Tekstil Materyallerinde Meydana Gelen Isı Transfer Mekanizmaları

Vücudun ısıl dengeye gelebilmesi için gerçekleştirmesi gereken ısı transferi prosesi dört farklı mekanizmaya göre gerçekleşebilmektedir. Bu mekanizmalardan hissedilir veya kuru olarak nitelendirilenler radyasyon ve iletimdir. Buharlaşma, hissedilemeyen ve gizli ısı transfer mekanizması olarak sayılırken taşınımla olan ısı transferi duruma göre hissedilir veya hissedilemeyen ısı transfer mekanizması sayılabilir (Searle, 1990). Çoğunlukla bir ortamdaki sıcaklık dağılımı bu dört mekanizmanın ortak etkileri sonucu ortaya çıkar ve bu yüzden bir mekanizmayı diğerlerinden tamamen ayırabilmek mümkün değildir.

Isı transferi mekanizmaları kısaca açıklanacak olursa: 1.5.1.1 İletim (Kondüksiyon)

Bu mekanizmada ısı transferi bir başka yüzeyle temas sonucu gerçekleşir. Isı alışveriş oranı iki yüzey arasındaki sıcaklık farkına, transfer doğrultusuna dik yöndeki yüzey alanına ve maddelerin ısı geçirgenliklerine bağlıdır (Saville, 2000).

Örneğin x yönündeki ısı transfer hızı (3) numaralı denklemle aşağıdaki şekilde ifade edilir: x T kA Q_X ∂ ∂ − = (W) (3)

burada Q_X pozitif x yönünde A alanı boyunca gerçekleşen ısı transfer oranını, k ise materyalin ısı iletkenliğini göstermektedir.

Bu ısı transfer mekanizması vücudun kumaş yüzeyine veya düğme, fermuar gibi giysi kısımlarına teması sonucu etkin olur. Temas sonucu oluşan ısı transferi tek katlı yapılarda yapının içerdiği hava ve sıvı miktarlarına büyük oranda bağlıyken çok katlı yapılardaki katmanlar arasındaki hava tabakaları da materyalin ısı iletim performansı üzerinde büyük oranda etkilidir.

Tekstil materyali ve havanın ısı iletkenlikleri arasındaki büyük farka dayanarak bir kumaşın içerdiği lif ve hava miktarlarına dayalı olarak iletkenliği (4) numaralı denklemde gösterildiği şekilde hesaplanır.

Kumaş İletkenliği = k = (1− )f k_A + fk_F (4)

Burada;

f, kumaşın elyaf tarafından oluşturulan hacimsel oranını, kA ve kF, sırasıyla hava ve lifin ısı iletkenliklerini temsil eder.

Havanın iletkenliği 0,025 W/mK, lif iletkenliği ise ortalama 0,1 W/mK’dir. %10’dan daha düşük oranda lif içeren tekstil yapılarının iletkenlik değerleri havanın iletkenlik değerine yakındır (Kılınç, 2004).

1.5.1.2 Taşınım (Konveksiyon):

Bu mekanizmaya göre ısı, katı üzerinde hareket eden bir akışkan (sıvı veya gaz) vasıtasıyla taşınır. Sıvı içerisindeki sıcaklık alanı sıvının hareketinden etkilendiği için buradaki sıcaklık dağılımının ve ısı transfer oranının belirlenmesi karmaşık bir işlemdir. T sıcaklığındaki bir yüzeyle ona temas eden _W T ortalama sıcaklığına sahip _f bir akışkan arasındaki ısı transferi (5) numaralı denklemde gösterildiği şekilde hesaplanmaktadır (Özışık, 1977):

) (T_f T_W hA

Q= − (W) (5)

Burada h ortamın ısı transfer katsayısıdır.

Taşınım, vücut hareketiyle deri-giysi arasındaki hava tabakasının hareketlenmesine bağlı olarak meydana gelir. Bu durumda vücut-giysi arasında doğal taşınım gözlenirken çevre havasında da oluşan akıma bağlı olarak zorlanmış taşınım gözlenir. Vücudun hareketsiz olduğu durumda ise meydana gelen serbest taşınım, vücut ve çevre hava sıcaklık farklarının bir fonksiyonudur. (Searle, 1990).

Hava akımının hızına ve doğrultusuna bağlı bir olay olduğu için zorlanmış taşınımın etkilerinin belirlenmesi daha zordur. Vücudun hareketli olduğu durumdaki taşınım olayı oldukça karmaşık bir yapıya sahiptir, bu olaya ‘körük etkisi’ veya ‘pompalama etkisi’ denir (Searle, 1990). Hava hareketinin kumaş yapısı içerisindeki etkilerine bakıldığında ise havanın lif yüzeylerine tutunma eğiliminde olması nedeniyle lif inceliği azaldıkça artan yüzey alanına bağlı olarak hava hareketinin sınırlanması ve yapıda daha yüksek oranda hava bulunması söz konusudur. Bu durum iletim ve doğal taşınımla gerçekleşen ısı transferi üzerinde etkilidir.

1.5.1.3 Işıma (Radyasyon)

Farklı sıcaklıklardaki iki materyal bir vakumla birbirlerinden ayrıldıklarında aralarında iletim veya taşınım mekanizmalarına dayalı bir ısı transferinin gerçekleşmesi söz konusu değildir. Işıma, ısı transferinin elektromanyetik dalgalar vasıtasıyla gerçekleştiği bir mekanizmadır. Dalgalar, çok az bir kayıpla hava içerisinden geçebilirler, fakat bir nesneye çarptıklarında enerjilerinin büyük bir kısmı ısıya dönüşür. Işıma büyük oranda materyalin sıcaklığına bağlı olduğu için (T4 oranında) bir ısı transfer mekanizması sayılmayabilir. Bu mekanizma daha çok güneş, radyan ısıtıcılar ve ateş gibi çok yüksek sıcaklığa sahip nesnelerden ısı kazancı için geçerlidir. (Saville, 2000).

T1 sıcaklığında A alanına sahip siyah bir cismin T2 sıcaklığında bir ortamda bulunduğu düşünülürse, cisim 4

1 T

4 2 T

Aσ oranında enerjiyi (W) de absorblayacaktır. Cismin kaybettiği net radyoaktif enerji (6) numaralı denklemle ifade edilmiştir.

) ( 4 2 4 1 T T A Q= σ − (W) (6)

Burada, σ Stefan-Boltzman sabitidir (Özışık, 1977).

Vücuttan radyasyonla meydana gelen ısı transferinin belirlenmesi kolay değildir, çünkü giysi vücut üzerinde eğimli yüzeyler ve basınç bölgeleri oluşturur. Kumaş radyasyonla ısı iletimi için iyi bir araç değildir ve radyan ısıyı absorblama oranı yüksek değildir. Bu yüzden kumaş, güneşten gelen radyan ısıya karşı iyi bir koruyucudur (Kılınç, 2004).

1.5.1.4 Buharlaşma

Sıvı suyun su buharı haline gelmesi büyük miktarlarda ısı enerjisine ihtiyaç duyar. Vücut yüzeyinden suyun buharlaşması için gereken enerji, vücut yüzeyinden uzaklaşarak burada soğumaya neden olur. Çevre sıcaklığı vücut yüzey sıcaklığına eriştiğinde, taşınım ve ışıma vasıtasıyla gerçekleşen ısı kaybı son bulur. Çevre sıcaklığının vücut sıcaklığından yüksek olduğu durumlarda bu ısının vücuttan uzaklaştırılması için tek yol vücudun terlemesi ve oluşan bu terin vücut yüzeyinden buharlaşmasıdır. Buharlaşma, vücut yüzeyindeki doymuş su buharı basıncı ile çevre havasının kısmi buhar basıncı arasındaki farka bağlı olarak gerçekleşir. Vücudun iç kısımlarından ısı transferi ise solunumla gerçekleşir. Solunumla vücuda alınan hava akciğerlerde vücut iç sıcaklığına kadar ısıtılır ve geriye verilmeden önce doygun hale gelir. Sonuçta nefesle verilen hava dış ortama göre daha sıcak ve rutubet içeriği daha fazladır ve bundan dolayı nefes alma hem kuru hem de buharlaşmayla meydana gelen ısı transferi mekanizmalarını içerir (Searle, 1990).

Song’a (2003) göre, vücut tarafından üretilen ve kontrol altına alınıp uzaklaştırılması gereken ısı miktarı 30-600 W/m2 arasında değişir. Terleme mekanizması vücut yüzeyine yakın damarlardaki kan basıncının artırılması ile harekete geçer. Bu proses esnasında vücut iç sıcaklığı yaklaşık 1 ˚C artar ve terleme miktarı 10-20 katına çıkarak saatte 1.5 litreye ulaşabilir.

Buharlaşmayla vücut yüzeyinden uzaklaştırılan enerji (7) numaralı denklemle ifade edilebilir: ) ( _{S A} EV mA P P Q = − (7)

Burada; m giysinin geçirgenlik katsayısı, A yüzey alanı (m2_),

PS vücut sıcaklığındaki kısmi buhar basıncı (Pa), PA çevre sıcaklığındaki kısmi buhar basıncıdır (Pa).

Giysi, vücudun ürettiği metabolik ısının çevreye kaybını belirli oranda engelleyen bir bariyer olarak düşünülebilir. Şekil 1.11’de farklı ısı transfer mekanizmalarına göre deriden çevreye doğru gerçekleşen ısı transferi gösterilmiştir. Şekilde de görüldüğü gibi bahsedilen transfer olayında büyük oranda iletim ve taşınım mekanizmaları etkilidir. Vücuttan kaybolan ısının yaklaşık %90’ı (% 80’i iletim, taşınım ve radyasyon ve % 10’u buharlaşma) deri yüzeyinden, kalan % 10’u ise solunum yoluyla uzaklaşır. Vücut, kendisini çevreleyen hava tabakasını iletimle ısıtır ve ısınan havanın yükselmesiyle vücut çevresinde bir hava tabakası oluşur (Kılınç, 2004).

Şekil 1.11 Deri sıcaklığının çevre sıcaklığından yüksek olduğu durumda deri- giysi sistemi arasında meydana gelen ısı akışı (Kılınç, 2004)

İletimle gerçekleşen ısı transferi, farklı tekstil materyallerinin ve temas eden yüzeylerin termal iletkenlik değerleri tarafından belirlenir. Materyalin kimyasal

yapısına bağlı olarak değişen iletkenlik değerleri farklı materyaller ve lifler için Tablo 1.2’de verilmiştir.

Tablo 1.2 Farklı materyallerin termal iletkenlik değerleri (Kılınç, 2004)

Metal Cam Su Lif Hava

Termal İletkenlik* 200 1 0,6 0,2 0,025

Life göre 1000 5 3 1 1/8

Havaya göre 8000 40 25 8 1

Lif termal iletkenlik değerleri*

Pamuk Naylon Yün Poliester İpek Polipropilen

17,5x10-3 _{10,0 x10}-3 _{7,3 x10}-3 _{7,0 x10}-3 _{7,0 x10}-3 _{6,0 x10}-3

*: Termal iletkenliğin birimi W/mK’dir ve değerler 21 °C sıcaklık için geçerlidir.

1.5.2 Tekstil Materyallerinde Meydana gelen Su (Sıvı ve Buhar) Transfer