YAPI MALZEMELERİNDE BUHAR DİFÜZYONU VE YOĞUŞMA

Transkript

1 46 YAPI MALZEMELERİNDE BUHAR DİFÜZYONU VE YOĞUŞMA Hasan A. HEPERKAN M. Murat BİRCAN M. Kemal SEVİNDİR ÖZET Su buharı füzyonu sonucu oluşan yoğuşma, yapı malzemelerne ve yapı malzemelerne meyana gelen ısı geçşne olumsuz yöne etk eer. Yapı malzemelerne kışın ortaya çıkan yoğuşma ya a terleme olayı; hava le temas een yapı malzemes yüzey sıcaklığının, havanın çğ noktası sıcaklığının altına üşmesyle oluşur. Eğer su buharı, yapı malzemes yüzeyne yoğuşmazsa, terleme olmaan yapı malzemes çne grer. Yapı malzemes çne füz een su buharının kısm basıncı ç katmanlara herhang br noktaa o sıcaklıktak su buharı oyma basıncına eşt oluğu ana yoğuşma başlar. Malzeme çne yoğuşan su malzemenn nemn arttırır. Yoğuşan suyun mktarı, malzemenn absorbe eebleceğ oyma nemnen fazla se serbest kalır ve muhtelf şekllere malzeme çne hareket eer. Yoğuşma yapı malzemesnn yapısını bozacağı gb malzemenn toplam ısı transfer katsayısını yükseltr, ısı kayıplarını a arttırır. Buhar füzyonu ve yoğuşma hesaplarını kolaylaştıran, yapı malzemes çersne yoğuşmanın meyana gelğ noktayı tespt een br blgsayar programı gelştrlmştr. Program, sekz farklı malzemeen oluşan br yapı çne ısı ve buhar geçşn hesaplamakta, sıcaklık ve buhar basıncı eğşmn çzerek yoğuşma noktasını bulmaktaır. Programa sık kullanılan malzemelere at blgler çeren br kütüphane e mevcuttur.. GİRİŞ 0. yüzyılın başlarınan tbaren hem enüstrnn gelşmes hem e moern mmarek taleplern artması le, moern konstrüksyon metolarının hızla kullanılmaya başlanması; yapı malzemelernn, taşıyıcılık görevlernn azalmasını, ncelmesn ve ısı geçrgenlk rencnn öneml mktara üşmesn sağlamıştır. Isı geçrgenlk rencnn üşmes yapı malzemes yüzeyne yoğuşmaya sebep olablmekteır. Isı geçrgenlk rencnn yükseltlmes, olayısıyla ısı ekonomsnn sağlanması ve yapı malzemes yüzeynek yoğuşmanın önlenmes çn nşa elen yapılarak uvarlara bren fazla yapı elemanı kullanılmasını ortaya çıkarmıştır. Ekonom ve konfor gereğ olarak yapı elemanlarına kullanılan ısı yalıtım malzemeler bünyelerne su veya nem bulunurmaıkları müetçe hesaplama esnasına kabul elen ön şart özellklern koruyablrler. Ancak su veya nem, blnğ gb olukça y ısı geçrgenlğ olan br mae olup, yalıtım malzemeler çnek kılcal hava kanallarını veya gözeneklern oluruğu takre yalıtım malzemesnn ısı geçrgenlk rencn üşürmekter. Ayrıca su veya nemn ısı yalıtım malzemes çne kışın onması veya yazın buharlaşması bu malzemenn eformasyonuna sebep olmaktaır. Yapı malzemelerne kullanım şartlarına göre yazın veya kışın ortaya çıkan yoğuşma ya a terleme olayı; hava le temas een yapı malzemes yüzey sıcaklığının, havanın çğ noktası sıcaklığının altına olması urumuna gerçekleşr. Kışın yapı malzemeler ç yüzeyne görülen (pencere, zolasyonsuz

