Willis H. Carrier ve Rasyonel Psikrometrik Formül

Transkript

1 Temmuz 2012 Sayı 40 Sayın Okurumuz, Bu bültenle, çalışma alanımızda Alarko Carrier ve iş ortaklarımızın teknik ve geliştirme çalışmalarımızın açıklandığı makaleleri sizlerle paylaşmak istiyoruz. Amacımız bir süre sonra okurlarımızın bilgisayarlarında her zaman başvurabilecekleri bir Alarko Carrier kütüphanesi oluşturmaktır. Bülten konusundaki düşünceleriniz bizler için yol gösterici olacaktır. Haberleşme adresimiz aşağıda verilmiştir. Yararlı görürseniz bültenimizi çevrenizde duyurmanızdan memnun oluruz. Bültenin gönderilmesini istemiyorsanız aşağıdaki adresimize tıklamanız yeterlidir. Saygılarımızla... Willis H. Carrier ve Rasyonel Psikrometrik Formül HC Barcol-Air ürün bilgileri ve döküman için; Bkz. ALARKO CARRIER BÜLTENLERİ - Yeni Ürün - Haberler - Gerçek Konfor Bu bültenleri e-bülten olarak ile almak isterseniz, lütfen adresinden abone olunuz. Bu bülteni almak istemiyorsanz lütfen ebulten@ alarko-carrier.com.tr adresine boş e-posta gönderiniz. Haberleşme Adresi: info@alarko-carrier.com.tr Willis H. Carrier ın 1911 Aralık ında Amerika Makina Mühendisleri Derneği nde (ASME) sunduğu RASYONEL PSİKROMET- RİK FORMÜLLER- METEOROLOJİ VE HAVA KOŞULLANDIRMA SORUNLARI İLE İLİŞKİLERİ tebliği hava koşullandırma alanında çalışmaların bilimsel temele oturtulmasını sağladı. Carrier Aralık 2011 de bu tarihi günün 100. yılını kutladı. Willis H. Carrier ın ASME de sunduğu Rasyonel Psikrometrik Formül tebliğinin metni için bkz. sayfa 3 >>>

2 TEKNİK BÜLTEN Sayfa 2 Temmuz Sayı 40 Carrier Rasyonel Psikrometrik Formül ün 100. Yılı nı Kutladı 8 Aralık Bugün hava koşullandırma endüstrisinde tüm hesaplamaların temelini oluşturan Rasyonel (Oransal) Psikrometrik Formül ün Dr. Willis Carrier tarafından bulunuşunun 100. yıldönümü. Carrier ın 1902 de ilk modern hava koşullandırmayı keşfinin üzerinden on yıl geçmeden araştırma ve geliştirme çabalarını sürdürerek ortaya koyduğu Oransal Psikrometrik Formül hava koşullandırma sektörünün en ünlü ve en kalıcı belgesi oldu. Psikrometrenin Magna Carta sı olarak anılan bu döküman tüm yıl boyunca konforlu bir ortam yaratmak için sıcaklık ile nem arasındaki bağıntının belirlenmesini sağladı. Carrier, psikrometrik formülü 8 Aralık 1911 de Amerikan Makina Mühendisleri Topluluğu nun (ASME- American Society of Mechanical Engineers) yıllık toplantısında ilk kez sundu ve bilimsel hava koşullandırma tasarımlarında kullanılmasını başlattı. Onun bu buluşu hava koşullandırma alanının mühendisliğin bir dalı olarak tanınmasını sağladı. Carrier bu başarısı ile 35 yaşında hava koşullandırma endüstrisinin liderliğini de üstlendi. UTC klima ve Güvenlik Sistemleri Şefi John Mandyck a göre, Dr. Carrier ın psikrometrik formülü geliştirmesi dünya için potansiyel hava koşullandırmanın kilidini çözdü. Onun modern hava koşullandırmanın doğuşu olarak kabul edilen ilk hava koşullandırma uygulamasından sonra psikrometrik formül ile dünyanın her tarafında insanların konfor, verimlilik ve