkenliği (0,80 W/m.^oK) 

 

 

                 

k   = 1,64 …………( W/^oK.m²)

Üçüncü olarak ısı denklemini kuralım. Denklem 1 metrekare yüzey alanı için yapıdığından denklem alan ölçüsü “F” bulunmayacaktır.

q₁= k₁(t_iç-t_dış)

 q₁= 1,64 x 38 =62,32 W/m²

 Dördüncü olarak iç sathın sıcaklığını hesaplamak için ısı eşitlik denklemini kuralım.

q₂= k₂(t_satıh-t_dış)

q₁= q₂

 k₁(t_iç-t_dış)= k₂(t_satıh-t_dış)

 62,32= k₂(t_satıh-t_dış)

Beşinci olarak “k₂” diye adlandırdığımız, iç hava filmini dikkate almayan ısı iletim katsayısını hesaplayalım.

 

 

 

 

Bulduğumuz bu değeri ısı eşitliği denklemindeki yerine koyarak satıh sıcaklığını bulalım.

k₁(t_iç-t_dış)= k₂(t_satıh-t_dış)

62,32= 2,05 (t_satıh+12)

t_satıh= +18,4 < 19,3^oC

Bulduğumuz bu sonuca göre satıhta terleme olacaktır. Terlemeye mani olmak için iç sathı poliüretanla izole edeceğimizi kabul edelim ve izolasyon kalınlığını hesaplayalım.

Bu formülde ,

δ = izolasyon kalınlığı (X m)

λ = ısı iletkenliği (0,03 W/m.^oK)

k₁(t_iç-t_dış)= k₂(t_satıh-t_dış)

k₁(26+12)= k₂(19,3+12)

 38k₁= 31,3k₂

X= 0,0025m (≃30mm) izolasyon kalınlığı bulunur.

Aynı işlemi pencereler ve vitrin camlar için de yapabiliriz

5. TEMEL PSİKROMETRİK PROSESLERLER

5.1. PSİKROMETRİK DİYAGRAMDAKİ TEMEL İŞLEMLERİN KISA TANIMI

Temel psikrometrik prosesler yukarıdaki psikrometrik diyagram üzerinde gösterilmektedir. Bu prosesleri , diyagramdaki kodlamalara sadık kalarak, aşağıdaki gibi dört ana grupta tanımlayabiliriz:

A- Değişik şartlardaki iki hava kütlesinin karışımı
B- Havanın ısıtılması
– Havanın duyulur ısıtılması (A)
 – Havanın ısıtılması ve nemlendirilmesi (H)
C- Havanın soğutulması
Havanın duyulur soğutulması (B)
 – Havanın soğutulması ve neminin azaltılması (C)
 – Havanın nemlendirilmesi veya neminin azaltılması
D- Havanın izotermik olarak nemlendirilmesi (D)
 – Havanın neminin izotermik olarak azaltılması (E)
 – Havanın yıkanması (adyabatik soğutma) (F)
 – Havanın neminin adyabatik olarak azaltılması (G)

Bu işlemleri 5.2’den başlayarak detaylı bir biçimde inceleyeceğiz.

5.2. DEĞİŞİK İKİ HAVA KÜTLESİNİN KARIŞIMI

Değişik iki hava kütlesinin karışımı proses olarak yukarıdaki psikrometrik diyagramda ve şematik olarak ta klima santralı çiziminde gösterilmektedir.

Bu proseste iki değişik hava kütlesinin toplamı karışım havasının toplam kütlesini meydana getirmektedir. Keza bu iki kütlenin entalpilerinin toplamı da karışım havasının toplam entalpisini oluşturmaktadır. Bu işlemi şu şekilde ifade edebiliriz.

M_KA = M_RA + M_OA

 M_KA.c_p.t_KA = M_RA.c_p.t_RA + M_OA.c_p.t_OA

t_KA = (M_RA.t_RA + M_OA.t_OA)/M_{KA …………………………………………….}( ^oC)

Bu denklemde özgül ısı “c_p” sabit olduğu için birbirini götürür ve sadeleşerek aşağıdaki duruma dönüşür.

M_KA.t_KA= M_RA.t_RA + M_OA.t_OA

Bu formül sayesinde karışım havası sıcaklığı “t_KA”aşağıdaki gibi bulunur:

t_KA = (M_RA.t_RA + M_OA.t_OA)/M_{KA …………………………………………….}( ^oC)

Aynı şekilde karışım havasının antalpik değeri de aşağıdaki gibi bulunur

h_KA = (M_RA.h_RA + M_OA.h_OA)/M_{KA …………………………………………….}( kJ/kg)

benzeri denklmi mutlak nem oranları için de kurabiliriz.

M_KA.w_KA= M_RA.w_RA + M_OA.w_OA

w_KA = (M_RA.w_RA + M_OA.w_OA)/M_{KA …………………………………………….}( kJ/kg)

Bu işlemlerde “M” kg/h cinsinden hava kütlesini , alt simgeler “_RA”oda havasını veya dönüş havasını,“_OA”dış havayı,“_KA” ise karışım havasını belirtmektedir.

Hesap yoluyla yapılan bu çözümü psikrometrik diyagram üzerinde de yapmak mümkündür. Şöyle ki;

• Dış hava ve iç hava şartlarını Psikrometrik Diyagram üzerinde belirle,
• Belirlediğin iki noktayı bir düz çizgi ile birleştir. Karışım işlemi bu hat üzerinde gerçekleşecektir.
• Çizginin boyunu ölç. Dış hava oranı ile çarp. Çıkan sonucu “RA” tarafından ölçüp hat üzerinde işaretle. Bulduğunuz nokta size karışım havasının özellikleirni verir. Bu noktayı esas alarak, rH, T_db, T_wb, w vehdeğerlerini belirleyebilirsiniz.

ÖRNEK: Dönüş havası şartları 20^oC KT, %50 rH, dış hava şartları 0^oC KT ve %70 rH , dış hava oranı %40 olan bir karışımın şartlarını belirleyin.

Dönüş havası ve dış hava şartları psikrometrik diyagramda belirlenir ve iki nokta birleştirilir. İki nokta arasındaki uzunluğun %40’ı dönüş havası tarafından işaretlenir. Bu nokta karışım şartlarıdır ve psikrometrik diyagramdan okunur (bkz. Psikrometrik Diyagram- İki Hava Kütlesinin Karışımı).

5.3. HAVANIN ISITILMASI

Duyulur ısıtma işlemi havaya ısının transferini içerir. Bu işlem klima santrallarında  ve ısıtma cihazlarında ısıtıcı bataryalar, ısı geri kazanım cihazlarında yalnız duyulur ısı transferi yapan ısı geri kazanım üniteleri, elektrikli ısıtıcılar gibi elemanlarca gerçekleştirilir. Bu işlem esnasında nem alış-verişi olmadığından mutlak nem oranı “W” proses boyunca sabit kalır. Ancak ısıtma işlemi esnasında havanın kuru termometre sıcaklığı artmakta olduğundan bağıl nem devamlı düşüş gösterir. Bunun nedeni de yükselen kuru termometre sıcaklığının doyma noktasının daha yüksek mutlak nem oranlarına tekabül etmesidir. Bu da oarntı neticesi bağıl nemin düşmesidir. Bu proses psikrometrik diyagramda yatay çizgi olarak gösterilir. İşlemi yukarıdaki psikrometrik diyagramda görmektesiniz. Yüzde yüz dış havalı klima santralının şematik çiziminde de “mavi” renkte giren dış havanın ısıtıcı bataryada ısıtıldığı görülmektedir. Çıkan ısınmış hava kırmızı renkte gösterilmektedir.

Bu işlemi analitik olarak aşağıdaki gibi gösterebiliriz:

Q=M.c_p(T_SA-T_OA)

 Q=V.(1/ɤ).c_p(T_SA-T_OA)

 Q=V.(1/ɤ)(h_SA-h_OA)

Yukarıdaki formüllerde kullanılan alt simgeler:

_SA= Üfleme havasını

_OA= Dış havayı simgelemektedir.

 ÖRNEK: 10.000 m³/h dış hava klima santralının ısıtma santralına -5^oC, %70 rH’ta girmektedir. Çıkış şartı ise +20^oC’tır. Çıkış şartındaki bağıl nemi ve bataryanın ısıtma kapasitesini bulun.

Çözümü psikrometrik diyagram üzerinden yaparsak:

H_OA= -1.3 kJ/kg

H_SA= 24.8 kJ/kg

Q=10000 (1/0.800)(24.7+1.3)= 325000 kJ/h bulunur.

Aynı işlemi kuru termometre sıcaklığı üzerinden yaparsak:

Q=10000 x 1.041 (1/0.800)(20+5) = 325313 kJ/h bulunur. (= 96.26KW ) 

5.4. HAVANIN SOĞUTULMASI 

5.4.1. Duyulur Soğutma

Duyulur soğutma işlemi ısıtma işleminin tam tersidir. Bu işlem esnasında havanın yalnız kuru termometre bazında entalpisi azaltılır, mutlak nem oranı sabit kalır. Bu işleme örnek olarak klima santralları içindeki soğutucu bataryaları, fan-coil ve endüksiyon cihazlarındaki serpantinleri ve plakalı eşanjörleri gösterebiliriz.  Bu işlem esnasında çiy noktası sıcaklığına erişilmediği için soğutulan nemli havanın içindeki mutlak nem oranında herhangi bir değişiklik söz konusu değildir.

Bu işlemi analitik olarak aşağıdaki gibi gösterebiliriz:

Q=M.c_p(T_RA-T_SA)

Q=V.(1/ɤ).c_p(T_RA-T_SA)

Q=V.(1/ɤ)(h_RA-h_SA)

Yukarıdaki formüllerde kullanılan alt simgeler:

_SA= Üfleme havasını

_RA= Mahal havasını simgelemektedir.

Duyulur soğutma prosesi aşağıdaki psikrometrik diyagramda gösterilmektedir. Görüldüğü gibi proses boyunca mutlak nem oranı “W”değişmemekte ve sabit kalmaktadır.

Burada yeni bir tabirle tanışıyoruz. “DP” olarak adlandırdığımız bu nokta çiy noktası veya mahal çiy noktasıdır. Bu nokta mahal şartlarından çizilen yatay bir doğrunun %100 bağıl nem eğrisini yani doyma eğrisini kestiği noktadır. Bu noktaya kadar olan soğutma işlemlerinde havanın mutlak nem oranı değişmez. Bu nedenle bu prosese duyulur soğutma tabir edilir.

5.4.2. Soğutma ve Nem Alma

Soğutma ve nem alma prosesi aşağıdaki diyagramda görüldüğü gibi gerçekleşir. Bu işlem esnasında “OA” olarak belirtilen dış hava başlangıçta duyulur olarak soğur ve bu işlem yatay bir çizgi halinde gerçekleşir. Ancak belirli bir noktaya gelindikten sonra soğutucu bataryanın soğuk satıhları ile temas eden hava içindeki nemi yoğuşma suretiyle bırakmaya başlar. Bu işlem “SA” noktasına varılıncaya kadar devam eder. “SA” noktasını soğutucu bataryanın tasarımı, örneğin toplam ısı transferi alanı, ısı iletim katsayısı ve logaritmik sıcaklık farkı belirler. Bu konuya  ileride aynı bahis içinde daha detaylı bir biçimde değineceğiz.

 

Bu reel prosesi psikrometri açısından incelediğimizde aşağıdaki bulgulara varırız. Bu da gerçekleşen işlemin termodinamik açıdan izahıdır.

Bu proses esnasında hava çiy noktası altında bir sıcaklığa soğutulmak istenmektedir. Ancak salt duyulur soğutma olarak bu mümkün değildir çünkü psikrometrik proseslerde doyma eğrisinin üstünde bir noktaya soğutma mümkün olmadığı için mahal çiy noktası olan “DP”konumuna kadar duyulur olarak soğur, bu noktaya vardıktan sonra hava içindeki nemi  bırakmaya başlar. Bu proses içinde iki değişik işlem yer almaktadır.

• Duyulur soğutma. Bu soğutma esnasında havanın mutlak nem oranı “DP” noktasına gelininceye kadar değişmez. Bu noktadan itibaren soğutma işlemi ile birlikte nem alma işlemi de başlar.
• Mutlak nem oranının azaltılması (izotermik proses). Mahal çiy noktasına erişildikten sonra devam eden soğutma prosesi neticesi hava içindeki nemi yoğuşma suretiyle bırakmaya başlar. Çünkü daha önceki bahislerde gördüğümüz gibi kuru termometre sıcaklığının düşmesi ile kısmi buhar basıncı da düşmekte ve buna bağlı olarak doyma noktasındaki mutlak nem miktarı da azalmaktadır. Soğutma işlemi “ADP” noktasına kadar devam eder.

Bunun neticesi olarak karşımıza  eğimli bir proses çizgisi çıkar. Bu çizgi üzerindeki bazı tanımlar bu kitapta karşımıza ilk olarak çıkmaktadır. Bunlardan “DP” “Mahal Çiy Noktası”nı daha önce görmüştük. Buna ilaveten yeni tanımlarımızı şu şekilde özetleyebiliriz:

SHR : Duyulur ısı oranı (proses hattının eğimini belirler)
ADP : Cihaz çiy noktası
SH:  Duyulur ısı yükü
LH:   Gizli ısı yükü
TH:  Toplam ısı yükü
SA:Sevk havası şartları

Duyulur ısı oranı  bir mahallin veya sistemin toplam duyulur ısı kazançlarının ayni mahallin veya sistemin toplam ısı kazançlarına olan oranıdır. 

Klima yükü bilindiği gibi duyulur ve gizli ısı yüklerinden oluşmaktadır ve aşağıda gösterilen kalemlerden meydana gelmektedir. Ancak burada bir hususa dikkat edilmesi gerekmektedir. Aşağıdaki tabloda dış havadan, diğer bir ifade tarzı ile taze havadan kaynaklanan ısı yükü gösterilmemiştir çünkü bu yük mahallin  değil, sistemin yükü olarak mütalaa edilmiştir.

Mahal ısı yüküne dış havadan gelen soğutma yükü de eklendiğinde sistemin toplam ısı yükü belirlenmiş olur. Aşağıdaki tabloda da sistemin duyulur ve gizli ısı kazançları gösterilmiştir. Bu tabloya dış havadan kaynaklanan duyulur ve gizli ısı yükleri de ilave edilmiştir.

Yukarıdaki tablolardan ve açıklamadan da anlaşılacağı gibi birbirinden farklı iki değişik duyulur ısı oranı mevcuttur. Bunlardan birincisi mahallin duyulur ısı oranıdır. Diğeri de sistemin duyulur ısı oranıdır.

RSHR : Mahal duyulur ısı oranı

ESHR : Sistemduyulur ısı oranı

Sistem ısı kazancının oda ısı kazancından farkı havalandırma için gerekli olan dış havadan gelen duyulur ve gizli ısı yüklerini içermesidir. Bu nedenle iki değer birbirinden farklıdır.

RSHR ve ESHR  değerleri bize soğutma prosesi çizgisinin eğimini belirler. Bu eğimi iki türlü belirleyebiliriz. Bunlardan biri hesap yoluyla, diğeri de psikrometrik diyagramdaki duyulur ısı oranı yarım dairesinden faydalanmak suretiyle.

Hesap yoluyla proses çizgisinin eğimi aşağıdaki gibi saptanır:

Psikrometrik prosesi içeren yukarıdaki diyagramı incelediğinizde “x” olarak belirlenmiş bir hipotetik nokta görürsünüz. Bu nokta aslında yoktur. Yalnızca duyulur soğutma prosesini belirleyebilmek için konulmuştur. OA ile x noktası arasındaki yatay çizgi duyulur soğutma prosesini ve yükünü belirler. Buradaki duyulur soğutma yükünü aşağıdaki gibi belirleyebiliriz.

Q_duy=V.(1/ɤ).c_p(T_OA-T_x)

veya

Q_duy=V.(1/ɤ)(h_OA-h_X)

Aynı şekilde gizli soğutma yükünü de aşağıdaki gibi yazabiliriz.

Q_giz=V.(1/ɤ)(h_x-h_SA)

veya

Q_giz=V.(1/ɤ)(w_OA-w_SA)(h_fg)

h_fg=Suyun normal atmosferik şartlarda buharlaşma (yoğuşma) ısısı.

        (15^oC ve 101325 Pa’da 2465.38 Kj/kg)

Bu iki değer bize dik açılı üçgenimizin iki kenarını verir ve bu sayede “SA”noktasını buluruz.

Diğer bir yöntem ise psikrometrik diyagramlarda bulunan duyulur ısı oranları cetvelidir. Yarım daire tarzındaki bu cetvel diyagramın sol üst köşesinde bulunmaktadır. Burada duyulur ısı oranımızın skala üzerindeki değeri ile yarım dairenin merkezini birleştirerek bir doğu çizer ve bu doğruyu paralel olarak “OA”noktasına taşırız.Bu doğru bizim soğutma proses hattımızdır. Bu hattın %100 bağıl nem çizgisini, yani doyma eğrisini kestiği yer cihaz çiy noktası “ADP”dir. Bu noktayı “DP” ile karıştırmamak gerekir. Biri mahallin çiy noktası, diğeri ise cihazın çiy noktasıdır.

Niye soğutulmuş hava “ADP” şartlarında mahalle sevk olunmamakta, bunun yerine “SA” şartlarında sevk olunmaktadır? Bunun cevabını “by-pass” oranı dediğimiz bir oluşumla açıklayabiliriz. “By-pass”belirli bir orandaki havanın herhangi bir şartlandırmaya tabi tutulmaksızın, hiçbir değişime uğramaksızın geçen miktarıdır. Bunun klimatize tüm havaya oranına da “by-pass oranı”tabir edilir.  By-pass oranı diğer bir ifadeyle kaçak oranıdır. Yalnız ısıtıcı ve soğutucu bataryalarda değil, filtrelerde, damperlerde de by-pass oranları vardır. By-pass oranları, soğutucu bataryanın tasarımına, örneğin sıra sayısına, hava alın hızına, boru ve kanat konfigürasyonuna bağlı olarak %2 ila %10 arasında değişiklik gösterir. Bu by-pass’ın neticesi “ADP” noktasından uzaklaşılır ve “SA” noktasına varılır. Bunu iki değişik hava kütlesinin karışımı olarak ta izah edebiliriz. Örneğin havanın %94’ü ADP şartlarında soğutucu bataryadan çıkmaktadır, %6’sı ise soğutucu batarya ısı transfer satıhlarına değmeden girdiği gibi “OA” lşartlarında çıkmaktadır. Bu iki hava kütlesinin karışımı bize “SA” noktasını vermektedir.

Şu ana kadar anlattığımız işlemi bir örnekle pekiştirelim.

34^oCKT , %45 rH şartlarındaki  10000 m³/h 14^oCKT, %92 rH şartlarına soğutulacaktır.

• Toplam soğutma yükünü
• Duyulur soğutma yükünü
• Duyulur ısı oranını
• Alınan nem miktarını hesaplayınız.

Psikrometrik diyagramdan aşağıdaki termodinamik bulgular alınır.

ɤ_OA= 0.875 m³/kg
w_OA= 0.0154 kg/kg
h_OA= 74 kJ/kg
w_SA= 0.0097 kg/kg
h_SA= 38 kJ/kg

Sistemin toplam soğutma yükü

∑Q= V(1/ ɤ_OA)( h_OA – h_SA)
∑Q= 10.000 (1/0,875)(74-38)
∑Q= 411.428 kJ/h  =  114,265 kW …………..Toplam soğutma yükü
(1 kJ = 0.000277728 kW)
Q_duy= V(1/ ɤ_OA)Cp( t_OA – t_SA)
Q_duy=10.000(1/0.875)1.041(34-14)
Q_duy= 237943 kJ/h = 65,98 kW…………………………Duyulur ısı yükü

SHR= Q_duy/∑Q
SHR= 68,98/114,265 = 0,577=%58……………..Duyulur ısı oranı 

W=V(1/ ɤ_OA)( w_OA – w_SA)
W=10.000(1/0,875)( 0,0154– 0,0097)
W=65,14 kg/h………………………………………….Alınan nem miktarı

Bu arada “ADP” cihaz ciy noktasının önemine değinmek gerekir. ADP soğutucu bataryanın satıh sıcaklığına eşit kabul edilir. Soğutucu bataryanın satıh sıcaklığı da soğutucu akışkanın giriş/çıkış sıcaklıklarıyla yakından ilgilidir. Satıh sıcaklığını belirleyen en önemli unsurdur. Soğutucu bataryalar ekseriyetle ters töne akışlı ısı eşanjörleri olarak tasarlanır ve imal edilirler. “SA” noktası tasarıma tamamen bağlı olmakla birlikte “ADP” sıcaklığını soğutucu batarya satıh sıcaklığına eşit kabul edilir . Soğutucu batarya satıh sıcaklığı da soğutucu akışkanın çıkış sıcaklığına eşit kabul edilir. Bu kabuldeki hata payı çok düşüktür   (± 0,5^oC). Bu nedenle soğutucu akışkan çıkış sıcaklığı ADP’yi ve dolayısıyla proses eğrisini ve duyulur ısı oranını belirler. Eğer duyulur ısı oranınız ve dolayısıyla ADP ve SA önceden belirlenmişse soğutucu akışkan giriş/çıkış sıcaklıklarını belirlemede geniş bir serbestiniz yoktur. Bizim örneğimizde ADP 12^oC olarak belirlenmiştir. Bu nedenle soğutucu akışkan çıkış sıcaklığı da 12^oC alınmalıdır. Aksi taktirde proses daha düşük bir duyulur ısı oranına sahip olacak. Bunun neticesi olarak ta duyulur soğtmada belirgin bir azalma, gizli soğutmada da bir artma meydana gelecektir. Bu uygulamayı ileride, klima santralarını incelerken daha detaylı olarak göreceğiz

5.5 HAVANIN NEMLENDİRİLMESİ

 Havanın nemlendirilmesi iki değişik tarzda yapılmaktadır. Bunlardan birincisi ve en eski metod olan havanın su ile yıkanmasıdır. Diğer metot ta havaya kuru buhar püskürtmek suretiyle nemlendirmedir. Bu iki uygulamayı ayrı ayrı ele alıp inceleyeceğiz.

