Download iklimlendirme ve havalandırma and more Lecture notes Refrigeration and Air Conditioning in PDF only on Docsity!

ÍKLÍMLEMDÍRME

HAVALANDIRMA

UYGULAMALARI

DERS NOTLARI

BÖLÜM 1

İKLİMLENDİRME

Isıtma, soğutma, havalandırma ve iklimlendirme/klima konularında ana hedef insanlar için daha iyi, daha rahat, huzurlu, sağlıklı ve emniyetli bir yaşam sağlamaktır. Diğer yandan, bugünkü teknolojinin ve çeşitli endüstriyel işlemlerin yapılması sırasında da çalışılan ortamın belirli ve yapılan işlere uygun olan şartlara getirilmesi gerekmektedir. Ayrıca, havanın şartlandırılması ihtiyacı sadece insanlar için değil, çeşitli amaçlarla beslenen evcil hayvanlar, hatta bitkiler için de gerekmektedir. Bu uygun şartlar; ortamın sıcaklığı, bağıl nem seviyesi, içindeki oksijen miktarı, toz-duman/koku gibi zararlı maddelerden arındırılıp temizlenmesi ve ortam havasının tüm hacimdeki homojen dağılımının yani hava hareketinin sağlanması şeklinde özetlenebilir. Bu amaçla uygulanan işlemlere "Havanın Şartlandırılması" veya "İklimlendirme" adı verilmekte olup dilimize Almancadan girmiş olan "Klima" ve İngilizceden girmiş olan "Air conditioning" deyimleri de sık sık kullanılmaktadır.

Bütün bunları sağlarken de beklenen en önemli husus, ekonomiklik ve çevreye en az zarar verecek tarzda tesis edilmiş olmasıdır (çevre kirliliği, gürültü, dış estetik görünüm). Dolayısıyla, ihtiyaçları yeterli derecede iyi sağlayan ve aynı zamanda da kuruluş ve işletme masrafları yönünden mümkün olduğunca ekonomik olan bir iklimlendirme sistemi beklenir. Tek tek münferit elemanları bu esaslara göre standartlaştırılmış ve imal edilmiş, ayrıca iyi projelendirilip cihaz-ekipman seçimleri de doğru ve titizlikle yapılmış ve en önemlisi sistemin çalıştırılacağı yapıya, amaçlara uygun şekilde yerleştirilmiş, testleri-ayarları-balansları düzgün yapılarak devreye alınmış olması yanında iyi eğitilmiş işleticilerin eline teslim edilmiş bir iklimlendirme sistemi bekleneni vererek uzun yıllar çalışmaya devam edecektir.

1.1. İKLİMLENDİRMENİN ÖNEMİ

Dünyada kabul edilmiş araştırmalara göre, insanlar belli bir sıcaklık ve nem aralığında ve temiz havalı ortamlarda rahat etmektedirler. Bu aralık konfor bölgesi olarak tanımlanmıştır (nem %30 ile %60, sıcaklık 20-270C). Sıcaklığın gereğinden fazla veya az olmasının rahatsız edici olduğu açıktır. Nem düzeyinin az olması boğaz kuruluğu, gözlerde yanma gibi rahatsızlıklara yol açmasının yanında, fazla nem de terlemeye ve bunaltıcı bir sıcaklık hissine neden olur. Ayrıca ortamın havası temiz ve taze olmalıdır, toz, duman, polen ve diğer zararlı maddelerin filtre edilmesi ve insanın fark etmeyeceği ama temiz havayı getirip kirli havayı götürecek bir hava dolaşımı gereklidir.

Günümüzde pek çok insanın yaşamının önemli bir bölümü kapalı mekânlarda geçmektedir. Bu mekânlar gerek hacim, gerekse barındırdıkları insan sayısı olarak büyük boyutlara ulaşmışlardır. Fuar, konferans, tiyatro, sinema salonlarının, alışveriş merkezlerinin, diskotek ve gazinoların, pencereleri açılmayan yüksek binaların vb. yaşanabilir hâlde tutulması için iklimlendirme ( klima ) şarttır. Oteller, hastaneler, gıda, tekstil, elektronik, kâğıt, tütün, vb. endüstrileri de iklimlendirmeye tam anlamıyla muhtaçtırlar.

Küçük işyerleri ve konutlarda da klima kullanımının yararları tartışılmazdır. Fazla sıcak, fazla soğuk, rutubetli, fazla kuru, oksijeni az-karbondioksiti fazla, tozlu, dumanlı, kokulu ortamlarda yaşamayı, çalışmayı, hatta mal ve eşyalarını bulundurmayı elbette ki hiç kimse istemez. Yazın seyahat ederken bindiğiniz taşıtın camlarını sıcaktan bunalmamak için açamayacağınız, açsanız da fayda etmeyeceği durumlarda ise araç klimanız imdadınıza koşacaktır.