2 46 kolon ve krşlere, çatı ç yüzeylerne) bu olay bazı özel urumlara yapı malzemelernn çne e meyana geleblmekter. Bu çalışmaa, yapı malzemelerne buhar füzyonunu ncelemek üzere br blgsayar programı gelştrlmştr.. SÜREKLİ REJİMDE TEK BOYUTLU ISI İLETİMİ VE SU BUHARI DİFÜZYONU Fourer tarafınan ortaya atılmış olan sürekl rejme tek boyutlu ısı akışı çn feransyel enklem, q x T = λ (.) x şeklne tanımlanmıştır []. Eştlktek, q x : x yönüne, brm zamana, brm yüzeyen geçen ısı mktarı olup kısaca ısı akısını (W/m ) λ : ısı letm katsayısını (W/m o C) T/x : sıcaklık grayenn fae eer. Isı letmne benzer şekle, Fck tarafınan ortaya atılan sürekl rejme tek boyutlu su buharı füzyon feransyel enklem e, x p = μ p (.) x şeklne tanımlanmıştır. Eştlktek, x μ p p/x : x yönüne, brm zamana, brm yüzeyen geçen su buharı mktarı olup kısaca su buharı akısını (kg/h m ) : yapı malzemes permeabltes veya buhar geçrgenlğn (kg/h m mmss) : su buharı kısm basınç grayenn (mmss/m) fae eer. Fourer ısı letm kanununa belrtlğ gb ısı akısının yönü nasıl yüksek sıcaklıktan üşük sıcaklığa oğru se, Fck kanununa göre su buharı akısı yüksek su buharı kısm basıncınan üşük su buharı kısm basıncına oğru olmaktaır (Şekl ). Şekl. Yapı malzemesne ısı geçş ve buhar füzyonu

3 46. BİLEŞİK DÜZLEM DUVARDA ISI İLETİMİ VE SU BUHARI DİFÜZYONU Şekl e görülmekte olan, üç farklı yapı malzemesnen oluşan br ış uvara, ç taraftak sıcaklık T, su buharı kısm basıncı p, ış taraftak sıcaklık T, su buharı kısm basıncı p olsun. Şekl. Bleşk üzlem uvara sıcaklık ve su buharı basınç grayen Bleşk üzlem uvara sürekl rejme uvarın her noktasına ısı akısı aynı, ç taraftak ısı taşınım katsayısı α, ış taraftak ısı taşınım katsayısı α, malzemelern ısı letm katsayıları λ ve kalınlıkları oluğuna göre, q q α ( T T ) ( T T (.) α = λ q q = ( T T ) ( T T λ (.) yazılablr. Benzer şekle her katman çn eştlkler yazılıp taraf tarafa toplanırsa toplam ısı transfer ( m yüzey çn ) q toplam ( T T ) = (.) α λ λ λ α şeklne yazılablr. Eştlğn payasının ters toplam ısı transfer katsayısı olup; U = (.4) α λ λ λ α olarak fae elr. Isı letmne benzer şekle, bleşk üzlem uvara sürekl rejme uvarın her noktasına su buharı akısı aynı oluğunan ve ç taraftak buhar geçrgenlk katsayısı β, ış taraftak buhar geçrgenlk katsayısı β, yapı malzemelernn permeablteler (buhar geçrgenlğ) μ p ve kalınlıkları oluğuna göre, β ( p p ) ( p p (.5) β =