5.5.1. Havanın Su İle Nemlendirilmesi

 Havanın su ile nemlendirilmesi, diğer bir ifade tarzıyla havanın yıkanması aynı zamanda havanın adyabatik soğutulması da demektir. Havanın su ile nemlendirilmesi işlemi klima santralları içinde yapıldığı gibi direkt mahallerde de yapılmaktadır. Örneğin bazı tekstil fabrikalarında, iğ tesislerinde mahallere basınçlı hava ile  su borular vasıtasıyla sevk edilmekte, mahalle yerleştirilmiş nozullar vasıtasıyla püskürtülmektedir.

Klima santralları içinde iki değişik yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan birincisi, klasik bir yöntem olan suyun pulverize bir şekilde havanın içine püskürtülmesidir. Bu sistemde yüksek debilerde su havanın içine püskürtülmekte, ancak bu suyun çok az miktarı buharlaşıp havaya karışmaktadır. Bakiye su, havuz tabir ettiğimiz haznede toplanmakta, buradan bir pompa vasıtasıyla tekrar nozullara sevk edilmekte ve püskürtülmektedir. Sistem şematik olarak aşağıda görülmektedir. Hava yıkayıcısı kırmızı dikdörtgen içinde görülmektedir.

Klima santrallarında uygulanan diğer bir yöntem de dolgu tipi (matt type) nemlendiricilerdir. Bu uygulamada havanın içine doğrudan su püskürtülmesi yerine havanın ıslatılmış satıhlarla teması sağlanmıştır. Daha az hacım gerektiren bu uygulamada nozullar da küçültülmüş neticede sirkülasyon pompası da küçültülmüştür. Büyük ölçüde enerji tasarrufu sağlayan bu uygulama günümüzdeki adyabatik soğutma ve nemlendirme işlemlerinde tercih edilmektedir.

 

Adyabatik soğutma ve nemlendirme işlemi yaz aylarında bağıl nemi düşük olan yerlerde hava soğutucusu- klima cihazı olarak kullanılmaktadır. Ülkemizde bu uygulamaya müsait bölge olarak Güneydoğu Bölgemizi gösterebiliriz.

Aynı işlem su soğutma kulelerinde de uygulanmaktadır. Soğutma gruplarının su soğutmalı kondenserlerinden çıkan ısınmış su santrifuj pompalar vasıtasıyla soğutma kulesine sevk edilmektedir. Soğutma kulesinde su pulverize bir tarzda dolgu elemanlarının üzerine püskürtülmekte ve bu elemanların sathını ıslatmaktadır. Hava ile temas eden suyun belirli bir oranı buharlaşmakta, gerekli ısıyı da sudan almaktadır. Bu sayede soğutma kulesine sevk olunan su istenen derecede soğumuş olarak kondensere pompalanmaktadır. Soğutma kulelerinin en büyük avantajı soğutma gruplarına göreceli olarak daha düşük kondansasyon sıcaklıklarında çalışma olanağı sağlamak ve bu suretle soğutma verim ve kapasitesini arttırmaktır. Dezavantajı ise buharlaşma neticesi devamlı su kaybına sebebiyet vermektir.

İster havaya su püskürtme metodu ile nemlendirme, isterse dolgu tipi nemlendirme olsun her ikisi de psikrometrik proses olarak birbirinin aynıdır ve aşağıdaki psikrometrik diyagramda görüldüğü gibidir.

 

Aşağıdaki resimde su-hava karışımını püskürten nozullar görülmektedir.

Buradaki temel işlem adyabatik olduğundan püskürtülen su buharlaşmak için gerekli ısıyı su ve havadan almaktadır. Bu işlem esnasında her ikisi de kakrlı rejim olarak ifade edeceğimiz bir duruma gelmekte, suyun sıcaklığı havanın adyabatik soğutma sonucu varacağı doyma sıcaklığına eşit olmakta, havanın sıcaklığı ise nemlendiricinin verimi oranında bu sıcaklığa yaklaşmaktadır. Hava yıkayıcılı nemlendiricilerde verim %70 ila %95 arasındadır. Verimi belirleyen hususlar içinde hava yıkayıcı hücresinin uzunluğu, havanın hızı, püskürtülen su miktarının havaya orantısı ve pulverizasyon işlemi sonrası meydana gelen tane büyüklüklerini gösterebiliriz.

Dolgu tipi nemlendiricilerde verim daha yüksektir, %85 ila %95 arasında oluşmaktadır. Bunun nedeni de ıslak satıhlar nedeniyle havanın daha fazla su zerreciği ile temasta olabilmesidir.

5.5.2. Havanın Buhar İle Nemlendirilmesi

Buhar ile nemlendirme izotermik bir proses olarak tanımlanır. Havaya doğrudan buhar ilave ettiğiniz için yalnız havanın mutlak nem oranını arttırmakta olduğumuz için bu proses teorik olarak izotermik kabul edilir. Psikrometrik diyagramdaki prosesler standart basınç ve sıcaklığa bağlı olarak, örneğin 101,325 Pa ve 15^oC KT için belirlendiğinden, havaya püskürtülen buharın da bu sıcaklıkta olduğu kabulü ile bu varsayım doğrudur. Ancak proses hakikatte, üflenen buhar sıcaklığına ve özgül entalpisine bağlı olarak hafif sağa yatan bir doğru tarzında oluşur. Buharın sıcaklığının mahal sıcaklığının çok üstünde olması nedeniyle  üflenen buhar nemlendirme işlemine ilaveten havayı da , az da olsa, ısıtmış olacaktır. Çünkü üflenen buharın sıcaklığının ortam sıcaklığından yüksek olması ortam sıcaklığındaki üflenen buharın özgül entalpisinin de ortam sıcaklığındaki buharın entalpisinden yüksek olması demektir. Termodinamiğin birinci kanununa göre enerji yok edilemeyeceğine veya yaratılamayacağına göre üflenen buhardaki fazla entalpi havanın ısınmasına neden olur. Bir başka ifade tarzı ile buhar ve hava karışımı nem açısından olduğu gibi kuru termometre sıcaklığı açısından da bir denge oluşturacaklardır.  Bu oluşumu ve buharla nemlendirmeyi aşağıdaki örnek ve diyagramda gösterebiliriz.

Örnek-1: 15^oCKT sıcaklığındaki mahalle oda sıcaklığında kuru buhar kontrollu olarak püskürtülmektedir. İstenen mutlak nem oranını  0,009 kg_wv/kg_daseviyesine kadar yükseltmektir. Prosesi belirleyiniz.

Burada karşımıza psikrometrik diyagramda yeni bir skala çıkmaktadır. Bu skala “Δh/Δw” skalasıdır. Bu skala Willis Carrier tarafından bulunan ilk psikrometrik diyagramlarda yoktu. Ancak daha sonraki yıllarda Prof. Mollier tarafından çıkarılan i-x diyagramında bu skala vardı. Geçen yıllar içinde ASHRAE de aynı skalayı kendi diyagramlarına eklemiştir.

Bölüm-2, Konu 2-3’deki Tablo-2’den su buharının 15^oC’taki özgül entalpisi 2528.36 kJ/kg olarak bulunur. Psikrometrik diyaramın sol üst köşesindeki “Δh/Δw” skalasında dairenin merkez noktası çember üzerindeki 2528.36 noktası ile düz bir çizgi olarak birleştirilir. Bu çizgi paralel olarak “A” noktasına taşınır.Bu bizim “A” ile B” noktaları arasındaki proses hattımızdır. Diyagramdan da görüldüğü gibi proses çizgisi tamamen izotermik bir özellik taşımaktadır.

Örnek-1: 25^oCKT sıcaklığındaki mahalle 130^oC kuru buhar kontrollu olarak püskürtülmektedir. İstenen mutlak nem oranını 0,009 kg_wv/kg_daseviyesine kadar yükseltmektir. Prosesi belirleyiniz.

Bir önceki örnekte yaptığımız gibi Bölüm-2, Konu 2-3’deki Tablo-2’den su buharının 130^oC’taki özgül entalpisi 2720.09 kJ/kg olarak bulunur. Psikrometrik diyaramın sol üst köşesindeki “Δh/Δw” skalasında dairenin merkez noktası çember üzerindeki 2720.09 noktası ile düz bir çizgi olarak birleştirilir. Bu çizgi paralel olarak “C” noktasına taşınır.Bu bizim “C” ile D” noktaları arasındaki proses hattımızdır. Diyagramdan da görüldüğü gibi proses çizgisi tam bir izotermik görünümsde değildir. Çünkü mahalle ilave edilen buhar yalnız mutlak nem oranını arttırmakla kalmamış, havayı da belirli bir ölçüde ısıtmıştır.

Buharla nemlendirme klima santralı ve hava kanalı içine kondens ayırıcılı özel nozullar vasıtasıyla yapılabildiği gibi mahallere de doğrudan püskürtülebilmektedir. Sistemde buhar mevcutsa, örneğin hastaneler, büyük oteller gibi mutfak ve çamaşırhane içeren tesislerde, kondensi ayrıştıran, bünyesinde separatör ve kondenstop bulunan püskürtücüler kullanımıyla bu işlemi gerçekleştirebiliriz. Bu uygulama aşağıdaki resimde görülmektedir.

Eğer buhar mevcut değilse bünyesinde buhar jeneratörü kullanan buharlı nemlendirme aparatları kullanmamız gerekecektir. Aşağıdaki resimde görülen jeneratörlü buharlı nemlendirme aparatı bünyesinde bir veya birden çok buhar haznesi bulundurmaktadır. Uçkları siyah olarak görülen elektrodların suyun içine daldırılması suretiyle su buharlaştırılmakta ve mahalle (klima santralına, hava kanalına veya odaya) yukarıda görülen buhar püskürtme cihazı ile püskürtülmedir. Elektrodlu nemlendiricinin bünyesinde otomatik kontrol donanımı genelde bulunduğu için ayrıca bir moransal servomotorlu vanaya ihtiyaç duyulmamaktadır.

Buharlı nemlendiriciler çok az yer kaplamaları ve kolay montajları nedeniyle günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Elektrodlu paket tip buharlı nemlendirici cihazı üretici firmalarından CAREL, silindirden buhar çıkış sıcaklığını 102 ila 103^oC olarak vermekte, borulama ve nozulda meydana gelmesi muhtemel soğumalarla bu sıcaklığın 100^oC alınmasını önermektedir.

Son derece pratik olan elektrodlu buharlı enmlendiricilerde kullanılan suyun sertlik  derecesi çok büyük önem taşımaktadır. Çünkü suyun sertliği elektrod ve silindirlerde kireçlenmeye ve verimin düşmesine neden olmakta ve cizahın faydalı ömrünü kısaltmaktadır.

5.6.FAN EFEKTİ

Fan efekti hava hareketinin elektrik motoru ile tahrik edilen elemanlarca, örneğin vantilatör ve aspiratörlerle donatılmış cihazlarda, klima ve havalandırma santralarında, fan-coil cihazlarında görülen bir duyulur ısı kazancı prosesidir.  Elektrik motorlarında verim %100 değildir. Günümüzdeki motorlarda bu verim %90’ın üzerindedir. Elektrik motoruna verilen elektrik enerjisinin verime bağlı olanı işe dönüşür. Bakiye, yani “1-η” vantilatör ve aspiratörlerde gövde ısınması, kayış-kasnaklı olanlarda kayma-sürtünmeden meydana gelen ısınma neticesi sevk olunan ve/veya döüş havasının belirli bir oranda ısınmasına neden olur. Kış klimasında bir emniyet faktörü olarak kabul edilen bu durum yaz uygulamalarında dikkate alınmalıdır.

Yukarıda fan efekti olan tipik bir yaz klima prosesi görülmektedir. Bu proseste “OA” dış havayı, “RA” mahal havasını, “KA” karışım havasını, “SA” ise mahalle sevk olunan klimatize havayı ifade etmektedir. “KA-1” prosesi ile “1” şartlarına kadar soğutulan hava vantilatör vasıtasıyla mahalle sevk olunmaktadır. Ancak bu noktada yukarıda belirtilen nedenlerle bir miktar ısı havaya transfer olunmakta ve duyulur ısınma yaratmaktadır. Benzeri bir işlem de aspiratörde vukuu bulmaktadır. Mahal şartlarında emilen havaya aspiratör ve elektrik motorundan ısı geçişi olmaktadır. Bu nedenle karışım “RA-OA” arası olması gerekirken “2-OA” arası gerçekleşmektedir. Proje müellifi mühendislerin bu hususu incelemeleri ve bu hususta bir karar vermeleri gerekmektedir. Çoğu zaman fan efekti %1 civarında ve hatta bunun da altında olduğu için ihmal edilmektedir.

5.7. ODA EFEKTİ

Oda efekti, yaz klimasında “SA-RA” arasındaki prosestir. Bu proses ısınma ve ısınırken nem kazanmayı içermektedir. Oda duyulur Isı Oranı “RSHR” na bağlı olan bu işlem Konu 5.4.2’de anlatılmıştır. Benzeri bir işlem de kış klimasında gerçekleşmektedir.

Kış oda efekti karaışım noktası “KA”dan üfleme noktası “SA”ya kadar ısıtılan havanın mahal şartlarına kadar soğurken nem kazanmasını içerir. Karışım havası hava dış havanın ısıtılması ile mahal ısı kaybının karşılanması için “SA” noktasına kadar ısıtılmaktadır. Bu noktada mahalle sevk olunan hava mahallin ısı kaybı neticesi mahal şartlarına kadar soğuyacaktır. Ancak bu soğuma işlemi esnasına nem kazanacaktır. Bu nem kazanma işlemi dahili kazançlara , örneğin içerdeki insan sayısına bağlıdır. “SA-RA” proses hattı bu soğuma ve nemlenme işlemini göstermektedir. Bu prosesin iyi hesaplanması birçok uygulamada buharlı veya sulu nemlendiricileri gereksiz kılabilir.

5.8. DUYULUR ISI ORANI DÜŞÜK UYGULAMALAR 

Sinema ve konser salonu, gece klüpleri gibi insan sayısı fazla, bu nedenle gizli ısı yükü yüksek olan mahallerde istenen hava debisinin tespitinde, üfleme sıcaklığının istenen sınırlar dahilinde tutulmasında zorluklar yaşanmaktadır. Bu zorluklar dahili ısı kazançlarındaki yüksek gizli ısı yükünden kaynaklanmaktadır. Bu işlemi bir örnekle izah etmek daha iyi olur.

Örnek: 300 m²büyüklüğünde, bir otelin bodrumundaki gece klübü saat 22.00’dan sonra çalışmaktadır. Gece klubü 200 kişiliktir.  Gündüz maksimum sıcaklık 36^oCKT, %38 rH’dır. Saat 22.00’deki sıcaklık düşümünün 6^oC olduğu kabulüyle klima santralı büyüklüğünü ve yükleri belirleyiniz:

-Dış hava : 30^oCKT, 22,5^OCYT, %53 rH, W_DH= 0.0145kg_WV/kg_DA,,h_DA=73,5 kJ/kg

-İç hava   : 26^oCKT, 18,7^OCYT, %50 rH, W_DH= 0.0105kg_WV/kg_DA,,h_DA=53,0 kJ/kg

-26^oC’ta buharlaşma ısısı h_fg= 2441,71 kJ/kg

(1,00 kJ/kg = 0,277728 Watt = 0,00027773 kW = 0,238846 kCal/h

                                                                     DUYULUR ISI        GİZLİ ISI

• 100 kişinin masada oturduğu (kabul)… 70 W/kişi.h ……….45 W/kişi.h
• 100 kişinin dans ettiği (kabul)…………… 90 ………160
• Aydınlatma yükü ………..……………………..10 W/m²

Örneğimizde gece klubünün herhangi bir kondüksiyon ve radyasyon yükü olmadığı. Enfiltrasyonun da pozitif basınçla önlendiği kabul edilmiştir.

Bu duruma göre yüklerimiz aşağıdaki gibi hesaplanır ve bulunur.

Bu hesaplardan hareket ettiğimizde ve bu bulgulara göre prosesi psikrometrik diyagrama işlediğimizde iki yanlışlık ile karşılaşırız.

• RSHR ve ESHR hatları doyma eğrisini kesmemektedir. Bu mümkün değildir.Daha önce 5.4.2 No.lu “Soğutma ve Nem Alma” konusnda da bahsettiğimiz gibi soğutma prosesi eğrisi doyma eğrisi ile kesişmelidir. Doyma noktası üzerinde buluna ADP noktası ile soğutucu bataryaya giriş noktası arasında (örneğimizde “OA”) by-pass faktörünü içeren bir karışım söz konusudur.
• ADP noktası aynı zamanda soğutucu akışkanın soğutucu bataryadan çıkış şartlarını da belirlemektedir. Aşağıda görülen proseste ADP noktası bulunamadığından hangi soğutucu akışkanın hangi giriş/çıkış şartlarında kullanılacağı da cevapsız kalmaktadır.
• Gerekli hava debisinden yola çıkarak “SA” noktasının bulunması:

• İkinci önemli bir husus ta bulunan “SA” noktasıdır (21,5^oC). Bu sıcaklık neticesinde istenen 12000 m³/h hava debisine yakın bir debi çıkmaktadır. Ancak ESHR proses çizgisinin doyma eğrisini kesmemesi nedeniyle bu noktanın yakalanması mümkün değildir.

Uygulaması mümkün olmayan, hayali tabir edeceğimiz proses aşağıda görülmektedir.

Bu durumda yapılması gereken işlem dış hava “OA”nın belirli bir noktaya kadar, doyma eğrisini kesecek tarzda bir prosese sahip olmasını temin etmek, bu noktadan sonra soğutulmuş havayı “SA” noktasına kadar ısıtmaktır. Bu işlem sonunda “SA” noktasında mahalle sevk olunacak hava mahal içinde “oda efekti” neticesi ısınacak ve ısınırken dahili kazançlar neticesi nem de kazanacaktır. Yani “RSHR” hattı doğrultusunda bir işleme tabi olarak mahal şartları “RA”yı gerçekleştirecektir. Bu işlem aşağıdaki psikrometrik diyagramda gösterilmektedir.

Gerekli hava debisinin nasıl hesaplandığını bir önceki sayfada görmüştük. “RA” şartlarından çizeceğimiz “RSHR” hattının “SA” kuru termometre hattı ile kesiştiği nokta bizim “SA” mahalle klimatize havanın sevk olunacağı durumdur. “SA” noktasından hareketle yatay bir hat çizeriz. Bu hat bizim soğutma sonrası yapacağım son ısıtma (reheat) prosesidir. Mühendislik kabulü ile bu hat üzerinde bir “1” noktası belirleriz. Bu nokta ADP ile OA konumlarının by-pass neticesi karışım noktası olacaktır. Şimdi “ADP-OA” prosesini çizebiliriz. “OA” ile “1”i birleştirdiğimizde bu doğrunun doyma eğrisini kestiği nokta “ADP” konumudur. “ADP” konumunu aynı zamanda soğutucu akışkanın bataryadan çıkış sıcaklığı olarak ta kabul edebiliriz.

Eğer soğutucu akışkan olarak soğuk su kulanacaksak, en çok uygulanan 4 ila 5^oC giriş/çıkış faklarından 4^oC’ı kabul edersek soğuk su rejimimiz 5/9^oC bulunur. Soğuk su yerine direkt genleşmeli batarya kullancaksak bu sefer ADP’yi evaporasyon sıcaklığı ile aşırı kızdırma (superheat) sıcaklıklarının toplamına eşit alabiliriz.   Bu durumda evaporasyon sıcaklığı +5^oC, aşırı kızdırma sıcaklığı da 4^oC olmalıdır.

Burada bir şeye dikkat etmek gerekir. Satıh sıcaklığının 0^oC civarında olması özellikle kısmi kapasite kullanımlarında karlanma ve kardanmadan dolayı bataryada tıkanmaya neden olacağından mümkün olduğunca artı değerlerde sıcaklıkların seçilmesine gayret gösterilmelidir.

Burada dikkat edilecek bir husus ta bu tip uygulamalarda kış klima uygulamasıdır. Özellikle dış hava sıcaklığının 0^oC’ın altında olduğu yerlerde, eğer soğuk sulu soğutma bataryası kullanılıyorsa donma riskini önlemek için iki ısıtıcı batarya kullanılması önerilir. Bu bataryalardan biri soğutucu bataryadan önce yerleştirilecekit ve görevi yalnız kış klimasında dış havayı ısıtmak olacaktır. Bu batarya yaz kliması uygulamalarında çalışmayacaktır.

