ME40- Isıtma ve Havalanırma Bahar, 07 Bölüm YAPI BİLEŞENLERİNDE ISI VE BUHAR GEÇİŞİ Ceyhun Yılmaz Afyon Kocatepe Üniversitesi eknoloji Fakültesi Makine Mühenisliği Bölümü
YAPI Yapıyı oluşturan uvar, pencere, kapı, öşeme ve tavan gibi elemanlara yapı bileşenleri aı verilir. Yapı bileşenleri; yapısı homojen kabul eilen bir tek malzemeen veya farklı özellikte homojen birkaç tabakaan oluşabilir. Bir yapı bileşeni olan uvar, elikli tuğla olabileceği gibi gaz betonan ya a bir başka malzemeen e oluşturulabilir. Ancak buraaki malzeme seçim özgürlüğü üst sistemlerin (iğer kriterlerin) emreici, sınırlayıcı ve belirleyici verileri ile aynı nitelikte eğilir. Üst sistem verileri kesinlikle uyulması zorunlu verilerir. Örneğin, iklim, yön, güneşin geliş açısı, zemin özellikleri, yapının yapılacağı yerin yapı kuralları, yönetmelikler ve gelenekler bu kapsama ele alınabilir. Yapılara kalorifer tesisat projesi, büyük ölçüe ısı gereksinimi hesaplarınan oluşur. Isı gereksinimi hesaplarını yapabilmek için gerekli olan bilgiler mimari projeen alınır. Isı gereksinimi hesapları, yapıa ısıtılacak olan ortamları çevreleyen yüzeyleren ış ortama olan ısı kayıplarının belirlenmesi aşamalarınan oluşur. Bu neenle; ısıtma yapılacak ortaman ısı kaybeen ış uvar, pencere, tavan ve öşeme gibi bileşenlerin, kalınlık, boyut, bileşim özellikleri gibi bilgilerinin mimari projee bulunması gerekmekteir.
YAPI BİLEŞENLERİNDE ISI GEÇİŞİ Yapı malzemeleri ve yapı bileşenlerini oluşturan tabakalar; kimyasal yapıları, yoğunluk, gözeneklilik, sıcaklık, nem gibi etkenlere bağlı olarak ısıyı farklı miktarlara geçirirler. Yapılaraki ısı geçişi ile ilgili bazı tanımlar şu şekile yapılır: Isı İletim Katsayısı ( veya k): Homojen bir malzemenin birim alanınan, sabit sıcaklıktaki üz yüzeylerine ik yöne, birim sıcaklık grayanı ile birim zamana geçen ısı miktarıır. Birimi W/mK ir. Isı iletim katsayısının tersi, ısı iletim irenci (/ ) olarak alanırılır ve birimi mk/w şeklineir. Pratik Nem Oranı: İçerisine sürekli oturulan yapılara, yapı malzemesinin içeriğine inşaatın yapımınan itibaren başlayan kuruma sonucu oluşan ve kararlı uruma kalan, pratikte altına inilemeyecek oranaki nem üzeyiir. Isı İletim Katsayısı Hesap Değeri ( h ): Isı iletim katsayısının 0 C sıcaklık ve pratik nem oranı için belirlenmiş olan eğeriir. Isı gereksinimi hesaplarına bu eğer kullanılır. Birimi W/mK ir. Isıl İletkenlik (C): Bir cismin yüzeyleri arasınaki birim sıcaklık farkı ile, birim alanınan, birim zamana geçen ısı olarak tanımlanır. Birimi m K/W ir. Isı, malzemeen saece iletim ile geçiyorsa, malzemenin ısıl iletkenliği; ısı iletim katsayısının malzemenin kalınlığına bölünmesi ile ele eilir. Isı iletkenlik irenci; ısı iletkenliğinin tersi olup (/C). 3