4 464 μ = ( p p ) ( p p μ (.6) μ = ( p p ) ( p p μ (.7) μ = ( p p4 ) ( p p4 μ (.8) = 4 β ( p4 p ) ( p p (.9) β yazılablr. Bu eştlkler alt alta yazılıp taraf tarafa toplanırsa toplam su buharı akısı ( m yüzey çn ) toplam şeklne yazılablr. ( p p ) = (.0) β μ μ μ β.0 eştlğne ç ortam su buharı kısm basıncı p, ış ortam su buharı kısm basıncı p olup bu eğerler bağıl nem yarımıyla hesaplanablr. p p ϕ = ; ϕ = p p s, s, (.). eştlğnek p s. ç ortam sıcaklığınak oymuş havanın su buharı basıncı, p s, se ış ortam sıcaklığınak oymuş havanın su buharı basıncıır ve tablolaran veya p s T = a b + 00 n eştlğ yarımıyla bulunablr []. Katsayılar aşağıa verlmştr. 0 < T < 0 o C çn a = 8.87 mmss b =.098 n = < T < 0 o C çn a = 0.47 mmss b =.48 n =.0 (.).0 eştlğnn payasınak eğerler releyecek olursak; permeablte (buhar geçrgenlğ) μ p yerne yapı malzemes buhar geçrgenlk renc δ (mmss m h/kg) kullanılır(δ = / μ p ). Yapı malzemelernn buhar geçrgenlğ le lgl tablolara genellkle μ, yapı malzemesnn havaya göre renç faktörü μ = δ / δ H şeklne tanımlanır. δ H havanın füzyon rencr (mmss m h/kg). δ yerne μ x δ H yazılablr. δ H eğer 0 o C ak hava çn yaklaşık olarak.5 x 0 5 mmss m h/kg olarak alınablr [ ]. Ayrıca bu eğern 0 le +0 o C a su buharı füzyon proseslerne kullanılableceğ belrtlmştr. Bu yaklaşımlaran sonra.0 eştlğ, toplam p p = (.) 5 +.5x0 ( μ + μ + μ ) + β β şeklne yazılablr veya yapı malzemes özgül buhar renc Δ kullanılarak 5 Δ = μ.5x0 (.4)

5 465 toplam = Δ + Δ p p + Δ + Δ + Δ (.5) şeklne fae elr. İç yüzey buhar geçrgenlk katsayısı β = kg/m h mmss [], ç yüzey buhar geçrgenlk renc Δ =670mmSS m h/kg, ış yüzey buhar geçrgenlk katsayısı β = 0.00 kg/m h mmss [4], ış yüzey buhar geçrgenlk renc Δ = 00 mmss m h/kg olarak verlmştr. Bu eğerlern yapı malzemes buhar geçrgenlk rençlernn yanına çok küçük olması neenyle pratk hesaplara hmal elmekter. Böylece ç yüzey kısm buhar basıncının ç ortamın kısm buhar basıncına ( p = p ), ış yüzey kısm buhar basıncının ış ortamın kısm buhar basıncına ( p = p 4 ) eşt oluğu kabul elr. Bu kabuller çerçevesne Şekl. ek yapı malzemesnek su buharı akısı, p p = (.6) μ 4 toplam 5.5x0 + ( μ + μ ) şeklne yazılablr, toplam özgül buhar füzyon renc se, 5 toplam =.5x0 ( μ + μ + μ Δ ) (.7) olarak fae elr. 4. BİLEŞİK DUVARDA YOĞUŞMA Gözenekl br yapı malzemesne eğer ç ortam le ış ortam arasına su buharı kısm basınç farkı oluşursa, su buharı, kısm basıncın yüksek oluğu taraftan alçak oluğu tarafa oğru yapı elemanı çnen füzyon yolu le geçer. Basınç farkı neenyle sınır tabakayı aşan buhar, çğ noktası sıcaklığının altına br yüzey le temas eerse, yapı malzemes yüzeyne br mktar yoğuşarak terleme meyana getrr, kalan su buharı yapı malzemes çne füz eer. Eğer su buharı, yapı malzemes yüzeyne yoğuşmazsa, terleme olmaan yapı malzemes çne grer. Yapı malzemes çne füz een su buharının kısm basıncı ç katmanlara herhang br noktaa o sıcaklıktak su buharı oyma basıncına eşt oluğu ana yoğuşma başlar. Yoğuşma olan bölgee sıcaklık 0 o C ın altına se yoğuşan su buharı buz fazına geçer. Yoğuşmayan su buharı se yapı malzemesnn ış yüzeynen çıkar ve ış havaya karışır. Gözenekl yapı malzemeler çnek füzyon olayını eneysel, analtk veya grafk yöntemlerle ncelemek mümkünür. Yapı elemanına buhar füzyon ve yoğuşma kontrolu çn gelştrlen hesap yöntem aşağıa tanımlanmıştır. Dış ortam sıcaklıkları öncek yılların ortalaması olarak meteorolojen, ç ortam sıcaklıkları, ç ortam ve ış ortam taşınım katsayıları, yapı malzemelernn λ (ısı letm katsayısı) eğerler tablolaran alınır toplam ısı akısı hesaplanır ve buraan yola çıkarak yapı elemanı katmanlarınak yüzey sıcaklıkları ( T, T...) hesaplanır. İç ortam ve ış ortam su buharı kısm basınçları verlen sıcaklıklara karşılık gelen oyma basınçları ve bağıl nemler yarımıyla hesaplanır. Doyma basınç eğerler tablolaran veya. eştlğ yarımıyla bulunur. Daha önce belrtlğ gb, T ç yüzey sıcaklığınak su buharı kısm basıncı p = p, T n ış yüzey sıcaklığınak su buharı kısm basıncı p n = p oluğu kabul elr. Yapı malzemesnn her tabakasınak yüzey sıcaklıklarına ( T, T,... ) karşılık gelen su buharı oyma basınçları ve kısm basınçları bulunur. Kısm buhar basınçlarının oymuş buhar basıncının altına kalması bze yapı elemanına yoğuşma olmaığını gösterr. Kısm buhar basıncının oymuş buhar basıncına eşt olması halne yoğuşma başlar. Yoğuşma noktasının yer grafk yöntem le belrlenr.

