מיזוג אוויר

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

קפיצה אל: ניווט, חיפוש

הדף "מזגן" מפנה לכאן. לערך העוסק בעיר נמל במרוקו שנקראה בעבר מאזאגאן, ראו אל-ג'דידה.

חלקה החיצוני של מערכת מיזוג אוויר. מערכות אלו ממוקמות לעתים תכופות בתוך חלון או, כמו במקרה זה, בתוך חור רבוע בקיר

יחידת מיזוג אוויר ביתית כפי שהיא נראית בבית.

מערכת מיזוג אוויר (או מזגן) היא מערכת שנועדה להוציא חום משטח מסוים באמצעות מנגנון קירור. כאשר קיימת מערכת מלאה של איוורור, קירור וחימום היא מכונה לעתים מערכת בקרת אקלים.

[עריכה] היסטוריה

המדען והממציא הבריטי מייקל פאראדיי גילה כי דחיסתו והפיכתו לנוזל של גז מסוים יכולה לצנן את האוויר כאשר מאפשרים לאמוניה נוזלית להתאדות. הראשון ליישם רעיון זה היה ג'ון גורי, רופא מאפלצ'יקולה שבמדינת פלורידה בארצות הברית שיצר בשנת 1842 מכונה ליצירת קרח שהשיבה רוח על פני דלי של קרח, כדי לצנן חדרי חולים בהם שכבו חולי מלריה וקדחת צהובה. גורי רשם פטנט על ההמצאה, אך אחרי מותו של המממן העיקרי שלו בשנת 1851 לא הצליח גורי למצוא מממן מתאים להמשך פיתוח ההמצאה, שסבלה מדליפות ומפעולה לא אחידה. גורי האשים בכשלונו את פרדריק טיודור, "מלך הקרח" במדינה. לפי כותבת הביוגרפיה שלו, ויויאן מ. שרלוק, סבר גורי כי טיודור הפעיל מסע השמצות נגדו. מסקנתו הסופית ביחס להמצאה, עם זאת, הייתה כי היא "הקדימה את צורכי המדינה." גורי מת בשנת 1855 ועמו שקעה גם המצאתו.

מערכות מיזוג אוויר עבור מוסדות רפואיים או עבור מוסדות ציבוריים החלו להיווצר בסוף המאה התשע עשרה. אחד היישומים הראשונים של טכנולוגית מיזוג האוויר נוצר על ידי המהנדס אלפרד וולף מהובוקן שבמדינת ניו ג'רזי, שיצר בשנת 1902 מערכת המספקת צינון וחימום לבורסה בניו יורק.

באותה שנה יצר ויליס הבילנד קרייר מערכת מיזוג אוויר עבור בית דפוס גדול בברוקלין שבניו יורק. המערכת של קרייר סייעה גם בהשגת טמפרטורה נמוכה, וגם בהורדת רמת הלחות, כדי למנוע עיוותים בצורת הנייר ובמריחת הדיו בעת ההדפסה. מעט מאוחר יותר, בשנת 1906 ניסה סטיוארט וו. קריימר משרלוט שבצפון קרולינה למצוא דרכים להורדת הלחות באוויר במפעל הטקסטיל שלו. קריימר שילב שליטה בלחות ואיוורור כדי לבקר את רמת הלחות והחום במפעל. קריימר היה גם זה שלו מיוחסת טביעת המונח "מיזוג אוויר," בה השתמש בתביעת הפטנט שלו, כדי להבחין את המונח מ"מיזוג מים" שהיה הליך מקובל במפעלי טקסטיל.

מערכות מיזוג האוויר המודרניות הראשונות — הראשונה בהן היא זו שהותקנה בבית החולים רויאל ויקטוריה בבלפסט שבצפון אירלנד בשנת 1915 — השתמשו בסוגים שונים של גזים רעילים כמו אמוניה וכלורומתאן, שגרמו לתאונות קטלניות כאשר דלפו. המהנדס האמריקני תומאס מידג'לי היה הראשון (1928) שעשה שימוש בגז הפריאון, שהתברר כבטוח יותר לשימוש. כיום, בגלל נזקי הפריאון לשכבת האוזון מופחת השימוש בו בהדרגה לטובת גז בטוח יותר בשם פיורון.

השימוש במיזוג אוויר במערכות ביתיות החל רק בסוף שנות הארבעים ובתחילת שנות החמישים.