sağlık gibi ihtiyaçlarını karşılayarak hava koşullandırma endüstrisinin gelişmesini sağladı. Carrier ın çalışmaları psikrometrik formülü kullanan daha sonraki nesilden mühendisleri etkilemeye devam etti. Cornell Üniversitesi Mühendislik Bölümü nden Prof. Charles Williamson a göre Carrier ın çalışması havanın kontrolü nün bir mühendislik bölümü olarak kabul edilmesini sağladı ve onu izleyen sayısız mühendis ve araştırmacıya ışık tuttu. Bugün mühendislik öğrencileri Willis Carrier ın yaptığı büyük işlerin değerini anlıyor. Bu ilk araştırmalar ve çok az donanımla yapılan işler olmasaydı bugünkü karmaşık hava koşullandırma sistemlerinin temelini oluşturamazdık. (1. sayfada) Carrier ın düzenlediği Psikrometrik diyagram. Bu sayfada (en üstte) Willis H. Carrier ( ). (altında) Carrier ın ASME ye sunduğu makale. (altında) Carrier ın, kendisinin geliştirdiği psikrometrik diyagramda özenli hesaplamalar yapabilmek için kullandığı, 1881 yılında Kueffler-Esser tarafından üretilen oluklu cetvel. (yanda) Carrier ın laboratuvarı.

3 TEKNİK BÜLTEN Sayfa 3 Temmuz Sayı 40 RASYONEL PSİKROMETRİK FORMÜLLER METEOROLOJİ VE HAVA KOŞULLANDIRMA SORUNLARI İLE İLİŞKİLERİ Willis H. CARRIER Buffalo, N.Y. Dernek Üyesi RAPOR ÖZETİ Tekstil, gıda ürünleri, güçlü patlayıcılar, fotoğraf filmi, tütün vb gibi birçok endüstride atmosfer neminin düzenlenmesi büyük önem taşımaktadır. Bu rapor, teknik olarak hava koşullandırma diye bilinen, hava neminin yapay olarak düzenlenmesi konusunu ele almakta ve sorunların çözümü için geliştirilen formüller konusunda kuramsal bir tartışma sunmaktadır. Bu formüller yakın geçmişte belirlenmiş verilere dayanmaktadır ve bu verilerin sunumu ve formüllerin sapması için mantıksal bir temel oluşturmak üzere hava nemini düzenleyen esaslar incelenmiş ve atmosfer neminin belirlenmesi için mevcut yöntemler tartışılmıştır. Son zamanlarda, teknik olarak hava koşullandırma veya hava neminin yapay düzenlenmesi diye bilinen mühendislik uzmanlık alanı gelişmiştir. Bu yeni bilim dalının çok çeşitli endüstrilerde uygulanması ekonomik bakımdan çok önem kazanmıştır. Yüksek fırınlarda uygulandığında dökme demir üretiminin net karını ton başına 0,50 $ dan 0,70 $ a, dokuma fabrikasında çıktıyı yüzde 5 ten 15 e çıkarmıştır. Aynı zamanda kaliteyi ve çalışanın çevresindeki hijyenik koşulları iyileştirmiştir. Litografi, şekerleme, ekmek, güçlü patlayıcılar, fotoğraf filmi üretimi, makarna ve tütün gibi hassas higroskopik malzemelerin kurutulması ve hazırlanması gereken birçok endüstride de nem sorunu benzer şekilde önemlidir. Kömür madenlerine hiçbir zaman düzgün hava koşullandırma uygulanmazken, yazar, bunun zorunlu olması halinde çok daha fazla sayıda maden patlamalarının önlenebileceğine inanmaktadır. Daha çok pratik ve bunun yanı sıra bilimsel önemine rağmen, birçok hava nemi olgusunu yöneten kanunlar kısmen anlaşılmaktadır. Bununla ilgili mevcut mühendislik verileri de hatalı ve eksiktir. Psikrometrik hesaplamalarda kullanılması kabul edilen veriler çoğunlukla doğru