מחליף חום

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
מחליף חום בעל פלטות מתחלפות
מחליף חום צינורי

מחליף חום הוא מתקן שייעודו העברת חום מזורם אחד לזורם אחר. מפל הטמפרטורות בין הזורמים הוא הכוח הדוחף למעבר החום. ללא מפל טמפרטורות אין מתאפשרת העברת חום בין הזורמים.

מחליפי חום משמשים בתעשיית המטוסים והחלל, במיזוג אוויר, בתעשיית הרכב והמכונות, בייצור כימי ותרופתי, בטיפול בשפכים, ובבתי זיקוק לנפט ולגז בישול.

הדוגמה הנפוצה והידועה למחליף חום היא הרדיאטור (עברית: מקרן) של המכונית, המשמש להעברת חום ממים חמים - שמקורם במנוע והעוברים בצינורות בתוך הרדיאטור, אל האוויר - המוסע בעזרת מאוורר דרך כנפוני הרדיאטור.

מבנה הזרימה[עריכת קוד מקור | עריכה]

זרימה (א) נגדית (ב) מקבילה

יש שלשה סוגי זרימה במחליפי חום: זרימה מקבילה, זרימה ניגודית או זרימה חוֹצָה.

בזרימה מקבילה - שני הזורמים נכנסים אל מחליף החום באותו כיוון. לדוגמה במחליף חום המופעל על בסיס מים בלבד, המים בצינור החם ובצינור הקר מוזרמים במקביל, האחד לשני, ובאותו הכיוון. החסרון הוא בכך שלאחר העברת חלק מהחום, הצינורות מגיעים לשוויון במידות החום, ומעבר החום מופסק מכאן ואילך. שני הנוזלים יוצאים מן המערכת באותה טמפרטורה, שהיא טמפרטורת הכניסה +/- מחצית מההפרש בין מידות החום בכניסה.

אם המים החמים היו ב 60 מעלות צלזיוס, והקרים ב 20 מעלות צלזיוס, (הפרש של 40 מעלות) שני סוגי המים יצאו מן המערכת ב 40 מעלות.

בזרימה נגדית - הזורמים נכנסים למחליף החום בכיוון נגדי זה לזה. לדוגמה במחליף חום המופעל על בסיס מים בלבד, המים ב'צינור החם' יזרמו בכיוון הפוך למים ב'צינור הקר'. התוצאה תהיה שהמים בצינורות 'יחליפו תפקידים'. המים החמים יעבירו את מלא החום שלהם לקרים. מהצינור ה'קר' יצאו מים חמים בחום המקורי של הצינור החם, ומהצינור החם יצאו (בצד השני) מים קרים כמעט כמו אלו שבצינור הקר‏[1].

בזרימה חוצה (או: אנכית) הזורמים מאונכים זה לזה, ואין קשר בין מידת החום של הזורם הראשון (בדרך כלל בצינורות) והזורם השני (בדרך כלל אויר). דוגמה לכך הוא הרדיאטור (בעברית: מקרן) שבמכונית. האוויר מוזרם על פני הכנפונים, בלא תלות ברמות החום השונות של המים שבחלקי הרדיאטור השונים. תתקבל יעילות נמוכה של מעבר החום, וצורך בהשקעת אנרגיה רבה, יחסית, על מנת להעביר את החום מתווך אחד לשני.

סוגי מחליפי החום[עריכת קוד מקור | עריכה]

ניתן לחלק את מחליפי החום לשלושה סוגים עיקריים:

  • מחליפי חום סגורים - מתקנים שבהם אין מגע בין הזורמים. לכל אחד מהזורמים מסלול זרימה משלו. החום מועבר בהסעה מהזורם החם אל תווך מוצק (צינור או פלטה המפרידים בין הזורמים). דרך התווך המוצק, שיש לו מקדם מעבר חום גבוה, עובר החום בהולכה אל הזורם הקר ומתפזר בהסעה בזורם. מעבר החום איננו מקסימלי כי על החום לעבור דרך תווך בין הנוזלים, ובדרך עלולים להיות אבודי חום אל הסביבה.
  • מחליפי חום פתוחים - במתקנים אלו יש מגע ישיר בין הזורמים. הזורמים מתערבבים האחד בשני ובמהלך הערבוב מעבירים חום מן האחד לשני בהסעה. מעבר החום במחליף מסוג זה הוא מקסימלי מכיוון שאין התנגדות למעבר חום של תווך החוצץ בין הזורמים (לעומת מחליף חום סגור).
  • מחליפי חום מחדשים (רגנרטיביים) - במתקנים אלה קיימת יחידה מיוחדת, האוגרת את החום מן הזורם החם ולאחר מכן מעבירה אותו אל הזורם הקר, בקצב המתאים. הזורם החם נכנס למערכת ומעביר חום ליחידה האוגרת, לאחר יציאת הזורם החם, הזורם הקר נכנס והפעם החום מועבר מיחידת האגירה אל הזורם הקר. כמות האנרגיה המועברת במתקן זה תלויה בתכונות הזורמים השונים ובתכונות הפיזיקליות והגאומטריות של יחידת הזרימה, אך בדרך כלל הם בנויים לניצול גבוה יותר של האנרגיה, לאיבודים מופחתים, ולהעברת יותר מהחום אל הגוף הקר.