Aşağıda donma riski bulunmayan bir klima santralı yerleşimi şematik olarak gösterilmektedir.

Aşağıda da donma riski bulunan ve sulu soğutma serpantini kullanan bir klima santralı yerleşimi şematik olarak görülmektedir.

Bu uygulamadaki ön ısıtıcı batarya yalnız kış ısıtmasında kullanılmaktadır. Soğutma ve nem almanın gerektiği yaz aylarında ve geçiş mevsimlerinde devre dışı kalmaktadır. Son ısıtıcı batarya ise soğutucu batarya ile birlikte soğutma ve nem alma işlemlerinde kullanılmaktadır.

2. YAZ KLİMASI

2.1. HAVA DEBİSİNİN HESAPLANMASI.

Hava debisinin tespitinde mahal soğutma yükü esas alınır. Hava debisi mahal toplam soğutma yükü üzerinden de mahal duyulur ısı yükü üzerinden de hesaplanabilir. İki uygulama arasında hiçbir fark yoktur. Ancak duyulur ısı yükü üzerinden debi hesaplanması en yaygın uygulamadır ve birçok literatürde önerilmektedir. Biz burada, örneğimizde her iki uygulamayı da göstereceğiz.

Problem: Bir mahallin yaz uygulaması iç hava şartları 26^oCKT, %50 rH, dış hava şartları ise 35^oCKT, 24^oCYT’dir. Mahallin soğutma yükü 48 kW olup mahal duyulur ısı oranı “RSHR” 0.80’dir. Mahal %100 dış hava ile çalışacaktır. Sistemin hava debisini  hesaplayın.

Çözüm-1:

ΣQ_RA= 48 kW = 172 830 kJ/saat

RSHR= 0.80

Q_RA-duy= 0.80 x 172 830 = 138 264 kJ/saat

Mahal sıcaklığı ile üfleme sıcaklığı arasındaki fark 10^oC kabul edildi. (Bu fark genelde 8^oC ila 10^oC arasında alınır). Buna göre:

t_RA= 26^oC

Δt = 10^oC

t_SA= 26– 10 = 16^oC

Hava debisi:

V = Q_RA-duy/( Δt x c_px (1/γ))

ϒ = 0.850 m³/kg

V = 138 264 /( 10 x 1.041 x (1/0.850))

V = 11 290 m³/h

Şimdi bu debinin mahallin toplam soğutma yükünü karşılayıp karşılamadığını kontrol edelim.

h_RA= 53.0 kJ/kg

h_SA = 40.0 kJ/kg

ΣQ_RA= V x (1/γ) x (h_RA– h_SA)

ΣQ_RA= 11290 x (1/0.850) x (53.0-40.0)= 172 670 kJ/saat

ΣQ_RA= 47.96 kW………………hesaplanan hava debisi doğru ve yeterlidir.

Bu işlemi psikrometrik diyagrama işlerken şun sırayı takip ederiz.

• Oda şartları “RA”yı diyagam üzerine yerleştir. Bu şarta ait olan entalpiyi ve özgül hacmi tespit et ve kaydet.
• Üfleme sıcaklığını “t_DB(^oC)” koordinatı üzerinde belirle ve dikey bir kırmızı hat çiz.
• Psikrometrik diyagramın sol üst köşesindeki “q_sens/q_tot”çemberinde RSHR=0.80 noktasını belirleyip bu noktayı dairenin merkezi ile düz bir çizgi olarak birleştir.
• Çizdiğin RHHR=0.80 doğrusunu bir paralelogram vasıtasıyla “RA” konumuna taşı. Bu meyilli hat ile 16^oCKT dikmesinin kesiştiği nokta “SA” konumudur. Bu konumun entalpisini tespit et ve kaydet.
• İki entalpi değeri arasındaki farkın hava debisi (kg/saat) ile çarpımı size mahal soğutma yükünü verir.

 

Çözüm-2:

Bu çözümde mahal duyulur soğutma yükü yerine mahal toplam soğutma yükünü esas alarak hava debisini belirleyeceğiz.

 ΣQ_RA= 48 kW = 172 830 kJ/saat

Bu işlemi doğrudan psikrometrik diyagram üzerinde, aşağıdaki sırayı takip ederek yapabiliriz.

• Oda şartları “RA”yı diyagam üzerine yerleştir. Bu şarta ait olan entalpiyi ve özgül hacmi tespit et ve kaydet.
• Psikrometrik diyagramın sol üst köşesindeki “q_sens/q_tot”çemberinde RSHR=0.80 noktasını belirleyip bu noktayı dairenin merkezi ile düz bir çizgi olarak birleştir.
• Çizdiğin RSHR=0.80 doğrusunu bir paralelogram vasıtasıyla “RA” konumuna taşı.
• Oda sıcaklığı ile üfleme sıcaklığı arasındaki farkı belirle (bir önceki çözümde olduğu gibi 10^oC alalım. Buna göre üfleme sıcaklığı 16^oCKT olarak belirlenir.
• Üfleme sıcaklığını “^oCKT” koordinatı üzerinde belirle ve dikey bir kırmızı hat çiz. Bu dikey çizginin RSHR hattını kestiği yer “SA” üfleme şartıdır. Bu konumun entalpik değerini tespit et ve kaydet.
• İki entalpi değeri arasındaki farkın hava debisi (kg/saat) ile çarpımı size mahal soğutma yükünü verir.

2.2. %100 DIŞ HAVALI KLİMA SANTRALI, YALNIZ SOĞUTMA

Konu 2.1.’de incelediğimiz problemi klima santralı büyüklüğü açısından tekrar inceleyelim. Problem: Bir mahallin yaz uygulaması iç hava şartları 26^oCKT, %50 rH, dış hava şartları ise 35^oCKT, 24^oCYT’dir. Mahallin soğutma yükü 48 kW olup mahal duyulur ısı oranı “RSHR” 0.80’dir. Mahal %100 dış hava ile çalışacaktır. Sistemin hava debisini ve klima santralı soğutucu batarya büyüklüğü hesaplayın.

Bu uygulamada bir önceki psikrometrik diyagramı tekrar ele alacağız. Bu sefer tek bir farklılıkla, diyagram üzerine dış hava konumu “OA”yı işleyerek.

“OA” konumuyla “SA” konumunu düz bir çizgiyle birleştirdiğimizde bu hat bizim soğutma prosesimizdir. “ADP” olarak doyma eğrisi üzerinde gösterilen konum ise cihaz çiy noktasıdır. Cihaz çiy noktası soğutucu bataryanın satıh sıcaklığına eşit kabul edilebilir. Bu sıcaklık ta bize soğutucu akışkanın sıcaklığını belirlemede yardımcı olur. Soğuk sulu bir soğutucu batarya seçeceksek “t_ADP” kuru termometre sıcaklığını soğutucu akışkanın batarya çıkış sıcaklığı olarak kabul edebiliriz. Bu bir yaklaşım olup hata payı son derece düşüktür. t_ADP11^oC olduğuna göre soğutucu su giriş-çıkış sıcaklıklarını, örneğin 7/11^oC seçebiliriz.

Daha düşük su sıcaklıklarının seçimi, özellikle soğutucu batarya su çıkış sıcaklığının düşük seçilmesi istenen duyulur ısı oranının sağlanmaması, dolayısıyla “SA” şartlarının karşılanamaması ile neticelenecektir.

Şimdi de soğutucu bataryanın soğutma yükünü belirleyelim. Hava debisi bir önceki örneğe ait çözüm-1’de 11 290 m³/saat olarak belirlenmişti. Buna göre toplam soğutma yükü:

ΣQ_sistem= V x (1/γ) x ( h_OA– h_SA)

ΣQ_sistem= Q_duy + Q_gizli

ΣQ_sistem= [V x c_px (1/γ) x ( t_OA – t_SA)]+[ V x h_fgx (1/γ) x ( w_OA – w_SA)]

Burada h_fg suyun buharlaşma (yoğuşma) entalpisidir. Yukarıdaki formülü şu şekilde de yazabiliriz.

ΣQ_sistem= [V x (1/γ) x ( h_OA– h₁)]+[ V x (1/γ) x ( h₁ – h_SA)]

ΣQ_sistem= [11 290 x (1/0.850) x ( 72.5– 53.0 )]+[ 11 290 x (1/0.850) x ( 53.0– 41.0 )]

ΣQ_sistem= 418 394 kJ/saat =116.20 kW

Mahal duyulur ısı oranı “RSHR” 0.80 olarak verilmişti. Şimdi de sistemin duyulur ısı oranı “ESHR”yi hesaplayalım.

ESHR= Q_duy/ ΣQ_sistem

ESHR= [V x (1/γ) x ( h_OA – h₁)]/ {[V x (1/γ) x ( h_OA – h₁)]+[ V x (1/γ) x ( h₁ – h_SA)]}

ESHR= (h_OA – h₁)]/ ( h_OA  – h_SA)

ESHR= (72.5– 53.0 )]/ ( 72.5– 41.5 )

ESHR= 0.65

“OA-SA” soğutma prosesi esnasında havadaki mutlak nem oranı da azaltılmaktadır. Dış havanın mutlak neminin ne kadar azaltıldığını hesaplayalım:

M= V x (1/ γ) x (w_OA– w_SA)

M= 11 290 x (1/0.850) x ( 14.4 – 9.4)

M= 66412 gr/saat = 66.412 kg/saat   dış havadan nem alınmaktadır.

Bu işleme uygun klima santralının çizimi aşağıdadıır.

2.3. KARIŞIM HAVALI KLİMA SANTRALI, YALNIZ SOĞUTMA

Problem: Bir mahallin yaz uygulaması iç hava şartları 26^oCKT, %50 rH, dış hava şartları ise 35^oCKT, 24^oCYT’dir. Mahallin soğutma yükü 48 kW olup mahal duyulur ısı oranı “RSHR” 0.80’dir. Mahal %40 dış hava ile çalışacaktır. Sistemin hava debisini ve klima santralı soğutucu batarya büyüklüğü hesaplayın.

Hava debisini 37. Sayfa, konu no 2.1’de incelemiş ve hesaplamıştık. Kloaylık açısından aynı hesabı burada da gösteriyoruz.

Mahal sıcaklığı ile üfleme sıcaklığı arasındaki fark 10^oC kabul edildi. (Bu fark genelde 8^oC ila 10^oC arasında alınır). Buna göre:

t_RA= 26^oC

Δt = 10^oC

t_SA= 26– 10 = 16^oC

Hava debisi:

V = Q_RA-duy/( Δt x c_px (1/γ))

ϒ = 0.850 m³/kg

V = 138 264 /( 10 x 1.041 x (1/0.850))

V = 11 290 m³/h

Şimdi psikrometrik diyagramımızı çizelim ve üzerindeki değerleri esas alarak klima santralı soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyelim.

Yapmamız gereken ilk işlem “RA” ile “OA” konumlarını birleştiren doğruyu çizmektir. Karışım noktamız bu hat üzerinde olacaktır. Grafik olarak “RA-OA” uzunluğunu diyagram üzerinden ölçüp %40’ını alır, bu uzunluğu “RA” tarafından işaretleriz. Bu bizim “Ka”, mahal havasıyla dış havanın karışım noktasıdır. Bunun analitik hesabı “Psikrometri-I” kitabında verilmektedir.

“Ka” konumuna göre aşağıdaki değerler psikrometrik diyagramdan okunur:

t_Ka= 29.6^oCKT

h_Ka= 60.0 kJ/kg

w_Ka= 12.0 gr/kg

Bu duruma göre klima santralı soğutucu batarya büyüklüğü:

ΣQ_sistem= V x (1/γ) x ( h_Ka– h_SA)

ΣQ_sistem= 11 290 x (1/0.850) x ( 60.0– 41.0 )

ΣQ_sistem=252 365 kJ/saat = 70 kW

Karışım havasından alınan nem miktarı ise:

M= V x (1/ γ) x (w_Ka– w_SA)

M= 11 290 x (1/0.850) x ( 12.0 – 9.4)

M= 34 534 gr/saat = 34.534 kg/saat’tir.

Karışım havalı klima santralının şematik olarak gösterimi aşağıdadır.

2.4. DÜŞÜK DUYULUR ISI ORANLI YAZ KLİMASI

Gizli ısı yükünün yüksek olduğu mahallerde mahal duyulur ısı oranı son derece düşüktür. Bu durum insan sayısının yüksek olduğu ve/veya satıh buharlaşması nedeniyle gizli ısı kazanımının gerçekleştiği mahallerde, örneğin gece kulüplerinde, sinema ve konser salonlarında, kapalı yüzme havuzlarında sıkça rastlanır. Bunlara ilaveten dış hava şartı olarak yüksek bağıl neme sahip olan ve yüksek oranda dış hava ile çalışmak zorunda olunan klima santrallarında da sıkça rastlanan bir durumdur. Böyle bir durumda cihaz çiy noktası “ADP”yi düşük sıcaklıklarda tutmak çözüm gibi görünse dahi tatbikatta bu mümkün değildir. Birçok durumda da RSHR hattı ile ESHR hattı kesişmemektedir. Böyle bir durumda “ADP”yi düşürmenin de hiçbir yararı yoktur. Bu durumu bir örnekle gösterelim.

Problem: Bir mahallin yaz uygulaması iç hava şartları 26^oCKT, %50 rH, dış hava şartları ise 36^oCKT, 25^oCYT’dir. Mahallin soğutma yükü 48 kW olup mahal duyulur ısı oranı “RSHR” 0.55’dir. Sistem %100 dış hava ile çalışacaktır. Psikrometrik diyagramı çizin, sistemin hava debisini ve klima santralı soğutucu ve ısıtıcı batarya büyüklerini hesaplayın.

1. İlk olarak psikrometrik diyagram üzerinde mahal konumunu belirledikten sonra RSHR=0.55 proses hattını çizin(diyagramda kırmızı olarak gösterilen RA-SA hattı).
2. Mahal sıcaklığı ile klimatize hava üfleme sıcaklığı arasındaki farkı belirleyin. Biz bu çalışmamızda bu farkı 8^oC olarak kabul ediyoruz. Dolayısıyla üfleme kuru termometre sıcaklığı 26-8=18^oCKT olur. “t_db” absisi üzerinde t_SA=18^oCKT noktasını belirleyip bu noktadan bir sabit sıcaklık çizgisi çizin (düşey yeşil çizgi).
3. Düşey yeşil çizgiyle RSHR kırmızı hattının kesiştiği nokta bizim klimatize hava üfleme konumu “SA”dır. (~18^oCKT, %62 rH). Bu konumun entalpik değeri olarak h_SA=39.5 kJ/kg entalpi cetveli üzerinden okunur.
4. “SA” konumundan başlayarak sabit mutlak nem hattını çizin (“SA-1” arasındaki kırmızı çizgi ).
5. “OA” konumundan başlayarak öyle bir ESHR, soğutma proses hattı çizin. Bu hat mutlaka madde-4’deki sabit mutlak nem hattını kesmelidir. Bu hattın %100 doyma eğrisini kestiği nokta ADP, cihaz çiy noktasıdır. Bu nokta bize soğutucu akışkanın bataryaya giriş-çıkış şartlarını belirleyecektir.

Bir sonraki sayfada görülen psikrometrik diyagram üzerindeki OA-1-ADP hattı %100 dış havanın klima santralındaki soğutucu bataryada soğutulması ve mutlak neminin azaltılması prosesidir. Soğutulmuş %100 dış hava soğutucu bataryadan “1” şartlarında çıkmaktadır. Bu şartları şöyle özetleyebiliriz:

t_SA= 11^oCKT (kuru termometre sıcaklığı)

rH  = %96  (bağıl nem oranı)

h₁  = 31.4 kJ/kg (entalpi)

w₁= w_SA = 8.0 gr/kg

Bir sonraki proses ise “1” şartlarındaki havanın “SA” şartlarına kadar ısıtılmasıdır. “1-SA” hattı bu ısıtma işlemini belirlemektedir. Bu işlem esnasında %100 dış hava, soğutma prosesini takiben “t_SA” şartlarına , 18.2^oCKT’ye kadar ısıtılmaktadır. İşlem salt ısıtma prosesinden ibaret olduğu için mutlak nem oranında herhangi bir değişiklik söz konusu değildir. “SA” şartlarını da şu şekilde özetleyebiliriz:

t_SA= 18.2^oCKT (kuru termometre sıcaklığı)

rH  = %96  (bağıl nem oranı)

h_SA = 38.6 kJ/kg (entalpi)

w₁= w_SA = 8.0 gr/kg

Bundan sonraki işlem “SA-RA” hattı ile gösterilmekte olup mahalle “SA” şartlarında üflenen klimatize havanın mahalde duyulur ve gizli ısı kazanmak suretiyle “RA” koşullarına gelmesidir. Bu proseslerin tamamı aşağıdaki psikrometrik diyagramda görülmektedir.

Önce hava debisini belirleyim, bilahare soğutucu ve ısıtıcı bataryaların büyüklüklerini hesaplayalım.

V= Q_duy.mahal/( c_px Δt x γ)

Q_duy.mahal= ΣQ_mahal x RSHR

Q_duy.mahal= 48  x 0.55 = 26.4 kW = 95 172 kJ/saat

Aşağıdaki değerler psikrometrik diyagramdan okunur:

t_RA= 26^oCKT

h_RA=52.8 kj/kg

t_SA= 18.2^oCKT

h_SA=38.6 kJ/kg

γ   = 0.850 m³/kg

Bu duruma göre:

V= 95 172/ [ 1.041 x 8 x (1/0.850)]

V= 9723 m³/saat

Hesapladığımız debinin mahal toplam soğutma yükü karşılayıp karşılamadığını kontrol edelim.

ΣQ_mahal= V x (1/γ) x (h_RA– h_SA)

ΣQ_mahal= 9723 x (1/0.850) x (52.8 – 38.6)

ΣQ_mahal= 162 431  kJ/saat = 45.06 kW………. Hava debisi doğrulanmıştır.

Soğutucu batarya büyüklüğünün hesabı:

Q_soğutucu= V x (1/γ) x (h_OA– h₁)

Q_soğutucu= 9723 x (1/0.850) x (76.8 – 31.4)

Q_soğutucu= 519 323 kJ/saat = 144 kW

Isıtıcı batarya büyüklüğünün hesabı:

Q_soğutucu= V x (1/γ) x (h_SA– h₁)

Q_soğutucu= 9723 x (1/0.850) x (38.6 – 31.4)

Q_soğutucu= 82 360 kJ/saat = 23 kW

Bu işleme uygun klima santralının şematik çizimi aşağıdadır.

Bu tarzdaki düşük duyulur ısı oranlı bir klima sistemi istenen mahal şartlarının temini açısından uygundur. Enerji tasarrufu açısından son derece gayri ekonomik bir uygulamadır. Çünkü egzost edilen mahal havasının enerjisi geri kazanılmamaktadır. Ayrıyeten hava nem alabilmek için aşırı soğutulmakta, bilahare ısıtılmaktadır. Soğutma için 144 kW, tekrar ısıtma için de 23 kW olmak üzere toplam 167 kW enerjiye ihtiyaç göstermektedir.  Bu konu detaylı olarak “3. ISI GERİ KAZANIMLI SİSTEMLER”de incelenecektir.

2.5. FAN EFEKTİNİN SİSTEME ETKİSİ.

Bu konu detaylı bir biçimde PSİKROMETRİ-I isimli kitabımızda incelenmiştir. Burada kısa bir hatırlatma yapmak ve bir örnek vermekle yetineceğiz. Fan efekti hava hareketinin elektrik motoru ile tahrik edilen elemanlarca, örneğin vantilatör ve aspiratörlerle donatılmış cihazlarda, klima ve havalandırma santrallarında, fan-coil cihazlarında görülen bir duyulur ısı kazancı prosesidir.  Elektrik motorlarında verim %100 değildir. Günümüzdeki motorlarda bu verim %90’ın üzerindedir. Elektrik motoruna verilen elektrik enerjisinin verime bağlı olanı işe dönüşür. Bakiye, yani “1-η” vantilatör ve aspiratörlerde gövde ısınması, kayış-kasnaklı olanlarda kayma-sürtünmeden meydana gelen ısınma neticesi sevk olunan ve/veya dönüş havasının belirli bir oranda ısınmasına neden olur. Kış klimasında bir emniyet faktörü olarak kabul edilen bu durum yaz uygulamalarında dikkate alınabilir.

Bunun neticesi olarak, örneğin yaz klimasında soğutucu bataryadan çıkan klimatize hava “1-SA” hattını takip ederek ısınır. Bu ısı vantilatörden kaynaklanan ısıya eşittir. Benzer bir durum da dönüş havasında yaşanır. Mahal dönüş havası “RA-2” hattı boyunca aspiratörden kaynaklanan bir oluşum neticesi ısınır. Bu miktar vantilatörden meydana gelen ısı kazancı kadar önemli değildir. %100 dış hava ile çalışan klima santrallarında hiç dikkate alınmaz. Karışım havalı sistemlerde dahi ihmal edilebilecek seviyelerdedir.

