KLİMA SANTRALLERİ SEÇİM ESASLARI HVAC uygulamalarındaki temel ortam, kuru hava ve su buharının karışımı, Nemli Hava diğer bir değişle atmosferik havadır. Nemli havanın termodinamiği veya Psikrometri, hava ve su buharı karışımının özelliklerini inceleyen bir bilim dalıdır. Bir HVAC Mühendisi, bir cihaza giren, içinden geçen ve terkeden havanın termodinamik özelliklerindeki değişimi kesinlikle bilmelidir. Bunu yapabilmek için psikrometrik diyagramlardan faydalanılır. Bu nedenle HVAC Mühendisi için psikrometrik diyagram vazgeçilmez bir araçtır. Şekil 1.1: Psikrometrik Diyagram-Deniz Seviyesi 1911 yılında Willis H.Carrier nemli havanın özellikleri arasındaki termodinamik ilişkileri bir Psikrometrik Diagram ile birlikte yayınladığı zaman HVAC sektörüne çok önemli bir katkıda bulunmuş ve bu formüller HVAC endüstrisinin temelini oluşturmuştur. 1
A ) NEMLİ HAVA PROSESLERİ : 1- Isıtma veya Soğutma: Nemli hava içindeki nem miktarını kaybetmeden ısıtıldığında veya soğutulduğunda Psikrometrik diyagram üzerinde bir yatay düz çizgi halinde hareket eder. Santral içerisindeki ısıtma serpantinleri buna iyi bir örnektir. Şekil 1.2: Nemli Havanın Isıtılması/Soğutulması Termodinamiğin 1. Kanunu ve Kütlenin Korunumu ilkesini kullanarak bir ısıtma veya soğutma serpantini (Cooling and Heating) için toplam ısıl kapasite, Q; Q= m a ( h 2 h 1 ) (Formül 1.3) şeklinde ifade edilir. Burada; Q: Toplam serpantin kapasitesi, kw m a Kütlesel hava debisi, kg/s h : Entalpi, kj/kg Nemli havayı ideal gaz olarak kabul edersek, serpantin ısıl kapasitesi, Q; Q= m a * Cp * (t 2 t 1 ) (Formül 1.4) şekline dönüşebilir. Cp= Cp a +W*Cp v (Formül 1.5) 2
Burada; Cp: Sabit basınç spesifik ısı değeri, kj/kg C t : Sıcaklık, C W: Nem oranı (kg m /kg a ) Nemli hava problemlerindeki normal sıcaklık aralıklarında; Cp a = 1.00 kj/kg C Cpv=1,872 kj/kg C W= 0.01 kg m /kg a Buradan Cp=1.00+0,01*1,872 Cp= 1.01872 kj/kg C Serpantin ısıl kapasitesi, Q; Q= d *Cp * (V) * (t 2 -t 1 ) (Watt) (Formül 1.6) Burada, d: Havanın yoğunluğu (kg/m 3 ) V: Debi (L/s) Eğer, F1= d * Cp ise Q= F1*V* (t 2 -t 1 ) (Watt) (Formül 1.7) olarak ifade edilebilir. Deniz seviyesinde, standart hava için serpantin kapasitesi Q; Q= 1.23 * V * (t 2 -t 1 ) (Watt) (Formül 1.8) Deniz seviyesinden farklı yükseklikler için gösterildiği şekilde düzeltilmelidir. F1 faktörü aşağıda (Tablo-2) de 2- Soğutma ve Kurutma : Nemli hava kendi çiğ noktasının altındaki bir sıcaklığa soğutulduğu zaman, içerisindeki su buharının bir kısmı yoğunlaşacak ve havadan ayrılacaktır. Şekil 1.3 bir soğutma ve kurutma cihazının şematik olarak gösterimidir. 3
Şekil 1.3: Nemli Havanın Soğutulması ve Kurutulması Termodinamiğin 1. Kanunu ve Kütlenin Korunumu ilkesini kullanarak, bir soğutma ve kurutma serpantini için toplam ısıl kapasite, Q; Q=m a * (h 1 h 2 ) m a * h w * (W 1 - W 2 ) (kw) (Formül 1.9) Soğutma ve kurutma prosesi hem duyulur hem de gizli ısı transferlerini içerir. Duyulur ısı transferi kuru termometre sıcaklığındaki düşüş ile ilgili iken, gizli ısı transferi nem oranındaki azalma ile ilişkilidir. Toplam soğutma kapasitesini gösteren Formül 1.9 u duyulur ve gizli ısı olmak üzere iki parçaya ayırmak gerekirse; Burada ; Veya ; Q= Q S + Q L (Formül 1.10) Q S : Duyulur Isıl Kapasite (kw) Q L : Gizli Isıl Kapasite (kw) Q S = m a * Cp * (t 1 t 2 ) (kw) (Formül 1.11) Q L = m a * h w * (W 2 W 1 ) (kw) (Formül 1.12) Burada, 4