מחליפי חום סגורים[עריכת קוד מקור | עריכה]

דיאגרמה סכמתית עבור מחליף חום פלטות
פלטה במחליף חום

מחליף חום פלטות המורכב מפלטות המקבילות אחת לשנייה . הפלטות מופרדות האחת מהשנייה בעזרת אטמים. האטמים קיימים כדי למנוע דליפות של הזורמים החוצה ממחליף החום אל הסביבה או כניסה של חומרים מהסביבה פנימה ויצירת מסלולי זרימה נפרדים לזורמים העוברים במחליף החום ומניעת ערבוב ביניהם. הזורם החם מעביר את החום אל הפלטות המעבירות את החום היישר אל הזורם הקר.יתרונות מחליף החום:

  1. שטח מעבר חום גדול מאוד, ליחידת נפח מחליף חום.
  2. קל לתחזוקה וניתן לשינוי. ניתן לשנות את מספר הפלטות ובכך להגדיל או להקטין את קצב מעבר החום בהתאם לרצוי.

חסרונותיו של מחליף חום פלטות:

  1. האטמים מגבילים את עמידות המערכת. האטמים עמידים פחות מאשר הפלטות לטמפרטורה גבוהה ולחץ והם יכולים להישחק ולגרום לנזילות.
  2. במערכת הפסדי עומד גבוהים עקב מאמצי גזירה. שטח המגע בין הזורמים לפלטות גדול מאוד מה שגורם לעלייה במאמצי הגזירה.
  3. גודל החלקיקים בתוך הזורמים מוגבל למרווח בין הפלטות. חלקיק גדול מדי יגרום לחסימה ולירידה ביעילות מחליף החום.

מחליף חום קליפה וצינורות בנוי מצינור בעל קוטר גדול ובתוכו מספר צינורות בעלי קוטר קטן יותר כך שזורם אחד זורם בצינורות הפנימיים, ואילו הזורם השני זורם בצינור הגדול המכונה קליפה. מעבר החום מתבצע דרך דפנות הצינורות הפנימיים כאשר הבחירה באיזה חלק של מחליף החום יזרום כל נוזל תלויה בתכונות החומרים ובמטרות מחליף החום. בצינורות הקטנים נזרים לרוב זורמים בעלי תכונות קורוזיביות אשר ייתכן ויצרו בלאי בצינור. הצינורות הקטנים ניתנים להחלפה. ניתן להוסיף מחיצות בקליפה ובכך לגרום להגדלת מסלול הזרימה של הזורם החיצוני. על ידי מחיצות אלו גדל מעבר החום. יתרונותיו של מחליף החום קליפה וצינורות:

  1. המערכת פשוטה והתחזוקה שלה פשוטה יחסית.
  2. מחליף החום עמיד בטמפרטורות גבוהות ולחצים גבוהים.
  3. הפסדי החום במערכת קטנים ביחס למחליף חום פלטות.
  4. ניתן, על ידי שינוי מספר הצינורות והמעברים, לשלוט בקצב מעבר החום מזורם אחד לשני.

חסרונותיו של מחליף חום קליפה וצינורות:

  1. מקדם פאולינג גבוה בצינורות. הצטברות המשקעים גורמת לירידה ביעילות מחליף החום.
  2. מעבר החום תלוי בזמן השהייה של הזורמים בצינורות, וזמן השהייה תלוי באורך הצינורות. מכאן, שאורך הצינור מגביל את כמות החום המקסימלית שניתן להעביר.

מחליפי חום פתוחים[עריכת קוד מקור | עריכה]

במתקן זה יש מגע ישיר בין הזורמים. הזורמים מתערבבים האחד בשני ובמהלך הערבוב מעבירים חום מן האחד לשני בהסעה. מעבר החום במחליף מסוג זה הוא מקסימלי מכיוון שאין התנגדות למעבר חום של תווך החוצץ בין הזורמים (כמו במחליף חום סגור).

יתרון נוסף הוא שאין משקעים הגורמים לחוסר יעילות של מחליף החום . רצוי להשתמש במחליף חום זה בעיקר ששני הזורמים הם מאותו חומר כמו למשל קיטור ומים.

אם הזורמים אינם מאותו החומר, המעבר במחליף גורם לדילול הזורם ונדרשת הפרדה בסוף התהליך, דבר שלא תמיד אפשרי ודורש מתקנים מיוחדים.

מחליף חום קיטורי[עריכת קוד מקור | עריכה]

מחליף חום קיטורי - מחליף חום פתוח המשמש ליצירת מים חמים על ידי ערבוב ישיר של קיטור ומים קרים. בתוך המכל בנוסף לזורמים יש כדורי זכוכית המגדילים את שטח המגע בין הזורמים על ידי הארכת מסלולי הזרימה שלהם וגרימת טורבולנציה. הודות לכדוריות גדל מעבר החום בהסעה בין הזורמים. יתרונות מחליף החום: 1.ניצול החום הכמוס על ידי מעבר הפאזה. 2.יעילות גבוהה של מחליף החום עקב המגע בין הזורמים. חסרונות מחליף החום: 1.מוגבל לחומרים הניתנים לערבוב במעבר פאזה. 2.משמש רק לחימום.

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ ר' מנגנון זרימה נגדית להסבר התופעה