6 YAPI MALZEMESİNDEKİ YOĞUŞMANIN BİLGİSAYAR PROGRAMI İLE HESABI Yukarıa açıklanan yöntem hızlı ve stanart br şekle yapablmek çn br blgsayar programı gelştrlmştr. Programın kullanıcı açısınan esnek ve kolay anlaşılablr olmasına özen gösterlmş, stanart menüleren oluşacak şekle üzenlenmştr. Program 4 (ört) ana gruptan oluşmaktaır. Bunlar;. Malzeme ver tabanlarının oluşturulması,. Yapı geometrsnn tanımlanması,. Yoğuşma hesapları, 4. Sıcaklık ve basınç grafklernn çzlmes ve yoğuşma noktasının tesbt 5.. Malzeme Ver Tabanlarının Oluşturulması Yoğuşma hesaplarını yapablmek çn gelştrlen program çersne aha önce fzksel özellkler grlmş yapı malzemelerne at br kütüphane mevcuttur. Yapı malzemelern kütüphaneen seçerek belrlemenn yanısıra yen yapı malzemes lave etmek e mümkünür (Şekl.). Yen yapı malzemesnn aşağıak özellkler grlerek kütüphaneye kayelmekter. Yen yapı malzemes sm Yen yapı malzemes ısı letm katsayısı,λ (kcal/mh o C) Yen yapı malzemes buhar füzyon renç faktörü,μ Şekl. Yen yapı malzemes ekleme penceres Kütüphaneek veya sonraan özellkler grlerek kütüphaneye kayelen yapı elemanlarının fzksel özellkler le lgl hatalı br ver mevcut se programımızın eğşklk penceres yarımıyla bu hata gerleblr[8]. Ayrıca kütüphaneye kayelmş yapı elemanlarınan kullanılmayanlarını kayıtlı malzemeler slme penceres yarımıyla kalırablrz[8]. 5.. Yapı Geometrsnn Tanımlanması Yapı geometrsnn tanımlanması bölümüne, yoğuşma hesaplarının ana başlangıç parametrelernen olan sstemn belrlenmes ve bu sstem oluşturan yapı elemanlarının ç ortaman başlayarak ış ortama oğru sırasıyla yapı elemanlarının seçm penceresne grlmes mevcuttur. Yapı elemanları seçm penceresne maksmum 8 (sekz) aet yapı elemanı grleblmekter. Şekl 4. e örnek teşkl etmes açısınan bazı eğerler grlmştr.