[עריכה] יישומי מערכות מיזוג אוויר

ישנם שני סוגים עיקריים של יישומי מערכות מיזוג אוויר. הראשון, המכונה יישום נוחות מכוון להציע טמפרטורה אחידה, נוחה לבני אדם, בתוך שטח סגור, בלי קשר לטמפרטורה החיצונית. הטענות לפיהן מערכות מיזוג אוויר מגבירות את פוריות העבודה שנויות במחלוקת (חלק מהחוקרים סבורים כי השינוי נובע מאפקט הות'ורן), אך מערכות מיזוג אוויר פותרות את אחת הבעיות העיקריות הקשורות ב"תכנון עומק" של בניינים, באפשרן בניית בניינים רחבים יותר וגבוהים יותר. מיזוג האוויר מאפשר איוורור ואספקת אוויר צח לחללים פנימיים ולחדרים בקומות גבוהות, בהן השימוש באיוורור טבעי באמצעות רוח אינו אפשרי בגלל מהירות הרוח.

יישום אחר של מערכות מיזוג מכונה יישום תהליך וייעדו לספק סביבה המתאימה לקיום תהליכים מסוימים התובעים סביבה בטמפרטורה אחידה, כמו חדרי ניתוח בבתי חולים, תהליכים "חדר נקי" בייצור תרופות או שבבי מחשב, מתקנים במעבדות, מיזוג אוויר במטוסים, ועוד.

[עריכה] עקרון הפעולה

מעבה -1
שסתום התפשטות -2
מאייד - 3
מדחס - 4

עקרון הפעולה עליו מבוסס המזגן הוא חוק פיזיקלי לפיו לצורך הפיכת נוזל לגז (הרתחה) יש להשקיע בו חום ולצורך הפיכת גז לנוזל (עיבוי) יש לגרוע ממנו חום. החום הדרוש לשינוי מצב הצבירה מכונה גם "חום כמוס" מאחר שבתהליך שינוי מצב הצבירה (המבוצע בלחץ קבוע) אין שינוי בטמפרטורה. חוק פיזיקלי נוסף עליו מבוסס עקרון הפעולה של המזגן הוא שטמפרטורת תהליך שינוי מצב הצבירה (מנוזל לגז או מגז לנוזל) תלויה בלחץ, כך שכאשר הלחץ עולה, טמפרטורת שינוי מצב הצבירה גבוהה יותר, ולהיפך.

עקרון הפעולה של המזגן הוא למעשה העברת חום באמצעות שינוי מצב צבירה של קרר, נוזל קירור כגון אמוניה או פחמן כלורו-פלואורי (CFC) במזגנים מודרניים, המתעבה תחת לחץ גבוה בטמפרטורה גבוהה (ומוסר חום לאוויר החיצוני) ומתאייד תחת לחץ נמוך בטמפרטורה נמוכה (וגורע חום מהאוויר בחדר). הגז מכיל בתוכו מעט שמן סיכה (לסיכת המדחס).

המבנה הסטנדרטי הוא כזה:

גז בלחץ נמוך ובטמפרטורה רגילה נכנס למדחס (4 באיור), שם מושקעת עבודה לדחיסת הגז באמצעות מנוע חשמלי. הגז יוצא בלחץ גבוה, ובטמפרטורה גבוהה (עקב חוק הגז האידאלי).
הגז הדחוס החם מוזרם בצינורות המעבה (1 באיור), כאשר אוויר (או לעתים מים) המוזרם בעזרת מאוורר מקרר את הגז הדחוס עד טמפרטורת שינוי מצב הצבירה (הגבוהה עקב הלחץ בו הוא שרוי) והופך אותו לנוזלי.
הנוזל היוצא מהמעבה נמצא בלחץ גבוה, והוא מוזרם דרך שסתום התפשטות (2 באיור), חריר או צינור נימי (קפילר), להורדת הלחץ.
הנוזל שכעת בלחץ נמוך, מוזרם למאייד (3 באיור), שם באופן טבעי עובר התאיידות עקב ההפחתה של הלחץ. היות שנוזל מתאדה סופח בו חום, האוויר הבא במגע עם הנוזל מתקרר. מאוורר משמש לזירוז התפשטות האוויר המקורר בחדר. הגז יוצא מהמאייד בלחץ נמוך ובטמפרטורה רגילה וחוזר למדחס לסיבוב נוסף.

תהליך הקירור של המזגן מבוצע באמצעות הרתחה (איוד) של נוזל בלחץ נמוך. המאייד הוא מחליף חום. מאיידים מטיפוס התפשטות ישירה (Direct expansion) מורכבים מצינורות שבתוכם מוזרם קרר, במצב הצבירה הנוזלי בלחץ נמוך. כאשר הלחץ נמוך, נמוכה גם הטמפרטורה שבה מתרחש שינוי מצב הצבירה. מחוץ לצינורות מוזרם אוויר מהחדר ו מים. לצינורות מחוברות צלעות לצורך הגדלת השטח ושיפור מעבר החום. הנוזל בתוך הצינורות סופח חום מהאוויר המוזרם על פני הדפנות החיצוניות של הצינורות והופך לגז. האוויר מהחדר, המוזרם על פני הצינורות, מעביר חום לנוזל שרותח ועקב כך מתקרר.

