Ameliyathane Basınç ve Hava Akışı hesaplama metodunda, temiz oda örneği olarak rutin cerrahi operasyonlar kapsamındaki batın bölgesi müdahalelerinin yapıldığı aseptik özellikte türbülans akışlı bir ameliyathane ele alınarak, ameliyathane ile komşu bölümler arasında temiz -az kirli – kirli sıralamasına uygun hava akışının oluşturduğu akma basıncı; genel gaz kanunları ve benzer şekilde farklı basınç bölgesi oluşturmaya dayanan “Duman Kontrol Yöntemi Basınçlandırma” prensiplerinden faydalanılarak basit hesap yöntemleriyle açıklanmaya çalışılmıştır.
Oda iç basınç hesaplarında ideal gaz kanunları ve eşitlikleri, akış havası basınç ve debi hesaplarında ise aynı amaca ulaşmak için kullanılan; kapalı kapılar arkasında basınç farkları yaratarak duman girişinin önlenmesine yönelik “BS 5588 Part 4”de belirtilen “Duman Kontrolünde Kaçış Yollarının Basınçlandırılarak Korunması” esaslarındaki kapı açıklıklarıyla ilgili yöntem ve eşitlikler kullanılmıştır. Duman kontrolünden farklı olarak akış yolları belirlenirken paralel, seri veya kombinasyonları yerine hava akışı prensiplerine göre mimari tasarım ve efektif akış alanı olarak ameliyathane kapı çevresi sızdırma alanları kabul edilmiş, elektrik armatürleri yarattıkları sonuçlara dikkat çekmek için örnek olarak verilmiştir.
Buradaki amaç; “kapalı bir kapı ile ayrılmış iki ortam arasındaki basınç farkı” zaten veri olarak bilindiğinden, oda içerisindeki fazla havanın hesap edilen akış alanından sızarak istenilen basınç farkını yaratacak debiyi sağlayıp sağlamadığının kontrol edilmesidir.
Oda iç basıncının tespitinde yararlanılan ideal gaz kanunu eşitlik açılımı:
P V = M R T
P = Mutlak basınç, ( Pa )
V = Gaz hacmi, ( m³ )
M = Gaz kütlesi, ( Kg )
R = Evrensel gaz sabiti, 287 ( J/Kg-K )
T = Mutlak sıcaklık, ( K )
Akış debisi ve basıncı eşitliği açılımı:
Q = 0,83 A √ P
Q = Sızmasına müsaade edilen / sızan hava miktarı, debi, (m³/s)
0,83 Sabit katsayı, boyutsuz
A = Akış alanı, ( m² ) (Hava sızmasının sağlandığı iki bölüm arasındaki yapı elemanının sızıntı boşluk alanı )
P = İki ortam arasındaki basınç farkı, ( Pa )
Örnek
-Türbülans akımlı, %10 pozitif basınç bölgesi uygulanan aseptik özellikte rutin cerrahi müdahalelerin yapıldığı bir ameliyathanede:
-Salon ölçüleri 6 * 6 m, yükseklik asma tavan altından net 3,5 m.
(Üfleme asma tavan alt seviyesinden yapıldığı için etkin ameliyathane hacmi olarak asma tavan alt seviyesi kabul edilmiştir.)
-Ortalama sıcaklık t i ç = 26 C nem oranı % 50 RH şartlarındaki havanın yoğunluğu d = 1,173 Kg/m³
-Üfleme havası V ü = 2400 m³/h, egzoz havası Ve = 2160 m³/h olarak belirlendi.
-Rezerv hava (Odada bırakılan fazla üfleme havası) ΔV (Q) = 240 m³/h → 0,0666 m³/s
-Hava akış yönü, ameliyathaneden koridora.
-Ameliyathane ve koridor arasında oluşması istenen pozitif basınç farkı ΔP = +15 Pa (Seçildi)
-Koridor nötr (±) basınç bölgesi.
-Ameliyathane Kapısı : 1,5 * 2,2 m ölçülerinde, sürgülü bir yana açılan tek kanatlı tip. Montajlı halde tüm kapı çevresi boyunca 2,5 mm hava sızma boşluğu olduğu üretici bilgilerine göre tespit edildi.
-Kapının dışında herhangi bir akış alanı bulunmamaktadır.
Çözüm
1-İdeal gaz kanununa göre üfleme–egzoz havası farkı ile oluşan oda basıncı ( Teorik olarak odadan sızma olmaması hali):
P0 ( 6 * 6 * 3,5 ) = 0,0666 * 1,173 * 287 * (273+26)
P0 = 53,2 Pa
Ameliyathane içindeki şartlandırılmış %10 fazla üfleme havası etkisiyle meydana gelen + 53 Pa oda basıncı sayesinde kapıdan oluşacak hava akışı ile oda ve koridor arasında pozitif basınç farkı oluşacaktır.
