HAVA ŞARTLANDIRMA VE KLİMA TEKNİĞİ
HAVA ŞARTLANDIRMA VE KLİMA TEKNİĞİ
Doç. Dr. Ing. Ahmet CAN
Trakya Üniversitesi
1. GİRİŞ
Çok sayıda insanın kapalı bir ortamda bulunmasından veya endüstri tesislerindeki bazı süreçler nedeni ile o hacimlerde bulunan havanın özellikleri olumsuz yönde değişir. Bu ortamlarda, sürekli olarak standartlarda öngörülen, belirli sıcaklık ve nem durumuna sahip, toz ve olumsuz etkilerden arındırılmış yeterli temiz havanın bulundurulması gerekir. Havanın sıcaklığı, nemi, hızı ve temizliği gibi dört unsur göz önüne alınarak belirli hacimlerde gerçekleştirilen hava yenilenmesi süreci klima olarak adlandırılabilir. Bu amaç ile çeşitli klima sistemleri geliştirilmiştir. Bu sistemlerin seçimi, öngörülen konfor şartlan yanında, mimari tasarım, yapının fonksiyonu, yerleşim bölgesi ve iklim koşullarına bağlı yapılır.
Kişi başına bir saatlik zaman içinde klima ortamına verilmesi gerekli minimum temiz hava miktarları dış ortam sıcaklığına bağlı olarak, /1/"den alınmış Tablo 1'de gösterilmiştir.
Değişik amaçlarla kullanılan yapılar için kişi başına kullanılacak hava debileri /1. s.81/ 'den alınmış Tablo 2'de gösterilmiştir.
KONFOR BÖLGESİ KAVRAMI
Klima sistemleri tasarımı için tanımlanmış konfor bölgesi kavramı şekil 1'de gösterilmiştir. Burada, yaz ve gerekse kış mevsimlerinde en iyi konfor bölgesinin durumunu gösteren ortalama effektif sıcaklık hatları diyagramdan da görüleceği gibi farklıdır. Konfor bölgesine etki edebilecek çeşitli faktörlerin öncelikle etüdü gerekir.
2. KLİMA SİSTEMLERİ
Klima sürecinin gerçekleştirildiği sistem, prensip olarak,
1. Klima santralı
2. Dağıtıcı Kanallar ve Menfezleri
3. Klima Ortamı (insanların bulunduğu, süreçlerin gerçekleştiği, v.s)
4. Toplayıcı menfezleri ve kanalları.
olmak üzere dört bölümden oluşur. Bu ünitelerden her birinin özellikleri ve fonksiyonu aşağıda kısaca açıklanmıştır.
Klima Santralı: Havanın harekete geçirilmesi, temizlenmesi, ısıtılması, nemlendirilmesi ve neminin ılınması gibi süreçler için gerekli elemanları içerir. Havanın klima santralı içindeki hareketinde, şekil 2’de şematik şekilde gösterilmiş üniteleri geçer.
Ön ısıtıcı sadece kış mevsiminde kullanılır. Yazın ise ön ısıtıcı yerine soğutucu devreye sokulur.
Klima yapılacak ortalama gönderilecek havanın öngörülen özgül nem değerine getirilmesi, nemlendirici ile sağlanır. Eğer klima sistemi ile ortamın naşı yapılacaksa, hava ortam sıcaklığından yüksek bir değere, soğutulması yapılacaksa düşük bir değere getirilir. Arzu edilen şartlar ısıtıcıda verilecek ısı miktarı ile sağlanır.
Klima sistemlerinin işletme şekilleri genel olarak aç şekilde olur. Bunlar,
1. Sadece dış hava ile çalışma durumu (Hastane, Anfi, Ameliyat salonu v.b)
2. Hem dış havanın hem de toplanan ortam havasının belirli bir durumdan yararlanma durumu, (Tiyatro, sinema ve toplantı salonu v.b) Belirli bir enerji ekonomisi amacı ile kulalnılır.
3. By-Pas düzenine sahip karışık çalışma durumu. (Sanayi tesislerinde)
Nemli hava, gaz+buhar karışımları için önemli bir örneği oluşturur. Bünyesinde yoğuşabilen su buharı ile yoğuşmayan çeşitli gazların karışımı olan kuru havadan oluşmuş bir karışım olarak değerlendirilir.