YAPI BİLEŞENLERİNDE ISI GEÇİŞİ Isı aşınım Katsayısı ( veya h): Bir yüzey ve akışkan arasına, birim zamana birim alan üzerinen, yüzey ve onunla temastaki akışkan arasınaki birim sıcaklık farkına geçen ısı miktarıır. Birimi W/m K ir. ersi ısı taşınım irenci (/) olarak alanırılır ve birimi m K/W tır. Isı taşınım katsayısı akışkanın cinsine, akış şekline, hızına, yüzey pürüzlülüğüne vs. bağlıır. Bu neenle yapı bileşenlerinin iç ve ış tarafınaki ısı taşınım katsayılarının eğerleri farklıır. oplam Isı Geçirme Katsayısı (U): Sürekli rejim haline, bir engel ile birbirinen ayrılan iki farklı sıcaklıktaki akışkanan, sıcak olanınan soğuk olanına, akışkanlar arasınaki birim sıcaklık farkı başına, birim alanan, birim zamana geçen ısı miktarıır. Birimi W/m K ir. n tabakalı bir yapı bileşeni için U eğeri: U i... A A U U U... A A n n U n A U n A i... n n oplam ısı geçirme katsayısının tersi, toplam ısı geçirme irenci (/U) olarak alanırılır. 4
Duvara Isı Geçişi Hesabı Kararlı uruma ısı geçişi, yapının üşük sıcaklıktaki tarafına oğru gerçekleşir. Şekileki gibi kalınlığınaki bir ış uvarın birim yüzeyinen geçen ısı akısı Fourier Kanunu na göre: q h (W / m ) Bir ış uvara ısı geçişi Şekle göre iç ortam ile iç sıva iç yüzeyi arasınaki ısı akısı: 5
6 Duvar boyunca genel ısı transferi enklemleri: yi h q h q y 3 h3 q y q yi i q i h3 3 h h i q U i q olarak bir yapı bileşeninin birim alanınan (m ) geçen ısı akısı ele eilir. UA i Q
Çeşitli yapı bileşenlerine ait toplam ısı geçirme katsayıları. 7
Çeşitli yapı bileşenlerinin iç ve ış yüzey ısı taşınım irençleri 8
Şekile görülen asmolen tavan örneği için ortalama toplam ısı geçirme katsayısının hesaplanması. Briketler arası boşlukta onatılı betonun bulunması olayısıyla, ısı geçişi iki ayrı yol boyunca olur ve bu neenle verilen tavan örneği için toplam ısı geçirme katsayısı hesabına, her bir yola ait toplam ısı geçirme katsayılarının ağırlıklı ortalaması kullanılır. 9
AI brikete ait birim alanı (0,4 m/m) ve AII onatılı betona ait birim alanı (0, m/m) göstermekteir. Her bir yol için olan U eğerleri 0
Yüzey Sıcaklıklarının Hesaplanması Diğer ara yüzey sıcaklıkları a (, vb.) benzer şekile hesaplanır. İç yüzey sıcaklığının hesaplanması, yüzeye yoğuşma olup olmayacağının belirlenmesi açısınan önemliir. Hava içerisine bulunan su buharının bir yüzeye yoğuşması, hava sıcaklığına ve hava içerisineki bağıl nem eğerine bağlıır.
Yapı uvarlarına yoğuşmanın olması istenmeyen bir urumur. Küf, koku ve yüzeye bozulma gibi olumsuz etkileri varır. Duvar iç yüzeylerine yoğuşmanın önlenebilmesi için; yüzey sıcaklığının Çizelgee verilen sıcaklık eğerine üşmeyecek şekile, uvara uygun kalınlıkta yalıtım yapılmalıır.