h w = h g - h f = 2500 kj/kg 2500 kj/kg yaklaşık olarak 24 C KT ve %50 BN deki havanın içindeki su buharının ısıl içeriğinden 10 C suyun ısıl içeriğinin farkıdır. Buradaki 24 C ve %50 BN kullanılan en yaygın oda konfor şartı, 10 C ise soğutma kurutma serpantinleri için normal yoğuşma sıcaklığıdır. Tekrar düzenlenirse; Q L = d * V * 2500 *( W 1 W 2 ) (Watt) (Formül 1.13) Eğer; F2=d*2500 olarak tanımlanırsa Q L = F2 * V *( W 1 W 2 ) (Watt) (Formül 1.14) Toplam ısı Kapasitesi, Q ise; Q = m a (h 1 h 2 ) = d * V * (h 1 h 2 ) (Watt) (Formül 1.15) Deniz seviyesinde, standart hava için serpantin duyulur ve gizli ısıl kapasiteleri; Q S = 1.23 * V *(t 2 -t 1 ) (Watt) (Formül 1.16) Q L = 3010 * V * (W 1 W 2 ) (Watt) (Formül 1.17) Toplam ısı kapasitesi, Q ise; Q= 1.20 * V * (h 1 h 2 ) (Watt) (Formül 1.18) Deniz seviyesinden farklı yükseklikler için yoğunlukla birlikte F1 ve F2 faktörleri aşağıda Tablo-2 de gösterildiği şekilde düzeltilmelidir 5
3- Adyabatik Nemlendirme: Nemli hava içerisine adyabatik bir ortamda (ısı transferi olmaksızın) buhar veya su enjekte edildiği zaman nem oranı yükselir. Şekil 1.4 :Nemli Hava İçerisine Su/Buhar Püskürtülmesi Enerjinin ve Kütlenin Korunumu ilkelerini kullanarak; m a h 1 + m w h w =m a h 2 (Formül 1.19) m a W 1 + m w =m a W 2 (Formül 1.20) Buradan ; h 2 - h 1 / (W 2 W 1 ) = h w (Formül 1.21) Eğer enjekte edilen buharsa ve sıcaklığıda biliniyorsa buhar tablolarından entalpi değerini bulmak mümkündür. Nemlendirme işlemi oda konfor şartlarını sağlayacak nem oranına kadar yapılacağından nemlendiricinin çıkışındaki nem oranını tesbit etmek kolay olacaktır. Formül 1.21 de tüm bilinenleri yerine koyduğumuzda nemlendirici çıkışındaki entalpi değerini bulabiliriz. Bundan sonra da diğer tüm termodinamik özellikleri psikrometrik diyagramdan rahatlıkla okuyabiliriz. Eğer nemli havaya yaş termometre sıcaklığında su enjekte edilirse, sabit bir yaş termometre sıcaklığı eğrisi üzerinde doyma noktasına gelinceye kadar (%100 BN) proses devam eder. Nemlenen havanın kuru termometre sıcaklığı düşerken nem oranı artacaktır. Uygulamada bu proses Evaporative Cooling olarak bilinir ve nemli hava %100 BN noktasına gelmeden proses sona erer. Nemlendiricinin veya evaporatif soğutucunun verimlilik değeri, çıkış noktasının belirlenmesinde etkili olacaktır. 6
Buna göre, sulu tip nemlendirici için Verimlilik Eff; Eff = (Tdb1 Tdb2 ) / (Tdb1 Twb1) (Formül 1.22) Burada ; Tdb1 : Nemlendirici girişi kuru termometre sıcaklığı, C Tdb2 : Nemlendirici çıkışı kuru termometre sıcaklığı, C Twb1: Nemlendirici girişi yaş termometre sıcaklığı, C 4- İki Ayrı Hava Akımın Adyabatik Karışımı: Bir klima santralı içerisinde kullanımı oldukça yaygın bir prosestir. Şekil 1.5, iki hava akımının karışımını göstermektedir. Şekil 1.5: İki Hava Akımının Adyabatik Karışımı Enerjinin korunumu ilkesi ile, m a1 h 1 + m a2 h 2 = m a3 h 3 (Formül 1.23) Kuru havadaki kütlenin korunumundan, m a1 + m a2 = m a3 (Formül 1.24) Su buharı üzerindeki kütlenin korunumu ilkesi ile, m a1 W 1 + m a2 W 2 = m a3 W 3 (Formül 1.25) 7