Gerek “1-SA” ve gerek se “RA-2” prosesleri, psikrometrik diyagramda görünülebilirlik kazanması için abartılı olarak gösterilmiştir. Bunu bir örnekle gösterelim.

Problem: Toplam soğutma yükü 80kW olan, %50 karışım havalı bir klima santralının vantilatör ve  aspiratör  debileri 7660 m³/saattir. Vantilatör toplam basıncı 600 Pa  (cihaz içi ve cihaz  dışı), aspiratör toplam basıncı ise 300 Pa (cihaz içi ve cihaz dışı). Vantilatör ve aspiratör fan efektlerini hesaplayınız.

h_KA= 68 kJ/kg

h_SA= 36 kJ/kg

γ  =  0.850 m³/kg

ΣQ_sistem= 80 kW = 288 400 kJ/saat

Klima santralı tasarımına veya klima santralı seçim yazılımına sahip değilsek şöyle bir yaklaşım yapabiliriz.

N_motor= [V  x ΔP x (1/0.850)]/(g x η_vantilatörx 3600 x 102)

N_motor= [7660  x 600 x (1/0.850)]/(9.81 x 0.70 x 3600 x 102)

N_motor= 2.14 kW………………… 3.00 kW kabul edildi.

η_{elk mot}= 0.94

Q_motor= (1-η) x N_motorx 3605 = 648.9 kJ/saat

Δh_SA-1= Q_motor/ [V x (1/γ)]

Δh_SA-1= 648.9 / [7660 x (1/0.850)] = 0.072 kJ/kg

Bu değerin toplam soğutma üzerindeki efekti 0.072/(68-36)=0.038 yani %3.8’dir. Bu değer emniyet faktörü sınırları içinde kaldığından dikkate alınmayabilir. Aynı durum aspiratör için de geçerlidir.

2.6. DUYULUR ISI GERİ KAZANIMLI KLİMA SANTRALI, %100 DIŞ HAVALI

%100 dış hava ile çalışan, yalnız duyulur ısı geri kazanımlı klima santralı uygulamasını bölüm “1.9”da incelemiştik. Aynı uygulamayı şimdi de yaz kliması için yapalım.

Problem: Klimatize edilmek istenen bir mahallin yaz kliması yükü 40 kW, duyulur ısı oranı “RSHR” 0.80’dir. Klima santralında %100 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava yaz dizayn şartları 36^oCKT, %43 rH, mahal şartları ise 26^oCKT, %50 rH’tır. Klima santralında duyulur ısı bazında %55 verimli plakalı ısı geri kazanım eşanjörü kullanılacaktır. Psikrometrik prosesi  çizin, soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyin.

Daha önceki yaz kliması örneklerinde olduğu gibi, bu örnekte de yapacağımız ilk işlem hava debisinin tayinidir.

V= Q_duy.mahal/( c_px Δt x γ)

Q_duy.mahal= ΣQ_mahal x RSHR

Q_duy.mahal= 40  x 0.80 = 32.0 kW = 115 220 kJ/saat

V= 115 220/[ 1.041 x 12 x (1/0.850)]

V= 7840 m³/saat

Daha önceki örneklerde mahal sıcaklığı ile üfleme havası sıcaklığı arasındaki farkın 8 ila 10^oC alınması önerilmişti. Ancak ADP sıcaklığının çok düşük çıkmaması için bu sıcaklık farkı daha yüksek, örneğin 12^oC alınabilir. Bu örnekte de böyle yapılmıştır. Δt>10^oC alınan uygulamalarda bu husus üfleyici nihai elemanların seçiminde üzerinde önemle durulması gereken bir husustur.

Şimdi de ısı geri kazanım eşanjörünün veriminin %55 olduğu kabulûyle dış havanın eşanjörden çıkış sıcaklığı “t₁”i hesaplayalım.

η = (t_OA-t₁)/(t_OA-t_RA)=0.55

t₁ = 30.5^oCKT bulunur.

“t₁” sıcaklığı bulduktan sonra ısı geri kazanım eşanjöründeki prosesi çizelim.

• “OA-1” hattı dış havanın ısı geri kazanım eşanjöründe soğuma prosesidir.
• Kesik çizgilerle gösterilen “RA-EA” hattı da mahal havasının ısınması ve egzost edilmesidir.
• Bu eşanjörün ısı geri kazanım prosesi salt duyulur ısı bazında olduğu için mutlak nem değerlerinde herhangi bir değişiklik yoktur.

2.7. DUYULUR ISI GERİ KAZANIMLI KLİMA SANTRALI, KARIŞIM HAVALI

Karışım havalı, yalnız duyulur ısı geri kazanımlı klima santralı uygulamasını bölüm “1.10”da incelemiştik. Şimdi de aynı uygulamayı  yaz kliması için yapalım.

Problem: Klimatize edilmek istenen bir mahallin yaz kliması yükü 40 kW, duyulur ısı oranı “RSHR” 0.80’dir. Klima santralında %50 harici hava kullanılması istenmektedir. Dış hava yaz dizayn şartları 36^oCKT, %43 rH, mahal şartları ise 26^oCKT, %50 rH’tır. Klima santralında duyulur ısı bazında %60 verimli plakalı ısı geri kazanım eşanjörü kullanılacaktır. Psikrometrik prosesi  çizin, soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyin.

2.6’daki örnekte olduğu gibi, bu örnekte de yapacağımız ilk işlem hava debisinin tayinidir.

V= Q_duy.mahal/( c_px Δt x γ)

Q_duy.mahal= ΣQ_mahal x RSHR

Q_duy.mahal= 40  x 0.80 = 32.0 kW = 115 220 kJ/saat

V= 115 220/[ 1.041 x 11 x (1/0.850)]

V= 8553 m³/saat

İkinci işlem ise ısı geri kazanım eşanjörünün veriminin %60 olduğu kabulûyle dış havanın eşanjörden çıkış sıcaklığı “t₁”i hesaplayalım.

η = (t_OA-t₁)/(t_OA-t_RA)=0.60

η = (36-t₁)/(36-26)=0.60

t₁ = 30.0^oCKT bulunur.

Bu sıcaklığın bulunması ile psikrometrik diyagramımızı çizebiliriz.

• İlk olarak ısı geri kazanım eşanjöründe dış havanın soğuması, egzost edilen havanın ısınması prosesini çizelim. Isı geri kazanım eşanjörümüz salt duyulur ısı geri kazanımı eşanjörü olduğu için bu proses çizgilerimiz sabit mutlak nem hattı tarzında, yatay doğrular tarzında olacaktır. “OA-1” dış havanın soğuması, “RA-EA” hattı ise egzost havasının ısı transferi neticesi ısınma prosesleridir.
• RSHR=0.80 alınarak “RS-SA” hattı çizilir. Bu hattın 15^oCKT ile kesiştiği yer klimatize hava üfleme şartı “SA”dır.
• “1” konumu ile “RA” konumunu birleştiren düz çizgi üzerinde karışım havası yer almaktadır. Dış hava oranının %50 olması nedeniyle karışım noktası (KA) hattın ortasında yer alır.
• “KA-SA” hattını çizdiğimiz zaman bu bizim soğutma bataryasında karışım havasını soğutma işlemimizdir. “ADP” ise cihaz çiy noktasıdır.

Psikrometrik diyagramdan okuduğumuz entalpi değerlerini esas alarak soğutucu batarya büyüklüğünü hesaplayabiliriz.

h_KA = 63.2 kJ/kg

h_RA = 52.7 kJ/kg

h_SA = 38.5 kJ/kg

ΣQ_soğ= V x (1/γ) x (h_KA– h_SA)

ΣQ_soğ= 8553 x (1/0.850) x (63.2 – 38.5)

ΣQ_soğ= 248 540 kJ/saat = 69 kW

2.8 TOPLAM ENERJİ GERİ KAZANIMLI KLİMA SANTRALI,%100 DIŞ HAVALI

Problem: Klimatize edilmek istenen bir mahallin yaz kliması yükü 40 kW, duyulur ısı oranı “RSHR” 0.80’dir. Klima santralı %100 harici hava ile çalışacaktır. Dış hava yaz dizayn şartları 36^oCKT, %43 rH, mahal şartları ise 26^oCKT, %50 rH’tır. Klima santralında duyulur ısı bazında %70, gizli ısı bazında %50 verimi olan döner tamburlu ısı geri kazanım eşanjörü kullanılacaktır.  Psikrometrik prosesi  çizin, soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyin.

 Bu örnekte de yapacağımız ilk işlem hava debisinin tayinidir.

V= Q_duy.mahal/( c_px Δt x γ)

Q_duy.mahal= ΣQ_mahal x RSHR

Q_duy.mahal= 40  x 0.80 = 32.0 kW = 115 220 kJ/saat

V= 115 220/[ 1.041 x 12 x (1/0.850)]

V= 7840 m³/saat

İkinci işlem olarak döner tamburumuzdan dış havanın çıkış şartlarını belirlemek olacaktır. Bunun için iki verimi de kullanacağız.

Önce duyulur ısı geri kazanım verimini esas alarak döner tamburdan dış havanın çıkış kuru termometre sıcaklığını bulalım.

η_duyulur= (t_OA-t₁)/( t_OA-t_RA)= 0.70

η_duyulur= (36-t₁)/( 36 – 26)= 0.70

t₁= 29^oCKT

Şimdi de gizli ısı geri kazanım verimini esas alarak döner tamburdan dış havanın mutlak nem değerini bulalım.

Psikrometrik diyagramdan aşağıdaki değerleri okuruz.

36^oCKT, %43 rH için …………. w_OA= 16.0 gr/kg

26^oCKT, %50 rH için …………. w_OA= 10.4 gr/kg

η_gizli= (w_OA-w₁)/( w_OA-w_RA)= 0.50

η_gizli= (16.0 – w₁)/( 16.0 – 10.4)= 0.50

w₁= 13.2 gr/kg

“1” noktasının psikrometrik diyagramda 29^oCKT dikmesi ile 13.2 gr/kg yatay hattının kesiştiği yer olarak belirlenir. Benzeri bir hesaplama ile “EA” konumu da belirlenir. Bu değerlerin belirlenmesini takiben psikrometrik diyagramımızı çizebiliriz.

• “OA-1” hattı döner tamburlu ısı geri kazanım eşanjöründeki dış havanın soğuma, “RA-EA” hattı ise dış havadan transfer olunan enerji ile egzost havasının ısınma hattıdır. “RA-EA” hattının bizim klima prosesi ile doğrudan bir ilgisi yoktur. Yalnız bilgi açısından verilmektedir.
• “RSHR” değeri esas alınarak, “RA” konumundan başlayarak “RA-SA” hattını çizebiliriz. Bu hat üflenen klimatize havanın mahalde duyulur ve gizli ısı kazanmasını gösterir. Bu hattın “t_SA” dikmesini kestiği nokta da klimatize havanın üfleme şartı “SA”dır.

Şimdi ısı geri kazanımdaki enerji tasarrufunu ve soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyebiliriz:

ΣQ_IGK= V x (1/γ) x (h_OA– h₁)

ΣQ_soğ= V x (1/γ) x (h₁– h_SA)

h_OA= 77.4 kJ/kg

h₁    = 62.0 kJ/kg

h_RA = 52.8 kJ/kg

h_SA = 37.0 kJ/kg

ΣQ_IGK= 7840 x (1/0.850) x (77.4 – 62.0)

ΣQ_IGK= 142 042 kJ/saat = 39.5 kW  enerji geri kazanımı (tasarrufu)

ΣQ_soğ= 7840 x (1/0.850) x (62.0 – 37.0)

ΣQ_soğ= 230 588 kJ/saat = 64.0 kW soğutma yükü

Eğer ısı geri kazanımı uygulanmasaydı toplam soğutma yükü 103.5 kW olurdu.

2.9 TOPLAM ENERJİ GERİ KAZANIMLI KLİMA SANTRALI, KARIŞIM HAVALI

 Problem: Klimatize edilmek istenen bir mahallin yaz kliması yükü 40 kW, duyulur ısı oranı “RSHR” 0.80’dir. Klima santralı %40 harici hava ile çalışacaktır. Dış hava yaz dizayn şartları 36^oCKT, %43 rH, mahal şartları ise 26^oCKT, %50 rH’tır. Klima santralında duyulur ısı bazında %70, gizli ısı bazında %50 verimi olan döner tamburlu ısı geri kazanım eşanjörü kullanılacaktır. Psikrometrik prosesi  çizin, soğutucu batarya büyüklüğünü belirleyin.

2.8’deki örnekte hava debisi, döner tamburlu eşanjör giriş-çıkış şartları hesaplanmıştı. Buradaki çözüm ve bulunan değerler aynı olduğundan hesapları tekrarlamıyor, bu bölüme refere olunmasını öneriyoruz. Bu konumları psikrometrik diyagram üzerine yerleştirdikten sonra karışım noktası –nı buluruz. Psikrometri-I kitabında detaylı olarak anlatılan bu bahsi, konuyu hatırlamak açısından burada tekrarlıyoruz.

M_Ka = M_RA + M₁

Burada “M” hava kütlesini simgelemektedir ve hava debisi ile havanın yoğunluğunun çarpımına eşittir.

M= V x (1/γ)_{…………………………………………….}(kg/saat)

Bu duruma göre formülümüzü aşağıdaki tarzda düzenleyebiliriz.

V_Ka(1/γ_Ka)= V_RA(1/γ_RA)  + V₁(1/γ₁)

 Oda ve dış havanın özgül hacimlerinin eşit olduğunu kabul edersek formülümüz aşağıdaki şekle dönüşür.

V_Ka = V_RA  + V₁

V_Ka.c_p.t_Ka= V_RA.c_p.t_RA+ V₁.c_p.t₁

Bu denklemde özgül ısı “c_p” sabit olduğu için birbirini götürür ve sadeleşerek aşağıdaki duruma dönüşür.Bu formül sayesinde karışım havası sıcaklığı “t_KA” aşağıdaki gibi bulunur:

t_Ka = (V_RA.t_RA + V₁.t₁)/V_{KA…………………………………………….}( ^oC)

Toplam hava debisi 7840 m³/saat olduğuna göre:

V_RA = 0.60 x 7840 = 4704 m³/saat

V₁    = 0.40 x 7840 = 3136 m³/saat

Dolayısıyla:

t_Ka = (4704 x 26+ 3136 x 29)/7840

t_Ka = 27.2^oC      

t_Ka =27.2^oCKT dikmesinin “RA-1” karışım prosesi hattıyla kesiştiği nokta “Ka” karışım noktasıdır.

Karışım noktasının belirlenmesinin bir diğer yöntemi de analitik olarak bu noktanın bulunmasıdır. Bu işlemi şu şekilde özetleyebiliriz:

• “RA” ile “1” konumları birleştirilerek “RA-1” hattı oluşturulur.
• Bir cetvel yardımıyla “RA-1” hattının uzunluğu psikrometrik diyagram üzerinden ölçülür.
• Ölçülen mesafenin %40’ı alınır. Bu uzunluk “RA” noktasından ölçülerek “Ka” konumu bulunur.

Bir önceki örnekte olduğu gibi RSHR hattı çizilmiş  ve “SA” konumu belirlenmiş olduğuna göre “Ka” ile “SA” birleştirilerek “Ka-SA” soğutma proses hattı belirlenir. Bu hattın %100 doyma eğrisini kestiği nokta “ADP” cihaz ciy noktasıdır.

Şimdi soğutucu bataryanın büyüklüğünü hesaplayalım.

h_Ka= 57.2 kJ/kg

h_SA= 37.0 kJ/kg

γ  = 0.850 kg/m³

ΣQ_soğ= ΣV x (1/γ) x (h_Ka– h_SA)

ΣQ_soğ= 7840 x (1/0.850) x (57.2 – 37.0)

ΣQ_soğ= 186 315 kJ/saat = 51.75 kW

4. PSİKROMETRİK DİYAGRAMLAR

4.1. GENEL

İlki 1904 yılında Willis Carrier tarafından yapılan ve günümüze kadar, araştırmalar neticesi devamlı gelişme gösteren Psikrometrik Diyagramlar nemli havanın termodinamik özelliklerinin yansıtıldığı tablolardır. Ancak bu tablolarda entropi ve buhar basıncı gösterilmez. Ancak buhar basıncının mutlak nem oranı ve doyma noktası ile olan matematiksel ilişkisi nedeniyle biz psikrometrik diyagramlarımıza buhar basıncını mutlak nem oranı ordinatına paralel bir çizgi olarak ekledik.

-40^oC ile +120^oC aralığı ve 101.325 kPa atmosferik basınç için tek bir diyagram hazırlamak mümkündür.

Ancak bu diyagramda normal ve düşük sıcaklıklardaki değerleri, örneğin A4 veya A3 ölçülerindeki bir psikrometrik diyagramda okumak çok zor olacağından ASHRAE bunu üçe bölerek kolaylaştırmıştır. Birinci tablo 0^oC ila 50^oc arasındaki sıcaklıklara, konfor klimasının genelde uygulamasının yapıldığı şartlara hitap etmektedir. Bunu tamamlayıcı mahiyette iki psikrometrik diyagram daha bulunmaktadır. Bu diyagramlardan biri -40^cC ila +10^oC aralığına hitap eden “düşük sıcaklık” psikrometrik diyagramıdır. Diğeri ise “yüksek sıcaklık”diyagramıdır. Bu diyagram +10^oC ile +120^oC aralığını kapsamaktadır. Yüksek sıcaklık psikrometrik diyagramı özellikle yüksek sıcaklıklarda ısı geri kazanımı prosesleri ile absorbsiyonlu nem alma proseslerinin etüdü açısından çok faydalı olmaktadır. Bu diyagramların tamamı 101.325 kPa basınca tekabül eden deniz seviyesi içindir. Birinci bölümde bahsedilen konulardaki formüllerle değişik irtifalar için de psikrometrik diyagramların çizimi mümkündür.

Bu durum karşımıza psikrometrik diyagramlarda üçüncü bir ekseni ortaya çıkarmaktadır. “Z” ekseni olarak adlandırabileceğimiz bu eksen deniz seviyesinden olan yüksekliktir. Aşağıdaki resimde 0 ve 1500m irtifalarda birçok değerin değişimi izlenmektedir.

Örneğin kuru havanın özgül hacmi artmakta, kuru termometre sıcaklıklarının doyma noktalarındaki mutlak nem oranları da keza artmaktadır. Bunların yanı sıra özgül entalpilerde de farklılıklar meydana gelmektedir. Buradan da klima proseslerinin en doğru ve/veya irtifa açısından en yakın psikrometrik diyagramlara işlenmesi, örneğin ısıtma-soğutma yükleri, nemlendirme miktarı, nem alma işlemi için gereken soğutma yüklerinin bu diyagramlarda belirlenmesi şarttır. Aksi halde diyagram üzerinden yapılacak hesaplamalar belirli hata oranlarına sahip olacaktır.

4.2. DENİZ SEVİYESİ PSİKROMETRİK DİYAGRAMLARI

4.2.1. Normal Sıcaklık Psikrometrik Diyagramı

-10^OC ila +50^oC arasındaki sıcaklıklara hitap eden, İMEKSAN A.Ş.’nin kullandığı psikrometrik diyagramı burada sunuyoruz. Çünkü bu sayede dış hava sıcaklığı 0^oC’ın altında olan yerlerde de ısıtma yüklerini diyagram üzerinde belirlemek mümkün olmaktadır. Ayrıyeten bu diyagramda buhar basınçları da kırmızı bir koordinat  ile gösterilmektedir.

4.2.2. Düşük Sıcaklık Psikrometrik Diyagramı

  

4.2.3. Yüksek Sıcaklık Psikrometrik Diyagramı

4.3. DENİZ SEVİYESİNDEN YÜKSEK MAHALLER İÇİN PSİKROMETRİK DİYAGRAMLAR

4.3.1. Genel

ASHRAE’in  geliştirdiği psikrometrik diyagramlar arasında üç tane de yüksek irtifalar için psikrometrik diyagramlar bulunmaktadır. Bu diyagramlar 750 metre, 1500 metre ve 2250 metre içindir. Ancak ülkemiz dikkate alındığında bu diyagramların 500 metre, 1000 metre, 1500 metre ve 2000 metre irtifalar için yapılmasında büyük faydalar vardır.

İrtifaya bağlı değişkenler içinde başta barometrik basınç gelmektedir. Barometrik basınç deniz seviyesinden olan yükseklik arttıkça, buna bağlı olarak düşüş göstermektedir. Bu değişikilk 2.4.1’deki tabloda gösterilmiştir. Aynı tabloyu burada bir daha veriyoruz.

Yukarıdaki tablodaki atmosferik basınç değerleri , aşağıdaki formülle hesaplanmıştır.

P_bar=101,325 (1- 2,25577 x 10^-5 x Z)^5,2559

                                Z=Deniz seviyesinden irtifa (m)

Buhar basıncı da 3.9’da aşağıdaki gibi ifade edilmişti.