İklimlendirilmiş ortamlar, iş gücü veriminde artış ve sağlıklı bir yaşam sağlar. Yukarıda sayılan zararlardan kurtulmak ve yararları elde etmek için iklimlendirme gereklidir. Bu bilgilerin ışığında klima bir lüks değil, insanca yaşamak için bir ihtiyaç hâline gelmiştir.

İklimlendirme soğutma değildir. İklimlendirme, kapalı mekânın havasının istenen sıcaklık, nem, hava dolaşımı, temizlik ve tazelikte tutulmasıdır. Bunların hepsinin olmasa da, birkaçının kontrol altında tutulması da iklimlendirme olarak tanımlanabilir.

Bir iklimlendirme cihazı yazın içerideki fazla ısıyı dışarıya atarak içerisini serinletir. Bu sırada havanın fazla nemi alınır, içeride gerekli hızda hava dolaşımı sağlanır ve hava filtre edilir. Cihazın ısı pompası özelliği de varsa, kışın yaz çalışmasının tersine çalışarak dışarıdan aldığı ısıyı içeriye vererek ısıtma da sağlar. Isı, soğutulan ortamdan evaporatör (buharlaştırıcı) vasıtası ile çekilir, kondenser vasıtası ile ısıtılan ortama verilir.

Şekil 1.2. İklimlendirme ile soğutma ilişkisi

Bir iklimlendirme sistemi, yukarıda sayılan özellikleri ile bir bütün teşkil edecek tarzda tasarlanıp uygulanacaktır. Ancak, her uygulamanın ayrı özelliklerinin olacağı ve belirli ihtiyaçları karşılamasının bekleneceği muhakkaktır. Bu da, söz konusu işlemlerden tümüne ihtiyaç olmayabileceği (örneğin nemlendirme gibi), bazı işlemlerin daha basit veya daha komplike şekilde (örneğin bir ameliyathane iklimlendirme cihazının HEPA filtresi gibi) yapılmasının gerekebileceği anlamını taşımaktadır. Sistem, belirli bir yapıya oturtulma amacını taşıdığına göre bu yapının bağımsız hacimlerinin ayrı ayrı tüm ihtiyaçlarını karşılaması beklenecektir.

Klima sisteminin tasarımında yukarıda sayılan işlemleri yapması beklenirken bunu en ekonomik ve çevreye en az zarar verecek tarzda yapması esastır, iklimlendirilen hacimden uzaklaştırılması istenen ısı, nem ve hava kirlilikleri, mümkün olduğunca kaynağında yakalanıp hacme yayılmadan uzaklaştırılmalıdır. Bu surette hedeflenen değerlere daha kolay erişilebilecektir.

Görüldüğü gibi, iklimlendirme işlemlerinin temelinde “Hava” esas unsuru teşkil etmektedir. Havanın iklimlendirme işlemindeki görevleri aşağıdaki şekilde sıralanabilir:

a. Isı ve nemi taşır (iklimlendirilen hacme veya dışarıya) b. Oksijeni taze havadan sağlar. c. Koku, toz, duman v.s. dışarıya taşır.

Bu da hava unsuru çok iyi tanımamızı ve fiziksel özelliklerini iyi kavramamızı gerektirir. Bu konuda fizik, termodinamik, ısı transferi ve akışkanlar mekaniği temel bilgilerine sık sık ihtiyaç duyulur.

1.2. FİZYOLOJİK ESASLAR VE KONFOR

İnsan ve diğer canlılar vücutlarında sürekli enerji üretirler. Bu enerjinin büyük bir kısmı ısıl enerji olup insanlarda bu, aktivitesine göre 100 ila 1000 W arasında olmaktadır. Vücut sıcaklığının dar bir sınır içinde kalması, gerek konfor ve rahatlık hissi gerekse sağlık için gereklidir. Bundan aşırı sapmalar sıcak veya soğuktan rahatsızlık hatta tepki şeklinde ve hayat kaybına kadar varabilen sonuçlara neden olabilmektedir. Bu nedenle vücut ısısının, insanın rahatça dayanabileceği sıcaklıkların sınırı içinde kalacak şekilde kontrollü tarzda vücuttan çevreye verilmesi gerekmektedir.