Formul 1.22, 1.23 ve 1.24 ü birleştirdiğimiz zaman, aşağıda gösterilen sonucu elde edebiliriz. h 2 h 3 W 2 W 3 m a1 --------- = ------------- = ------- (Formül 1.26) h 3 h 1 W 3 W 1 m a2 İki ayrı hava akımının karışım noktası, bu iki hava noktasını birleştiren doğrusal çizgi üzerinde olmak zorundadır. B ) STANDART HAVA KAVRAMI : HVAC hesaplarıyla ilgili temel formüller Standart Hava değerleri üzerine kurulmuştur. ASHRAE standart havayı aşağıda belirtilen şekilde tanımlamıştır. Buna göre Standart Hava, deniz seviyesinde; 15 C de sıcaklığa sahiptir. İdeal gaz olarak kabul edilir. Barometrik basıncı 101.325 kpa dır. ASHRAE ye göre, Standart Havanın yoğunluğu 1,204 kg/m 3 olarak kabul edilmiştir. Bu değer 15 C deki doymuş su buharı ile 20 C deki kuru havanın yoğunluk değerine eşdeğerdir. Standart hava sıcaklığının 15 C de kabul edilmiş olmasının nedeni ise, genelde HVAC proseslerinde serpantinlerden, fanlardan ve kanallardan geçen havanın bu sıcaklığa yakın bir değerde olmasıdır. Standart hava değerlerini kullanarak yapılan hesaplar genellikle % 2 veya %3 den daha fazla hata payı içermez ve HVAC hesaplarında da kullanımı rahatlıkla kabul edilebilir. İdeal gaz denklemlerinin nemli hava problemleri için 50 ile +50 C arası sıcaklıklarda standart atmosferik basınçta kullanılması %0,7 den daha az bir hata oranı ortaya çıkarmaktadır. Ayrıca, bu hata payı daha düşük atmosferik basınçlarda (deniz seviyesi üzeri) daha da düşmektedir. Bu nedenle HVAC alanında basit ideal gaz denklemlerinin kullanılması yeteri kadar hassasiyet vermekte ve kullanımı kolay olmaktadır. Ancak, atmosferik basınç her zaman deniz seviyesi olarak kabul edilmemeli (101,325 kpa) ve farklı irtifalar için düzeltilmelidir. Bu da, kullandığımız psikrometrik diyagramın yüksekliğe göre düzeltilmiş olması gereğini ortaya çıkarmaktadır. Aşağıda Tablo-1 de 10000 m ye kadar olan irtifalar için Standart Atmosferik Hava verileri verilmiştir. 8
Standart Atmosferik Data Yükseklik Sıcaklık Basınç M C kpa -500 18,2 107,478 0 15,0 101,325 500 11,8 95,461 1000 8,5 89,874 2000 2,0 79,495 3000-4,5 70,108 4000-11,0 61,640 5000-17,5 54,020 6000-24,0 47,181 7000-30,5 41,061 8000-37,0 35,600 9000-43,5 30,742 10000-50,0 26,436 ASHRAE 1989 Fundamentals Handbook-Chp.6.8 Table-3 Tablo-1 : Yüksekliğe Bağlı Standart Atmosferik Data Tablo-1 de görüldüğü üzere deniz seviyesi üzerine çıkıldakça havanın basıncı düşer. Hava basıncının yüksekliğe bağlı olan formulasyonu aşağıdaki gibi ifade edilebilir. Buna göre; P= 101,325 * (1 2,255802 * 10-5 * H ) 5,2561 (Formül 1.27) Burada, P= Barometrik Basınç, kpa H= Yükseklik, m Yükseklik arttıkça, basınçla birlikte havanın yoğunluğuda düşmektedir. Yoğunluk ayrıca havanın sıcaklığı ile lineer olarak değişmektedir. Fakat konfor klimasının ve ısıtmanın yapıldığı normal sıcaklık aralıklarında standart yoğunluğun kullanımı kabul edilebilir. Havanın yoğunluğu ideal gaz denklemleri ile aşağıda belirtildiği şekilde hesaplanabilir. Buna göre; d = (P-P w ) / (R a * T) (Formül 1.28) Burada; d = Havanın Yoğunluğu (kg/m 3 ) P = Barometrik Basınç (kpa) P w = 15 C Su Buharının Doyma Basıncı, (1.7055 kpa) R a = Kuru Havanın Gaz Sabiti, (0.287055 kj/kg. K) 9