7 Yoğuşma Hesapları Şekl 4. Yapı elemanlarının seçm penceres Yoğuşma hesapları bölümüne sırasıyla ortam sıcaklıkları, ısı transfer, yüzey sıcaklıkları, ç ve ış ortam çn su buharı kısm basınç hesapları, buhar füzyon rençler, kütle transfer, sstemn her katmanının sıcaklığına karşı gelen oyma basıncı pencereler mevcuttur. Ortam sıcaklıkları penceresne; aha önceen grlmş olan (Şekl 4.) yapı elemanları tpler, kalınlıkları, letm ısı transfer katsayıları, stanart olarak taşınım ısı transfer katsayıları ve hesap yaptığınız mahaln bulunuğu yere at olup manuel olarak grleblen ç ve ış ortam sıcaklıkları bölümler mevcuttur [8]. Isı transfer penceresne;.4 eştlğ yarımıyla hesaplanan toplam ısı transfer katsayısı ve. eştlğ yarımıyla hesaplanan toplam ısı akısı bölümler mevcuttur [8]. Yüzey sıcaklıkları penceresne;.,. eştlkler yarımıyla hesaplanan yüzey sıcaklıkları mevcuttur[8]. İç ve ış ortam basınç hesapları penceresne (Şekl 5.); ortam sıcaklıkları, manuel olarak grleblen ortam bağıl nem eğerler ve aşağıa verlen enklemler yarımıyla hesaplanan ç ortam ve ış ortamın su buharı kısm basınçları bölümler mevcuttur [8]. -00 o C le 0 o C sıcaklıkları arasına ış ortam oyma basıncı[8], C 4 ln p s, = + C + CxT + C4 xt + C5xT + C6xT + C7 x lnt (5..) T 0 o C le 00 o C sıcaklıkları arasına ç ortam oyma basıncı[8], C8 = + C9 + C0 xt + CxT + CxT C x lnt (5..) T ln p s, +

8 468 Buhar füzyon rençler penceresne; yapı elemanlarının kalınlıkları, buhar füzyon rençler ve ç ve ış ortam buhar geçrgenlk katsayıları mevcuttur[8]. Kütle transfer penceresne; toplam buhar geçrgenlk katsayısı ve toplam buhar füzyonu mktarı bölümler mevcuttur[8]. Sstem basınçları penceresne; yüzey sıcaklıkları, yüzey sıcaklıklarına karşılık gelen oyma basınç eğerler ve hesaplanan kısm basınç eğerler le mutlak nem eğerler bölümler mevcuttur[8]. Şekl 5. İç ve ış ortam su buharı kısm basınç hesapları penceres 5.4. Sıcaklık ve Basınç Grafklernn Çzm ve Yoğuşma Noktasının Tesbt Gelştrlen blgsayar programının son bölümüne sıcaklık ve basınç grafklernn çzmlernn bulunuğu br pencere mevcuttur. Bu pencere e ayrıca yüzey sıklıkları, malzeme kalınlıkları, sstem basınçları ve oyma basınç eğerler e görülmekter (Şekl 6.). Şekl 6. Sıcaklık ve basınç grafkler penceres