Akış yollarının sadece kapı olması halinde mevcut fazla havanın Q = 240 m³/h (0,066 m³/s) sızması durumunda koridor ile ameliyathane arasında ne kadar basınç farkı sağlanır.
Q = 0,83 A √P
A1 = 2 ( 1,5 + 2,2 ) * ( 2,5 / 1000 ) = 0,0185 m²
0,066 = 0,83 * 0,0185 * √P → P1 = 18,475 Pa
18,475 > 15 Pa
Ameliyathane ile koridor arasında olması istenen ΔP = +15 Pa basınç farkını meydana getirmesi için gerekli hava debisi:
Q = 0,83 * 0,0185 * √15 = 0,059 = 0,06 m³/s → 216 m³/h
Görüldüğü gibi içerideki mevcut hava miktarı istenen pozitif basıncı sağlamaya yeterlidir.
2- Aynı kapı tipinin, çevresindeki sızdırma boşluğunun ortalama 3,5 mm olması halinde mevcut fazla havanın Q = 240 m³/h (0,066 m³/s) sızması ile oda-koridor arasında ne kadar basınç farkı oluşur.
A2 = 2 ( 1,5 + 2,2 ) * (3,5 / 1000) = 0.0259 m²
0,066 = 0,83 * 0,0259 * √P → P2 = 9,426 Pa
Sonuçlardan görüldüğü gibi kapı çevre boşluğunun sadece 1mm arttırılması halinde:
P1 basıncına göre: 18,475 – 9,426 = 9,049 Pa basınç farkı (yaklaşık yarı yarıya) azalmaktadır.
İstenen basınç farkı ile gerçekleşen basınç arasındaki fark: 15 – 9,4 = 5,6 Pa
Bu sonuca göre sistem, oda ile koridor arasında seçimi yapılan (15 Pa) basınç farkından 5,6 Pa eksik basınç farkı ile çalışmaktadır.
0,0259 m² akış alanından 15 Pa basınç farkı için gerekli hava debisi:
Q = 0,83 * 0,0259 * √15 = 0,0832 m³/s → 299,72 m³/h = 300 m³/h
Hesapta olmayan durumlar dikkate alınarak %10 gibi bir kabul katsayısı ile 330 m³/h kabul edilebilir.
Bu durumda:
15 Pa basınç farkını sağlayacak oda rezerv hava debisine ulaşmak için; ya, debi miktarlarını değiştirmek:
Toplam hava = 2400 + 330 = 2730 m³/h, egzoz havası 2400 m³/h olur,
veya yalnızca egzoz debisini değiştirmek: Toplam hava 2400 m³/h, egzoz havası 2070 m³/h olur, veya akış yolu alan ölçülerini düşürmeye yönelik kapı tadilatı gerekecektir.
Ortaya çıkan eksik basınçla çalışma; akış debisine göre kapı aralık ölçülerinin gereksiz şekilde büyük olmasının sonucudur. Tasarım sürecinde, debi değişikliklerinin toplam miktara oranı kabul edilebilir sınırlarda olması halinde, örnekte bahsedilen alternatif çözüm yollarından debiye ilişkin uygun seçeneklerden biri tercih edilebilir.
Ancak, bu tür küçük debi farklılıkları, gerek üfleme ve egzoz kanal ölçülerinin, gerekse fan kapasitesinin değiştirilmesinde çözüme yönelik etkili olmayan küçük miktarlardır. İşletme koşullarındaki bir yapıda ise, çeşitli mekanik tadilatlarla belli bir oranda fan debilerini değiştirmek mümkün olsa bile, örneğin filtre kirlenmesi veya değişik bölümlerde olası kanal kaçağına benzer durumlar, işletme süreci boyunca eksik basınçla çalışma koşullarını tekrar ortaya çıkarabilecektir.
Bu durumda sistemin eksik basınçla çalışmasının telafisi için: Her iki süreçte de cihaz tadilatı veya debi değişikliği gibi çözümler yerine, öncelikle gereksiz kapı sızma aralık ölçülerini küçültmek kalıcılığı yönünden daha akılcı ve pratik önlem olacaktır.