T= Sıcaklık, ( K) Yüksekliğin artması neticesi havanın yoğunluğu düştüğü için buna bağlı olarak havanın kütlesel debisi de düşmektedir. Bir tarafı hava olan ısı eşanjörü için ısı transferi hacimsel debi ile değil, kütlesel debi ile değişkendir. Bu nedenle bir çok HVAC ekipmanın ısıl kapasitesi yüksek irtifalarda düşmektedir. Tam vurgulamak gerekirse ; denilebilirki, Daha yüksek bir yerleşimde, deniz seviyesindeki aynı ısıtma, soğutma kapasitesini ve kütlesel debiyi yakalayabilmek için havanın hacimsel debisini arttırmak gerekir. Yükseklik Basınç Hava Yoğunluğu Faktör1 Faktör2 Altitude Pressure Air density F1 F2 Metre KPa kg/m3 1 0 101,325 1,204 1,23 3011 İstanbul 2 250 98,357 1,168 1,19 2921 3 515 95,289 1,131 1,15 2828 Urfa 4 600 94,321 1,120 1,14 2799 5 652 93,733 1,113 1,13 2781 Diyarbakır 6 700 93,193 1,106 1,13 2765 7 800 92,076 1,093 1,11 2731 8 894 91,036 1,080 1,10 2700 Ankara 9 1024 89,613 1,063 1,08 2657 Konya 10 1285 86,810 1,029 1,05 2572 Sivas 11 1732 82,175 0,973 0,99 2432 Van Tablo 2 : Farklı yükseklilklerdeki Basınç ve Yoğunluk İlişkileri Yükseklik havanın yoğunluğunu düşürüp, klima santralları içerisindeki ısıl kapasiteleri azalttığından dolayı sistem içerisindeki basınç kayıplarının düşmesine neden olur. Basınç kayıplarındaki değişmeler klima santralları içerisindeki fanların seçilmesinde önem arzeder. Fan seçimleri hacimsel debiye dayanır. Fan imalatçılarının seçim eğrileri deniz seviyesi için hazırlanmış olsa bile fan debisi hacimsel olduğu için bunlar aynen kullanılabilir. Ancak, fan basınç hesaplarının yüksekliğe göre düzeltilmesi şarttır. Herhangi bir fanı seçmeden önce sistem içerisindeki basınç kayıpları hesaplanmalıdır. Bilindiği üzere bunlar, Cihaz içi kayıplar Cihaz dışı kayıplar (kanallarda oluşan) Sistem etkisi (System Effect) ile meydana gelen kayıplardır. Cihaz içi kayıplar ısıtma, soğutma serpantinlerinden, nemlendiriciden, damperlerden, filtrelerden vb klima santralı içi ekipmanlardan gelmektedir. İmalatçı firmaların katologlarından tasarımını yaptığımız klima santralının konfigürasyonuna 10
göre cihaz içi basınç kayıpları her eleman için ayrı olarak belirlenip toplanmalıdır. Ortaya çıkan değer deniz seviyesinde cihaz içi basınç kayıplarının toplamıdır. Bu değeri aşağıda belirtilen barometrik düzeltme faktörü (Formül 1.28) ile çarparsak kendi yüksekliğimizdeki cihaz içi basınç kayıpları toplamını bulmuş oluruz. Barometrik Düzeltme Faktörü, BDF ; Bulunduğumuz Yükseklikteki Barometrik Basınç BDF= ------------------------------------------------------------------ (Formül 1.29) Deniz Seviyesi Barometrik Basınç Düzeltilmiş cihaz içi basınç kayıpları, P DCİHAZ ; P DCİHAZ = P CİHAZ * BDF (Formül 1.30) Kanal Basınç Kayıplarının düzeltilmesi deniz seviyesi üzeri yüksekliklerde yoğunluğun değişmesi sebebiyle gereklidir ve oldukça zahmetlidir. Bu nedenle genellikle ihmal edilir. Bu durum teorik ve teknik olarak doğru olmasada, ihmal sonucu düzeltilmemiş basınç kayıplarının kullanılması tasarımın emniyetli olmasını sağlayacaktır. Sistem Etkisi Faktörü (System Effect), fan giriş ve çıkış bağlantı ağızlarına sahada yapılan farklı geometrideki kanal uygulamalarının fan imalatçısının kendi test ortamlarındaki ideal bağlantı şekillerinden farklı olması nedeniyle meydan gelen performans düşüklüğüdür. AMCA (Air Movement Control Association) farklı fan kanal bağlantılarına göre çeşitli Sistem Etkisi Faktörlerini yayınlamıştır. Bu değerler farklı yükseklik durumlarında (Formül 1.30) da gösterildiği gibi düzeltilmelidir. Eğer, kullanacağımız fanımızın debisini (hacimsel) ve belirtilen yükseklikteki basınç kayıpları toplamını biliyorsak; 1. Barometrik Düzeltme Faktörünü (BDF) hesaplarız, 2. Basınç kayıplarını BDF değerine bölüp düzeltilmemiş deniz seviyesi değerini bulabiliriz. 3. Debi ve deniz seviyesi basınç değerleri ile imalatçı fan eğrilerini kullanıp fanımızı seçebiliriz. Bulduğumuz fan motor gücünü (BHP) BDF değeri ile çarpıp fanımızın gerçek değerini hesaplarız. 11