olmayan sınırlı sayıdaki ampirik formüllere dayanmaktadır. Yeni araştırmacılar, kesin bir doğrulukla su buharının en önemli özelliklerini tanımlamışlardır. Aynı zamanda, özellikle atmosferik sıcaklıklarda, önceki buhar verilerine göre yapılan tüm hesaplamaların güvenli bir şekilde düzeltilmesini sağlayabilmek için bu verilerdeki hatalar yeteri kadar gösterilmiştir. Bu raporun amacı, bu son verilerin psikrometri ve hava koşullandırma konusunda hava nemi olgusu ile ilgili tüm sorunların çözümü için rasyonel bir formülün geliştirilmesine uygulanmasıdır. Temel ilişkilerin kanıtı olarak verilen orijinal veriler ve standart psikrometrik gereçlerdeki hataların belirlenmesi için de kullanılabilir. Yazar, bu sonuçların kalıcı değerler olabileceğini umut etmektedir. Bu verilerin sunumu ve rasyonel formülün sapması için mantıklı bir temel oluşturmak üzere atmosferik nemi yöneten kanıtlanmış prensipler ve kanunlar incelenecek, mevcut hava nemini belirleme yöntemleri tartışılacaktır. BUHAR BASINCI VE KISMİ BASINÇ YASASI Su buharı havada diğer elementlerle karışım halinde saf halde bulunur. Bu buhar, Dalton yasasına göre, tamamen kendi sıcaklığına bağlı olarak ve diğer gazların ya da buharların varlığına bakılmaksızın belirli bir maksimum basıncı uygulayabilir. Örneğin, Hacmi 1 foot küp, sıcaklığı 100 sant. derece, basıncı 1697,6 mm olan doymuş alkol buharına, izotermik olarak, hacmi 1 foot küp, basıncı 760 mm, sıcaklığı 100 sant. derece olan doymuş su buharı ekleyelim. Bunun sonucu hacmi yine 1 foot küp, basıncı iki ayrı doşmuş buhar basıncının toplamı kadar, yani 2457,6 mm ve sıcaklığı yine 100 sant. derece olan doymuş su buharı ve alkol buharı karışımı elde edilir. Benzer şekilde, eşit hacimde üçüncü bir doymuş buhar, diğer ikisini etkilemeden eklenebilir. Ancak, bu karışıma, izotermik olarak, doymuş buharlardan herhangi birinden bir miktar eklenirse, eklenen belirli miktarda buhar yoğunlaşacaktır. Aynı şekilde, sınırsız miktarda bir gaz (hava gibi) izotermik olarak 1 foot küp su buharına doyma durumu etkilenmeden, birleşik gaz basıncı ile buhar basıncının toplamına eşit bir basınç sağlayacak şekilde eklenebilir. KISMİ DOYGUNLUK Belirli ağırlıkta bir doymuş buharın sıcaklığı izobarometrik olarak arttırıldığında, aşırı ısıtılmış (kızdırılmış) olduğu söylenir. Kızgın buharın özgül hacmi, gaz yasalarına göre, yoğunlukla ters orantılı, mutlak sıcaklık artışı ile doğru orantılı olarak değişir. Bu değişim: [D2/D1] = [T1/T2] olarak gösterilebilir. Burada; D1 ve D2, sırasıyla, T1 ve T2 mutlak sıcaklıklarındaki yoğunluklardır. [T2 - T1] ise kızdırma derecesini gösterir. Eğer D2, T2 sıcaklığındaki doymuş buharın yoğunluğu ise, bu durumda [D2/D1] oranının doyma yüzdesi veya daha açık bir biçimde, izotermal doymanın yüzdesi olduğu söylenebilir. Bu ilişkiler havadaki su buharı bakımından ele alındığında, alışıldığı üzere foot küp nemin grain i* olarak ifade edilen D1, D2, D 2 vb gibi yoğunluklar mutlak nemi belirtirken [D2/D1] oranı bağıl nem yüzdesini belirtir.