Şekile görülen ış uvar örneği için a) Duvar iç yüzeyine yoğuşma olup olmayacağını hesaplayınız. b) Yoğuşmanın başlayacağı ış ortam sıcaklığını hesaplayınız. c) Yoğuşma ortaya çıkmaması için ış sıva altına uygulanacak olan yalıtım kalınlığı en az ne kaar olmalıır? 3
Duvar iç yüzeyine yoğuşma olup olmayacağının belirlenmesi için uvar iç yüzey sıcaklığı hesaplanarak, hava sıcaklığı ve bağıl nem eğerine göre Çizelgeen okunan yoğuşma noktası sıcaklık eğerleriyle kıyaslanmalıır. Bu amaçla uvar için toplam ısı geçirme katsayısı a) a) Hesaplanan bu eğer; C hava sıcaklığı ve %60 bağıl nem eğerine göre Çizelgeen okunan 3.9 C eğerinen üşük oluğu için, verilen koşullara uvar iç yüzeyine yoğuşmanın ortaya çıkacağı anlaşılır. 4
Yoğuşmanın başlayacağı ış ortam sıcaklığını belirlemek üzere, (.) ifaesinen çekilerek; yi = 3,9 C eğeri yerine yazılırsa b) Yalıtım malzemesi olarak kullanılacak olan poliüretan sert köpük levhanın ısı iletim katsayısı hesap eğeri 0,035 W/mK oluğunan, yalıtım urumuna iç ortam ile iç yüzey ve iç ortam ile ış yüzey arasına yazılan ısı akısı ifaelerinin eşitlenmesi c) Belirlenen bu eğer, ış uvar iç yüzeyine yoğuşma ortaya çıkmaması için ış uvara uygulanması gereken yalıtımın minimum kalınlığıır. Isı yalıtımı amacı ile uygulanacak aynı yalıtım malzemesinin kalınlığı bu eğeren az olmamak kayıyla ayrıca hesaplanmalıır. 5
YAPI BİLEŞENLERİNDE BUHAR GEÇİŞİ Bir yapı bileşeninin iki yüzü arasına, sıcaklıkların ve bağıl nemin farklı olmasınan kaynaklanan farklı buhar basınçları ortaya çıkar. Isıtma önemine ait kış aylarına, genellikle iç ortamaki buhar basıncı ış ortama göre aha yüksektir ve bu neenle yapı bileşeni içerisinen ış ortama oğru bir su buharı akışı söz konusuur. Su buharının ış ortama yine su buharı olarak ulaşması urumuna yapı bileşeninin kullanım ömrü ve ısıl performansı açısınan bir sorun ortaya çıkmaz. Ancak yapı bileşenini oluşturan malzemelerin su buharı geçişine karşı gösterikleri irence ve malzemelerin sırasına bağlı olarak, yapı bileşeni içerisine su buharının yoğuşması olasılığı ortaya çıkar. Yapı bileşenlerine yoğuşma olması istenmeyen bir urumur. 6
Yapı bileşenlerine buhar geçişi ile ilgili bazı tanımlar Su Buharı Difüzyon Direnç Faktörü (): Su buharı geçişine izin veren maenin bir özelliğiir. Birimsizir. oplam Su Buharı Geçiş Katsayısı (): Belirli iki paralel yüzey arasınaki bir cismin, birim alanı başına iki yüzey arasınaki buhar basıncı farkınan geçen su buharı miktarıır. Birimi kg/m spa ır. Su Buharı Difüzyon Direnci (/ ): oplam su buharı geçiş katsayısının tersi olarak tanımlanır. Buhar geçişine karşı olan irenci ifae etmekte olup, birimi m spa/kg ır. Su Buharı Difüzyonu Eşeğer Hava abakası Kalınlığı (S): Yapı malzemesinin su buharı ifüzyon irenç faktörüne () ve kalınlığına () bağlı olarak S= ve birimi m ir. 7
Buhar Geçişi Hesabı: Şekileki gibi ört ayrı tabakaan oluşmuş bir uvaran geçen su buharı miktarı Fick ifüzyon kanunu yarımıyla hesaplanır. R b su buharının gaz sabiti (J/kgK), mutlak sıcaklık (K), su buharının havaaki ifüzyon sayısı (m /h), kütle geçiş sayısı (m /h) ve malzemenin su buharı ifüzyon irenç faktörü olmak üzere buhar geçiş ve buhar iletim sayıları: R b R b R b R b... 8
R b i / i çarpanı sıcaklığa bağlı olarak az a olsa eğişmekle birlikte, pratikte yaklaşık olarak,50 6 m.h.pa/kg alınabilir. Bu uruma n aet tabakaan oluşan bir yapı bileşeni için:,5 0 6... n n Havaaki su buharının kısmi basıncı bağıl nem ve oymuş su buharı basıncına bağlıır. P P s Buraa bağıl nem ve P s e abloan hava sıcaklığına göre okunan oymuş su buharı basıncıır. 9
Özet Yapılar Yapı Bileşenlerine Isı Geçişi Duvara Isı Geçişi Hesabı Yüzey Sıcaklıklarının Hesaplanması Yapı Bileşenlerine Buhar Geçişi Buhar Geçişi Hesabı 0