במאיידים מוצפים (flooded) זורם הקרר מחוץ לצינורות, ואילו בתוך הצינורות זורמים מים או אוויר. המים מוסרים חום לקרר וכך הם מתקררים. המים המקוררים (chilled water) מסופקים ליחידת-קצה (יחידת טיפול באוויר, יחדית מפוח נחשון או יחידת Air water) שבה סליל קירור נוסף, שמשמש כמחליף חום בין האוויר המטופל למים המקוררים.

[עריכה] סוגי מזגנים

מזגן חלון – כל רכיבי המזגן ארוזים בתוך אותה מעטפת. מזגן זה הוא חלש יחסית, כי בגלל מגבלת מקום, החלקים שלו קטנים. התכונה המרכזית של המזגן היא קלות ההתקנה. מכיוון שניתן להתקין אותו על ידי הנחתו בחלון, וסגירת שאר הרווח באמצעות החלון.
מזגן מפוצל – מזגן בו הרכיבים מפוצלים לשני מארזים: מארז אחד לצד הקר, ומארז אחד לצד החם. בצד הקר מצויים כפתורי ההפעלה, מקרן הקירור ומאוורר. ובצד החם מצויים המדחס, מקרן החימום והמאוורר הנוסף. בין שני המארזים יש צינור המוביל את הגז הקר והחם, כבל חשמלי וכן צינור לניקוז המים שנוצרים מההתעבות בחלק הקר. מזגן זה יכול להיות בעל עוצמה רבה, כאשר גורם הרעש העיקרי נמצא מחוץ למבנה. מזגנים מסוג זה מסוגלים למזג את האוויר גם בשטחים גדולים מאוד כמו קניונים ובנייני משרדים.
מערכת קירור מים – במקומות בהם צריך להעביר את הגז הקר למרחק גדול בין המדחס לבין החלק הקר, משתמשים במערכת קירור מים. במקומות כאלו מזגן מפוצל רגיל מאבד את יעילותו. ולכן, מצננים מים לטמפרטורה נמוכה בעזרת הגז, ואז מזרימים את המים לאורך הצנרת למרחקים גדולים. בצד הקר, האוויר נושב על המים, וכך נפלט קור למקום הדרוש.
מגדל קירור – כדי לייעל את תהליך פיזור החום מהמקרן החם ניתן להשתמש במים מקוררים. את המים מקררים בתהליך התאדות בו המים מטפטפים ועליהם מוזרם אוויר – מה שגורם לצינון המים. קירור המקרן החם באמצעות המים תורם לחסכון באנרגיה חשמלית לטווח הארוך. בתהליך ההתאדות פוחתת כמות המים במערכת ויש לפצות על כך בהוספת מים חדשים. במדינת ישראל, דלת מקורות המים, מהווים מגדלי הקירור צרכני מים גדולים, ואינם תורמים, בסופו של דבר לחסכון [1].

[עריכה] עוצמת המזגן

עוצמת המזגן נמדדת ביחידות BTU ‏(British Thermal Units), השוות ל- 1,055 ג'אול. 1 BTU הוא כמות האנרגיה הדרושה לחימום פאונד אחד של מים (0.45 קילוגרם) לטמפרטורה של פרנהייט אחד (0.56 מעלות צלזיוס). בנקיבת עוצמת הקירור של מזגנים משתמשים ביחידות של BTU בשעה (אם כי הנוהג הנפוץ והמטעה הוא לקרוא לכך רק "BTU"). כאשר מדובר במזגנים, טון קירור אחד שווה ל-12,000 BTU.

כדי לחשב את יעילות המזגן, מחלקים את כמות ה-BTU שהמזגן מפיק בהספק החשמלי שהוא צורך. לדוגמה: למזגן שמפיק 18,000 BTU ושצורך 2,250 ואט תהיה יעילות של 8 EER ‏(Energy Efficiency Ratio).

מדד אחר ליעילות המזגן הוא: COP - Coefficient Of Performance. ניתן להמיר את היעילות מ-EER ל-COP באמצעות חלוקה ב-3.413. לדוגמה מזגן בעל יעילות של 8 EER הוא למעשה בעל יעילות של 2.34 COP.