4 TEKNİK BÜLTEN Sayfa 4 Temmuz Sayı 40 ÇİY NOKTASI Su buharının toplam ağırlığının aynı kalmasına rağmen, mutlak nem D2 nin, mutlak nem D1 den daha az olduğu unutulmamalıdır. Ancak, T2 sıcaklığına, D2 mutlak nemine sahip olan su buharı veya su buharı içeren hava T1 sıcaklığına kadar soğutulursa doymuş hale gelir ve daha da soğutulursa nem yoğuşur. Bu nedenle T1, sıcaklığı T2, mutlak nemi D2 olan veya [D2/D 2] bağıl nemliliğine sahip havanın çiy noktası olarak isimlendirilir. Dolayısıyla, çiy noktası, nem içeriği verilen havanın nem yoğuşması olmadan soğutulabileceği minimum ısı olarak tanımlanabilir. Genellikle, mutlak ve bağıl nem miktarını, buhar basınçlarını karşılaştırarak hazırlanan Sıcaklık-Basınç Eğrisi nden belirlemek daha uygundur. Nemin yüzdesi [D2/D 2] dir, ancak [e1/e 2] ye denk olarak da gösterilebilir. Yani; [e1/e 2] = [D2/D 2] dir. [1] Burada e1, T1 çiy noktasındaki, e 2 ise T1 sıcaklığındaki doymuş haldeki buhar basıncıdır. Yukarıdaki [1] formülünden; D2 = D 2 x [e1/e 2] bulunur. [2] HAVA NEMİNİ ÖLÇME YÖNTEMLERİ Hava neminin belirlenmesi dört farklı yöntemle yapılabilir: Kimyasal Yöntem: Ölçülmüş bir miktar hava, nem tamamen çıkarılana kadar konsantre sülfürik asit gibi nem alıcı çözelti içinden geçirilir ve çözeltinin ağırlığındaki artış not edilir. Hidroskopik Yöntem: Bu yöntem genellikle, bağıl nemin yaklaşık olarak belirlenmesinde kullanılır. Albümin veya selüloz içeren hemen hemen tüm hayvansal ve bitkisel maddelerin, ayrıca birçok mineral tuzun havadaki nem değişikliğine karşı hassas olduğu bilinmektedir. Bu gibi dengeli maddelerin nem içeriğinin havada mevcut nem miktarı ile doğrudan ilişkili olduğu bulunmuştur. Bu maddelerin serbest olarak emecekleri nem yüzdesi, farklı sıcaklıklar için aynı nem yüzdesinde aynı değildir. Çeşitli kumaşların nem içeriğinin farklı hava nemleri ve sıcaklıkları ile ilişkisi Fransa da Schloessing tarafından derinlemesine incelenmiştir. Böylece havanın nem içeriğinin, kuru ağırlıkları tamamen belirlenen ipek çilesinin veya farklı kumaşların ağırlıklarındaki artışın ölçülmesiyle havanın nem içeriğinin yaklaşık olarak belirtilebileceği görülmüştür. Nemin ölçülmesi için böyle bir gereç Massachusetts Lawrence den William D. Hartshorne tarafından icat edilmiştir. Saçlı hidrometrenin çalışma sistemi nem ve sıcaklıktan kaynaklanan doğrusal genleşmesine bağlıdır. Bu tip hidrometrenin doğruluğu Regnault tarafından ayrıntılarıyla incelenmiştir. Bu kayda değer ısı aralıkları boyunca epeyce doğru nem göstergeleri vermek üzere ayarlanabilir. Ancak, saç veya benzer herhangi bir ipliğin elastikliği kalıcı değildir ve bu prensip ile çalışan herhangi bir gerecin sıklıkla kalibre edilmesi ve yeniden ayarlanması gerekir. Bu nedenle mutlak belirlemeler veren bazı gereçler ile birlikte kullanılabilir. Regnault, nemli hava konusundaki araştırmalarında, ortama bırakılan kalsiyumklorür çözeltisinin yoğunluğunun bağıl nem ile orantılı olarak artacağı bulmuştur. Eğer hava daha kuru hale gelirse, çözeltiden nem buharlaşacak ve yoğunluğu artacaktır. Diğer taraftan, havanın nemi artarsa nem dengeye ulaşana kadar çözelti tarafından emilecektir. Yazar tarafından, hava koşullandırma için kalsiyumklorür