3- Örnek kapı tipini değiştirerek hasta sevkiyatında pratik olduğu kabul edilen veya alışkanlık nedeniyle sıklıkla kullanılan klasik tip iki kanatlı çarpma kapıyla problemin çözümü halinde: Kapı ölçüleri 1,5 * 2,2 m. kapı altı-zemin döşeme arasında 1,5 cm, kapı üstü-kasa arasında 0,5 cm, kasa ve iki yanlar ile iki kanat arasında 1,5 mm boşluk bulunsun. (İdeal montaj şartları varsayılarak duvar ile kapı kasası birleşiminde sızmaya sebep olabilecek boşluk olmadığı kabul edildi.)
A3 = ( 1,5 * 1,5 / 100 ) + ( 1,5 * 0,5 / 100 ) + 3 ( 2,2 * 1,5 / 1000 ) = 0,0399 m²
Mevcut hava debisi ile koridor arasında ne kadar basınç farkı sağlanabilir:
0,066 = 0,83 * 0,0399 * √P → P3 = 3,971 Pa
4 < 15 Pa Mevcut havanın istenilen basınç değerinden eksik basınç farkı yarattığı görülmektedir.
Bu kapının 0,0399 m² akış alanına göre 15 Pa basınç farkını sağlaması için gerekli hava debisi:
Q = 0,83 * 0,0399 * √15 = 0,1282 m³/s → 461,7 m³/h
Görüldüğü gibi piyasa ve uygulama koşullarına göre minimum kabul edilebilecek kapı kapanma boşluğu ölçüleriyle bulunan 0,0399 m² akış alanlı iki kanatlı çarpma kapıdan, koridora sızan mevcut 240 m³ hava debisi ile ancak; yaklaşık +4 Pa basınç farkı meydana gelmekte. Hâlbuki +15 Pa değerinde bir basınç farkı oluşturması için min. 462 m³/h hava debisine ihtiyaç bulunmaktadır.
Çeşitli sebeplerle kapı boşluklarını küçültme imkanı olmadığı varsayımıyla debi artışı seçeneğinin tercih edilmesi halinde:
2400 m³/h fan debisine, en az 462-240 = 222 m³/h (0,0616 m³/s) debinin ilave edilerek toplam hava debisinin: 2400 + 222 = 2622 m3/h tespit edilmesi gerekmektedir.
Böylesi hallerde, çeşitli kayıp olasılıkları ile fan seçim eğrileri de dikkate alınarak, cihaz kapasitesinin 3000 m³/h belirlenmesinin uygun olacağı düşünüldüğünde, sadece kapı boşlukları nedeniyle sistem yükünde % 25 gibi ( 600/2400 ) gereksiz bir artış söz konusu olmaktadır.
4- Çözüm.1 örneğine elektrik armatürleri açıklık alanlarını ilave ettiğimizde:
Oda içerisinde 15 adet armatür bulunduğunu varsayalım.
Her bir armatür çevresi 32 cm.
Her bir armatür ile duvar arasında 0,5 mm boşluk olduğu kabulüyle, akış alanı:
A4 = ( 0,5 / 1000 ) * 0,32 * 15 = 0,0024 m² akış alanı çözüm.1 akış alanına ilave edilirse
Σ A = A1 + A4 → 0,0185 + 0,0024 = 0,0209 m²
Oda havasına göre basınç farkı:
0,066 = 0,83 * 0,0209 √P → P4 = 14,475 Pa
Sadece kapı akış yoluyla sağlanan P1 = 18,475 Pa basınç farkı değerinin, 0,5 mm armatür boşluk
alanlarının ilavesiyle 4 Pa ( ~ %22 ) eksildiği görülmektedir.
Bu durumda Σ A akış alanına göre 15 Pa basınç farkı için toplam sızıntı havası miktarı:
Q = 0,83 * 0,0209 * √15 = 0,0671 m³/s → Q = 241,86 m³/h ~ 242 m³/h
Sonuçtan anlaşıldığı gibi minimum düzeyde kabul edilen armatür akış alanlarından sızan havanın: 242 – 216 = 26 m³/h, %12 oranında artışa sebep olduğu görülüyor.
5- Kapı çevresinin her bir metresi için referans değer olarak verilen 20 m³/h debiye göre örnek.1 kapı özellikleri uygulanırsa:
Q = 7,4 m * 20 m³/hm = 148 m³/h → Q = 0,041 m³/s,
Bu miktar havanın 0,0185 m² alandan sızması halinde:
0,041 = 0,83 * 0,0185 * √P → P5 = 7,168 Pa basınç farkı meydana gelir.
15 – 7,168 = 7,832 Pa eksik basınç oluşur.