Şekil 1.6 Fan Sistem Performansı Şekil 1.7 Fan Çıkışı Hava Hız Profili 12
Yükseklik Nedeniyle Psikrometrik Diyagramdaki Değişiklikler: Yüksekliğin arttmasıyla psikrometrik diyagramın değişimi aşağıda belirtildiği şekilde özetlenebilir; 1. Kuru termometre sıcaklık doğruları değişmez, 2. Bağıl nem çizgileri doyma eğrisini de içerecek şekilde yukarıya ve sola doğru kayar, Şekil 1.8 Bağıl Nem Çizgilerindeki Değişim 3. Yaş termometre eğrileri yukarıya ve sağa doğru kayar, Şekil 1.9 Yaş Temometre Çizgilerindeki Değişim 13
4. Spesifik hacim eğrileri yukarıya ve sağa doğru kayar, Şekil 1.10 Spesifik Hacim Eğrilerinde Değişim 5. Entalpi çizgileri değişmez. Şekil 1.11 Entalpi Çizgileri 14
Örnek Problem 1: Aşağıda tasarım verileri belirtilmiş ve deniz seviyesi psikrometrik değerlerine göre hesabı yapılmış olan bir klima santralının Ankara şartlarında kullanılması durumunda ortaya çıkan sonuçları görebilirsiniz. Klima Santralı Verileri : Klima Santralı % 100 Taze Havalı Fan Pozisyonu : Draw Thru Dış Hava Şartları : Oda Konfor Şartları : Yaz : 34 C KT ve 21 C YT Kış : -12 C KT ve % 90 BN Yaz : 26 C KT ve % 50 BN Kış : 20 C KT Oda Duyulur Isı Kazancı (Q s ) : 35000 W Oda Gizli Isı Kazancı (Q L ) : 3500 W Oda Isı Kaybı : 25000 W Asgari Taze Hava İhtiyacı : 3000 m 3 /h Ortam Basıncı : Notr Dönüş Havası Isı Kazancı :0 W Oda Havası ve Üfleme Havası Arası Sıcaklık Farkı : 11 C By Pass Faktörü : % 5 Vantilatör Verileri : Vantilatör Toplam Basıncı : 75 mmss Vantilatör Motor Pozisyonu : Fan ve Motor Hava Akımı İçerisindedir. Vantilatör Fan Verimi : % 65 Vantilatör Motor Verimi : % 65 15
Sonuç 1 : Deniz Seviyesinde Santral Hesaplanırsa Formül 1.8 den Q S = F1 * V *(t 2 -t 1 ) (Watt) V= 35000 / (1.23419 * (26-15)) V= 2578 L/s = 9281 m 3 / h Santral Hava Debisi : 9281 m 3 /h Cihaz Çiğ Noktası : 12.5 C Soğutucu Serpantin Giriş Noktası :34 C KT, 21 C YT, 60.45 kj/kg Soğutucu Serpantin Çıkış Noktası : 13.59 C KT, 13 C WB,36.54 kj/kg Soğutucu Serpantin Kapasitesi,Q CC : Q CC = 1.20 * 9281 * (1000 /3600) * ( 60.45-36.54) Q CC =73957 W Isıtıcı Serpantin Kapasitesi, Q HC: Q HC = 1.23 * 9281 * (1000/ 3600) * ( 27.9- (-12)) Q HC = 126523 W Sonuç 2 : Aynı Santral 895 m Ankara da Kullanılırsa Soğutucu Serpantin Giriş Noktası :34 C KT, 21 C YT, 65.07 kj/kg Soğutucu Serpantin Çıkış Noktası : 13.59 C KT, 13 C WB,39.36 kj/kg Soğutucu Serpantin Kapasitesi,Q CC : Q CC = 1.08 * 9281 * (1000 /3600) * ( 60.45-36.54) Q CC =66573 W Soğutucu Serpantin Kapasitesindeki Düşüş : 73957 66573 = 7384 W,( % 10 ) Isıtıcı Serpantin Kapasitesi, Q HC: Q HC = 1.10 * 9281 * (1000/ 3600) * ( 27.9- (-12)) 16