9 469 SONUÇ Gelştrlen blgsayar programı; yapılması üşünülen bnanın ış ortam le temasta olan uvarını oluşturan yapı elemanlarının hang noktasına yoğuşma olableceğnn önceen belrleneblmesn sağlamaktaır. Ancak, yoğuşmanın başlangıcının belrlenğ noktaan sonrak noktalar çn çzlen basınç eğrlernn oğruluğu hakkına kesn br yargıya varmak mümkün olmamaktaır. Buraan sonra yoğuşan su mktarını toplam füze olan kütleen çıkarmamız gerektğnen, mae ve enerj enklemler yenen yazılmalıır. Yapı malzemeler çne meyana gelen yoğuşmayı önlemek veya zararsız mktarlara nreblmek çn yapı elemanını meyana getren tabakaları füzyon teknğne uygun br şekle sıralamak yan, yapı elemanının sıcak tarafına zolasyon malzemes, soğuk tarafına buhar kesc koymaktan kaçınılmalıır. Ayrıca ç ortam bağıl nemn mümkün oluğu kaar azaltmak a yararlıır. SİMGELER q x : ısı akısı (W/m ) (kcal/h m ) λ : ısı letm katsayısı (W/m o C) (kcal/h m o C) W x : su buharı akısı (kg/h m ) μ p : permeablte, buhar geçrgenlğ (kg/h m mmss) p : su buharı kısm basıncı (mmss) p s : su buharı oyma basıncı (mmss) : yapı malzemes kalınlığı (m) δ : buhar geçrgenlk renc (mmss m h/kg) δ H : havanın buhar geçrgenlk renc (mmss m h/kg) Δ : yapı malzemes özgül buhar renc (mmss m h/kg) ϕ : bağıl nem (%) β : buhar geçrgenlk katsayısı (kg/m h mmss) α : taşınım ısı transfer katsayısı (W/m o C) (kcal/m h o C) T : sıcaklık ( o C) KAYNAKLAR [] INCORPERA & DEWITT, Funamentals of Heat an Mass Transfer, Wley, 990. [] TS 85 Ek 6 [] TREYBALL, Mass Transfer Operatons, McGra Hll, 978. [4] THRELKELD, J., Thermal Envronmental Engneerng, Wley, 985. [5] MUJUMDAR, A., Hanbook of Inustral Dryng, Marcel Decker Inc., 99. [6] ASHRAE Funamentals 99 [7] ÖZER, M., Yapıların Isı, Su ve Buhar Yalıtımları, Haşmet Yayınev, 974. [8] BİRCAN, M., Yapı Malzemelerne Yoğuşmanın İncelenmes, YTÜ Yüksek lsans tez, 999.

10 470 ÖZGEÇMİŞLER Hasan A. HEPERKAN 95 İstanbul oğumluur. 974 yılına İTÜ Makna Fakültesn btrmştr. 976 yılına Syracuse Ünverstes nen Yüksek Mühens ve 980 Yılına Unversty of Calforna, Berkeley en Doktor Mühens ünvanını almıştır. 987 yılına ünversteler arası Doçentlk sınavını vermş ve 996 yılına YTÜ Makna Fakültes Makna Mühenslğ Bölümü Termonamk Anablm Dalı Profesörü olmuştur. 995 yılınan ber aynı ünverstee Öğretm Üyes olarak görev yapmaktaır. M. Murat BİRCAN 97 Ankara oğumluur. 996 yılına YTÜ Makna Fakültesn btrmştr. 998 yılına YTÜ Fen Blmler Ensttüsü Makna Mühenslğ Anablm Dalı Isı Proses Programınan Yüksek Mühens ünvanını almıştır yılları arasına Sönmez Metal Enüstr ve Tc. A.Ş. e ısıtma, görev yapmıştır. M. Kemal SEVİNDİR 97 Eskşehr oğumluur. 996 yılına YTÜ Makna Fakültesn btrmştr. 999 yılına YTÜ Fen Blmler Ensttüsü Makna Mühenslğ Anablm Dalı Isı Proses Programınan Yüksek Mühens ünvanını almıştır. 999 yılına aynı Ensttüe Doktora programına kayolmuştur. 996 yılınan ber YTÜ Makna Fakültes Makna Mühenslğ Bölümü Termonamk ve Isı Teknğ Anablm Dalına Araştırma Görevls olarak görev yapmaktaır.