Vücut tarafından üretilen metabolik enerjinin bir kısmı vücut adaleleri ile işe dönüşecek, kalan kısmı ise çevreye verilecek ve kalanı vücut sıcaklığının artmasına neden olacaktır. Ancak, vücut sıcaklığının artması ile kontrol mekanizması bunu düşürmek üzere bir yandan terleme hızını arttırıp çevreye gizli ısı vermek sureti ile diğer yandan da insanın şelf kontrolü ile giysilerini çıkartmak, serin bir ortama geçmek, mümkün olabiliyorsa aktivitesini azaltarak metabolik enerji seviyesi büyük ölçüde değişir. Birim vücut yüzeyinden uyurken 40 W/m 2 civarında iken güreş müsabakası gibi çok ağır spor sırasında 500 W/m^2 seviyelerine çıkmaktadır. Ortalama 1.8 m 2 olan insan vücudu yüzeyinde bu rakam 900 W seviyesinde olacaktır. Buna bağlı olarak insanın oksijen ihtiyacı da değişecek ve uyurken 0.5 It/dak iken çok ağır iş yapma durumunda 2 It/dak ya yükselmektedir. Kalp atışları da aktivite arttıkça artmakta ve 150-170 l/dak ya kadar çıkmaktadır.

Şekil 1.3’te termal konforu etkileyen faktörleri göstermektedir. İlk olarak vücut, vücut sıcaklığını sağlamak için metabolik işlemlerle ısı üretir. Metabolik işlemler yaş, sağlık ve aktivite seviyesi gibi faktörlerden etkilenir. Örnek olarak verilen bir çevre koşulları ortamdaki bir kişi için yeterince uyumlu olabilirken diğerinin hastalanmasına neden olabilir. Mevsimler değiştiğinde bir kişi giydiği elbiseleri ile ayarlamak isteyebilir. Onlar çevre şartlarını arzu ettiklerinden daha geniş kademede konforlu bulabilirler.

Isıtma, nemlendirme ve hava kalitesinin kontrolü

İklimlendirmede soğutma ve nem alma işlemleri

Endüstriyel soğutma, besin hazırlamayı da içeren kimyasal ve proses endüstrileri

İKLİMLENDİRME SOĞUTMA

Şekil 1.3. Termal konforu etkileyen faktörleri göstermektedir

Fanger tarafından geliştirilen sürekli rejim modelleri, vücudun ısıl dengede olduğunu ve enerji depolamasının ihmal edilebileceğini kabul eder. Vücut içi ve deri tek bir bölme olarak ele alındığı için, titreme ve kan akışı ile denetim göz önüne alınmaz ve sıcaklık zaman göre sabit kabul edilir. Sürekli rejimde üretilen enerji, ısı kaybına eşit olur ve enerji dengesi;

M – W = Q (^) sk - Q (^) res = (C + R + Esk ) + (Cres - Eres )

bağıntısı ile verilir. Bu bağıntıdaki değerler aşağıda tanımlanmıştır. M = Metabolik ısıl enerji üretimi, W/m 2 W = Yapılan mekanik iş, W/m 2 Q (^) res = Solunum ile olan toplam ısı kaybı, W/m 2 Q (^) Sk = Deriden olan ısı kaybı, W/m 2 Cres = Solunumla ilgili taşınım kaybı, W/m 2 Eres = Solunumla ilgili buharlaşma kaybı, W/m 2 C + R = Deriden duyulur ısı kaybı, W/m 2 Esk = Deriden toplam buharlaşma kaybı, W/m*

Şekil 1.3. İnsan vücudu ve çevrenin ısıl etkileşiminin silindirik modeli

Dört çevresel faktör vücudun ısı dağıtma kabiliyetini etkilemektedir. Bunlar, hava sıcaklığı, çevre yüzeylerin sıcaklığı, nem ve hava hızıdır. Giyimin miktarı ve tipi ve sakinlerin eylem seviyeleri de bu faktörleri etkilemektedir. Bir iklimlendirme sisteminde bu dört faktörü kontrol edilerek tasarımında kolaylık sağlanır. Şayet bir kimse uygun giyimliyse aşağıdaki kademeler genellikle kullanışlı olabilecektir.

Aktivite Yaş Sağlık durumu

Psikolojik faktörler

Işınım Buharlaşma Taşınım

Vücut ısı kayıpları

Giyim

Y

al

ıt

ım faktörleri

Hava sıcaklığı Yüzey sıcaklığı Hava hareketi Bağıl nem

Termal konfor faktörleri

6. Asbest (İnşaat malzemelerinde) 7. Ev eşyalarında bulunan toksik maddeler (Boya, cila, sentetik kumaş v.b.) 8. Solunum yollarına ulaşır türden havada asılı toz ve zerreler ile uçucu organik bileşimler (%98’i mikrondan daha küçük boyutlu olup özel yüksek verimli filtrelerle tutulabilmektedir). 9. Sigara dumanı 10. Alerjen maddeler (Polen, mantar v.b.) 11. Patojenler (Bakteri, virüs ve çeşitli mikroorganizmalar)

