PSİKROMETRİ – I – Bölüm 1 – Başlık 1 – PSİKROMETRİYE GİRİŞ VE TEMEL KAVRAMLAR

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 +32o’de ergidiğini, +212o’de de buharlaştığını tespit etmiştir. A. Celcius ise bu skalayı 100 eşit parçaya bölmüş, suyun donma noktasına 0o, kaynama noktasına da 100odemiştir. 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 (hFG-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.

(Cp-DA+  Cp-WVS) x (tDB– tWB-SAT) = (hFG-WV-@WB) x ( wWB– wACT)

                            Bu förmülde:

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

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

                           tDB                   = Kuru termometre sıcaklığı (oC)

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

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

                                                       sıcaklığında (kJ/kg)

                           wWB                 = Mutlak nem , doyma noktasında (kgWV/kgDA)

                           wACT                = Mutlak nem, ölçülen (kgWV/kgDA)

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  (grainsWV/ft3DA) 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 (lbVW/ft3DAveya metrik sistemde  grVW/m3DA) beher kuru hava ağırlığındaki nem miktarı (lbVW/lbDAveya metrik sistemde  kgVW/kgDA)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 (kgVW/kgDA) 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.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir