Hava Nedir? Sıvı Hava Nasıl Elde Edilir?

Bir Türboreaktörün yakıtını yakıcı maddesini beslemek için kullanılan kopresör

Yer atmosferini oluşturan gaz karışımı.

Eski Yunan’da hava, her zaman yaşamın sürmesini sağlayan, canlıların ve maddenin oluşumuna katkıda bulunan (Anaksimenes’e göre) temel öğe olarak kabul edilirdi. Hava, İ.Ö. V. yy’da Empedokles tarafından geliştirilen kuramın “dört öğesinden” biri olarak görülüyordu ama, kimyasal yapısıyla ilgili ilk yaklaşımlar Scheele (1771), j.Priestley (1774), H. Cavendish’in (1784) deneyleri sonucunda ancak XVIII. yy’da ortaya atıldı. Öte yandan, Lavoisier, havanın iki temel bileşenini tanımladı: Oksijen ve azot.

Hava, bir gaz. karışımıdır. % 78,09 (hacim oranı) azot, % 20,95 oksijen, % 0,93 argon ve % 0,03 karbonik anhidrit (ya da karbon dioksit) içerir. Bir milyon litre havada, on-oniki litre ile birkaç santilitre arasında değişen oranlarda, yani çok küçük miktarlarda neon, helyum, kripton, hidrojen ve ksenon da bulunur. Ayrıca radon ve ozon izlerine de rastlanır.
Havada, iklim ve mevsime göre değişen miktarlarda su buharı, amonyak, kükürt dioksit ve gaz haldeki çeşitli kirleticiler de bulunur; havadaki öbür maddelerse, doğal bir çevreye ya da bir sanayi bölgesine göre değişen, çok farklı miktarlardaki az ya da çok kirletici etkisi olan tozlar ve mikroorganizmalardır. 0°C’ta ve 760 mm cıva basıncı altındaki 1,3 gr hava, 1 litrelik bir yer kaplar. Su ısıtıldığında oluşan ilk kabarcıklar, hava kabarcıklarıdır ama, hava suda az çözünür (0°C’taki bir litre suda 30 sm3). Birçok elementin yanmasını ve ağıryükseltgenmeleri sağlayan oksijen sayesinde, hava, yakıcı madde olarak kullanılır: Nitekim, demirin paslanmasına yol açan, su buharıyla oksijenin birbirine karışan etkisidir. Çok önemli olan bir başka dolaylı yükseltgenme olayı da, canlıların solunumudur: Soluk alma sırasında havanın içe çekilmesi, her oluşturucu hücreye oksijenle beslenme ve glikoz gibi maddeleri yükseltgeme olanağı verir. Böylece, karbon dioksit gazı ve su oluşur; bunlar soluk verme sırasında atmosfere atılırlar. Açığa çıkan enerji, cismin sıcaklığının korunmasında ve yaşam için gereken öbür kimyasal tepkimelere enerji sağlamada kullanılır. Yeşil bitkiler de soluk alırlar ama bunlar karbon dioksit ile su kullanırlar, kendilerini oluşturan ve hayvanların beslenmesini, dolayısıyla da yaşamlarını sağlayan organik maddeleri (güneş enerjisi sayesinde) bireştirirler. Klorofil, bu temel tepkimenin katalizörüdür: oksijen atmosfere bırakılır. Yeşil bitkiler, böylelikle, canlıların solunumuyla bozulan hava bileşenlerinin dengesini korurlar. Atmosferdeki azot, azot bakterisi gibi bakteriler tarafından doğrudan doğruya protitleri tüketerek, azot depolarını oluşturan bazı klorofilsiz-bitkiler ve hayvanlar tarafından da dolaylı olarak kullanılır. Bir fırtına sırasında azot, nitrik asite dönüşebilir ve yağmur suyuyla sürüklenerek, toprağı nitrat açısından zenginleştirir. Sanayinin amonyağa dönüştürebildiği bu azot, gübre olarak kullanılır. Gezegenimizi çevreleyen büyük hava kütleleri, havanın bir akışkan olmasından kaynaklanan çeşitli olayların merkezidir. Bu olaylar, özellikle meteoroloji, yerbilim (aşınma), iklimbilim, vb. alanlarını ilgilendirir.

Sıkılaştırılmış Hava

Linde aygıtı ve Eksiksiz damıtma ve sıvılaştırma birimi

Mekanik araçlarla, atmosfer basıncından yüksek bir basınca ulaştırılan üretme aygın. havaya, sıkıştırılmış hava denir. Sıkıştırılmış hava, madenlerde ve bayındırlık işlerinde taşınabilir araç-gereçlerde, sanayi alanında boyamada, vb. işlerde, deniz altına dalışlar sırasında dalgıç elbiselerinin beslenmesinde, otomobil sanayisinde fren birimlerinin denetiminde, tren ve metroların vagon kapılarının açılıp kapanmasında, denizcilikte denizaltı sarnıçlarındaki suyun boşaltılmasında ve daha birçok alanda yararlanılan, oldukça ilgi çekici bir enerji kaynağıdır.

Bu uygulama alanlarında kullanılan enerji, kullanımdan önce kompresörlerde üretilerek, geçirimsiz bir biriktirme deposunda saklanır. Biriktirme deposu içindeki basınç, kullanım basıncının iki yakın değeri (kompresörün durmasını denetleyen bir tepe değer ve çalışmasını sağlayan bir ali değer) arasında tutulur. Böyle bir düzeneğin, kompresörün rejimini kullanım koşullarından bağımsız kılma üstünlüğü vardır. Bazı özel kullanım biçimlerinde bu ilkeden yararlanılmaz.

Sıkıştırılmış havanın üstünlüğü, basit biçimde işleyen, dolayısıyla dayanıklı olan ve az bakım isteyen aygıtların beslenmesine olanak sağlamasıdır. Öte yandan, sıkıştırılmış havanın hiçbir tehlikesi olmadığından, sık sık patlama söz konusu olan durumlarda (sözgelimi, grizulu maden ocaklarında) ya da patlayıcı kullanılmaması gereken durumlarda (sözgelimi, kent ortamındaki çalışmalarda) kullanılır. Sıkıştırılmış havanın bir başka üstünlüğü de, bir çok aygıtın aynı depodan beslenmesini sağlayan kullanım esnekliğidir. En büyük sakıncası, maliyetinin yüksek olmasıdır; bunun nedeni, özellikle gerekli aygıtların düşük verimi ve kanallardaki önemli yük kayıplarıdır; bu yüzden söz konusu kanalların uzunluğu, ancak birkaç yüz metredir.

Her ne kadar depo hacimlerini küçültmek ve söz konusu olacak kuvveti artırmak için yüksek basınçların kullanılması gerekirse de, her zaman kullanılan basınçlar, on ban (1 bar= 105 pascal) aşmaz; bunun nedeni de, taşımayı esnek kanallar aracılığıyla gerçekleştirmek ve kaçak olasılığını azaltmaktır. Hava kompresörleri, gazlı türbinlerin, türboreaktörlerin, vb’nin yakıtlarını yakıcı madde bakımında besleme organıdır (Bkz. Çiz. 1).

Sıvı Hava

Sıvı hava üretme aygıtı

Havayı sıvılaştırmak için -140°C’lık ya da bunun altında sıcaklıklar gerekir. Soğutma, adiyabatik (ısı iletmez) biçimde, yani dış ortamla gaz arasında ısı alış verişlerini engelleyen bir ısıl korunmayla sağlanan sıkıştırılmış gazın genleşmesi sonucunda elde edilir.

Sıvılaştırma ilk olarak 1898’de Linde tarafından özel bir aygıtla (Bkz. Çiz. 2) gerçekleştirildi. Düşük sıcaklıkta, kanalları tıkayan tabakaların oluşumunu önlemek için, içerdiği su buharı ve karbon dioksitten temizlenen hava, 1 atmosferden 40 atmosfere, sonra da 40 atmosferden 200 atmosfere kadar sıkıştırılır. Önce bir su akımıyla ortam sıcaklığına, sonra da sıvı amonyakla -60°C’a kadar soğutulur, iyi bir ısı iletkeni olan ve dış ortamdan ısıl olarak yalıtılan bir S sarmal borusundan geçer. Genleşme musluğunun açılması, basıncın 200 atmosferden 40 atmosfere düşmesine neden olur; bu olaya, gazı sıvılaştırmak için tek başına yetersiz olan, ama S’yle eşmerkezli bir S’ sarmal borusunda genleşmiş gazın yollanmasında yararlanılan yetersiz bir soğuma eşlik eder; SS’ bütünü bir sıcaklık değiştiricisi oluşturur. Genleşmiş olan gaz, kompresörler düzeyine dönerek sıkıştırılmış gazı soğutur. Yaklaşık yarım saatlik bir süre içinde, sıkıştırılmış havanın sıcaklığı -120°C’a düşer; genleşme bunu sıvılaşma sıcaklığı olan -140°C’a götürür. Havanın % 10’u sıvılaşır.

Linde yöntemi serbest genleşmeyi, yani yalnızca akma yoluyla genleşmeyi oluşturur. G. Claude’un tasarladığı dış işle genleşmeye dayanan yöntemde büyük bir gelişme söz konusudur. Bu yöntemde, genleşen gaz, sözgelimi bir makinenin pistonunu ittirerek, yapabildiği bütün işi vermeye zorlanır. Çok etkili olan bu genleşme biçimi, ayrıca, gazın sıkıştırılması için gereken işin bir bölümü kazanıldığından son derece elverişlidir. Buna karşılık, gerçekleştirilmesinde bazı güçlüklerle de karşılaşılır (düşük sıcaklıkta yağlama). 40 atmosferde sıkıştırılmış ve ortam sıcaklığına soğutulmuş olan hava, bir C silindiri içinde 1 atmosfere kadar genleşir (Bkz. Çiz. 3). Bir sıcaklık değiştirici (T ve T’ tüpleri) kullanılarak, belli bir süre sonra, genleşme sayesinde hava, atmosfer basıncında ve -190°C’ta sıvılaştırılır. Bununla birlikte, -160°C sıcaklığı aşmaya çalışmamak gerekir. Bunun için de, genleşme 40 atmosferden 8 atmosfere ve 8 atmosferden 1 atmosfere olmak üzere 2 bölümde gerçekleştirilir. 40 atmosferde sıkıştırılan hava, -140°C ta sıvılaştırıcı adı verilen sıcaklık değiştiricileri içinde sıvılaşana kadar soğutulur (Çiz. 4’te Claude aygıtı görülmektedir).

Sıvı havanın gök-mavisi bir rengi vardır. Özgül ağırlığı suyunkine yakındır. Katılaşma sıcaklığı atmosfer basıncında -220°C dolaylarındadır. Adi bir kap içinde kaynamaya başlar ve hızla buharlaşarak şiddetli bir soğuk yaratır. Olası en iyi koşullarda saklanabilmesi için, aralarında vakum oluşturulmuş çift çeperli kaplardan yararlanılır; bu kaplar laboratuvarlarda camdan (Devvar’ın geliştirdiği Arsonval kapları) yapılır; yüksek sığalı sanayi kaplarıysa metaldendir. Sıvı hava, güçlü bir soğutucu olarak kullanılır. Sanayide en çok kullanılan soğuk kaynağıdır.

Cisimlerin düşük sıcaklıklardaki, ilgi çekici özelliklerinin açığa çıkmasını sağlamıştır. Nitekim, sıvı havaya batırılan kauçuk, cam gibi sert ve kırılgan olmakta, demir bir telse, çekmeye karşı olağan sıcaklıklardakine oranla çok daha yüksek bir direnç ve aynı anda büyük bir kırılganlık kazanır. Havanın sıvılaştırtması, sanayide büyük önem kazanmıştır, çünkü sıvı hava damıtıldığında bileşenlerine ayrılır. Sıvı azotun, sıvı oksijenden daha uçucu olmasından yararlanılır (Çiz. 5’te, eksiksiz bir damıtma ve sıvılaştırma birimi görülmektedir). Alt sütuna tabanından sürekli sıvı hava dolar. Bu sütun yaklaşık 5 atmosferlik bir basınç altında çalışır (orta basınç sütunu) ve sıvı havayı iki evreye (sütunun altında oksijen yönünden zengin bir sıvı, tepesindeyse aşağı yukarı arı azot) ayırır. Sıvılaşan azot, atmosfer basıncı altında çalışan üst sütunun (alçak basınç sütunu) tepesine yollanır. Bu koşullarda,üst sütun altta arı ve sıvı oksijeni tepedeki arı ve gaz haldeki azottan ayırır. Bu, arı oksijen ve arı azot hazırlamada yararlanılan en iktisadi yöntemdir.

Damıtmayla, soy gazlar havadan ayrılmış ve bunların elde edilmesi sayesinde aydınlatma tekniğinde ilgi çekici gelişmeler sağlanmıştır.

Hadi Paylaş!