Gerçek olan husus, iç havanın kirlenmesinden en çok etkilenen ve zarar gören insan, iç hacim havasının kirletilmesinde de yine en başta gelen etkendir. Örneğin, insan solunum yolu ile CO 2 ve su buharı neşreder, ayrıca vücut kokusu, birçok hastalık mikroplan ile sigara içimi, evde yapılan boya-cila-temizlik, yemek pişirme gibi işler insanın neden olduğu hava kirlilikleridir. Özetle, iç hacimlerdeki hava kirliliğinin istatistiksel olarak artmasının dört ana sebebi vardır:

a. Enerji tasarrufu amacı ile iç hacimlerin tabii havalandırılmasının aşırı derecede azaltılması b. Sentetik malzeme kullanımının çok fazla artması c. İç hacimlerde havayı kirletici unsurların, havalandırma yetersizliği ile daha etken hale gelmesi d. İç hava kirliliğine yönelen dikkatler sonucu bu konunun daha etraflı şekilde ortaya çıkmış olması

İç hava kirliliğinin artmasını önlemenin ilk ve en etkin şekli hava kirliliğine neden olan kaynağın kurutulmasına çalışmaktır. Ancak, bunun her zaman tümüyle mümkün olmayacağı açıktır. Bu nedenle, en etkin önlem olarak "iç hacimlerde üreyen hava kirletici maddeleri ürediği hızdan daha hızlı şekilde söz konusu iç ortamdan atmak" gerekmektedir. Bunun için ise iyi bir havalandırma ve filtreleme sistemi ile iç havayı kirleten kaynakların hemen yanında tesis edilecek emici ağızlarla kirliliğin yayılmasına meydan vermeden yakalayıp dışarıya atmak etkin bir çözüm yolu olmaktadır. Diğer yandan, bina içinde meydana gelen hava kirliliğinin bir kısmı da gene büro içi elemanlar tarafından absorbe veya adsorbe edilmektedir. İç hava kirliğinin insan sağlığı ve konforuna etkileri üç safha olarak gruplanabilir:

1. Rahatsız edici, sıkıntı verici ortam 2. Kısa süreli rahatsızlıklar, solunum zorluklan, alerjik reaksiyonlar, gözlerde yanma ve kaşıntı, dikkat dağılması ve düşünme zorlaşması 3. Uzun süreli, kronik hastalıklar

Bunlardan en ciddi ve en önemli olanı şüphesiz Akciğer kanseri olup, kronik solunum yolları ve akciğer hastalıkları da insan sağlığı yönünden önemlidir. İç hava kirliliğinden etkilenme derecesi ve şekli insanların kalıtımsal yapısı, genel sağlık seviyesi, yaşı, cinsiyeti ve daha pek çok başka etkenlere bağlı olarak değişmektedir. İç hava kirliliğinin insan sağlığı üzerindeki önemli etkilerinden bir olan, dikkatin dağılması, isteksizlik, halsizlik olayı çalışma verimini azaltıcı sonuçlar doğurmaktadır. Aynı zamanda iç hava kalitesi eğer mahal bir üretim tesisi ise, üretilen malın kalitesine de direk etki eder. Dolayısıyla iç ortamın istenilen değerler mertebesinde şartlandırılması pek çok açıdan önem arz etmektedir.

Havalandırma, ısıtma ve soğutma cihazlarında önemli bir yükü oluşturur ve böylelikle enerji kullanımında önemli bir katılımcıdır. Ortamın kullanım şekli ve havalandırma seviyeleri dikkatlice düşünülmelidir. Örnek olarak binanın bir bölümünde sigaraya izin verilmesi binanın diğer kısmını etkileyeceğinden sigara için havalandırma debileri düzgün olarak kabul edilmemelidir. Ayrıca geri dolaşım için havanın temizlenmesi ve filtreleme araştırması dikkatlice incelenmelidir. Geri dolaşım havasının kullanımı dış hava sıcaklığı son derece yüksek veya düşük olduğunda enerji tasarrufu sağlayacaktır. ASHRAE standardı [2] geri dolaşım havası için izin verilebilir seviyelerini belirlemesi için aşağıdaki prosedür vermektedir.

V Vr Vm

• • • = +

V = havalandırma amaçları için besleme havası debisi, l/s Vr

= geri dolaşım havası debisi, l/s

Vm

• = ortamın kullanım durumu için minimum dış hava debisi,

Örneğin olarak Tablo 1.1’de verilen havalandırma için dış hava ihtiyacı için sigarasız değer alınacak olursa dış hava ihtiyacı kişi başına 2.5 l/s’den az olmamalıdır. Ayrıca;

E

V V

V (^) r^0 m

• •
• (^) + =

V 0

• = belirli ortamlar için dış hava debisi (sigaralı veya sigarasız, yaklaşık olarak), L/s (Tablo 1.1) E = hava temizleme cihazının kirletici uzaklaştırma verimi.

Verim uzaklaştırılacak kirletici için bağıl olarak belirlenmelidir. Tablo 1.2’de ASHRAE tarafından 1μm partikülün uzaklaştırılması için yaklaşık değerleri verilmiştir.