Meteoroloji, klima tekniği, kurutma tekniği v.b. uygulama alanlarındaki süreçlerde nemli hava önemli fonksiyon üstlenir. Genellikle sıcaklıklar -40°C ile arasında bulunur ve özel hallerde kurutma tekniğinde 200°C - 300°C sıcaklıklarda da çalışabilir. -141°C gibi düşük bir kritik sıcaklığa sahip kuru hava yukarıda belirtilen sıcaklık sahasının çok dışında bulunduğundan ve basıncı da l bar civarında kaldığından mükemmel gaz olarak değerlendirilir. 50°C sıcaklık değerinden düşük sıcaklıklarda su buharının kısmi doyma basıncı oldukça küçük değerde olduğundan, su buharı da mükemmel gaz olarak değerlendirilir.
Pratik uygulamalarda, nemli hava durum değişimlerinin termodinamik hesaplan yapılırken aşağıdaki basitleştirici kabuller yapılır.
1. Mükemmel Gaz :Nemli havanın tanımlanmasında, kuru havanın ve su buharının mükemmel gazlar olduğu kabul edilir.
2. Buhar Fazı Sıvılaştırılır: Sıvılaştırılabilir olan su buharı için de mükemmel gaz denklemi geçerlidir. Sıvılaştırma, belirli sıcaklıkta, buhardan ölçülen buhar basıncında oluşur. Buharın kısmi basıncı, sıcaklığa göre düzenlenmiş tablolardan okunur.
3. Basınç : Nemli hava olarak adlandırılan gaz+buhar karışımının basıncı, atmosferik basınç Po alınır. Su buharı kısmi basıncı Pb ve doymuş buharın kısmi basıncı Pb,D ile gösterilir. Buradan havanın kısmi basıncı, Ph=Po-Pb ve doymuş buhar durumunda, Ph=Po-Pb,D olarak tanımlanır.
Nemli hava ile ilgili pratik uygulamalarda sıklıkla kullanılan bazı kavramların ve bunların tanımlarının doğru bilinmesi gerekir.
İklimlendirme, kurutma, ısıtma v.b. gibi, nemli hava ile ilgili birçok mühendislik probleminin çözümünde, kuru havanın kütlesine bağımlı özgül büyüklükler kullanılır. Kuru hava+su buharı karışımından oluşan nemli hava kütlesine bağımlı büyüklüklerde, suyun hangi faz durumunda bulunduğunun (buhar?, sıvı veya katı? yoksa her ikisi mi?) belirtilmesi gerekeceğinden pratik değildir.
Özgül Nem (Nemlilik Derecesi), x: Nemli havanın bünyesinde bulunan toplam su kütlesinin, kuru hava kütlesine oranıdır.
İklimlendirme problemlerinde nemli hava, genellikle doymamış gaz+buhar karışımı şeklinde, yani karışımdaki su, buhar fazındadır. Bu durumda, özgül nem, x= mb/mn olarak tanımlanır.
Bağıl Nem, φ : Bir hava+su buharı karışımında buharın mol oranının, aynı sıcaklık ve (toplam) basınçtaki doymuş havadaki buharın mol oranına bölünmesi ile bağıl nem tespit edilir. Mükemmel gaz karışımlarında mol oranı, kısmi basınç oranına eşit olduğundan bağıl nem
şeklinde tanımlanır.
Verilen belirli bir hacim ve sıcaklıktaki nemli hava göz önüne alınırsa,
eşitlikleri bulunur.
Doyma Derecesi, φ : Nemli havanın x özgül nem değerinin, aynı sıcaklık ve basınçtaki doymuş havanın XD doymuş özgül nemine oranıdır ve
şeklinde tanımlanır.
NEMLİ HAVANIN ÖZGÜL ENTALPİSİ
Nemli havanın çeşitli durumları, doymamış karışım, doymuş karışım v.s için özgül entalpi değerlerinin belirlenmesi birçok teknik uygulama için önemlidir. Burada özgül ısılar için ortalama değerler kullanılmıştır.
Doymamış Nemli Hava İçin:
Doymamış hava+su buharı karışımının entalpisi, kuru havanın ve buharın entalpileri toplamıdır. Buna göre,
olarak bulunur.
Doymuş Nemli Hava İçin:
Sıcaklık 0°C'nin üzerinde ise doymuş karışım su içereceğinden karışımın entalpisi; hava, su buharı ve suyun entalpileri toplamından oluşur. Buna göre, yukarıdaki t0=0°C için yapılmış kabuller ile,
yazılabilir. Eşitliğin her iki tarafının mb ile bölünmesinden, doymuş nemli havanın özgül entalpisi için, (burada x xD geçerlidir.)