Q HC = 113151 W Isıtıcı Serpantin Kapasitesindeki Düşüş : 126523-113151 = 13372 W, ( %10.5) Fan BHP değeri düşer. Sonuç 3 : Ne Yapılması Gerekir? A 895 m ye göre düzeltilmiş psikrometrik diyagram üzerinde tüm hesaplar yapılmalıdır. B Hava debisi ve kapasiteler buna göre tayin edilmelidir. Böylece aşağıdaki değerler elde edilir. Santral Hava Debisi : 10352 m 3 /h Cihaz Çığ Noktası : 12.3 C Soğutucu Serpantin Giriş Noktası :34 C KT, 21 C YT, 65.07 kj/kg Soğutucu Serpantin Çıkış Noktası : 13.43 C KT, 12.8 C WB,38.71 kj/kg Soğutucu Serpantin Kapasitesi,Q CC : Q CC = 1.08 * 10352 * (1000 /3600) * ( 65.07-38.71) Q CC =81864 W Isıtıcı Serpantin Kapasitesi, Q HC : Q HC = 1.10 * 10352 *(1000/ 3600) * (27.9-(-12)) Q HC = 126208 W Debideki Artış = 10352-9281 = 1071 m 3 /h ( % 11.5 ) Soğutma Kapasitedeki Artış = 81864 73957 = 7907 W (%10.7) Isıtma Kapasitesinde Artış Yoktur. 17
Örnek Problem 2 : Örnek 1 deki santral 1732 m yükseklik (Örneğin Van) için dizayn edilirse: Sonuçları karşılaştırabilmek amacıyla dış hava kuru termometre ve yaş termometre sıcaklıkları aynı alınırsa: Soğutucu Serpantin Giriş Noktası :34 C KT, 21 C YT, 69.99 kj/kg Soğutucu Serpantin Çıkış Noktası : 13.23 C KT, 12.59 C WB,40.93 kj/kg Böylece aşağıdaki değerler elde edilir. Hava yoğunluğu: 0.973 kg/m 3 Santral Hava Debisi : 11490 m 3 /h Cihaz Çiğ Noktası : 12.16 C Soğutucu Serpantin Kapasitesi,Q CC : Q CC = 0.973 * 11490 * (1000 /3600) * ( 69.99-40.93) Q CC = 90245 W Isıtıcı Serpantin Kapasitesi, Q HC : Q HC = 0.99 * 11490 *(1000/ 3600) * (27.9-(-12)) Q HC = 126074 W Debideki Artış = 11490-9281 = 2209 m 3 /h ( % 23.8 ) Soğutma Kapasitedeki Artış = 90245 73957 = 16288 W (%18) Isıtma Kapasitede Artış Yoktur. 18
C ) PSİKROMETRİK ANALİZLER : Yukarıda anlatılan nemli hava proseslerinin bir veya birkaçının birlikte kullanılması halinde istenilen mahal konfor şartları bir klima santralı tarafından sağlanacaktır. Buna göre Klima Santralları nın görevini kısaca; Belirlenen sıcaklıkta ve nemde, bir hava debisi ile yazın mahalde oluşan duyulur ve gizli ısı kazançlarını, kışın ise ısı kayıplarını bertaraf ederek, istenilen sıcaklık ve nem şartlarını yerine getirmek. Bunu yaparken ayrıca iç ortam hava kalitesini ve hava dağıtımını mahalin ihtiyaçlarına göre tesis etmek. şeklinde özetleyebiliriz. Klima Santrallarının Yaz Durumu Psikrometrik Analizleri : 1. Gereklinin Verilerin Hazırlanması: a. Sistem Verileri a.1) Klima Santralının Tipi : % 100 Taze Havalı Karışım Havalı a.2) Fan Yerleşimi : Draw Through Blow Through b. Tasarım Verileri Yükseklik Dış Hava KT Sıcaklığı, TO, C Dış Hava YT Sıcaklığı, WBO, C Mahal KT Sıcaklığı, TZ, C Mahal BN Şartı, RZ, % Mahal Duyulur Isı Kazancı, RSH, W Mahal Gizli Isı Kazancı, RLH, W Taze Hava İhtiyacı, OSA, (L/s) Mahal Ortam Basıncı, EP, +/- % Dönüş Havası Kanal Isı Kazancı,ZR, W Oda ile üfleme Havası Arası Sıcaklık Farkı, DTR, C Soğutma Serpantini By-Pass Faktörü, BF 19
c. Fan Verileri Vantilatör Toplam Basıncı, TPv, mmss Vantilatör Motor Yerleşimi - Hava Akımı İçinde - Hava Akımı Dışında Vantilatör Fan Verimi, Fveff, % Vantilatör Motor Verimi, Mveff, % Aspiratör Toplam Basıncı, TPa, mmss Aspiratör Motor Yerleşimi - Hava Akımı İçinde - Hava Akımı Dışında Aspiratör Fan Verimi, Faeff, % Aspiratör Motor Verimi, Maeff, % d. Analiz Verileri Klima Sistemi Analizi - Sabit Hava Debisi Yöntemi - Nem Kontrol Yöntemi 2. Temel Hesaplar : 2.1) Mahal Duyulur Isı Faktörü (RSHF) : Oda duyulur ısı kazancının (RSH), oda toplam ısı kazancına oranıdır. RSH RSHF= --------------- (Formül 2.1) RSH+RLH 20
