Proses Tekniği HAFTA 8-9 GAZ-BUHAR KARIŞIMLARI VE İKLİMLENDİRME

Transkript

1 Proses Tekniği HAFTA 8-9 GAZ-BUHAR KARIŞIMLARI VE İKLİMLENDİRME

2 Gaz-Buhar Karışımları Kuru hava: İçerisinde su buharı bulunmayan hava. Atmosferik hava: Kuru hava ve su buharının olduğu hava P v=r T P atm =p a (Kuru hava) +p v (su buharı)

3 Özgül ve Bağıl nem Özgül Nem (ω,yada H) : Göz önüne alınan nemli hava içindeki su buharı kütlesinin kuru hava kütlesine oranına mutlak veya özgül nem denir. Bağıl Nem (φ,yada H s ) : Havadaki su buharı. miktarının, aynı sıcaklıkta havada bulunabilecek en çok su buharı miktarına bağıl nem adı verilir. (Havanın ne kadar nem alabileceğinin bir ölçüsüdür.)

4 Özgül ve Bağıl nem Özgül ve Bağıl nem arasındaki ilişki

5 Entalpi Kuru havanın entalpisi: -10 ile 50 C arasındaki uygulamalarda hava mükemmel gaz olarak kabul edilerek c p değeri % 0,2 lik hata ile 1,005 kj/kgk olarak alınabilir. Referans sıcaklığı 0 C kabul edilerek, h kuru hava =c p T ve h kuru hava =c p T (kj/kg) yazılabilir. Havadaki su buharının entalpisi: Su buharı bu koşullarda mükemmel gaz olarak kabul edilirse entalpisi sadece sıcaklığın fonksiyonu olup, aynı sıcaklıktaki doymuş su buharının entalpisine eşit olarak alınabilir. h v (T, düşük P) h g (T) (kj/kg)

6 Toplam Entalpi Kuru hava ile su buharından meydana gelen atmosferik havanın toplam entalpisi, kuru hava ilesu buharının entalpilerinin toplamına eşittir.

7 Çiğ Noktası Sıcaklığı (T çn ) Çiğ Noktası Sıcaklığı (T çn ): Hava sabit basınçta soğutulduğu zaman yoğuşmanın başladığı sıcaklığa çiğ noktası sıcaklığı denir.

8 Adyabatik Doyma (T ady ) ve Yaş Termometre Sıcaklıkları (T yt ) : Aşağıdaki açık sistemde doymamış hava (T 1, φ 1, ω 1 ) suyun üzerinden geçer. Bu akış sırasında bir miktar su buharlaşarak havaya karışır, havanın nemi artar, sıcaklığı ise azalır. Çünkü suyun gizli buharlaşma ısısının bir bölümü havadan sağlanmaktadır. Eğer kanal yeterince uzunsa hava kanaldan doymuş olarak (φ 2 = %100) ve adyabatik doyma sıcaklığında (T 2 ) çıkar.

9 Adyabatik Doyma (T ady ) ve Yaş Termometre Sıcaklıkları (T yt ) : Bu sistemde Q = 0, W = 0, PE (potansiyel enerji) ve KE (kinetik enerji) değişimleri ihmal edildiğinde, temodinamiğin I. yasası yani enerjinin korunumu denkleminden;

10 Adyabatik Doyma (T ady ) ve Yaş Termometre Sıcaklıkları (T yt ) : Yaş Termometre Sıcaklığı (T yt ) : Uygulama açısından daha elverişli bir yöntem termometrenin ucuna ıslak pamuk bağlayarak sıcaklık ölçümüdür. Bu şekilde ölçülen sıcaklık yaş termometre sıcaklığı diye adlandırılır. Bu yöntemin de dayandığı temel ilke adyabatik doyma sıcaklığı ile aynıdır. Bu sebepten atmosferik basınçta adyabatik doyma sıcaklığı ile yaş termometre sıcaklığı birbirine eşit kabul edilebilir. Kuru Termometre Sıcaklığı (T) : Havanın içindeki nemin ve güneş radyasyonunun etkisi olmaksızın herhangi bir termometre, termo eleman veya bir sıcaklık ölçerle ölçmüş olduğumuz sıcaklığa kuru termometre sıcaklığı denir.

11 Psikometrik diyagram

12 Psikometrik diyagram

13 İklimlendirme: Duyulur ısıtma (ω=sabit) Bu sistemlerde hava sıcak bir akışkanın bulunduğu boruların veya direnç tellerinin üzerinden geçirilerek ısıtılır. Havadaki nem miktarı değişmez, özgül nem sabit kalır. Sıcaklık artar, bağıl nem azalır.

14 İklimlendirme: Duyulur soğutma (ω=sabit) Hava içinden soğutucu akışkan geçen borular üzerinden akarak soğur. Duyulur ısıtma da olduğu gibi havadaki nem miktarı değişmez, özgül nem sabit kalır. Sıcaklık azalır, bağıl nem artar.