deniz tuzunun nem emici özelliklerini belirlemek üzere Mayıs 1902 de bir deney yapılmıştır. Sabit hava nemi ile emme oranının yoğunluktaki değişiklik ile doğrudan orantılı olduğu ve çözeltinin yoğunluğunun emişin durduğu noktaya kadar düştüğü bulunmuştur. Bu deney ile bağlantılı olarak, gizli ısının emilen nemin duyulur ısıya dönüşmesi ile ilgili ilginç bir olgu gözlemlenmiştir. Sıcaklıktaki artış ölçülerek, alınan nemin hesaplanan gizli ısıya çok yakın açıklanabileceği bulunmuştur. Dahası, çözeltinin sıcaklığı havanın son sıcaklığından önemli ölçüde yüksekti. Bu durum, hava ve sıvının eşit sıcaklıkta ısıtıldığı zaman yüzey filminde oluşan emilim ve buna bağlı ısı iletimi ile tüm havanın sıvı ile doğrudan temasa girmemesi varsayımı ile açıklanabilir. Bu olay, tamamlanmamış doyma ile buharlaşmanın meydana geldiği olgunun tam tersidir. Burada hava sıcaklığı buharlaşma ile artan gizli ısı ile örtüşecek şekilde azaltılır ve su daima kısmen doymuş havadan daha düşük sıcaklıkta tutulur da, bir tütün işletmesinin hava koşullandırması için kurulan nemlendirme tesisi hakkında yapılan deneyde benzer olgular saptanmıştır. Serin ve kuru tütünün nemli hava ile havalandırılması sonucu hem havanın hem de havadan çok daha fazla tütünün sıcaklığında hızlı yükselme oluşmuştur. Çiy Noktası Yöntemi: Çiy noktası yöntemi ilk kez Daniels ve Regnault tarafından kullanıma sunulmuş ve Birleşik Devletler Hava Durumu Dairesi tarafından kendi psikrometrik tablolarında kullanılan değerlerin belirlenmesi için uygulanmıştır. Çiy noktası doğrudan, yapay olarak soğutulmuş ayna yüzeyinde nemin oluşmaya başladığı sıcaklığı gözlemleyerek ölçülür. Bu yöntem ile belirleme son derece hassastır ve gerekli önlemler alındığında oldukça doğru olarak kabul edilmektedir. Ancak, gerçek çiy noktasının her zaman bu yöntem ile belirtilen kadar düşük olup olmadığı şüphelidir. Sıcaklık genellikle sülfürik eter veya farklı uçucu sıvı ile dolu ince bir gümüş tüpe yerleştirilmiş bir termometre ile ölçülür. Bu tüpün dışındaki sıcaklık şüphesiz gerçek çiy noktasındadır, ancak tüpün merkezindeki termometrenin bu çiy noktasını mutlak doğruluk ile kaydedip etmediği şüphelidir. Tüpün dış yüzeyi çiy noktasına ulaşmak için sıklıkla hava sıcaklığının 25 o (F) veya hatta 50 o (F) altına kadar soğutulmalıdır. Her durumda, kayda değer miktarda ısı dış ortam havasından taşınım (konveksiyon), daha da az olarak dış nesnelerden ışınım yoluyla soğutulmuş iç ortama ve tüpün içine geçer. Tüpün duvarını oluşturan metalin ince tabakasının ısı aktarımına gösterdiği direnç önemsizdir; ancak ısı geçirgenliği konusunda çalışmış herkes yüzey dirençlerinin kayda değer olduğunu kabul edecektir. Dışarıda, düşük gerilimde su buharına maruz bırakılan yüzeyin direnci ve içeride ise sıvı yüzeyinin oldukça büyük direnci vardır. Bu nedenle tüpün içindeki eterin dışardaki çiy noktasından çok az daha düşük sıcaklıkta olduğuna inanmak için haklı sebepler vardır. Bu sonuç ışıma veya bağlantılı yüzeylerin dışındaki deneye katılan diğer gözlemciler tarafından da doğrulanmıştır. Çiy noktası yöntemi ile yüksek sıcaklıklarda ve düşük nemlerde alınan sonuçların kesin doğruluğu bu yüzden büyük ölçüde sorunlu görünüyor.