Doymamış nemli hava karışımının sabit basınçta soğutulduğunda, su buharının yoğuşmaya başladığı sıcaklık çiğ noktası sıcaklığı ismi verilir.
YAŞ TERMOMETRE (YT) VE KURU TERMOMETRE (KT) SICAKLIKLARI
Psychrometre denilen, şekil 3'te şematik gösterilmiş cihazın termometrelerinden birinin haznesi çıplak olup, nemli havanın sıcaklığının ölçülmesi için kullanılır. Bu termometre ile ölçülen sıcaklığa (KT) kuru termometre ismi verilir.
Haznesi ıslak bez ile sarılmış diğer termometrenin bulunduğu bölümden doymamış nemli hava, beze temas ederek geçerken, bezin gözenekleri içindeki suyu buharlaştırır. Bu esnada, havadan ve termometreden suya, ısıl denge sağlanacak şekilde ısı geçişi olur. Bunun neticesinde, bu termometre ile (YT) yaş termometre sıcaklığı ismi verilen ve kuru termometre sıcaklığından daha küçük bir sıcaklık belirlenir.
Yaş termometre sıcaklığı için Tçiğ.nok. ≤YT≤KT ifadesi geçerlidir ve daima çiğ noktası sıcaklığı ile kuru termometre sıcaklığı arasındadır. Doymamış nemli hava, termometrelerin bulunduğu ortamdan, yaklaşık 2 ile 2.5 m/s hız ile geçirilmelidir.
4. PSİKROMETRİK DİYAGRAM
Nemli hava ile ilgili, kurutma, ısıtma, iklimlendirme v.b. birçok mühendislik probleminin çözümlenmesinde yararlanılan ve nemli havanın çeşitli özelliklerini içeren diyagram, psikrometrik diyagram olarak adlandırılır. Genellikle toplam basıncın atmosferik basınç ≈ 1 bar için geçerli bu diyagramlar çeşitli şekillerde düzenlenmiştir. Şekil 4'te (KT) kuru termometre sıcaklığı ve x özgül nem değerlerine göre düzenlenmiş diyagram şematik olarak gösterilmiştir.
Kuru termometre ve yaş termometre sıcaklıklarından, özgül nem ve bağıl nem değerlerinin belirlenmesinde bu diyagram kolaylık sağlar.
4.1. h1+x , x - Mollier - DİYAGRAMI
Mollier, ordinatı özgül entalpisi h1+x ve apsisi özgül nem x olan h1+x , x diyagramı düzenlenmiştir. Doymamış nemli hava karışımının özgül entalpisi için,
eşitliği ile ifade edilen doğrulardır. Sıcaklık arttıkça bu doğruların eğimleri de artmaktadır.
Sıcaklık 0°C değeri için, suyun buharlaşma entalpisi r(to)'ın değeri çok büyük olduğundan diyagram üzerinde sabit sıcaklık eğrilerinin eğimleri de çok büyük olmaktadır. Bu sebeple Mollier. şekil 5'te şematik gösterildiği gibi, x özgül nem değerlerini 0A apsisine değil de, eğik bir 0B eksenine taşımıştır.
Kuru havanın herhangi bir t sıcaklığındaki özgül entalpisi, hh=Cph . t, şekil 5'te 00' olarak h1+x eksenine, taşınmıştır. 0A ekseninden başlayarak, nemli havanın artan x özgül nem değerlerine bağlı olarak, aşağıya doğru her bir x değeri için r(to) . x uzaklıklarını birleştiren doğru çizilerek, hı+x=0, (0B) doğrusu elde edilmiştir.
Herhangi bir t sıcaklığındaki doymamış nemli hava ve doymuş nemli hava için sabit sıcaklık eğrilerinin durumu şekil 6 a) ve b)'de gösterilmiştir.
0A eksenine, hh=Cph.t, kuru havanın özgül entalpisi uzaklığında bir paralel çizilerek elde edilmiş 0'A' kesikli doğrusundan başlanarak, x özgül nemine göre değişen Cpt.x.t değerlerine uyan noktaların birleştirilmesi sonucunda 0'C (t=sabit) doğrusu elde edilmiştir.