15 İklimlendirme: Nemlendirme ve ısıtma Duyulur ısıtmadaki bağıl nemin azalmasından dolayı ortaya çıkan problemler, ısıtılan havayı nemlendirerek ortadan kaldırılır.

16 İklimlendirme: Soğutma ve nem alma Duyulur soğutma esnasında havanın bağıl nemi artar. Su buharı miktarını azaltmak için hava çiğ noktası sıcaklığının altına kadar soğutulur. Böylece hava içindeki su yoğuşarak alınır.

17 İklimlendirme: Evaporatif (Buharlaştırmalı) soğutma Su buharlaşırken buharlaşma gizli ısısı su kütlesinden ve çevre havadan sağlanır.bunun sonucu olarak hem su hem de hava soğur.bu yöntem yüzyıllardan beri içme suyunu soğutmak için kullanılmıştır. Sıcak,kuru bir günde bahçenin sulandığı zaman daha serin olduğu dikkatinizi çekmiştir. Bunun nedeni suyun buharlaşırken çevreden ısı almasıdır.

18 İklimlendirme: Hava akışlarının adyabatik olarak karıştırılması Karıştırma işlemi sırasında çevreye olan ısı geçişi genellikle azdır, bu nedenle işlem adyabatik kabul edilir. Karıştırma işlemi sırasında iş etkileşimi yoktur, kinetik ve potansiyel enerji değişimleri de ihmal edilebilir. Bu kabullerle, iki hava akışının adyabatik olarak karıştırılması sırasında kütlenin ve enerjinin korunumu denklemleri aşağıdaki gibi olur: Kuru hava kütlesi: m a3 = m a2 + m a1 Su buharı kütlesi: m a1 w 1 + m a2 w 2 = m a3 w 3 Enerjinin korunumu: m a1 h 1 + m a2 h 2 = m a3 h 3

19 Devamı: Hava akışlarının adyabatik olarak karıştırılması Bu denklemlerden m a3 yok edilirse, m a1 /m a2 = ( w 2 - w 3 )/( w 3 - w 1 ) = ( h 2 - h 3 )/( h 3 - h 1 ) bulunur. Bu denklemin psikrometrik diyagramda geometrik bir yorumu yapılabilir. Denklem,( w 2 - w 3 )/( w 3 - w 1 ) oranının ( m a1 / m a2 ) oranına eşit olduğunu belirtmektedir. Bu koşulu sağlayan haller AB kesik doğrusuyla gösterilmiştir. ( h 2 - h 3 )/( h 3 - h 1 ) oranı da m a1 /m a2 oranına eşittir. Bu koşulu sağlayan haller de CD kesik doğrusuyla gösterilmiştir. Her iki koşulu sağlayan hal ise bu iki doğrunun kesişim noktasıdır ve 1 ve 2 hallerini birleştiren doğru üzerindedir. Sonuç olarak: farklı hallerdeki iki hava akışı (1 ve 2 halleri) adyabatik olarak karıştırıldığı zaman, karışımın hali(3 hali), psikrometrik diyagramda 1 ve 2 hallerini birleştiren doğru üzerinde olur; 2-3 uzunluğunun 3-1 uzunluğuna oranı ise,kütle debilerinin oranı m a1 /m a2 oranına eşittir. Doyma eğrisinin iç bükey olması ve yukarıdaki sonuç ilginç bir olasılığı belirtmektedir. 1 ve 2 halleri doyma eğrisinin yakınında olduklarında, bu iki hali birleştiren doğru doyma eğrisini kesecek ve 3 hali doyma eğrisinin solunda kalabilecektir. Bu durumda bir miktar su buharı yoğuşur.

20 Islak Soğutma Kuleleri Güç santralleri, iklimlendirme sistemleri ve bazı büyük miktarlarda atık ısı üreten endüstrilerde, bu atık ısı bir göle veya akarsuya verilir. Isıl kirlilik veya akışın yetersizliği gibi durumlarda bu atık ısı soğutma kuleleri yardımıyla alınır. Islak soğutma kulesi yarı buharlaştırmalı bir soğutucudur. Hava kuleye aşağıdan girer ve yukarıdan çıkar. Yoğuşturucudan gelen ılık su pompa yardımıyla kulenin tepesine yollanır, kulenin tepesinden hava akışının içine püskürtülür. Su damlaları aşağıya düşerken, suyun %1 lik bölümü buharlaşır, geri kalan suyu soğutur. Soğutulan su kulenin altından toplanır ve atık ısıyı almak için yoğuşturucuya yeniden pompalanır. Doğal akışlı soğutma kulelerinde ise, kule baca gibi çalışır. Kule içindeki hava yukarı doğru yükselir, dışarıdaki ağır hava kuleye girer, doğal bir hava akışı sağlanır. Havaya püskürtülen ılık su aşağı düşerken hava tarafından soğutulur.