Tablo 1.1. Havalandırma için dış hava ihtiyacı

İşlev Her 100 m^2 alan için^ Kişi başına dış^ hava ihtiyacı, l/s hesaplanan kişi sayısı (^) Sigaralı Sigarasız Bürolar 7 10 2, Toplantı ve bekleme ortamları 60 17,5 3, Lobiler 30 7,5 2,

Tablo 1.2. ASHRAE toz leke verimleri (1- μ m parçacıkta)

Filtre Tipi

Verim Kademesi, %

Uygulama

Yapışkan(viskoz) çarpma 5-25 Toz ve lif uzaklaştırma Kuru ortam Cam yükü, çok kademeli selüloz, yün keçesi 25-40 Yukarıdakine benzer ve bazı endüstriyel uygulamalar için 3-10 μm’a uygun 6-20mm kalınlığında lif 40-80 Bina geri dönüş ve taze hava sistemleri 0.5 - 4 μm’a uygun lif(genellikle cam lifi) 80-98 Hastane ameliyathaneleri, temiz odalar, özel uygulamalar Elektrostatik(tipine bağlı olarak) 20-90 Polen ve havada uçan parçacıklar

Örnek Problem 1.1. Bir büro binasının toplantı odası için şayet sigaraya izin verilirse havalandırma debisini, dış hava seviyesini ve geri dönüş havası debisini hesaplayınız. (Hava temizleme cihazı tütün dumanını E = %60 uzaklaştırabilmektedir.)

Çözüm Tablo 1.1’den herhangi bir geri dolaşım ve temizleme olmaksızın havalandırma kişi başına gerekli dış hava miktarı 17.5 l/s bulunur. Ayrıca tablodan sigara içilen ortamda kişi başına en az 3.5 l/s dış hava debisi gerekmektedir. Bu tasarım problemi için iki çözüm mevcuttur:

Besleme havası kişi başına 17.5 l/s veya Uygun geri dönüş havası ve gerekli havalandırma debisi aşağıdaki gibi hesaplanabilir.

23. 3 l/s 60

E

V V

V (^) r 0 m =

• •

V = Vr +Vm= 23. 3 + 3. 5 = 26. 8 l/ s

• • • kişi başı

Yukarıdaki örnekteki ikinci yaklaşımdaki toplam havalandırma debisi daha yüksek ölçüden, enerji gereksiniminin daha az olmasını sağlamak için dış hava debisi azaltılır. Şayet kirlenme, tütün dumanından, vücut kokusundan, nemden veya insanlardan kaynaklanan yüksek CO 2 ’den kaynaklanıyorsa ortamda insanlar olmadığı zaman havalandırma gerekmez. Bununla birlikte ekipman ve işlemler gibi malzemelerden çıkan gaz, doğal radon üretimi varsa ortam boş bile olsa uygun seviye havalandırma sağlanmalıdır.

Şekil 2.2. Tamamen sulu sistem şeması

Sulu ve havalı sistemler

Bir merkezde şartlandırılan temiz havanın ve merkezi bir soğutma grubunda soğutulan suyun, fanlı serpantin birimlerine gönderilerek mahallerin, insanların temiz hava ihtiyaçlarını da karşılayarak soğutulması işlemidir. Sulu-havalı sistemler de kendi aralarında şu tiplere ayrılırlar: İndüksiyonlu tip, fanlı-serpantinli tip

Şekil 2.3. Sulu-havalı sistem şeması

2.1.2. Bağımsız (Yerel) Sistemler

Bağımsız iklimlendirme sistemleri paket cihazlar ve ayrık (split) tip klimalar olmak üzere ikiye ayrılır. Ayrık (Split) tip klimalar da kendi aralarında sınıflandırılmaktadır.

1. Paket cihazlar a. Salon tipi b. Döşeme=konsol tipi c. Çatı tipi d. Pencere tipi 2. Ayrık (Split) tip klimalar a. Duvar tipi b. Döşeme tipi c. Salon tipi d. Kanal tipi e. Tavan tipi f. Gizli tavan (kaset) tipi g. Portatif Klimalar

Şekil 2.4. Yerel iklimlendirme cihazları

Tablo 3.1. Standart atmosferik havanın özelliklerinin deniz seviyesinden olan yükseklikle değişimi

Yükseklik, m Sıcaklık, ºC Basınç, kPa -500 18.2 107. 0 15.0 101. 500 11.8 95. 1000 8.5 89. 2000 2.0 79. 3000 -4.5 70. 4000 -11.5 61. 5000 -17.5 54. 6000 -24.0 47. 7000 -30.5 41. 8000 -37.0 35. 9000 -43.5 30. 10000 -50.0 20.