P_wv=1.6077W(101.325(1 – 2.25577 x 10^-5x Z )^5.2559-P_wv)

Bu formüllerden hareketle psikrometrik diyagramı oluşturabilmemiz için gerekli doneleri aşağıdaki gibi formülize edebiliriz:

Mutlak nem oranı: ( bkz.konu 3.8 )

W=0.622P_wv/(P_bar-P_wv)…………………………………………. (g/kg)

 Özgül hacım:

γ= V/m_a=(R_a.T)/(P_bar-P_wv) =(R_a.T)/(1+ w/622).(m³/kg)

 Özgül Entalpi:

h= h_da+ W.h_wv=1,005t + W(2,501 + 0,001805 x t )..(kJ/kg)

 Bu formüller esas alınarak hesaplanmış olan 0, 500, 1000, 1500 ve 2000 metre irtifaların psikrometrik tabloları  üçüncü bölüm, konu-8 “Tablolar”da verilmektedir.  Ayrıca ASHRAE psikrometrik diyagramları esas alınarak geliştirilmiş 750m, 1500m ve 2250m irtifalara ait psikrometrik diyagramlar da aşağıda gösterilmektedir.

4. PSİKROMETRİK ÖZELLİKLER VE TERİMLER

3.1. Giriş

Üç temel piziki öge belirlendiği ve sabit olduğu sürece kuru hava ile su buharının karışımı sabittir ve değişemez. Bu ögeler şunlardır:

a) Barometrik basınç (veya irtifa)…………………………..( P_atm)
b) Kuru termometre sıcaklığı………………………………….( t_db)
c) Aşağıdaki üç değişkenden herhangi biri

• Yaş termometre sıcaklığı veya…………………( t_wb )
• Bağıl nem veya………………………………………(rH )
• Çiy noktası………………………………………………( t_dp)

“c” şıkkındaki üç unsur birbirine bağlı olduğu için “a”,”b” deki ögelerle “c” deki ögelerden birinin belli ve sabit olması  kuru hava ile su buharı karışımının durumunu da belirler ve sabitler. Bu husus aynı zamanda “c” şıkkındaki diğer iki değişkeni de belirler ve sabitler. Bu özellikler aşağıdaki psikrometrik diyagramda gösterilmiştir.

Bu diyagramda temel psikrometrik konumu belirleyen ögeler kırmızı renkte gösterilmiştir. Bu ögelerin yardımıyla diğer önemli üç doneyi de psikrometrik diyagramdan okumak mümkündür. Bu doneler şunlardır:

• Entalpi ……………………………………………………( h)
• Mutlak nem…………………………………………….(w )
• Özgül hacım……………………………………………( v )

Bu sayede dokuz temel nokta belirlenmiş olmaktadır. Bu noktalardan beşine ölçülebilen değerler, diğer dördüne de hesaplanabilen değerler diyebiliriz. Bu husus aşağıdaki tabloda özet olarak gösterilmektedir.

 3.2. Kuru Termometre Sıcaklığı

Kuru termometre sıcaklığı herhangi bir alkollü ve civalı termometre ile veya aynı değerlere kalibre edilmiş hissedici+transduser ile ölçülen mahal veya çevre sıcaklığıdır. Bu sıcaklık “t_db” sembolü ile gösterilir. Birimi ise “^oC”veya “K”dir. Daha önceki bahislerde anlatıldığı gibi “^oC” Celsiyus skalası olup bu skalada 0^oC deniz seviyesinde suyun donma sıcaklığına, 100^oC ta deniz seviyesinde suyun kaynama noktasına tekabül etmektedir. “K” ile gösteriklen Kelvin ölçeği ise mutlak sıfırı esas almıştır, bu sıcaklık Selsiyus skalasında -273.15^oC’a eşittir.

Kuru termometre sıcaklığı psikrometrik diyagramda “^oC” olarak diyagramın altında , absisinde yer alır ve düşey hatlar ile gösterilir.

Kuru termometre sıcaklığı gösteren absiste 0^oC kuru hava sıcaklığı aynı zamanda entalpik değerlerin başlangıç, yani referans noktası olarak kabul edilir ve bu noktadan itibaren kuru havanın entalpik değerleri hesaplanır. Bu hesaplamayı aşağıdaki formüller ile gösterebiliriz.

Q=M. C_p-da(t_2db-t₀)

Bu denklemde “t₀” havanın entalpik hesaplamada referans noktası olan  0^oC sıcaklığı, “t₂”iseentalpisinin ölçülmesi istenen kuru havanın sıcaklığını göstermektedir. “C_p-da” değeri ise havanın özgül ısısıdır; birimi “kJ/kg”dır.

C_p-dakuru havanın özgül ısısıdır. Özgül ısı bir kilogram ağırlığındaki bir nesnenin ısısını 1^oC arttırmak için gerekli olan ısıdır. Bu değer 15^oC’taki bir kilogram suyun ısısını bir derece arttırmak için gerekli olan ısıya orantılı olarak belirlenir. Bu değer kCal/h birimleriyle su için 1.00 kCal/kg, kuru hava için 0.24 kCal/kg’dır. Uluslararası kullanımda olan “SI” birimleriyle ifade edildiğinde kuru havanın özgül ısısı 1.00483 kJ/kg’dır. Su buharının özgül ısısı da 1.83’dür. Havanın özgül ısısı kuru termometre sıcaklığına bağlı olarak çok az değişiklik göstermektedir. 1.00483 kJ/kg değeri esas alındığında -10^oC ile +50^oC arasında yapılacak hesaplarda hata payı %0.2’den küçük olmaktadır. Aşağıdaki tabloda “C_p” değerindeki değişmeler gösterilmektedir.

Aynı şekilde su buharının özgül ısısında da aynı sıcaklık aralığında çok küçük, kabili ihmal farklılıklar olmaktadır.

Dolayısıyla su buharının özgül ısısını 1.82 kJ/kg.C olarak kabul edebiliriz.

Bir önceki sayfadaki formülü birim kitle, 1 kg kuru hava için yaptığımızda kuru havanın “t₂” sıcaklığındaki antalpisini hesaplamış oluruz.

h_2da=C_p-da(t_2db-t₀)

Doymuş havanın entalpisini de kuru havanın entalpisi ile doyma noktasındaki mutlak nem oranının buharın özgül ısının çarpımının toplamı olarak bulabiliriz.

h_2sa=C_p-da(t_2db-t₀) + C_p-vw.W(t_2db-t_o)

 h_2sa=t_2-da(C_p-da+ C_p-vw.W)  …………………………(kJ/kg)

3.3. Yaş Termometre Sıcaklığı ve Adyabatik Doyma

Yaş termometre ile ilgili birçok tarif vardır. Bunlardan biri yaş termometre sıcaklığını “buharlaşma sıcaklığı” olarak, diğer bir tarif  te  “%100 doyma noktasına gelinmesi ile neticelenen evaporatif soğutma neticesi elde edilebilen en düşük sıcaklık” olarak tarif eder.  Termodinamik yaş termometre sıcaklığına aynı zamanda adyabatik doyma sıcaklığı da denmektedir.

Yaş termometre sıcaklığı “termodinamik yaş termometre sıcaklığı” ve “psikrometrik yaş termometre sıcaklığı”olarak ta tarif edilmektedir. Termodinamik yaş termometre sıcaklığı suyun buharlaşması ile havanın adyabatik olarak soğuması sonucu elde edilebilen en düşük sıcaklıktır. Sıvı haldeki su doymamış hava ile temas ettiğinde kısmi buhar basıncı farkı nedeniyle buharlaşır (bu konu ileriki bahislerde detaylı bir biçimde incelenecektir) . Bu buharlaşma işlemi adyabatik bir prosestir. Çünkü dışarısıyla hiçbir ısı alış-verişi yoktur. Buharlaşma için gerekli ısı havadan temin edilir ve bunun neticesi olarak hava soğur ama içindeki mutlak nem oranı artar. Neticede hava-buhar karışımının antalpik değeri sabit kalır.

Termodinamik yaş termometre sıcaklığı adyabatik doyurucudaki kitle ve enerji balansları dikkate alınarak ölçülür. Bu nedenle termodinamik yaş termometre sıcaklığına adyabatik doyma sıcaklığıda denir.  Adyabatik doyurucu olarak adlandırılan enstruman aslında teoretik bir enstruman olup mutlak izolasyona sahip olması ve çok uzun (sonsuza yakın) bir boyda olması gerekir.

Mollier Diyagramı’nda ve 1963’den itibaren ASHRAE’in Psikrometrik Diyagramları’nda izometrik çizgiler halinde gösterilen yaş termometre sıcaklığı çizgileri bu ölçme tekniği ile belirlenen termodinamik veriler esas alınarak tanzim edilmiştir. Aşağıdaki resimde adyabatik doyurucunun şematik bir çizimi yer almaktadır.

Kuru hava ve su buharı karışımı ile belirlenen psikrometrik yaş termometre sıcaklığı klasik bir termometrenin, örneğin cıva veya alkollü cam termometrenin hissedici ucunun yumuşak ve temiz bir pamuk sarılması, pamuğun iyice ıslatıldıktan sonra 3 ila 5 m/s hava hızına tabi tutulması ile ölçülür. Islatılmış uç üzerinden geçen hava akımı suyun buharlaşmasına ve termometrede gösterilen sıcaklığın düşmesine neden olacaktır. Bir müddet sonra ölçme kararlı rejime giriiecek, termometrede görünen değer sabitlenecektir. Bu değer psikrometrik yaş termometre sıcaklığıdır. Bu ölçme işlemi esnasında termometrenin ve özellikle ucunun güneş radyasyonuna maruz bırakılmaması gerekir. Ölçme ucunu kaplayan pamuk devamlı ıslak tutulmalıdır. Bunun için pamuğun fitil tarzında uzatılması ve bir su haznesine batırılmış olması gerekir (bkz. Bölüm-1 HYDRODEIK). Benzer bir yaş termometre psikrometresi aşağıdaki resimde gösterilmektedir.

Kuru termometre ile yaş termometre sıcaklıkları rarsındaki farkın (t_db-t_wb) 10^oC’tan büyük olması  fitilin hareket halindeki hava ile teması esnasında ısınmasına ve bu ısının hazneye iletilerek suyun bir miktar ısınmasına neden olur. Böyle durumlarda ölçülen yaş termometre sıcaklıkları olması gereken değerlerden biraz yüksek çıkabilir.

Buradaki işlem adyabatik doyurucudaki işlemin birebir aynı değildir. Ancak psikrometrenin uygun bir yere yerleştirilmesi koşuluyla iki ölçüm arasındaki sapmalar ihmal edilebilecek minimum seviyelerde tutulabilir.

Adyabatik Doyurucu’da yapılan işlemi termodinamiğin iki temel kanununun ışığı altında inceleyebiliriz. Adyabatik doyurucuya giren kuru havanın debisi “m_a1”, çıkan havanın debisi de “m_a2” gösterilmektedir. Buharlaşan su miktarı da “m_w” dir. “w₁”ve “w₂” giriş ve çıkıştaki havanın içindeki mutlak nem oranını göstermektedir. Kitlenin korunumu kanununa göre denklemimizi kurarsak:

m_a1=m_a2=m_a……………………………..(kuru havanın debisi)

m_wv1+m_w=m_wv2…………………………..(havadaki buharın debisi)

Bu denklemi su buharı için aşağıdaki gibi de yazabiliriz.

m_a.w₁+ m_w= m_a.w₂

Böylece:

m_w=m_a(w₂-w₁)…………………………….. (buharlaşan suyun debisi)

Benzer denklemleri de enerjinin korunumu kanununa göre yazabiliriz.

∑m₁.h₁=∑m₂.h₂

Bu denklemde “m₁” girişteki doymamış nemli havanın kütlesini, “m₂”ise çıkıştaki doymuş nemli havanın kütlesini, “h₁” ve “h₂”ise aynı havaların giriş ve çıkıştaki antalpilerini, “h_wv1” ve “h_wv2”  su buharının giriş-çıkıştaki entalpilerini, “h_w”ise suyun entalpisini göstermektedir. göstermektedir. Buradaki eşitliğin nedeni prosesin adyabatik olmasından, dışarı ile herhangi bir enerji transferi olmamasından kaynaklanmaktadır.

Aynı denklemi şöyle de yazabiliriz:

m_a.h₁+ m_w.h_wv2 = m_a.h₂

m_a.h₁+ m_a(w₂-w₁).h_wv2 = m_a.h₂

Bu denklemi “m_a” kemiyetine böldüğümüzde aşağıdaki denklemi buluruz.

h₁+ (w₂-w₁).h_wv2 = h₂

(C_p.t_db1+ w₁.h_wv1)+(w₂-w₁)h_w2=(C_p.t_db2+w₂.h_vw2)

w₁=(C_p(t_dp1-t_dp2)+w₂.h_vw2)/(h_wv1-h_w2)……bulunur.

Daha önceki hesaplarımızda “m_wv/m_da”mutlak nem oranını aşağıdaki gibi hesaplamıştık:

m_wv/m_da=0.621945. P_wvs/(P- P_wvs) 

m_wv2/m_da=w₂ olduğuna göre yukarıdaki denklemde “w₁”değerini yerine koyduğumuzda “w₁” değerini de hesap yoluyla bulmuş oluruz.

Yaş termometre sıcaklıkları ASHRAE’in psikrometrik diyagramlarında ve Mollier’in i-x diyagramında birbirine paralel eğimli düz çizgiler olarak gösterilir. Bu çizgiler sabit antalpi çizgilerine de paraleldir.

• Çiy Noktası ve Çiy Noktası Sıcaklığı

Çiy noktası sıcaklığını satıh kondansasyonunun oluşmaya başladığı sıcaklık olarak tarif edebiliriz. Benzeri bir tarif ile, çiy noktasını havanın doyma noktasına eriştiği, daha fazla buhar kabul edemeyeceği sıcaklık olarak ta tanımlayabiliriz. Eğer buhar ilave edilmeye devam edilirse sis, satıh yoğuşması veya bulutlar oluşmaya başlar.

Çiy noktasının daha ilmi bir tarifi de yoğuşabilir herhangi bir buharın sabit basınçta yoğuşma başlamadan önce erişebileceği sıcaklıktır. Dolayısıyla doyma sıcaklığı ile çiy noktası sıcaklığı birbirine eşit anlamdaki tabirlerdir.

Çiy noktası sıcaklığını  basit bir deneyle kendimiz de yapabiliriz.

Bir bardağın içine oda sıcaklığında su kouyn. İçine de bir termometre daldırın. Bardağın içine azar azar buz ilave edip termometredeki düşmeyi izleyin. Bir süre sonra bardağın dış sathında su zerrecikleri belirmeye başlayacaktır. Bu zerrecikler yoğuşan havadaki su buharıdır. Yoğuşmanın başladığı andaki sıcaklık değeri de odanızın çiy noktasıdır.

Herhangi bir kuru termometre ve yaş termometre sıcaklıkları ile belirlenen ortam soğutulmaya başlandığında önce duyulur soğutma işlemi gerçekleşir (Bkz. Bölüm-5, konu 5.4.1 ve 5.4.2). Belirli bir sıcaklığa gelindikten sonra mahal havasının içindeki buhar da yoğuşmaya başlar ve bu noktadan itibaren duyulur ve gizli soğutma işlemleri beraber devam eder.

Çiy noktası mahal şartlarından kuru termometreyi belirleyen absise paralel bir çizginin çizilmesi ile bulunur. Bu çizginin doyma eğrisini kestiği nokta o ortamın çiy noktası sıcaklığıdır. Bu sıcaklık doyma noktası sıcaklığına eşittir.

Aynı zamanda bu noktanın kuru termometre ve yaş termometre sıcaklıkları da eşittir.

3.5. Bağıl Nem

-40^oC ila +65^oC arasındaki sıcaklıklarda yapılan deneyler su buharının ideal gaz karakteristiklerine sahip olduğunu göstermiştir. Bu görüş açısından hareketle bağıl nemi ortam şartlarında mevcut mutlak nem oranının aynı kuru termometre sıcaklığındaki mutlak nem oranına oranı olarak ifade edebiliriz. Bağıl nem için kulanılan simge “rH” olup “%” olarak ifade edilmektedir ve birimsiz bir kemiyettir.

rH (%)= (W_t1/Wdp._t1).100

Aynı orantıyı (kısmi) buhar basınçlarının oranı olarak ta ifade edebiliriz.

rH (%)=(P_wv-t1/P_wv-dp-t1).100

 

Yukarıdaki psikrometrik diyagramdan da anlaşılacağı gibi “t_db”kuru termometre şartlarındaki bir ortamda olabilecek mutlak nem oranı (miktarı) sıfır ile “t_dp”nin tekabül ettiği nem oranı arasında değişiklik gösterebilmektedir. Belirtilen sıcaklıktaki mutlak nem miktarının yüzde ellisi “rh%50”i,yüzde sekseni “Rh%80”i, yüzde otuzu da “Rh%30”a tekabül etmektedir.

Burada bilinmesi gereken bir olay vardır. Gün batımına yakınlaştıkça bağıl nem oranı artar. Bu işlem havanın duyulur soğuma işlemine tabi olmasından kaynaklanmaktadır. Havadaki mutlak nem değişmediğinden soğumaya bağlı olarak bağıl nem oranı artış gösterir. Bu soğuma devam eder ve çiy noktası sıcaklığının altına düşerse, örneğin arabalarımızın camlarında gördüğümüz su zerreciklerini görürüz. Eğer sıcaklık 0^oC’ın altındaysa çiy yerine kırağı ile karşılaşırız.

3.6. Barometrik Basınç 

Basınç bir birim alana onun üzerindeki kütlenin ağırlığı ile tatbik olunan kuvvete verilen isimdir. Aynı şekilde barometrik basıncı da herhangi bir belirgin konumda birim alana üzerindeki havanın ağırlığı ile tatbik olunan kuvvet olarak tarif edebiliriz. Psikrometrik proseslerde barometrik basınç ile atmosferik basınç eş anlamlı olarak kullanılmaktadır.

Barometrik basınç deniz seviyesinden olan irtifa ile değişmektedir. Atmosferin belirli bir kalınlığı olduğu kabulü ile barometrik basıncın deniz seviyesinden derinlere inildiğinde artacağı, yükseklere çıkıldığında da azalacağı kolaylıkla anlaşılabilir. Barometrik basınç “barometre” olarak adlandırdğımız, genelde cıva içeren bir ölçme aleti ile ölçülür. ASHRAE STP tarifine göre deniz seviyesindeki basınç 29.92 inHg, 760mmHg veya 101.325 kPa (kilopaskal)’dır. Günümüzde cıvalı barometrelere ilaveten körüklü “aneroid” tipi veya spiralli mekanik barometreler ve elektronik dijital barometreler de kullanılmaktadır.

Eğerbelirli bir noktadaki barometrik basınç bilinmiyorsa, basıncı ICAO (Uluslar arası Sivil Havacılık Kurumu)’nun 1925 yılında yayınlamış olduğu formüle göre hesaplamak mümkündür. Konu 2.4.1’de vermiş olduğumuz formülü tekrar veriyoruz.

P_bar= 101.325 (1-2.25577 x 10^-5x Z)^5.2559……….(kPa)

 Buformülde “Z” metre cinsinden irtifayı göstermektedir. İrtifaya bağlı olarak basınç ve sıcaklık değerlerinin değişimi Konu-2.4.1’deki “Standart Atmosferik Doneler” tablosunda -500m ila 10 000m arasındaki irtifalar için gösterilmektedir.

Barometrik basınç kuru havanın basıncıyla su buharının basıncının toplamından oluşmaktadır. Herhangi bir belirgin konumdaki barometrik basıncı  birim alan üzerindeki havanın ağırlığı ile tatbik olunan kuvvet olarak tarif etmiştik. Ancak havanın özgül hacminin artması ki bu genellikle sıcaklık artışına bağlı olarak meydana gelir, kuru hava basıncının azalmasına neden olur. Barometrik basınç sabit olduğuna göre eksilen kısmi basıncı su buharı tamamlayacaktır.

P_bar= P_da + P_wv

Diğer bir yaklaşımla, kuru havanın basıncındaki değişikler barometrik basıncı oluşturan ikinci ögeyi etkilediğini, bu nedenle kuru hava kısmi basıncının azalması su buharı kısmi basıncının artmasına neden oluşturduğunu söyleyebiliriz. Aynı şekilde kısmi kuru hava basıncındaki artışlarda kısmi buhar basıncında eksilmelere neden oluşacağı, bu işlemin de havadaki su buharının yoğuşması suretiyle gerçekleşeceği psikrometrinin temel oluşumlarından biridir.

Psikrometrik prosesler esnasında barometrik basıncın sabit olduğu kabul edilir. Tüm klima hesaplarında bu husus aynen kabul edilmekte, meteorolojik olaylar neticesi barometrik basınçta meydana gelebilecek küçük değişmeler kabili ihmal kabul edilmektedir.

 Barometrik basınç psikrometrik özelliklerin belirlenmesi ve sabitlenmesi için gerekli üç temel ögeden biridir. Diğer ögelerin başında kuru termometre sıcaklığı ile yaş termometre sıcaklığı gelir. Yaş termometre sıcaklığı yerine mutlak nem oranını veya bağıl nemi de kullanabilirsiniz. Barometrik basınç psikrometrik diyagramlarda bir koordinat olarak yer almaz. Ancak her barometrik basınç için ayrı bir psikrometrik diyagramın çizilmesi gerekir. Bu nedenledir ki ASHRAE deniz seviyesi (101.325 kPa) için ayrı, 750 metre (92.834 kPa) için ayrı, 1500 metre (84.556 kPa) için ayrı ve 2250 metre (77.058 kPa) için ayrı psikrometrik diyagramlar tanzim etmiştir. Bu diyagramlar 4. Bölüm’de detaylı olarak incelenecektir.