0,0185 m² akış alanı ve 15 Pa basınç farkına göre en az:
216 – 148 = 68 m³/h ilave hava debisine ihtiyaç bulunmaktadır.
0,041 m³/s hava debisinin 15 pa basınç farkı meydana getirmesi için sızıntı alanı ne olmalıdır?
0,041= 0,83 * A5 * √15 → A5 = 0,01275 m²
Referans verinin kullanılması halinde, çevre uzunluğu 7,4 m olan kapıda 15 Pa basınç farkı için, 0,01275 m² sızıntı alanı oluşturacak ortalama kapanma boşluğu:
( 0,01275 / 7,4 ) * 1000 = 1,72 mm olmalıdır.
Tüm kapı çevresi boyunca kapanma boşluğundaki ortalama 2 -1,72 = 0,28 mm’lik fark sistemin yaklaşık 8 Pa eksik basınçla çalışmasına sebep olmaktadır.
Değerlendirme
Örnek hesap sonuçlarına göre, bir ameliyathane ile komşu bölüm arasında basınç farkı oluşturmak için; bu farkı meydana getirecek hava debisi ile basınç değerini tespit etmek yeterli olmamakta. Kapı türü ile kapı sızıntı alanlarının doğrudan etkili oldukları, gözle fark edilmesi mümkün olmayan milimetre ölçüsündeki boşlukların basınç farkı sonuçlarını ne derece değiştirdikleri çözüm.1, 2 ve 5 örneklerinde açıkça görülmektedir.
Çözüm.3’deki mevcut uygulama koşullarına göre düşük sayılabilecek çarpma kapı boşluklarının yarattığı sonuç, % 25 gibi hiçte ekonomik olmayan önemli bir debi karşılığına denk gelmektedir. Basınç dengesinin debi yoluyla karşılanması halinde ilave sistem yükü nedeniyle yatırım ve işletme maliyet artışı kaçınılmazdır. Diğer yandan, zaten çok eksik basınç farkı ile çalışan bu örneğe, farkına varılmayan çözüm.4 elektrik armatür boşluklarının da katılması ile oda basıncının negatif değer sınırına düşebileceği tahmin edilmelidir. Kalıcı çözüm olarak gereksiz kapı boşluklarının giderilmesi tüm bu olasılıkları ortadan kaldıracaktır.
Minimum düzeydeki elektrik armatür açıklıklarından; çözüm.4 örneğinde verilen 0,5 mm gibi; gerek fark edilmesi, gerekse önemsenmesi açısından hesaba alınmayan çok küçük bir boşluk değeri, sızma havasına göre önemli sayılabilecek %12 oranında hava kaçağına sebep olmaktadır. Bu tür kaçakların; hem basınç dengesi yönünden, hem de yönü belirsiz akış yolları oluşturmaları nedeniyle yapım ve işletme aşamalarında mutlaka önlenmesi gerekmektedir.
Çözüm.5’te, 20 m³/h referans değer örnek.1 kapıda uygulandığında; debinin akış alanına göre küçük olması nedeniyle tasarım basınç farkını karşılamadığı görülmektedir.
Zira, referans değerler, üretim ve montaj kalitelerinde standartın yakalanmış olduğu deneysel sonuçlara göre elde edilmiş verilerdir. Doğrudan bu değerlerin kullanımı ile hem pratik bir yöntem izlenmesi, hem de daha az hava miktarı ile tasarım basınç farkını elde etmek mümkün olmasına rağmen, özellikle montaj sürecinde kişiye göre kalite standartının değişebildiği ülkemizde, üretim ve montaj kalite standartları önem kazanmadıkça, hesapların kontrol ve revize edilmesi gerekecektir.
Hesaplamalardan anlaşılacağı gibi, basınç farkının 15 Pa’dan büyük seçilmesi ve/veya sızıntı alanının büyük olması halinde tasarım hava debilerinin yeterli olmayacağı açıkça görülmektedir.
Bu durumda, alışkanlık haline gelmiş; en az 2400 m3/h toplam hava debisinin %85-90’ı egzoz havası olarak ayrılıp, geriye kalan %10-15 oranındaki hava ile iç–dış ortam arası basınç farkını sağlamak tesadüflere bağlı ve ancak, kapıların belli özellikleri taşıması ile mümkündür. Hava akışını alışkanlıkların oluruna bırakan kabullenme metodu yerine, gerçek ve uygun akış alanlarının belirlenmesi ile hijyen ve steril ortam güvenliği kontrol edildiği gibi verimli kapasite kullanımı da sağlanabilecektir.
Kaynak: Celalittin KIRBAŞ, Makine Mühendisi