5 TEKNİK BÜLTEN Sayfa 5 Temmuz Sayı 40 Buharlaşmalı veya Psikrometrik Yöntem: Yazarın bildiği kadarıyla buharlaşmalı veya psikrometrik yöntem şimdiye kadar nem belirlemenin mutlak bir yolu olarak kabul edilmemiştir. Ancak gösterileceği gibi, kapsam ve doğruluk bakımından bağımsız ve diğer yöntemlere tercih edilebilir. Bu yöntem hava koşullandırma bilim dalı ile de doğrudan ilgilidir, çünkü hava koşullandırmada da aynı temel olguılar vardır ve aynı teori geçerlidir. Bu yöntem sadece hava koşullandırma bilim dalının kullanımı için değil, aynı zamanda meteoroloji biliminde de geçerlidir. Basitlik ve doğruluk bakımından mevcut yöntemlerin belirleyemediği havanın özgül sıcaklığını yüzde 2 doğrulukla belirleyebilir. Bu nem belirleme yöntemi kısmen doymuş hava içindeki nemin buharlaşması ile üretilen soğutma etkisine dayanmaktadır. Bu yöntemde, sıradan civa termometresinin haznesi suya doymuş bir kumaş veya fitil ile kaplanır ve bu termometreden ölçülen sıcaklık buharlaşmadan etkilenmemiş (haznesi sarılmamış) termometrenin sıcaklığıyla karşılaştırılır. Haznesi ıslak bezle kaplanan termometre yaş hazneli termometre olarak adlandırılır. Yaş ve kuru hazneli termometrelerden yapılan okumalar arasındaki fark yaş hazne depresyonu olarak adlandırılır. Yaş hazneli termometrenin sıcaklığı etrafındaki nesnelerin ışıma yoluyla yayacakları ısıdan etkilenir. Bu nedenle buharlaşmanın artmasına ve dolayısıyla ışıma nedeniyle hata yüzdesinin azalmasına neden olan hava akımlarına karşı oldukça hassastır. Bu durumda, daha önce kullanılan ve kullanımı kolay olan sabit yaş hazneli higrometreler son derece güvensizdir, ışıma etkisi için kayda değer düzeltme gerekir. Birleşik Devletler Hava Durumu Dairesi tarafından savunulan sapan (sling) psikrometre havalandırma ve ışıma tarafından alınan ısının toplam ısı aktarımının küçük bir yüzdesi haline gelecek dereceye kadar sabit buharlaşma oranını arttırarak büyük ölçüde bu hatayı gidermektedir. Sabit yaş hazneli higrometreye dayanan en güvenilir tablolar James Glaisher (1847) tarafından yapılanlardır. Birleşik Devletler Hava Durumu Dairesi nin Prof. Wm. Ferrel tarafından sapan psikrometri ve çiy noktası gereci ile eş zamanlı belirlemelerinden çıkarılan ampirik formüle dayanan tabloları en güvenilir olanlardır ve artık yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu formül bir dizi araştırma sonucunda doğru olduğu kabul edildiğinden, 120 o F ın altındaki sıcaklıklar da dahil formülün sınırlandırmaları olarak kabul edilmiştir.