Barometrik basıncın irtifa nedeniyle azalması da hava içinde bulunabilecek mutlak nem oranını etkilemektedir. Basıncın düşmesi neticesi kısmı buhar basıncı ve buna bağlı olarak mutlak nem oranı artmaktadır. Bu değişikliği aşağıdaki diyagramda görebiliriz.

Ref.:Understanding Psychrometrics, Donald P. Gatley, ASHRAE

3.7. Özgül Hacim

Özgül hacim psikrometride kuru havanın birim kitlesinin işgal ettiği hacim olarak tarif edilir. Birimi beher kilogram başına düşen metreküp olup “m³/kg_da” olarak gösterilir sembolü de “v” harfidir. Dalton Kanunu’na göre kuru havanın, su buharının ve nemli havanın işgal ettikleri hacimler birbirine eşittir. Bu nedenle salt “v” ile iktifa edilir ve alt simge kullanılmaz.

Psikrometrik diyagramda özgül hacim eğimli düz çizgiler olarak gösterilir.

Psikrometrik özgül hacmin tarifi içinde kuru hava ile su buharından başka gazlar dikkate alınmamaktadır. Bu nedenle psikrometrik özgül hacim bilimsel özgül hacim tarifinden az da olsa farklılık içermektedir. Psikrometride özgül hacim nemli havanın hacminin kuru havanın kitlesiyle bölünmesiyle bulunur (m³/kg_da). Ancak diğer bilimsel uygulamalar için özgül hacim tüm elemanları içeren hacmin aynı elemanları içeren birim kütleye bölünmesiyle elde edilir.  İdeal gazları Dalton Kanunu’nun ışığı altında incelediğimizde karışımı meydana getiren kuru havanın ve su buharının aynı hacmi işgal ettiklerini görürüz. Bunu denklem olarak yazdığımızda:

V_da/m_da=V_wv/m_da=V_a/m_da

 Bu denklemde:

V= hacim……………………… m³

             M= kitlesel ağırlık…………kg’dır.

 Bu nedenle aynı denklemi özgül hacim açısından aşağıdaki gibi yazabiliriz:

 v_da=v_wv=v_a

Bu eşitlik eşit kuru termometre şartlarında geçerlidir.

 Özgül hacim ideal gazlarla ilgili denklemlerle de ifade edilebilir:

 P_da. v =R_da. T       

 ve

 P_da= P_bar-P_wv

 Bu iki denklemden hareketle aşağıdaki sonuçlara varırız:

v=(R_da.T)/(P_bar-P_wv)

 v=(287.042)(t_celcius+273.15)/(P_bar-P_wv)

 Daha önce,konu 2.4.4’de aşağıdaki eşitlik bulunmuştu

                          W=0.621945 . p_wv/(p_bar – p_wv)

 Bu eşitliği yukarıdaki denkleme yerleştirdiğimizde aşağıdaki sonuca ulaşırız:

v=(287.042)(t_celcius+273.15).(1 +1.60786W)/P_bar….m³/kg_da

3.8. Mutlak Nem Oranı

 Mutlak nem oranı birim hacimdeki kuru hava içinde bulunan nem miktarıdır. Aynı zamanda kısaca mutlak nem olarak ta ifade edilen bu bulgu şu şekilde ifade edilebilir. Mutlak nem oranı deniz seviyesinden olan yüksekliğin bir fonksiyonudur. Bu husus aşağıdaki hesaplarda da görülmektedir.

W=m_wv/m_da……………………………….(kg_vw/kg_da)

Bu formülde:

                W : Mutlak nem oranı

m_wv: Su buharı kitlesi…………………………..kg_vw

                m_da: Kuru hava kitlesi………………………….kg_da

Psikrometrik diyagramda mutlak nem oranı yatay çizgiler olarak gösterilmektedir.

Mutlak nem oranı “W”, su buharı kısmi basıncı “P_wv” ve bağıl nem “rH” arasındaki münasebetleri aşağıdaki gibi belirleyip bu münasebetlerden yola çıkarak mutlak nem oranını hesap yoluyla bulabiliriz. İlk öce ideal gazlarla ilgili genel denklemimizi yazalım, sonra bunlara alt simgeler uygulayarak bu denklemleri su buharı ve kuru hava için tekrarlayalım.

P.V = m.R.T

m= (P.V)/(R.T)

m_da= (P_da.V_da)/(R_da.T_da)

m_wv= (P_wv.V_wv)/(R_wv.T_wv)

R_da= 287.06 J/kg.K)………………   (Bkz. Konu 2.2.4)

R_wv= 461.51 J/kg.K)………………   (Bkz. Konu 2.3.1)

(m_wv/m_da)=W=((P_wv.V_wv)/(R_wv.T_wv))/((P_wv.V_wv)/(R_wv.T_wv))

Bu son denklemde V_wvile V_daDalton kanununa göre eşittirler.Çünkü aynı hacmı paylaşmaktadırlar. Aynı şekilde T_daile T_wvda birbirine eşittir. Bu eşitliklerin birbirini götürmesi halinde formülümüz aşağıdaki şekle döner.

W=((P_wv)/(R_wv.))/((P_wv)/(R_wv))

W=(P_wv.R_da)/(Pda.R_wv)

W=287.06P_wv/461.51P_da

W=0.622 (P_wv/P_da)………………. Bulunur.

P_bar= P_da+ P_{wv……………………….}P_da=P_bar-P_{wv……………}olduğuna göre:

W=0.622 P_wv/(P_bar-P_wv)………………………………bulunur.

Bu son formüle göre mutlak nem oranının, başka bir ifade tarzıyla bir metreküp kuru hava içinde bulunabilecek nem miktarı atmosferik basıncın bir fonksiyonudur. Atmosferik basınç azaldıkça birim kuru hava hacmi içindeki mutlak nem oranı artar. Bu husus Konu 3.9’daki “İrtifaya Göre Doyma Eğrisindeki Değişimler” diyagramında açıkça görülmektedir.

3.9. Buhar Basıncı

Buhar basıncı, atmosferik basıncı meydana getiren kısmi basınçlardan biridir. Bunu daha önceki bahislerde görmüştük. Bu hususu aşağıdaki gibi formülize edebiliriz.

P_bar=P_N2+P_o2+P_Ar+………………………+P_wv

Bu formülde “P_wv” su buharı basıncını, diğerleri ise atmosferi oluşturan sair gazların basıncını ifade etmektedir. Deniz seviyesinde atmosferik basıncın psikrometrik prosesler açısından sabit olduğunun kabul edildiği belirtmiştik. Bu duruma göre deniz seviyesindeki basıncı şöyle de yazabiliriz.

P_bar=P_da+P_wv=101.325 kPa

Bu bağlantıdan iki husus anlaşılmaktadır.

• Kuru havanın basıncındaki artmalar ve eksilmeler buhar basıncını belirler.
• Atmosferik basıncın deniz seviyesinden olan yüksekliğe bağlı olarak değişmesi hem kuru hava kısmi basıncını hem de su buharı kısmi basıncını etkiler.

Kısmi buhar basıncını mutlak nem oranına bağlı olarak şu şekilde hesaplayabiliriz:

W=0.622P_wv/(P_bar-P_wv)…………….(bkz. Bölüm-3, konu 3.8)

P_wv=1.6077W(P_bar-P_wv)

veya

P_wv= W(162.90 – 1.6077P_wv)  …………………….(bulunur)

Deniz seviyesinde doyma noktasındaki buhar basıncı da P_bar’ın yerine 101,325 Pa değerini koymakla bulunur.

Değişik irtifalar için kısmi buhar basıncını değişik bir yöntemle  aşağıdaki gibi hesaplayabiliriz. Bunun için Bölüm-2 , konu 2.4.1’deki basınç hesaplama formülünü “P_wv” formülüne monte etmemiz gerekir.

P_bar=101.325(1 – 2.25577 x 10^-5x Z )^5.2559….dolayısıyla

P_wv=1.6077W(101.325(1 – 2.25577 x 10^-5x Z )^5.2559-P_wv)

Bu formülde “Z” metre cinsinden deniz seviyesinden yüksekliği göstermektedir.

Aynı noktadan hareketle Bölüm-2 konu 2.4.3’deki empirik formülü kullanarak deniz seviyesinde, değişik sıcaklıklardaki doymuş buhar basınçlarını hesapladığımızda aşağıdaki tablodaki değerleri buluruz.

Yukarıdaki tablodan ve formüllerden de görüldüğü gibi buhar basıncı ile mutlak nem oranı birbiri ile birinci dereceden doğru orantılıdır. Bu noktadan hareketle psikrometrik diyagramda buhar basıncı ve mutlak nem çizgilerinin doğrular tarzında, birbirlerinme paralel olduğu, aynı zamanda absise de paralel olduğu anlaşılır. Bu durum aşağıdaki şematik çizimde gösterilmektedir.

3.10. Özgül Entalpi

Entalpi maddenin yapısında depolanan her türlü enerjinin toplamıdır. Ancak maddelerin kesin entalpilerinin hesaplanması oldukça zordur. Bu yüzden çalışmalarda entalpik değer olarak birim kütledeki maddenin, belirli bir referans noktasından mevcut sıcaklığa yükselebilmesi için gerekli olan enerji ile faz değiştirmesi için gerekli olan enerjinin toplamına denir. Sıcaklık yükselmesi için gerekli entalpi “kJ/kg.” olarak ifade edilir. Keza aynı durum buhar için de gereklidir. Ayrıyeten sabit sıcaklıkta faz birim kitlenin faz değişimi için gerekli ısıya da  prosese bağlı olarak buharlaşma antalpisi veya yoğuşma antalpisi denir.

Birim kütleye sahip maddelerin birim sıcaklık artımı için gerekli ısıyı alabilme kapasitesine “özgül ısı” denir. Önceki yıllarda 1 kilogram suyun sıcaklığının 1^oC artması için gerekli ısı miktarı 1 kCal/^oC.kg kabul edilmiş ve değer arı suyun özgül ısısı olarak kabul edilmişti. Bu kabulden hareket ederek diğer sıvı, katı ve gaz konumundaki maddelerin sabit basınç altındaki özgül ısıları “c_p” belirlenmişti. Günümüzde artık“SI” birimleri kapsamında “kJ/kg.^oC” kullanılmakta ama aynı orantı mantığı devam etmektedir.

Antalpi “h” sembolü ile ifade edilir. Kuru hava için bunu aşağıdaki gibi formülize edebiliriz.

h_da=c_p(Δt)……………………………….kJ/kg

Kuru havanın antalpik ölçümleri için 0^oC noktası referans alınmıştır. Bu sıcaklığıjn altındaki kuru hava antalpileri “-“, üstündekiler ise “+” olarak ifade edilmektedir. Bu açıdan konuya baktığımızda yukarıfaki formül şu şekli alır:

h_da=c_p(t) .……………………………….kJ/kg

Önceki bahislerde, örneğin bu bölümde konu-3.2’de kuru hava ve su buharı için özgül ısı değerleri verilmiştir. Bu değerleri kullanarak kuru havanın entalpisini hesaplamak mümkündür. Ancak psikrometrinin incelediği hava salt kuru hava olmayıp kuru hava ile su buharının karışımından meydana gelmektedir. O zaman havanın antalpisi şu şekilde ifade dilebilir:

h_a= h_da+W.h_wv.……………………………….kJ/kg

Bu formülde:

h_a= Nemli havanın entalpisi……………….kJ/kg

h_da= Kuru havanın entalpisi……………….kJ/kg

h_wv= Su buharının entalpisi…………….….kJ/kg

                       W  = Mutlak nem oranı………………………kg_wv/kg_da

Yaklaşık denklemler olarak, havanın özgül ısısının 1.006 kJ/kg.^oC  kabulü ve “h_wv” değerinin kuru termometre sıcaklığına bağlı  aşağıdaki denklemle hesaplanacağını kabul edersek havanın entalpisini aşağıdaki denklemlerle hesaplayabiliriz (ref. Pyschrometrics, Theory & Practice, ASHRAE, 1996, formül No 1.7.21, 1,7,22 ve 1.7.23=;

h_wv= 2501 + 1.805t   

h_a= 1.006t+W.(2501 + 1.805t)………………………..kJ/kg

Yaş termometre sıcaklığı ile ilgili bölümde suyun hava içinde buharlaşmasının adyabatik bir proses olduğunu, dışarıdan herhangi bir enerji almadığını, buharlaşmak için gerekli olan ısıyı kuru havadan aldığını belirtmiştik. Başka bir tabirle yaş termometreyi belirleyen işlemlerde su buhar karışımının başlangıçta ve nihayette antalpik değerlerinin aynı kaldığını söylemiştik. Bu nedenle özgül entalpi hatlarının belirli bir eğimde düz çizgiler olduğunu ve bu çizgilerin yaş termometre çizgilerine paralel olduğunu söyleyebiliriz.

Bunun tek istisnası havaya püskürtülen suyun aşırı soğutulması veya aşırı ısıtılmasıdır ki bu durumda proses çizgisi artık sabit entalpi hatlarına paralel olmaz. Bu konuyu 5’inci Bölüm “Psikrometrik Esasların Uygulanması”da detaylı bir biçimde inceleyeceğiz.

 

3.11. Özgül Entropi

Termodinamiğin ikinci yasasına aynı zamanda entropi de denir. Düzensizlik entropi ile eş anlamlıdır. Entropi termal işlemlerde yönü belirler. Örneğin suyun yukarıdan aşağı, ısının sıcaktan soğuğa akması gibi. “s” sembolüyle gösterilen özgül entropi sisteme ilave dilen birim enerjinin “dQ” zamana bölünmesinin integraline eşittir . Gibbs teorisine göre gaz karışımının entropisi onu meydana getiren elemanların entropilerinin toplamına eşittir.

s_a=s_da+ W.s_{wv…………………………………………………………………….}.kJ/kg.^oK

Psikrometrik proseslerde ilmi çalışmalara dışında pek karşılaşmayacağınız bu konuya salt bilgi açısından değinmekle yetineceğiz

2. KURU VE NEMLİ HAVANIN TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ

2.1 Giriş

Atmosfer azot, oksijen, küçük miktarlarda başka gazlar, su buharı ve duman, polenler, ve havayı kirleten atık gazlardan oluşmaktadır.  Bu karışım bazı kitaplarda “atmosferik hava” veya “nemli hava” olarak adlandırılmaktadır. Biz kitabımızda “atmosferik hava” tabirini hiç kullanmayacağız. Çünkü bu tabir Dünya’mızın tamamını saran, troposfer ve stratosferden oluşan hava kütlesine de verilen isimdir. Halbuki psikrometri yalnızca troposferin alt seviyelerindeki hava ile ilgilenmektedir. Bu nedenle yanıltıcı olabileceğini düşündüğümüz “atmosferik hava” tabiri yerine “hava” tabirini kullanacağız. Bu tabiri “nemli hava”, “kuru hava” ve “su buharı” olarak genişletebiliriz. “Nemli hava”  havadan içerdiği iki elemanla ayrılmaktadır. Bunlar “kuru hava” ve “su buharı”ndan oluşmaktadır. Kuru hava ise içindeki su buharından, havayı kirleten duman, polen ve atık gazlardan arındırılmış teorik bir kavramdır.

Psikrometrinin üzerinde çalıştığı eleman havadır ve bu hava daima iki komponentin, su buharı ile kuru havanın karışımından oluşmaktadır. Bu karışım oranı sabit olmayıp , kuru termometre sıcaklığı, deniz seviyesinden yükseklik gibi şartlara bağlı olarak değişiklik göstermektedir.

2.2 Kuru havanın yapısı

Birinci komponent olan kuru hava hacimsel olarak %78 Azot, %21 Oksijen, %1 Argon, küçük ve değişik oranlarda asgari sekiz ayrı gazın oluşumundan oluşmaktadır.

Yukarıdaki tabloda adı geçen gazların tamamı kendi kritik sıcaklıklarının çok üstündedirler. Bu gazların normal atmosferik şartlarda -100^oC ortam sıcaklığının üstünde yoğuşmaları, havayı oluşturan karışımdan ayrılmaları , dolayısıyla havanın oluşumunda bir değişiklik olması söz konusu değildir. Bu nedenle kuru hava tek bir gaz gibi mütalaa edilebilir, psikrometrik proseslere ve psikrometrik tablonun oluşumuna yönelik hesaplara esas alınabilir. Çünü yıllardır yapılan araştırmalar havanın karışımında ve dolayısıyla moleküler kütlesinde çok küçük değişikliklerin olduğu ve bu değişikliklerin psikrometrik değerlerin oluşumunda çok az etki yarattıkları tespit edilmiştir. 1983 yılında Hyland ve Wexler 28.9645 kg/kmol değerini, 2001’de de Nelson ve Sauer 28.95849 kg/kmol’ü havanın molar kütlesi olan olarak hesaplamışlardır. Bizim verdiğimiz “Temiz Kuru Havanın Yapısı” tablosundaki değerler kullanıldığında ise 28.964 kg/kmol bulunmaktadır.

Hesap tarzı aşağıdaki formülde gösterilmiştir.

∑M.x_i= M_N2.x_iN2+ M_O2.x_iO2+ …… + M_I2.x_iI2       ………………. (kg/kmol)

Yukarıdaki tablonun oluşumunu daha iyi anlayabilmek için kullanılan tabirlerin açıklanması gerekmektedir. Bunlardan ilki moleküler ağırlık ve gaz sabitesidir.

2.2.1. Mole (Mol) ve Moleküler Ağırlık:

Mol ve moleküler kütle, bir maddenin (kitlenin yapısına bağlı olarak ve hangisi daha uygunsa) gram-atom veya gram-molekül ağırlığı, 12 gram karbon izotopundaki atom sayısı kadar temel yapıtaşı içeren bir sistemin madde miktarıdır. Temel yapıtaşları atom, molekül, iyon, elektron ve benzeri taneciklerden oluşan gruplar olabilir ve mol kullanılırken belirtilmelidir. Diğer bir anlatımla Bir mol ağırlığındaki bir maddenin kütlesel ağırlığı 6.022×10²³molekül içermektedir. Bu sayı Avogadro Sayısıolarak bilinmektedir. Bir mol da karbon 12 gram ağırlığındaki Karbon 12 örneğinde bulunan atom sayısı olarak ta tarif edilmektedir.

Önceleri 16 olarak kabul edilen oksijen izotopunun ağırlığı esas alınıyordu. Ancak oksijenin değişik izotoplara sahip olması nedeniyle bu sistem terk edildi. 159/60 yıllarında Uluslararası Teorik ve Uygulamalı Fizik Birliği (IUPAP) ile Uluslararası Teorik ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC) karbon izotopunun kullanılması konusunda anlaştılar. Her iki kuruluş kütle numarası 12 olan karbon elementi izotopunun (Karbon-12, C¹²) atom ağırlığı, yani atom kütlesi tam olarak 12 olan bu izotopun esas alınması konusunda anlaştılar. Böylece tüm elementler için birleştirilmiş bir bağıl atomik kütlr skalası belirlenmiş oldu.

2.2.2. Mol Oranı:

“x” ile gösterilen mol oranı bir karışımda bulunan bir gazın mol miktarının o karışımda bulunan tüm gazların mol miktarlarının toplamına bölünmesi ile elde edilen sayıdır. Örneğin iki elemanlı bir karışımdaki birinci elemanın mol oranı aşağıdaki gibidir:

x₁=n₁/(n₁+ n₂)

Burada “n₁” ve “n₂” karışımı oluşturan elemanların her birinin mol miktarlarıdır. Bir gaz karışımını oluşturan eleman sayısı kaç olursa olsun mol oranlarının toplamı daima 1’e eşittir.

x₁+x₂+…………….. x_n= 1

2.2.3. Üniversal Gaz Sabiti:

Universal gaz sabiti ideal bir gazın basıncıyla hacminin basıncıyla çarpımının mutlak sıcaklığa bölünmesiyle elde edilen değerdir. Diğer bir deyişle, basınç ile hacmin çarpımının mutlak sıcaklığa olan oranıdır.

P.V= R . T

“R”  ile gösterilen bu sabite bütün gazlar için geçerli olup değeri:               

8.31441 kJ/(kg.mol.^oK)’dir.

2.2.4. Kuru Hava ve Su Buharının Gaz Sabitleri:

Herhangi bir gazın gaz sabiti, üniversal gaz sabitinin o gazın moleküler ağırlığına bölünmesi ile elde edilir.

 Bu duruma göre azot, oksijen ve kuru havanın gaz sabitleri şu şekilde bulunur:

2.2.5. İdeal Gaz Karışımları :

İdeal gaz karışımları ile ilgili iki temel kanunu hatırlamakta büyük yarar vardır. Bu kanunlar:

• Dalton’un toplanan basınçlar kanunu ve
• Amagat’ın toplanan hacimler kanunu’dur.

Dalton Kanunu’na göre bir gaz karışımının basıncı, karışan gazların karışım sıcaklığında olmaları ve ayrı ayrı toplam hacmi kaplamaları durumunda sahip olacakları basıncın toplamıdır. Amagat Kanunu’na göre de bir gaz karışımının hacmi, karışan gazların karışım sıcaklığı ve basıncında olmaları durumunda yarı ayrı kaplayacakları hacimlerin toplamıdır.