Şekil 2.1 Oda ve Üfleme Havası Noktası Arasındaki RSHF Doğrusu RSHF doğrusu mahal içerisinde üfleme havasının psikrometrik prosesini tanımlar. 2.2) Toplam Duyulur Isı Oranı (GSHF) : Toplam duyulur ısı kazancının (TSH), toplam ısı kazancına oranıdır. TSH GSHF= --------------- (Formül 2.2) TSH+TLH TSH = RSH + OSH (Watt) (Formül 2.3) Burada ; OSH, dış hava duyulur ısı kazancıdır ve aşağıdaki gibi ifade edilir. OSH = 1.23 * OSA * ( TO-TZ ) (Watt) (Formül 2.4) OSA : Dış hava debisi, (L/s) Toplam gizli ısı kazancı, TLH ; 21
TLH = RLH + OLH (Watt) (Formül 2.5) Burada ; OLH, dış hava gizli ısı kazancıdır. OLH = 3010 * OSA * (WO WZ ) (Watt) (Formül 2.6) Formül 2.6 da; WO : Dış Hava Nem Miktarı, kg m / kg a WZ : Mahal Nem Miktarı, kg m / kg a Şekil 2.2 Serpantin Giriş ve Çıkış Noktaları Arasındaki GSHF Doğrusu 2.3) Etkin Duyulur Isı Oranı (ESHF) : Etkin duyulur ısı kazancının (ERSH), etkin toplam ısı kazancına oranıdır. ESH ESHF= --------------- (Formül 2.7) ESH+ELH ESH = RSH + BF * (OSH ) (Watt) (Formül 2.8) 22
BF : By pass faktörü, Serpantin içerisinden geçerken serpantin yüzeyi ile temas etmeyip, sıcaklığında düşüş olmayan hava miktarının oranıdır. ELH = RLH + BF * (OLH ) (Watt) (Formül 2.9) Şekil 2.3 Oda Mahal Konfor Şartı ve Cihaz Çiğ Noktası Arasındaki ESHF Doğrusu 2.4) Hava Debisi, QTA (L/s) : Oda içerisinde oluşan ısı kazancını kaldırmak için gerekli olan hava debisi, QTA (L/s) ; RSH QTA = ---------------------- (L/s) (Formül 2.10) 1.23 * ( TZ TS ) Eğer bu hava debisi serpantinden geçen hava debisine eşitse; TSH QTA = ------------------------- (L/s) (Formül 2.11) 1.23 * (TMA TL) 23
Burada ; TMA : Karışım Hava Noktası Sıcaklığı, C TL : Serpantin Çıkış Havası Sıcaklığı, C 2.5) Sistem Isı Kazançları : Vantiilatör ve Aspiratör fan motorlarından gelen ısı kazançlarıdır. QTA * TP Fan Gücü = --------------- (Watt) (Formül 2.12) 1000* Feff QTA : L/s; TP : Fan Toplam Basıncı, (Pa) Feff : Fan Verimliliği Fan Gücü Motor Gücü = ------------------- (Watt) (Formül 2.13) Meff Meff : Motor Verimliliği Vantilatör motorundan gelen sıcaklık artışı, ZDTF, C; TPv ZDTF = ---------------------------------- (Formül 2.14) 1.23 * 1000 * Feff* Meff Buradan, Aynı şekilde, ZSH = RSH + 1.23 * QTA * ZDTF (Formül 2.15) ZSH : Zon Duyulur Isı Kazancı (Watt) Aspiratör motorundan gelen sıcaklık artışı, DTFR, C; TPa DTFR = ---------------------------------- (Formül 2.16) 1.23 * 1000 * Feff* Meff 24
Buradan, (Draw thru fan için) ESH =ZSH+BF*(OSH + ZR + 1.23*RA*DTRF ) (Watt) (Formül 2.17) ZR : Zon Dönüş Havası Isı Kazancı 3. Analiz Yöntemleri : Psikrometrik analizlerin doğru sonuca ulaşabilmesi için tasarımcının bilgisayar ortamında hesaplarını yapması şarttır. Aksi takdirde bulunan sonuçlar bir tahminden öteye geçemeyecek ve hassas olamayacaktır. 3.1) Sabit Hava Debisi Yöntemi : Eğer ortamda hassas bir nem kontrolü istenmiyor ise bu yöntem uygulanabilir. Buna göre, tasarımcı ; Oda ve üfleme noktaları arasında sabit bir sıcaklık farkı ( DTR) belirler. Bu DTR değeri ile hava debisini hesaplar. (Formül 2.10) Yaklaşık bir BF faktörü kabul eder (BF=0.5) Cihaz Çiğ Noktasını (ADP) ve serpantin çıkış KT Sıcaklığını (TL1) aşağıda belirtilen şekilde hesaplar Burada, TL1 BF * TMA ADP = ---------------------- ( C) (Formül 2.18) 1 BF TL1= TZ DTR ZDTF ( C) (Formül 2.19) TL1: Sabit Hava Debisi Yöntemine göre cihaz çıkış sıcaklığıdır. Bu değerlere uyacak Oda Nem Oranını (WZ) bulur. 