3.3. İDEAL GAZLARIN DURUM DENKLEMİ

İdeal gazlara ait ilk yasa R. Boyle ve E. Mariotte tarafından çıkartılmıştır. Bunlar, belli miktarda gaz için sabit tutulan sıcaklıkta, hacim ve basıncın çarpımının sabit olduğunu tespit etmişlerdir (Boyle - Mariotte yasası).

P.V = sabit

Bu durum, sabit sıcaklığa ve gazın cinsine bağımlıdır. T = sabit olmak üzere 1 durumundaki hacim enerjisi 2 durumundakine eşittir.

Şekil 3.1. İzotermlerin P-V diyagramında gösterilişi

19. y.y. başlarında J. L. Gay - Lussac ve J. Dalton sabit basınçta hacim ile sıcaklık arasındaki bağıntıyı araştırdılar. Sonuç olarak hacimsel genleşme katsayısının bütün ideal gazlar için aynı değerde olduğu tespit edilmiştir.

v (^) T =v 0 ( 1 +βT)

⎟ ⎠

T

v (^) T v 01

Burada vT ve v 0 gazın sabit basınçta T ve 0 °C sıcaklıklarındaki hacimleridir. Bu ifadeye 1. Gay - Lussac yasası denilir.

Basıncın, sabit hacimde sıcaklığa bağımlılığını Boyle - Mariotte ve Gay - Lussac yasalarından türetmek mümkündür. Şekil 3.2’deki gibi bir gaz P 0 basıncında ısıtılarak v 0 hacminden v 1 hacmine genleştiriliyor ve T 1 = sabit sıcaklığında izoterm sıkıştırılarak v 0 hacmine isabet eden P 1 basıncına getiriliyor. T 1 = sabit için Böyle - Mariotte yazılacak olursa,

v v 0 vT

P

P 0 T

T 0 =273.15 K

v, m 3 /kg

P

Şekil 3.2. Charles yasasının türetilişi

P 0. v 1 = P 1. v 0

ve P 0 sabit için

T

v 1 v 01 1

ifadesi geçerli olduğundan;

T

P 1 P 01 1

ifadesi elde edilir. Bu ifade Charles yasası olarak bilinmektedir.

P 1 = 0 için T 1 = -273.5 ºC elde edilir ki, bu mutlak sıfır noktasıdır.

Bu yasalar her durum değişiminde bir büyüklüğün sabit tutulmasını şart koşmaktadır. Basıncın, hacmin ve sıcaklığın aynı zamanda değiştiği durum değişiklikleri için geçerli ideal gaz durum denklemi Boyle - Mariotte ve Gay - Lussac, yasalarından türetilebilir. Bunun için Gay - Lussac yasasını mutlak sıcaklık cinsinden ifade etmek gerekir.

0

0 T

v =v T

Burada T = 273.15 K’dir.

Şekilde belirtildiği üzere P 0 basıncında bir gaz, v 0 özgül hacminden v 1 ’e ısıtılarak izobar olarak genişletilmekte ve T sıcaklığına getirilmektedir. Daha sonra bu noktadan izoterm olarak P basıncına sıkıştırılmaktadır.

0

1 0 T

v =v T

P 0 v 1 =P v

Bu iki ifadeden;

Pv T

T

P v 0

şeklinde ideal gaz denklemi yazılabilir.

0

0 0 T

P v terimi her gaz için aynı değer taşımakta olup, özel gaz sabiti adını almaktadır.

v 0 v 1

P 1

P 0 T 1

T 0 =0 ºC

v

P

3.4. İKLİMLENDİRME İLE İLGİLİ TANIMLAR

Kuru termometre sıcaklığı (T)

Havanın, içindeki su buharı ve radyasyonun tesiri altında kalmaksızın herhangi bir şekilde ölçülen sıcaklığa kuru termometre sıcaklığı denir. Bildiğimiz termometrelerden okunan sıcaklıktır.

Yaş termometre sıcaklığı (T (^) yaş)

Belirli bir su kütlesinin doygun olmayan hava tarafından etkilendiğini varsayalım. Suyun sıcaklığı doygun olmayan havanın sıcaklığından daha büyük olursa sudan havaya ısı akımı başlar ve su yavaş yavaş buharlaşarak sıcaklığı düşer. Suyun sıcaklığı havanın sıcaklığına eşit olunca sudan havaya ısı akımı son bulur. Ancak hava doygunlaşmadığı için buharlaşma devam eder ve buharlaşmanın devam etmesi, suyun sıcaklığının havanın sıcaklığının altına düşmesine neden olur. Bu durumda havadan suya doğru bir ısı akımı başlar. Buharlaşan suyun kaybettiği ısı miktarı havadan suya iletilen ısı miktarından büyük olursa suyun sıcaklığı düşmeye devanı eder ve bir süre sonra öyle bir noktaya gelinir ki, artık buharlaşan suyun kaybettiği ısı miktarı, havadan suya iletilen ısı miktarına eşit olur. İşte bu sıcaklığa yaş termometre sıcaklığı denir.