21 Islak Soğutma Kulesi Çeşitleri Su soğutma kulelerini hava ve suyun birbirlerine göre akış geometrileri göre karşı akışlı ve çapraz akışlı kuleler diye iki sınıfa ayırabiliriz.

22 Islak Soğutma Kulesi Çeşitleri Karşı akışlı ve çapraz akışlı soğutma kuleleri

23 Islak Soğutma Kulesi Çeşitleri Soğutma kuleleri sistem ısı değiştiricinin yerine göre; açık ve kapalı tip olarak ta sınıflandırılabilirler. Isı değiştiricileri soğutma kulesinin içinde entegre bir yapı olarak bulunabilirler. Bu durumda kapalı devre yani üretim sistemine giden suyun açık suyla karışmadığı bir sistem söz konusudur. Açık devre ısı değiştiricilerinde ise üretim sistemine gönderilen soğutulmuş suyun bir kısmı buharlaştırılarak soğutulan açık sudur. Açık ve kapalı tip soğutma kuleleri

24 Soğutma Kulesi Temel Ekipmanları Ana taşıyıcı kiriş ve kolonlar Dolgu Havuz Drift Eliminator Su Dağıtım Sistemi Korkuluk Fan ve Mekanik Ekipman Motor Fan Güvertesi Ara Bölme Damla tutucular Nozullar

25 Uygulamalar Örnek 1. A room contains air at 20 C and 98 kpa at a relative humidity of 85 percent. Determine (a) the partial pressure of dry air, (b) the specific humidity of the air, and (c) the enthalpy per unit mass of dry air.

26 Uygulamalar Örnek 2. The air ina room has a dry-bulb temperature of 22 C and a wet-bulb temperature of 16 C. Assuming a pressure of 100 kpa, determine (a) the specific humidity, (b) the relative humidity, and (c) the dew-point temperature.

27 Uygulamalar Örnek 3. A room contains air at 1 atm, 26 C, and 70 percent relative humidity. Using the psychrometric chart, determine (a) the specific humidity, (b) the enthalpy (in kj/kg dry air), (c) the wet-bulb temperature, (d ) the dew-point temperature, and (e) the specific volume of the air (in m3/kg dry air).

28 Uygulamalar Örnek 4. Air enters a 40-cm-diameter cooling section at 1 atm, 32 C, and 30 percent relative humidity at 18 m/s. Heat is removed from the air at a rate of 1200 kj/min. Determine (a) the exit temperature, (b) the exit relative humidity of the air, and (c) the exit velocity.

29 Uygulamalar Örnek 4 devamı

30 Uygulamalar Örnek 5. Air at 1 atm, 15 C, and 60 percent relative humidity is first heated to 20 C in a heating section and then humidified by introducing water vapor. The air leaves the humidifying section at 25 C and 65 percent relative humidity. Determine (a) the amount of steam added to the air, and (b) the amount of heat transfer to the air in the heating section.

31 Uygulamalar Örnek 6. Air enters a window air conditioner at 1 atm, 32 C, and 70 percent relative humidity at a rate of 2 m3/min, and it leaves as saturated air at 15 C. Part of the moisture in the air that condenses during the process is also removed at 15 C. Determine the rates of heat and moisture removal from the air.

32 Uygulamalar Örnek 6.

33 Uygulamalar Örnek 7. Two airstreams are mixed steadily and adiabatically. The first stream enters at 32 C and 40 percent relative humidity at a rate of 20 m3/min, while the second stream enters at 12 C and 90 percent relative humidity at a rate of 25 m3/min. Assuming that the mixing process occurs at a pressure of 1 atm, determine the specific humidity, the relative humidity, the dry-bulb temperature, and the volume flow rate of the mixture.

35 Uygulamalar Örnek 8. An air-conditioning system operates at a total pressure of 1 atm and consists of a heating section and an evaporative cooler. Air enters the heating section at 10 C and 70 percent relative humidity at a rate of 30 m3/min, and it leaves the evaporative cooler at 20 C and 60 percent relatively humidity. Determine (a) the temperature and relative humidity of the air when it leaves the heating section, (b) the rate of heat transfer in the heating section, and (c) the rate of water added to air in the evaporative cooler.

37 Uygulamalar Örnek 9. The cooling water from the condenser of a power plant enters a wet cooling tower at 40 C at a rate of 90 kg/s. The water is cooled to 25 C in the cooling tower by air that enters the tower at 1 atm, 23 C, and 60 percent relative humidity and leaves saturated at 32 C. Neglecting the power input to the fan, determine (a) the volume flow rate of air into the cooling tower and (b) the mass flow rate of the required makeup water.

38 Uygulamalar Örnek 9 devamı.

39 Uygulamalar Örnek 9 devamı.