1 WZ = WADP + (TZ ADP ) * ( -------- - 1) / 2447 (Formül 2.20) ESHF Burada, RSH + BF*OSH ESHF = --------------------------------------------------------- (RSH + BF*OSH) + (RLH + BF*OLH) Cihaz çiğ noktası nem oranı (WADP) ise, ADP ve Çiğ noktası BN i (%100) kullanılarak psikrometrik diyagramdan okunabilir. 25
Bulduğu WZ değerini kullanarak tüm gizli ısı kazançlarını yeniden hesaplayarak karışım hava noktasını bulur. Formül 2.18 i kullanarak yeni bir cihaz ciğ noktası hesaplar. Yeniden ESHF ü hesaplar ve bununla yeni bir WZ değeri bulur. Bu işlemi arka arkaya bulduğu iki WZ değeri birbirine çok yakın oluncaya kadar devam ettirir. İterasyon tekniği ile bu işlemi bilgisayar yardımı ile yapmak kısa zamanda doğru sonuca ulaştıracaktır. Aksi takdirde oldukça zaman tüketici bir hesap yöntemi haline gelir. Fakat doğru sonuca ulaşmak için başka çare yok gibidir. Psikrometrik diyagram üzerinden gerekli değerleri bularak Soğutma Serpantin kapasitesini hesap eder. Sonuç : Hesap ettiği son WZ değeri ile istediği konfor şartının WZ değeri farklıdır. Amaç edilen KT sıcaklığı sağlanırken BN değeri hedeften sapar. Ne kadar sapıldığının tesbit edilmesi gereklidir. Bu değer toleranslar dahilinde ise sorun yoktur. Eğer mahaldeki gizli ısı kazancı yüksekse; Ulaşılan Oda Bağıl Nemi (BN) > İlk İstenilen Bağıl Nem (BN) Eğer mahaldeki gizli ısı kazancı az ise ; Ulaşılan Oda Bağıl Nemi (BN) < İlk İstenilen Bağıl Nem (BN) 26
Şekil 3.1 Sabit Hava Debisi Yöntemi ile Çizilmiş Psikrometrik Diyagram 3.2) Nem Kontrol Yöntemi : Ortamda hassas bir nem kontrolü isteniyor ise, tasarımcı bu yöntemi uygulamak durumundadır. Buna göre tasarımcı; Başlangıç için, amaçlanan oda şartının çiğ noktasına (t d ) eşit bir Cihaz Çiğ Noktası (ADP) sıcaklığı bulur. ADP = t d = DBRH ( TZ, RZ) Bu Cihaz Çiğ Noktasının (ADP) nem oranını (WADP) tesbit eder. WADP = W = DBRH(ADP,100) İterasyon tekniği ile cihaz çiğ noktasını çok küçük sıcaklık aralıkları ile (örneğin 0.01 C) azaltarak buna ilişkin ESHF ü ( geçici diğer olarak) aşağıdaki formül kullanarak bulur. 27
1 ESHFTR = ----------------------------------------- (Formül 2.21) 3010 WZ-WADP 1+ (----------) x (----------------) 1.23 TZ-TADP Bu işlemi, geçici ESHF ün gerçek ESHF e eşit oluncaya değin devam eder. Sonuca ulaştığında, cihaz çıkış kuru termometre sıcaklığı, TL2; TL2 = ADP + BF * (TMA ADP) ( C) (Formül 2.22) TL2: Nem Kontrol Yöntemine göre cihaz çıkış sıcaklığıdır. Yeniden hatırlarsak TL1; TL1= TZ DTR ZDTF ( C) Eğer TL2 > TL1 ise HAVA DEBİSİNİ ARTTIRMAK GEREKİR Buna göre ; ZSH QTA = --------------------- (L/s) (Formül 2.23) 1.23*(TZ TL2) Bu yeni debi ile dönüş hava sıcaklığı, karışım hava sıcaklığı ve tüm duyulur ısı faktörleri yeniden hesaplanarak, serpantin çıkış nem oranı (WL) bulunur. 1 1.23 WL = WMA (TMA TL2) * ( -------- - 1) * --------- (Formül 2.24) GSHF 3010 Debiyi oldukça küçük aralıklarla arttırarak, WL değeri artık değişemez noktasına geldiğinde iterasyon işlemini durdurulur. Belirlenen son noktaya göre Serpantin kapasitesi hesaplanır. Eğer TL2 < TL1 ise REHEAT yapmak gerekir. 28
29