Bu sıcaklığı ölçmek için özel termometreler kullanılır. Pratikte haznesi ıslak pamuk ile sarılmış bir termometrenin üzerinden 5 m/s hızındaki hava akımı geçirilmesi durumunda termometrenin gösterdiği sıcaklık yaş termometre sıcaklığına çok yakındır. Üzerinden hava akımı geçirilen su ancak yaş termometre sıcaklığına kadar soğutulabilir. Bu sıcaklık öyle bir sıcaklıktır ki su buharlaşmak suretiyle havayı aynı sıcaklıkta adyabatik olarak doymuş hale getirir.

Yoğuşma noktası sıcaklığı (Çiğ Noktası Sıcaklığı) (T (^) yoğ)

Bir nemli havanın yoğuşma noktası, su buharına doymuş hale gelene kadar soğutulması gerekli sıcaklık derecesidir. Ancak bu soğutmada havanın bileşiminin ve basıncının sabit kalması koşulu vardır.

Bir başka deyişle şartları verilmiş olan bir havanın aynı barometrik şartlar altında bulunan ve aynı miktar su buharı ihtiva eden doymuş hava sıcaklığına o havanın yoğuşma noktası sıcaklığı denir.

Nemli hava içindeki su buharının kısmi basıncı (PH (^2) O )

Su buharının nemli hava içindeki kısmi basıncıdır.

P =PH +PH 2 O ⇒ PH 2 O=P −PH

PH : Kuru havanın kısmi basıncı PH 2 O : Su buharının kısmi basıncı

Mutlak nem (d (^) v, gr/m^3 )

1 m^3 nemli havanın içerdiği su buharı kütlesine mutlak nem denir. Bir başka deyişle birim hacim içindeki su buharının kütlesine mutlak nem denir.

dv = mH2O / V

Mutlak nemi belirlemek için 1 m^3 nemli hava, nem tutucu bir madde olan CaCl 2 üzerinden geçirilir. CaCl 2 nemli havanın içerdiği su buharını tutar. CaCl 2 ’nin nemli hava geçirilmeden önceki ağırlığı ile nemli hava geçirildikten sonraki ağırlığı arasındaki fark, nemli havanın içerdiği su buharı miktarını yani mutlak nemi ifade eder.

Özgül nem (x, kg (^) nem / kg (^) kuru hava)

Nemli hava içindeki su buharı kütlesinin kuru hava kütlesine oranı özgül nem olarak ifade edilir. Birim ağırlıktaki kuru hava içinde bulunan su buharının ağırlığıdır.

x = mH (^2) O / mH

Bağıl nem (φ)

Nemli havanın içindeki su buharı ağırlığının aynı şartlardaki havanın içinde bulunması mümkün olan maksimum su buharı ağırlığına oranıdır. Bir başka deyişle havanın içindeki su buharının kısmi basıncının o havanın çiğ noktasındaki nemin doyma basıncına oranıdır.

φ = mH (^2) O / mD φ = PH 2 O / PD

mH (^2) O : Nemli hava içindeki su buharının ağırlığı, kg mD : Havanın içinde bulunması mümkün olan maksimum su buharı ağırlığı, kg PH (^2) O : Herhangi bir sıcaklık ve nemdeki havanın içindeki su buharının kısmi basıncı, Pa PD : Mevcut havadaki doyma noktasındaki (çiğ noktası) suyun kısmi basıncı, Pa

Doyma derecesi (μ)

Nemli havanın özgül neminin o havanın doymuş haldeki özgül nemine oranıdır.

μ= x / xD

Duyulur ısı

Herhangi bir cismin sıcaklığını yükseltmek için verilmesi gereken lüzumlu ısı miktarına duyulur ısı denir. Burada sıcaklık değişikliği söz konusu olduğundan, bu ısıyı duyularımızla anlayabiliriz. Herhangi bir cismin duyulur ısı miktarındaki değişme; kuru termometre sıcaklıklarındaki fark ile bu cisme ait ortalama özgül ısı biliniyorsa aşağıdaki şekilde tayin edilebilir.