2.3 Su buharı

Psikrometriyi tam olarak anlayabilmek için için H₂O olarak ifade edilen suyun katı, sıvı ve gaz halindeki özelliklerini bütünüyle bilmek gerekir. Birçok madde de olduğu gibi su da üç fazda bulunmaktadır: katı (buz), sıvı (su) ve gaz (buhar veya su buharı). Suyun en büyük özelliği bu her üç fazın da günlük yaşamımızda görülebilmesi ve izlenebilmesidir. Örneğin Yazın bir bardak suya birkaç küp buz koyduğunuzda iki fazı bir arada izlersiniz. Bir müddet sonra bardağın dış sathında su zerrecikleri belirmeye başlar. Bu da yoğuşmakta olan su buharıdır. Bunun nedeni de bardağın dış sathının yoğuşma sıcaklığının altındaki bir sıcaklığa kadar soğumuş olmasıdır. Daha ilerideki bahislerde detaylı olarak ele alacağımız bu konu ile ilgili olarak kısaca şunu söyleyebiliriz: Normal atmosferik şartlarda (STP, Deniz seviyesi, 101.325 Pa basınç) hava içinde bulunabilen maksimum su buharı kuru termometre sıcaklılığna bağlı olarak değişiklikler gösterir. Sıcaklık düştükçe hava içinde bulunabilecek su buharı miktarı azalmaktadır. Bunu da yukarıda bardak örneğinde gördüğümüz gibi satıh yoğuşması ile kendini belli etmektedir. Atmosferik olaylarda ise bu durum kendini yağmur ve kar yağışı olarak belli eder.

Aşağıdaki diyagramda, beher kilogram kuru hava içinde bulunabilecek maksimum su buharı miktarı kilogarm olarak gösterilmektedir.

Suyun faz değişiklikleri termodinamik açıdan büyük önem taşır. Katı halden sıvı hale, buzdan suya dönüşmesine “erime” deriz. 0^oC sıcaklıktaki buzun aynı sıcaklıktaki suya dönüşmesi için gerekli ısı ilavesi 333.47 kJ/kg’dır. Bu işlemin tersi de mümkündür buna da donma deriz.

Keza aynı şekilde suyun sıvı halinin gaz haline, suyun buhar haline dönüşmesi için de ısı ilavesi gerekmektedir. Bu miktar da 15^oC muhit sıcaklığında 2465.38 kJ/kg, 100^oC’ta ise 2256.47 kJ/kg’dır. Bir kilogram suyun buharlaşması  için gerekli ısı miktarı 0^oC’ta 2500.93 kJ/kg ile 100^oC’ta 2256.47 kJ/kg arasında değişir.  Su için logP-H diyagramındaki çan eğrisinin içi buharlaşma prosesini göstermektedir. Burada değişik sıcaklıklarda ve basınçlarda suyun buharlaşması için gereken ısı miktarını hesaplamak mümkündür.

Buzun hiç sıvı hale dönüşmeden gaz haline geçmesi de mümkündür. Bu işleme depozisyon tersine de sublimasyon denir. Bu işlem için gerekli olan ısı miktarı da doğal olarak 0^cC’taki erime ısısı ile aynı sıcaklıktaki buharlaşma ısısının toplamına eşittir.

                    H_sub= h_fg1 + h_fg2=333.47 + 2500.93=2834.4 kJ/kg

Burada:

                     h₌ Antalpi (kJ/kg)

                     h_fg1 = Suyun erime antalpisi (kJ/kg)

 h_fg2= Suyun buharlaşma antalpisi (kJ/kg) ‘dır.

Bu değerler aşağıdaki “Doymuş Haldeki Suyun Termodinamik Özellikleri”nde görülmektedir.

Ref: ASHRAE Fundamentals-2013

Ref: ASHRAE Fundamentals-2013

Ref: ASHRAE Fundamentals-2013

2.3.1. Su buharının molerküler ağırlığı ve gaz sabiti

Su buharı iki hidrojen ve bir oksijen atomundan oluşmaktadır. Bu gazların her birinin Karbon-12 skalasına göre moleküler ağırlıkları aşağıdaki gibidir.

M_H2= 2.0159 kg/kmol

M_O2= 31.9988 kg/kmol

M_{H20 (buhar)}= (1 x 2.0159) + ( 0.5 x 31.9988) 

M_{H20 (buhar)}= 18.01534 kg/kMol

2.4. Kuru hava ile su buharının karışımı

Nemli hava, veya bu kitapta kullandığımız tabiriyle hava su buharı ile kuru havanın ikili karışımından oluşur. Kuru havanın homojene yakın karışımına karşılık su buharı ve kuru havanın karışımından oluşan hava homojen değildir. Sıcaklık ve irtifaya göre farklılıklar gösterir.  Örneğin -40^oC’tan daha düşük sıcaklıklarda hava içindeki su buharı oranı sıfıra yakındır. Sıcaklık ve basınca bağlı olarak çok yüksek değerlere ulaşabilir.  Saturasyon veya doyma noktası gaz durumundaki su (buhar)  ile yoğuşarak sıvıya dönüşmüş sıvı (su) arasındaki dengedir.

Teknik tabir olarak yaygınca kullanılan saturasyon kelimesinin kökeni Latince “satar” kelimesidir; “dolu” veya “doyum” manasına gelmektedir. Ancak biz kitabımızda “doyma noktası”tabirini kullanacağız. Su buharı ile kuru hava atmosferde aynı hacmi paylaşmaktadır. İkisinin kısmi basınçlarının toplamı da atmosferik basıncı oluşturmaktadır.  Doyma noktası da belirli bir basınç ve sıcaklıkta birim atmosferik hacim içinde bulunabilecek maksimum su buharı molekülü miktarını ifade etmektedir. Bu  tabir de “gr_{su buharı}/kg_{kuru hava}” veya  “kg_{su buharı}/kg_{kuru hava}” olarak gösterilir.

 

2.4.1. Standart Atmosfer

Atmosferik havanın sıcaklık ve barometrik basıncı irtifa ile ve buna ilaveten mahallin coğrafik ve meteorolojik koşullarına bağlı olarak değişiklik gösterebilir. Standart atmosfer deniz seviyesinde 15^oC ve 101.325 kPa barometrik basınç olarak ifade edilmektedir. Sıcaklığın troposferde irtifaya bağlı olarak lineer bir değişiklik göstereceği, azalacağı, stratosferde ise sabit olacağı belirlenmiştir.

Aşağıdaki tabloda deniz seviyesinden olan irtifaya bağlı olarak sıcaklık ve basınç değişiklikleri gösterilmektedir.

“Standart Atmosferik Doneler” tablosundaki basınç değerleri aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

p= 101.325 (1-2.25577 x 10^-5x Z)^5.2559……….(kPa)

Sıcaklık değerlerinin hesaplanmasında ise şu formül kullanılabilir:

t= 15 – 0.0065 x Z………………………………………(^oC)

Bu formüller 2013-ASHRAE Handbook Fundamentals’da yer almakta olup hatasız bir şekilde -5000 metre ila 11000 metre irtifa arasında kullanılabileceği belirtilmektedir.”Z” deniz seviyesinden olan yüksekliği belirtmektedir.

 

2.4.2. Havanın Termodinamik Özellikleri:

Aşağıdaki tablolarda havanın termodinamik özellikleri verilmektedir. Hermann, Kretzchmar ve Gatley  tarafından 2009 yılında yayınlanan araştırmadaki formüller esas alınarak hesaplanan havanın termodinamik özellikleri aşağıdaki tablolarda verilmektedir. Bu tabloda kullanılan birimler aşağıdadır

t= “Celcius” skalasına göre sıcaklık. “T”olarak gösterilen “Kelvin”

      skalası ile bağlantısı aşağıdaki gibidir:

    T =t + 273.15……………………… (^oK)

Ref: ASHRAE Fundamentals-2013

Ref: ASHRAE Fundamentals-2013

Tabloda kullanılan sembollerin açıklamaları da aşağıdadır:

W_s= Doyma noktasındaki su buharı miktarının kuru havaya oranı.

       “kg_w/kg_da” olarak ifade edilir.

v_da= Kuru havanın özgül hacmı  “m³/kg_da” olarak ifade edilir.

v_s   = Doyma noktasındaki havanın özgül hacmı “m³/kg_da” olarak ifade

         edilir.

v_as = Doyma noktasındaki kuru havanın özgül hacmı ile kuru havanın

        özgül hacımları arasındaki fark, “m³/kg_da” olarak ifade edilir.

h_da = Kuru havanın özgül antalpisi. “kJ/kg_da” olarak ifade edilir.

h_s  = Doyma noktasındaki kuru havanın özgül antalpisi. “kJ/kg_da” olarak

        ifade edilir.

h_as = Doyma noktasındaki kuru havanın özgül antalpisi ile kuru havanın

        antalpisi arasındaki fark, “kJ/kg_da” olarak ifade edilir.

s_da = Kuru havanın özgül antropisi, “kJ/(kg_da. K)” olarak ifade edilir.

s_s   = Doyma noktasındaki kuru hava ile kuru havanın özgül antropisi

        arasındaki fark, “kJ/(kg_da. K)” olarak ifade edilir.

2.4.3. Doyma Eğrisi ve Hesaplanması

Psikrometrik proses ve hesaplarda doyma eğrisi çok önemli bir yer işgal eder. Bu eğri aynı zamanda su buharı basıncını ve su buharı doyma sıcaklığını da belirler. Birçok eserde bu şartların belirlenmesi için ASHRAE Handbook-Fundamentals’a refere olunur ve oradaki tabloların kullanılması önerilir. Bu tablolar kitabımızda da verilmektedir. Ancak bu değerlerin hesap yoluyla da bulunabileceğinin bilinmesinde fayda vardır. Çünkü mühendislik bir şeyi olduğu gibi kabul etmek değil, bunun nedenlerini bilmek, empirik te olsa formüller ile bu değerlere ulaşabilmektir. Kullandığımız tabloların çoğu da bu yollarla hesaplanarak bulunmuştur. Buna örnek olarak kanal hesap abaklarını, ısıtma ve soğutma hidronik hesaplarında kullanılan boru hesap abaklarını gösterebiliriz.

Günümüzde en doğru yaklaşımları veren formül IAPWS (International Association for the Properties of Water and Steam) -IF97’de belirtilen formüllerdir.  Sıvı haldeki su sathı üzerindeki doyma basıncının sıcaklığa bağlı olarak hesaplanması aşağıdaki formülle belirlenmiştir.

p_ws=1000 x (2 x C/(-B+(B²-4 x A x C)^0.5))⁴………..(kPa)

Bu formülde :

A= Q²+ (N₁x Q) + N₂

B= (N₃x Q²) + (N₄x Q) + N₅

C= (N₆x Q²) + (N₇x Q) + N₈

“Q” değeri ise aşağıdaki formülle hesaplanır:

Q= T + N₉/(T-N₁₀)

T= t_C+273.15 

“t_C” Celcius skalasına göre doyma sıcaklığıdır.      (^oC)

N₁=  1167.05214527670            N₂= -724213.167032060

N₃= -17.0738469400920            N₄= 12020.8247024700

N₅= -3232555.03223330            N₆= 14.9151086135300

N₇= -4823.26573615910           N₈= 405113.405420570

N₉= -0.238555575678490         N₁₀= 650.175348447980

Bu hesap tarzı (0^oC ≤  t_c ≤ 373^oC için geçerlidir. Aynı şekilde “ters denklem” tabir edeceğimiz işlemle de doyma basıncından hareketle doyma sıcaklığını hesaplayabiliriz.

t_Cdp= (0.5 x (N₁₀+ D –((N₁₀+ D)²-4(N₉+N₁₀x D))^0.5))-273.15

Bu formülde :

D= 2G/(-F-(F²-4E x G)^0.5)

E= β²+ N₃x β + N₆

F= (N₁x β²) + (N₄x β) + N₇

G= (N₂x β²) + (N₅x β) + N₈

“β” değeri ise aşağıdaki formülle hesaplanır:

β= ( p_ws/1000)^0.25………………….. (p_ws= kPa)       

2.4.4. Mutlak Nem Miktarının (Nem Oranının) belirlenmesi

Havadaki mutlak nem miktarı (nem oranı) “W” bir kilogram kuru hava içinde bulunan nem miktarının orantı olarak belirtilmesidir. Bu orantı (kg_wv/kg_da) olarak ifade edilir.

Bağıl nem ise belirli bir kuru termometre sıcaklığındaki mutlak nem miktarının aynı sıcaklıkta doyma noktasındaki mutlak nem miktarına oranıdır. Bu tabir “%” olarak ifade edilir.

Mutlak nem miktarının hesaplanmasını da aşağıdaki tar-zda ve Dalton Kanunu’ndan yararlanarak yapabiliriz.

p.V = m . R . T

Bu formülü “m” değerini hesaplamak üzere tekrar düzenlersek:

m = (p . V)/( R . T ) 

 bulunur. Aynı formülü su buharı ve kuru hava için düzenlediğimizde aşağıdaki denklemlere ulaşırız.

m_vw= (p_vws. V_vws)/( R_wv. T )  …….. su buharı için

m_da= (p_da. V_da)/( R_da. T )  ………kuru hava için

 m_vw/m_da=((p_wvs. V_wvs)/( R_wv. T ))/( (p_da. V_da)/( R_da. T )) 

 Dalton Kanunu’na göre su buharı ile kuru hava aynı hacmı paylaşmaktadır. Bu nedenle:

V_vws= V_da

 Keza aynı şekilde her iki gazın ortam sıcaklığı da birbirlerine eşittir. Bu nedenle eşit değerler birbirini götüreceği için denklem aşağıdaki şekle dönüşür.

m_vws/m_da=(p_vws/ R_wv )/(p_da/ R_da) 

 R_wv= 461.52 kJ/kg

R_da= 287.06 kJ/kg

 Bu değerleri yerine koyduğumuzda

m_vw/m_da=0.621945 . p_vw/p_da       bulunur.

p_da= P – P_{vws                                      olduğundan aşağıdaki sonuç formül karşımıza çıkar.}

m_vw/m_da=0.621945 . p_wvs/(p– p_wvs)

 2.4.3 No’lu bahiste doyma nokta sıcaklığındaki buhar basıncını ve o noktadan hareketle doyma noktası sıcaklığının hesaplanacağını incelemiştik. Şimdi de o sıcaklığa tekabül eden mutlak nem miktarını buhar basıncına bağlı olarak nasıl hesaplanacağını görmüş olduk.

 2.4.5. Havanın Özgül yoğunluk ve özgül hacminin belirlenmesi

 P.v_{da_0C}= m . R . T

 Bu denklemde :

P          = Atmosferik basınç, 101325 Pa

v_{da_0C}  = Özgül hacım. 0^oC kuru hava için (m³/kg_da)

m         =Havanın moleküler ağırlığı. 28.964 kg/kmol

R          = Üniversal gaz sabiti . 8314.41 J/(kmol.K)

T          = havanın sıcaklığı ( ^oK)

Değerleri denklemde yerlerine koyup, “v_{da_0C}”için çözdüğümüzde:

v_{da_0C}=((8314.41)x(273.15 + 0))/(28.964×101325)

 v_{da_0C}= 0.773851 …………………………….  (m³/kg_da-0C)

 Havanın özgül yoğunluğu: δ_{da_0C}= 1/ v_{da_0C} olduğuna göre:

δ_{da_0C}= 1/ 0.773851=1.2922 … (kg_da-0C/m³) bulunur.

Bu formülü genelleştirdiğimiz zaman, derğişik sıcaklıklardaki kuru havanın özgül hacmini aşağıdaki formülle hesaplayabiliriz.

v_da= 0.0028333 (273.15 + t_da)

 Kuru havanın hesapla bulunan özgül ağırlığına aynı sıcaklıktaki doyma noktasındaki havanın içinde bulunan su buharının ağırlığının ilavesi ile doyma noktasındaki havanın özgül hacmi ve özgül ağırlığı bulunur.

δ_a= δ_da+ W_wv

1. PSİKROMETRİ NEDİR

1.1 Psikrometrinin tanımı ve tarihçesi

Psikrometri Yunanca iki kelimenin, soğuk ve soğutma anlamına gelen “psuchron” ile ölçme anlamına gelen “meter” birleşmesinden oluşmaktadır. Bu kelimeyi ilk kullanan Alman bilim adamı Ernest Ferdinand August’tur. Kendi geliştirdiği ıslak termometreye “Psychrometer”, psikrometre adını vermiştir. Günümüzde psikrometreler kuru termometre ve yaş termometreleri ayrı ayrı ölçmeye yarayan iki termometreden meydanan gelmekte ve bu enstrumanlar higrometre olarak sınıflandırılmaktadır.

Psikrometri sözlüklerde fizik kanunlarına göre kuru hava ve su buharı karışımlarını inceleyen bir bilim olarak tarif edilmektedir. ASHRAE ise psikrometriyi “atmosferik durumların, özellikle hava içindeki nemin ölçümü ve belirlenmesi ile uğraşan, fizik ana bilim dalının bir branşı” olarak kabul etmektedir.  Günümüzde makine mühendisliğinin temel konularından biri olan termodinamiğin içinde de kapsamlı bir şekilde yer almaktadır. Burada önem kazanan bir tarif te “nemli hava”dır. Nemli havayı iki değişik gazın, kuru hava ile su buharının karışımı olarak belirtebiliriz. Kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda bir maddenin gaz fazı “buhar” olarak adlandırılır. Bu terim bir maddenin doyma noktasına yakın yerlerdeki gaz halini belirtir. Dolayısıyla bu maddenin hal değişimi esnasında yoğuşabileceği kabul edilir.

Bazı çevreler bu tanımı daha da genişletmekte, psikrometriyi bir maddenin gaz hali ile diğer bir maddenin yoğuşabilir gaz halinin karışımı olarak tanımlamaktadır. Bizim konumuza esas olan ilk tarif ile ASHRAE’in kabulüdür ve bu kitabımızda kuru hava ile su buharının değişik şartlardaki karışımları olarak incelenecektir.

1.2 Psikrometrinin kapsamı

Psikrometri yalnız iklimlendirme dünyasına ait bir çalışma ve inceleme alanından ibaret değildir. Ziraatte, örneğin seralarda ürün yetiştirilmesi için gerekli ortamın tespit ve temininde, tahılların saklanmasında ve kurutulmasında, gıda mühendisliğinde, ilaç sanayiinde, tekstil sanayiinde nem kontrolunda, meteorolojide ve mimaride örneğin iç satıhlarda kondansasyonun belirlenmesi ve önlenmesinde de büyük ölçüde kullanım alanı bulmaktadır.

1.3 Psikrometrik diyagramın gelişimi

Günümüzde yaygın olarak kullanılmakta olan psikrometrik diyagram ilk olarak 1904 yılında Willis H. Carrier isimli Amerikalı bir mühendis tarafından geliştirilmiştir. Ancak prikrometri ile ilgili çalışmalar çak daha öncelere gitmektedir. Antik Yunan Medeniyeti’nde Anaksimenes, Aristo, Hero gibi filozof ve bilim adamlarının çalıştıkları bilinmektedir. “Aer” kelimesinin kökeni de Antik Yunanca olup hava ve su buharı manâsına gelmektedir ve uluslararası literatüre Anaksimenes tarafından kazandırılmıştır.

Aristo’nun ölümünü takiben, onbeşinci yüzyılın başlarına kadar süren Avrupa’nın “Karanlık Yıllar” olarak ta adlandırılan Orta Çağ döneminde hemen hemen hiçbir şeyin yapılmadığını, ancak Rönesans ile çalışmaların Yeni Çağ’da tekrar başladığını görürüz. Leonardo da Vinci (1452-1519) ilk higrometrenin teknik resimlerini tamamlamış ve bu çalışmasına “higroskop” adını vermiştir. İtalyan bilim adamı, matematikçi ve astronom Galileo Galilei (1564-1642) 1593’de başarısız bir termoskop tasarımı girişinde bulunmuştur. Ancak bu başarısızlığa rağmen, takibeden yıllarda gaz hacminin değişmesinin sıcaklık değişimi ile ilgisi hakkındaki prensipleri belirlemiştir. Basınç ölçümünün öncesi ise hiç süphesiz Evangelista Toriçelli’dir (1608-1647). 1643 yılında civalı barometreyi keşfetmiştir. Bu arada konuya büyük katkıları bulunan Blaise Pascal, Robert Boyle, fahrenhayt termometre skalasını geliştiren Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736), Bernoulli, suyun donma ısısı 0⁰C, kaynama noktasını da 100⁰C olarak belirleyen ve arayı 100 eşit dilime bölerek celsiyus skalasını kazandıran Anders Celsius’u da (1701-1744) belirtmemiz gerekir. Bu termometrelerde skalanın belirlenmesi esnasında içine daldırılmış termometre bulunan suyun ısıtılma suretiyle buharlaştırılması, aynı suyun buharlaştırılması esas alınmıştır. G.D. Fahrenheit taksimatı önceden belirlenmiş bir cetvelde suyun +32^o’de ergidiğini, +212^o’de de buharlaştığını tespit etmiştir. A. Celcius ise bu skalayı 100 eşit parçaya bölmüş, suyun donma noktasına 0^o, kaynama noktasına da 100^odemiştir. Her iki deney de deniz seviyesinde, normal atmosferik şartlarda gerçekleştirilmiştir.

Bu çalışmaların her ikisinde de buz kütlesinin erimek için belirli bir enerjiye ihtiyacı olduğu, buz erirken sıcaklığın değişmediği tespit edilmiştir. Bu işlem için gereken birim ısıya bilahare donma (erime) antalpisi denilecektir. Benzeri durum buharlaşmada da gözlenmiştir. Suyun tamamı buharlaşana kadar sıcaklık değişmemekte ancak ısı ilavesi devam etmektedir. Bu birim ısıya da buharlaşma (yoğuşma) antalpisi denilecektir.

18’inci yüzyılın başlarından itibaren kuru hava ile su buharının ilişkilerini birlikte incelendiğini görürüz. İlk olarak John Dalton (1766-1844) isimli İngiliz bilim adamı havanın genleşmesi ve atmosferik yoğuşmayı, atmosferdeki su buharınının gösterdiği değişimlere dayandırırarak izah etmiş ve modern meteorolojinin temellerini atmıştır. 1801’de geliştirdiği toplanan basınçlar kanunu modern psikrometrinin temelini oluşturan dört ana ögeden biridir (bu konu ilerideki bahislerde kapsamlı olarak ele alınacaktır). Emile Hilaire Amagat (1841-1915) isimli Fransız fizikçi de  toplanan hacimler kanunu’nu bulmuştur. Bu kanun da modern psikrometrinin ikinci temel ögesini oluşturmaktadır.

James Ivory (1765-1842) James Hutton’ın yapmış olduğu yaş termometre deneylerini analiz ederek yaş termometre hakkındaki ilk teoriyi “The Hygrometer by Evaporation” isimli eserinde yayınlamıştır. Teorisini termometrenin ıslatılmış haznesi üzerinde sakin bir hava hareketi olduğunu, su ile hazne arasında ihmal edilebilecek derecede küçük bir ısı iletimi (kondüksiyonu) meydana geldiğini hipotezine dayandırmıştır. Bu işlem esnasında ıslatılmış hazne üzerinden geçen havanın doyma noktasına erişeceği, bu durumda da buharlaşma suretiyle havaya eklenen su buharının buharlaşma gizli ısısının (h_FG-WV-@WB) havadan temin edildiği ve bu surette havanın ısısının düştüğünü, düşen ısı miktarının tekabül ettiği “ΔT” sıcaklık farkının havanın kuru termometre sıcaklığından düşülmesi ile yaş termometre sıcaklığının elde edileceğini ispatlamıştır. Buna ilaveten buhar basıncı ile ilgili olarak aşağıdaki empirik formülü geliştirmiştir.

e = e’ – b ( t – t’)/1200

Bu formülde:

e      = su buharının hakiki basıncı ( inç civa sütunu )

                              e’       = yaş termometre sıcaklığındaki doyma noktasında su

buharının basıncı (inç civa sütunu )

                              t         = Ölçülen kuru termometre sıcaklığı (^oC )

                              t’        = Ölçülen yaş termometre sıcaklığı  (^oC)

                              b        = Barometrik basınç (inç civa sütunu)

Bu formül geçen zaman içinde yapılan küçük değişikliklerle geçerliliğini korumaktadır. “b” faktörü “a.P”ile değiştirilmiş olup “P” barometrik basınç, “a”ise düzeltme faktörüdür.  USWB “United States Weather Bureau” da bu formülde küçük bir düzeltme yapmıştır. Bu düzeltme suyun buharlaşma gizli ısısının kuru termometredeki değişiklikler paralelinde yaptığı değişmeleri kapsamaktadır. Bu formül aşağıdaki gibidir.

(C_p-DA+  C_p-WVS) x (t_DB– t_WB-SAT) = (h_FG-WV-@WB) x ( w_WB– w_ACT)

                            Bu förmülde:

C_p-DA             = Özgül ısı; kuru hava (1.006 kJ/kg.^oC)

C_p-WVS           = Özgül ısı; doyma noktasındaki su buharı (4.186 kJ/kg.^oC)

                           t_DB                   = Kuru termometre sıcaklığı (^oC)

                           t_WB-SAT        = Yaş termometre sıcaklığı, doyma noktasında (^oC)

h_FG-WV-@WB =Suyun buharlaşma spesifik antalpisi, yaş termometre

                                                       sıcaklığında (kJ/kg)

                           w_WB                 = Mutlak nem , doyma noktasında (kg_WV/kg_DA)

                           w_ACT                = Mutlak nem, ölçülen (kg_WV/kg_DA)

Bu arada adyabatik proseslerde ideal gazların basınç, sıcaklık değişmelerindeki durumlarını formülize eden Simeon Denis Poisson’u da (1781-1840) unutmamak gerekir. Bu formüller günümüzde termodinamikte, psikrometrik proseslerde özellikle vantilatöre bağlı ısı yükselmelerinin hesabında kullanılmaktadır.

             T . v^(n-1)= Sabit   ,    T . p^(n-1)/n= Sabit   ,       p . vⁿ= Sabit

1809-1903 yılları arasında yaşamış olan astronom ve meteorolojist James Glaisher 1847 yılında su buharı basıncı, atmosferik basınç, yaş termometre ve kuru termometre sıcaklıklarını içeren ilk güvenilir tabloları yayınlamıştır. Amerikalı bilim adamı William Ferrel de (1817-1891) atmosferik basınç, savurmalı psikrometre ile ölçülen yaş ve kuru termometre sıcaklıklarını esas alarak su buharı basıncını hesaplayacak empirik bir formül geliştirmiştir.

Savurmalı psikrometre iki termometreden oluşmaktadır. Bu termometrelerden birinin ucuna ıslatılmış bir kılıf geçirilmekte diğer termometrenin ucu ise açık bırakılmaktadır. Döndürme koluna bir manivela ile bağlı aparat havada hızlı bir şekilde, ıslatılmış kılıf kuruyuncaya kadar döndürülmekte, tam kurumadan her iki termometredeki değerler okunmaktadır. Ucu ıslatılmış termometreden yaş termometre sıcaklığı, ucu açık olan termometreden de kuru termometre sıcaklığı okunmaktadır. Her iki değerle daha önceden hazırlanmış tabloya girerek  bağıl nem belirlenmektedir.  Aşağıda deniz seviyesi için hazırlanış savurmalı psikrometre tablosu görülmektedir. Bu tablo deniz seviyesi için hazırlanmış olup değişik yükseklikler için de mevcuttur. Günümüzde bir referans ölçüm cihazı olarak kullanılmaktadır.

Günümüzde hala kullanılmakta olan diğer bir psikrometrik ölçüm cihazı da aspirasyonlu psikrometredir.

1902 yılında Cornell Üniversitesi’nden mezun olan Willis Haviland Carrier Buffalo Force Co. Şirketinde çalıştığı günlerde, daha bir yıllık mühendisken ilmi esaslara dayanan, rutubet kontroluna yönelik bir klima sisteminin yapımını tamamlamıştı. Böyle bir işin gerçekleştirilmesi için mahallin ısı ve nem kazançlarının (duyulur ve gizli ısı yüklerinin ) hesaplanmasına, nemli havanın psikrometrik  değerlerine ihtiyaç vardı. W.H. Carrier’ın bu donelerin temininde C.F. Marvin’in 1900’da yayınlanan “Psychrometric Tables” isimli eserinden yararlandığı tahmin edilmektedir. 1904 yılında da, mezuniyetinden iki yıl sonra,bugün kullanılmakta olan psikrometrik diyagramlara çok benzer olan “Hygrometric Chart” (Higrometrik Tablo) isimli çalışmasını tamamlamıştı. 1906 yılında yayınlanan Buffalo Force Co. kataloğunda bu tablo yer almıştı. 1911 yılında da ASME’ye “American Society of Mechanical Engineers” (Amerikan Makine Mühendisleri Derneği)sunduğu  “Rasyonel Psikrometik Formüller” isimli çalışmasında Ferrel’in çalışmalarını esas alan termodinamik formüller sunmuştu. Bu formüller sayesinde havanın adyabatik doyması esnasında duyulur ısının gizli ısıya dönüştürülmesini doğru bir şekilde hesaplamak mümkün olmaktaydı.

Pekiyi, Carrier’in çalışmaları Psikrometrik Diyagram alanındaki ilk çalışma mıydı? Tabii ki hayır. Daha 1847 yılında Glaisher’ın higrometrik tabloları “Hygrometrical Tables” adı ile yayınlanmış bulunuyordu. Bu tablolar buhar basıncı, barometrik basınç, yaş termometre sıcaklığı , kuru termometre ve yoğuşma sıcaklığı açısından güvenilir bilgiler içeriyordu. Belirli bir sıcaklıkta tam doyma için gerekli buhar miktarı da bu tablolar vasıtasıyla belirlenebiliyordu.

1867’ye gelindiğinde de W. Edson “HYDRODEIK” isimli kuru ve yaş termometre sıcaklıklarını ölçebilen ve üzerine monte edilmiş diyagram vasıtasıyla bağıl nemi belirleyebilen harika bir enstrumanı geliştirmiş ve patentini almıştı.

Bu enstrumanla ölçülen yaş termometre sıcaklığı eğrisi ile kuru termometre eğrisinin kesiştiği noktaya manuel kumandalı buton getirilmekte,butonun üzerinde aşağı-yukarı hareket eden butonun bağlı olduğu kolun ucundaki ok yardımıyla alttaki skalada bağıl nem okunabilmektedir.

1900 yılında da Profesör C.F. Marvin “Psychrometric Tables” isimli çalışmasını yayınlamıştı. Buhar basıncı, bağıl nem, yoğuşma noktası sıcaklığı bu çalışma ile belirlenebiliyordu. Önceki sayfalarda belirtildiği gibi Willis Carrier’in bu çalışmalardan faydalandığı sanılmaktadır.

Carrier’in çalışmasından önce elde olan psikrometrik diyagrama benzer çalışmalar Glaisher ve Ferrel’in tablolarından, Hydrodeik enstrumanından ibaretti.  Ancak Carrier’in ilk diyagramı bugün kullanmakta olduğumuzdan bazı farklılıklar içeriyordu.

Willis Carrier ilk diyagramında ordinat olarak su buharının birim ağırlığının beher kuru hava hacmine olan oranını  (grains_WV/ft³_DA) kullanmıştı. Su buharının dansitesinin su buharı basıncına orantılı olması ilk diyagramın yapımını kolaylaştırıyordu.

Carrier’in koordinat seçimi klima uygulamalarının diyagram üzerinde ideale yakın bir şekilde çizilmesini de sağlıyordu. Kuru termometre sıcaklıkları absiste gösterilmiş, sabit sıcaklıklar da düşey çizgilerle belirlenmişti. Yatay çizgiler ise birim hacimdeki su buharını  ağırlık olarak gösteriyordu. Diyagramda “doyma yüzdesi” de %10 ila %100 arasında gösterilmekteydi. Günümüzde “doyma yüzdesi” tabiri artık kullanılmamaktadır. Bunun yerine daha uygun olan “bağıl nem”tabiri kullanılmaktadır.

1908 ila 1911 arası ordinatın adı “nem oranı” olarak değiştirilmiş, beher hacimdeki nem miktarı da (lb_VW/ft³_DAveya metrik sistemde  gr_VW/m³_DA) beher kuru hava ağırlığındaki nem miktarı (lb_VW/lb_DAveya metrik sistemde  kg_VW/kg_DA)olarak gösterilmeye başlanmıştı. Ancak “nem oranı” Avrupa’da yaygın olarak “nem miktarı” veya “mutlak nem” olarak ifade edilmektedir. Biz de kitabımızda bundan böyle “mutlak nem” tabirini kullanacağız. Diyagram da  yapılan diğer bir değişiklik te ordinatın soldan sağa taşınmasıdır. Bu arada diyagramın adı da “higrometrik diyagram”dan “Psikrometrik Diyagram”a dönüştürülmüştür. Psikrometrik diyagramın günümüzde kullanılmakta olan hali aşağıda görülmektedir.

Mutlak nem biriminin su buharı ağırlığı bölü birim kuru hava ağırlığı (kg_VW/kg_DA) olarak değiştirilmesi duyulur ısıtma ve duyulur ısıtma proses çizgilerinin yatay doğrular halinde gösterilmesini sağlamıştır. Daha önceki uygulamalarda bu proses çizgileri hafif kurveler halinde gösterilebilmekteydi. Bu değişikliğin sağladığı önemli bir husus ta gizli ısıtma (salt nemlendirme = izotermal nemlendirme) ve gizli soğutma (salt nem giderme = izotermal nem alma) proseslerinin de düşey doğrular halinde gösterilebilmesini sağlamasıdır. Bu iki önemli kazanım sayesinde bir mahallin ısı kazanç ve kayıpları belirlenirken bu yüklerin duyulur ısı ve gizli ısı olarak birbirinden ayrı olarak hesaplanması daha doğru ve daha kolay bir duruma gelmiştir.

Carrier bu arada adyabatik doyma hacmi (adiabatic saturation chamber) konseptini de geliştirmiştir.

Hazne ideal izoleli olup dışarısıyla ısı alışverişinde bulunmamaktadır (adyabatiktir). Haznenin alt kısmı su ile dolu olup eksilen suya eşit miktar su girişinden tamamlanmaktadır. Doymamış nemli hava hazneye sol taraftan girmekte ve çok yavaş bir hızla sağ taraftan çıkmaktadır. Girişteki hava doymamıştır. Su sathı ile temas ederek geçen hava kısmi buhar basıncı nedeniyle buharlaşmakta ve havaya karışmaktadır. Bunun neticesi olarak sağ taraftan hava doymuş olarak olarak çıkmaktadır. Sıcak havanın sıcaklığı giriş havasından düşüktür. Ancak sistemin antalpisinde bir değişiklik yoktur (bu konu ileride detaylı bir biçimde incelenecektir). Suyun buharlaşması için gereken ısı soğuyan hava tarafından karşılanmaktadır. Bu konsept havanın yıkanması ve bu sayede gerçekleştirilen adyabatik soğutmayı da izah etmektedir.

Carrier’in psikrometrik diyagramı gerçekleştirmesini takiben birkaç değişik psikrometrik diyagram çalışmaları da başka bilim adamları tarafından yapılmıştır. Bunların bir kısmını aşağıdaki gibi sıralıyabiliriz:

1. Grosvenor diyagramı…………………….1908
2. Marvin’in psikrometresi………………..1920
3. E.Horton’un diyagramı……………….1921
4. Claud Bulkeley’in diyagramı………….1926
5. M. Ware’in diyagramı………………..1931
6. Lavin ve Sutherland’ın diyagramı…..1931
7. M. Norris’in psikrografı………………1934

Bu daha da uzatmak mümkündür. Carrier’ın haricindeki çalışmaların tamamı 20 adettir. Bunların içinde en önemlisi halen birçok Avrupa ülkesinde kullanılmakta olan Mollier h-x diyagramıdır.

Bu diyagram Prof. Richard Mollier tarafından 1923 yılında gerçekleştirilmiştir. Kullanılan semboller Carrier’in psikrometrik diyagramından farklıdır. Örneğin entalpi “h”, mutlak nem de “x” olarak gösterilmektedir.

Ancak Mollier diyagramı Carrier’in diyagramında şekil olarak son derece benzemektedir. Sanki Carrier’in diyagramının saat ibresinin ters yönünde döndürülmüş olanının ayna aksi gibidir. Ancak bu benzetmemizden “intihal” gibi bir sonuç çıkarmak son derece yanlış olur. 1863-1935 yılları arasında yaşamış Prof.Dr. Richard Mollier birçok araştırmalar yapmış, çalışmalarını 8 Eylül 1923’de ZVDI’nin 67’nci sayısında yayınlamıştır. Diyagramının temeli antalpi mutlak nem oranını psikrometri dünyasına sunması ve bu oranı diyagramındaki koordinatlardan biri olarak kullanmasıdır. Bu sayede sis oluşumu da incelenebilmektedir.

Psikrometrinin gelişmesi için en çok çaba harcayan kuruluşların başında ASHRAE (American Society of Heating Refrigeration & Air conditioning Engineers Inc. = Amerikan Isıtma, Soğutma ve İklimlendirme Mühendisleri Derneği) gelmektedir. ASHRAE tarafından desteklenen araştırmaların başında Hyland  ile Wexler’in ve Goff ile Gratch’ın yaptığı araştırma ve çalışmalar gelmektedir. Richard Hyland ve Arnold Wexler isimli iki fizikçi ve araştırmacı bilim adamı 1983 yılında iki ASHRAE araştırma projesini tamamlamışlardır. “Nemli Gazların Termodinamik Özelliklerinin Formulasyonu” ve “ Kuru Havanın Termodinamik Özelliklerinin Formulasyonu” isimli bu çalışmalar günümüzün psikrometrisinin temelini oluşturmaktadır.  Günümüzde psikrometrik tablo ve diyagramlar bu araştırmalar sayesinde geliştirilen formül ve değerler esas alınarak yapılmaktadır.

Psikrometri tarımdan havacılığa, klima-havalandırmadan gıda maddelerinin kurutulmasına ve depolanmasına, ilaç sanayinden tekstil sanayine kadar, daha birçok alanı kapsayan temel bir bilimdir. Psikrometri ve bununla ilgili çalışmalar ideal gaz kanunlarına, Dalton’un kısmi basınçlar kanununa, enerjinin ve kitlenin korunumu kanunlarına dayanmaktadır. 1904’de Willis Carrier tarafından diyagram haline getirilmiş, yapılan araştırmalar neticesi günümüze kadar sürekli gelişme göstermiştir. Carrier’ın geliştirdiği diyagram ile Mollier’in hazırladığı i-x diyagramı yaygın bir biçimde klima ve havalandırma sahasında çalışan mühendis ve teknisyenler tarafından kullanılmaktadır.

1960’lı yıllara bir göz attığımızda hesapların sürgülü hesap cetvelleriyle yapıldığını, 1970’lere gelindiğinde de elektronik hesap makinalarının geliştiğini, yavaş yavaş sürgülü hesap cetvellerinin yerini aldığını görürüz. Bu tarzda yapılan hesaplar, örneğin ısı kazancı-ısı kaybı formlarına kaydedilir, prosesler de psikrometrik diyagramlara işlenirdi. Bu sayede de ısıtma ve soğutma yükleri, hava karışımları, nemlendirme işlemleri ve bu işlemlerin büyüklükleri belirlenirdi. Geçen zaman içinde bilgisayarlar, buna paralel olarak ta yazılımlar gelişti. Birçok teknik eleman artık hesaplarını bu yazılımlar sayesinde bilgisayarda yapmaya, hatta psikrometrik proseslerini dahi bu programlarda belirlemeye başladılar. Teknik elemanlar açısından büyük bir kolaylık ve vakit kazanımı getirmesine rağmen beraberinde bazı olumsuzlukları da getirdi. Bu teknik gelişimleri kullananlar bilgisayar çıktılarını kanun gibi kabul edip yavaş yavaş bilmeleri gereken temel teknolojilerden uzaklaşmaya başladılar. Bir araç olan bilgisayar ve yazılımlar yavaş yavaş amaç olmaya başladı. Halbuki mühendislik bir yazılım  uygulamacılığı, bir bilgisayar operatörlüğü değildir.

Aynı durum maalesef mühendislerin psikrometrik proseslere olan bilgi ve hakimiyetleri konusunda da kendini gösterdi. Okumuş oldukları termodinamik kitaplarında zaten bir veya iki konudan ibaret olan hava-su buharı karışımlarını, psikrometriyi kullanmamaya ve unutmaya başladılar.

Kırk yılı aşkın bir süredir kendini bu konuya vakfetmiş bir kişi olarak bu durumu maalesef üzülerek izlemekteyim. Bu nedenle elinizde tuttuğunuz bu kitabı yazmaya karar verdim. Bu konuda birçok mühendis ve öğretim üyesi arkadaşım da destekledi.  Bu kitap yalnızca temel psikrometrik proseslerin öğretimi amaçlı bir eser olarak hazırlanmamıştır. Psikrometri biliminin oluşumunu ve bununla ilgili temel kavramları da vermeyi amaçlamaktadır. Bu nedenle kitap iki bölüm halinde hazırlanmıştır. Birinci bölümde tarihi gelişim, psikrometriyi oluşturan temel öge ve kavramlar, bunlar arasındaki ilişkiler mümkün olduğunca detaylı ama basit bir üslupla anlatılmaya, psikrometrik diyagramın nasıl oluştuğu izah edilmeye çalışılmıştır. İkinci bölümde de temel psikrometrik prosesler örnekleri ve şematik klima santralı çizimleriyle birlikte verilmiştir. Bunlara ilaveten nem alma, ısı geri kazanım gibi konular da detaylı bir biçimde anlatılmaya çalışılmıştır.

Tüm okuyanlara faydalı olacağını ümidiyle saygılarımı sunar, tenkit ve taleplerinizi aşağıdaki e-mail adresime iletmenizi rica ederim.

 

 

M.Halûk SEVEL

mhsevel@gmail.com

Ocak 2014, İzmir