Q (^) D = m CP (ΔT)

Q (^) D: Duyulur ısı, kcal/kg m : Kütle, kg CP : Ortalama özgül ısı, kcal/kg°C ΔT : Kuru termometre sıcaklıkları farkı (°C)

Gizli Isı

Herhangi bir cismin sıcaklığı değişmeksizin faz durumunu değiştirmek için verilen veya alınan ısı miktarına gizli ısı denir. Gizli ısı sıcaklığın bir fonksiyonudur. Bir açık kapta kaynayan su, 760 mmHg basınç altında 100 °C de buharlaşmaya başlar. Bütün kaptaki su tamamen buharlaşana kadar sıcaklığı sabit ve 100 °C de kalır. Buharlaşmak için gerekli ısı ise, kabı kaynatan ısı kaynağından alınır. 1 kg suyun 100 °C de buhar olması için gerekli gizli ısı r = 538.9 kcal/kg’dir. Aynı şekilde, kaynama noktası altında normal sıcaklıklarda, hava içersinde buharlaşmada da bu ısıya ihtiyaç vardır. Mesela, yaş termometre sıcaklığının ölçümünde keçe sathından buharlaşan su, gerekli ısıyı havadan almıştır ve hava bu ısıyı vererek kendisi soğumuştur. Havanın soğutmak suretiyle verdiği duyulur ısı, suyun buharlaşması için gerekli gizli ısıya dönüşmüştür ve bu işlemde gizli ısı duyulur ısıya eşittir, dolayısıyla işlem adyabatiktir. Suyun 760 mmHg basınç altında 0 °C de buharlaşma gizli ısısı r 0 = 597.2 kcal/kg’dir.

Özgül Hacim (v)

Hava ve su buharı karışımı bakımından 1 kg havanın işgal ettiği hacimdir Birimi m^3 / kg’dır.

Yoğunluk (ρ)

1 m^3 maddenin kütle miktarıdır. Birimi kg/m^3 ’tür. Yoğunluk ile özgül hacim birbirlerinin tersidir (ρ=1/v).

Entalpi (h)

Hava ve nem karışımının ısıtılırken verilmesi gereken veya soğutulurken alınması gereken ısı miktarıdır (kj/kg). Gizli ve duyulur ısıların toplamından oluşur.

Nemli Havanın Yoğunluğu

V

m ρ =

( )

T

1. 315 P

T

3. 484 P

V

3. 484 P 1. 315 P

T

V

D (^) ⇒ ρ= − ϕD − ϕ ρ=

Özgül Nem

( )

( P P) 3. 484 T

V

P 2. 169

T

V

m

m x D

D

H

H 2 O − ϕ

ϕ = ⇒

D

D P P

P

x 0. 622 −ϕ

ϕ

D

D D D P P

P

1 x x x 0. 622 −

ϕ= ⇒ = ⇒ =

Nemli Havanın Özgül Hacmi

Nemli havanın özgül hacmi, nemli hava hacminin kuru hava miktarına oranı olarak belirlenir.

H

1 x m v = V

• m^3 /kgkuru hava

Diğer taraftan özgül hacim;

mH mH 2 O

V

v m

V

v

V =v(mH +mH 2 O )

Her iki tarafı mH’a bölersek;

H

H HO H m

v(m m ) m

V + 2

v (^1) +x=v( 1 +x )

PV =(mH +mH 2 O)RK T

Her iki tarafı V’ye bölersek;

P

R T

v v

RT

P = K^ ⇒ = K

R (^) K =yH 2 ORH 2 O +yHR H

1 x

R

1 x

xR R R

m

m m

m

m

R

m

m m

m

m

R m m

m R m m

m R (^) H K HO H

H

H HO

H

H

HO

H

H HO

H

HO

H H HO

H HO H HO

HO K

2 2

2 2

2

2

2 2

2

1 x

R

1 x

xR P

T

v P

RT

v K^ H^2 O H

( ) (^) ⎟⎟ ⎠

+ =^ + ⇒ + = + ⇒ + = +

H O

H 1 x 1 x HO H 1 x HO 2

22 R

R

R x P

T

xR R v P

T

v v( 1 x) v

Nemli havanın Özgül Entalpisi

H =mH hH+mH 2 OhH 2 O

hH : Kuru havanın özgül entalpisi hH 2 O : Su buharının havanın özgül entalpisi

Karışımın Özgül Entalpisi

H

1 x m

H

h (^) + = şeklinde tanımlanır.

h 1 + x=hH+xhH 2 O

h1+x , x kadar nemi olan nemli havanın özgül entalpisidir.

0ºC’deki entegrasyon sabitini ihmal ederek, kuru havanın özgül entalpisi için;

P

H P,H

T H P,H (^0) dT

h h C T C ⎟ ⎠

h (^) H=CP,HT +hH( 0 oC )

h (^) H =CP,H T

Su buharının özgül entalpisi için ise;

h (^) H 2 O=ΔhB +CP,H 2 OT

Burada ΔhB , su buharının buharlaşma entalpisidir. Kuru havanın ve su buharının entalpisi h1+x eşitliğinde yerine konursa;

h (^1) + x=CP,HT+x (Δ hB +CP,H 2 OT)

Burada özgül ısılar ortalama olarak aşağıdaki şekilde alınabilir.

kggrad

kJ C 1. 805 kggrad

kJ C (^) P ,H= 1. (^006) P,H 2 O =