משאבת חום

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

משאבת חום היא התקן המוציא חום ממאגר חום אחד ומעביר אותו למשנהו, בדרך כלל ממאגר "קר" למאגר "חם". משאבת חום היא המרכיב החשוב ביותר במנגנון של: מקרר, מזגן ואמצעים דומים כגון: מצנני מים, חדרי קירור ומכונות לייצור קרח. שאר הרכיבים של מכשירים אלו הם אמצעי עזר לפיזור האוויר הקר, לפיזור החום ולבידוד, והם מבוססים על טכנולוגיות שהיו קיימות עוד לפני המצאת משאבת החום.

המונח "משאבת חום" משמש בשפת הדיבור בעיקר לשימוש כאמצעי לחימום מים עבור הסקה מרכזית, בריכות שחייה וצרכים דומים אחרים.

לפיתוח משאבות חום ולשימוש בהן, השפעה חשובה על אורח החיים ורמת החיים, במיוחד בארצות חמות. הכנת מזון, אחסונו ושיווקו, נוחות אקלימית בבניינים ובכלי תחבורה, כל אלו השתנו באופן דרמטי בזכות השימוש במשאבות חום.

המונח "משאבה" בהקשר של משאבת חום מייצג אנלוגיה לשאיבת מים: מים מטבעם זורמים ממקום גבוה למקום נמוך, חום מטבעו עובר ממקום בעל טמפרטורה גבוהה למקום בעל טמפרטורה נמוכה. משאבה היא מכשיר ההופך את כיוון המעבר או הזרימה.

סיווג משאבות חום[עריכת קוד מקור | עריכה]

אפשר לסווג משאבות חום לפי מקור האנרגיה המשמשת לקיזוז האנטרופיה:

דרך אחרת לסיווג משאבות חום היא לפי הסביבה שאליה נפלט החום בתהליך של קירור ומיזוג, והסביבה שממנה נשאב החום בתהליך של הסקה:

משאבת חום חשמלית[עריכת קוד מקור | עריכה]

שאיבת חום באמצעות אנרגיה חשמלית (ללא מנוע חשמלי) היא תופעה תרמואלקטרית הנקראת אפקט פלטייה (Peltier). אפקט זה מתקבל כאשר מעבירים זרם ישר דרך צומת של שתי מתכות שונות, או של מתכת ומוליך למחצה. אז צד אחד של הצומת מתקרר והשני מתחמם‏‏‏[1]

רכיב פלטייה בגודל 16X16 מ"מ, משטח אחד קר ומשטח שני חם

השיטה נמצאת בשימוש במקררים ניידים קטנים, אך שימושה העיקרי הוא קירור של רכיבים אלקטרוניים.

משאבת חום מגנטית[עריכת קוד מקור | עריכה]

שאיבת חום מגנטית מבוססת על האפקט המגנטוקלורי, המתבטא בכך שחומרים מסוימים משנים את הטמפרטורה שלהם בהשפעת שדה מגנטי.

משאבת חום מגנטית, סגסוגת גדוליניום בתוך שדה מגנטי (מסומן באותיות N ו-S) מאבדת חום לסביבה, כך שכאשר היא יוצאת מהשדה המגנטי היא קרה יותר מאשר כשנכנסה.

משאבת חום תרמית[עריכת קוד מקור | עריכה]

המרת אנרגיה תרמית היא התהליך המתבצע במקרר ספיגה.

משאבת חום כימית[עריכת קוד מקור | עריכה]

במקורות שונים מתואר מקרר ספיגה כמתקן כימי וזאת משום שעיקרו של תהליך הקירור מבוסס על המסה והפרדה של חומרים בעלי טמפרטורות התאיידות שונות. פוטוסינתזה עושה דבר דומה לשאיבת חום, והוא המרה של אנרגיית הקרינה האלקטרומגנטית הבאה מן השמש לאנרגיה כימית (האנרגיה הזו תומר לאנרגיה מכנית בתוך השריר של החיה שאכלה מהעשב או הפרי של הצמח, או לאנרגיה תרמית לאחר שהעץ ייכרת ויוכנס לתנור), הטמפרטורה ליד צמח נמוכה מאשר בסביבה לא בזכות הורדת טמפרטורת האוויר אלא בגלל בליעת הקרינה, ומפני שהצמח סופח מים מהאוויר ובכך גורם להורדת הלחות, שני אלה משפרים את הנוחות התרמית של האדם החוסה בצל העץ.

משאבת חום מכנית[עריכת קוד מקור | עריכה]

המערכות הנפוצות ביותר הן המכניות, משני סוגים:

  • מערכות בהן יש מעבר ממצב צבירה גזי למצב צבירה נוזלי וחוזר חלילה, השימוש המקובל במונח "משאבת חום" מתייחס למערכות כאלו‏‏‏[2]
  • מערכות ללא שינוי מצב צבירה, שאיבת החום נעשית על ידי דחיסה והתפשטות של אוויר. התהליך נקרא "מחזור אוויר", מערכות כאלו הן בעלות נצילות אנרגיה נמוכה, דורשות ספיקה גבוהה של אוויר, אולם המשקל שלהן נמוך ולכן הן בשימוש במטוסים.

היסטוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ההיסטוריה של משאבות חום חופפת להיסטוריה של מכשירי קירור: בתי חרושת לקרח, מקררים ומיזוג אוויר. למשאבת חום יש פרק נפרד בהיסטוריה רק החל מסוף המאה ה-20 כאשר משאבות חום הוכנסו לשימוש להסקה.

האקלים השולט ברוב שטחן של המדינות המפותחות הוא קר, היוצאים מהכלל שטחים מדינות מפותחות – מדינות הדרום בארצות הברית, דרום יפן, צפון אוסטרליה, וכן הונג-קונג סינגפור וישראל. ברוב המדינות האלו הטמפרטורה בחורף נמוכה באופן המונע שימוש במשאבת חום, לפחות כל עוד המאגר הקר הוא אוויר הסביבה. ולכן התפתחות השימוש במשאבת חום בארצות קרות תלוי באפשרות לנצל מאגר קר בטמפרטורה גבוהה יחסית, כגון אגם או אדמה.

שיקולים סביבתיים וכלכליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

שיקולים כלכליים ארוכי טווח מצביעים על כך ששימוש בחשמל לחימום צפוי להיות יקר מאשר גז או סולר, וזאת משום שייצור חשמל נעשה על ידי שריפת דלק, האנרגיה הכימית שבדלק מומרת לאנרגיה תרמית, זו מומרת באמצעות מנועים לאנרגיה מכנית, זו מומרת באמצעות גנרטור לאנרגיה חשמלית. בנוסף יש הפסדי אנרגיה במסע שהחשמל עובר לאורך קווי המתח והשנאים – כל המרה כרוכה בהפסד, לעומת זאת תנור ההסקה הביתי מפיק ישירות את מוצר הצריכה – חום.

משאבת חום משנה את התמונה כי תפוקת החום שלה מוכפלת בגורם נצילות אנרגיה של משאבות החום (COP), אולם הנצילות יורדת ככל שהטמפרטורה בחוץ נמוכה יותר, ולכן השימוש במשאבות חום לצורך הסקה מוגבל לאזורים בהם הטמפרטורה בחורף בחוץ אינה יורדת לאפס מעלות צלזיוס או פחות, למשל דרום ארצות הברית וארצות אגן הים התיכון, כולל ישראל.

בארצות הברית ההסקה הביתית מבוססת בעיקר על מערכות אוויר חם ולכן התקנת משאבת חום להסקה פחות יקרה מאשר באירופה, כי היא משתמשת בחלק מהתשתית הקיימת. יש פיתוי כלכלי להתקנת משאבת חום משום שזו יכולה גם לשמש לקירור בקיץ. והחל מהעשור האחרון של המאה ה-20 פועלות משאבות חום בארצות הברית בימים חמים לקירור, ובחורף כל עוד הטמפרטורה בחוץ אינה נמוכה מדי, הן פועלות לחימום. עם ירידת הטמפרטורה, עוברת המערכת, לחימום באמצעות דוד חימום.

שאיבת חום ממאגר מים סמוך, נהר או אגם, או מתוך האדמה, משפרת את יעילות משאבת החום, ותורמת להפצת השימוש בה. אולם שיטות אלו כלכליות רק אם יש מאגר מים סמוך או שטח אדמה מספיק גדול שהוא גם נוח לחפירה.

עקרון פעולה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כאשר דוחסים גז הוא מתחמם, כאשר מניחים לו להתפשט הוא מתקרר. במשאבת חום, דוחסים את הגז כך שהטמפרטורה שלו גבוהה מטמפרטורת הסביבה, כעת בהיותו חם, מצננים אותו על ידי החלפת חום עם הסביבה, ורק אז מאפשרים לו להתפשט, ולכן הטמפרטורה של הגז יורדת מתחת לזו שהייתה לו לפני התחלת התהליך. ההתפשטות נעשית דרך שסתום, ישירות אל החלל המיועד למיזוג, זאת המקרה של מחזור אויר, או לתוך מחליף חום המותקן בתוך או סמוך לחלל המיועד למיזוג. מקרר ומזגן הם מתקנים בהם הקירור של הגז הדחוס הוא על ידי החלפת חום עם הסביבה וההתפשטות היא לתוך חלל הנמצא בשימוש, חדר או גוף המקרר. אותו מתקן עצמו יכול לשמש להסקה על ידי החלפת כיווני הפעולה ואז הצד הקר של המערכת מחליף חום עם הסביבה והצד החם משמש להסקה.

סכימת משאבת חום:
1. פליטת חום (מעבה)
2. שסתום התפשטות
3. בליעת חום = קירור (מאייד)
4. מדחס = עבודה מכנית
אדום = גז חם בלחץ גבוה
ורוד = גז בלחץ גבוה, טמפרטורה נמוכה יותר
כחול = נוזל בלחץ נמוך וטמפרטורה נמוכה
תכלת = גז בלחץ נמוך, טמפרטורה גבוהה יותר

התועלת למשתמש מושגת מכך שהטמפרטורות האופייניות לתהליך הן כאלו שהצד החם, חם מהסביבה, והצד הקר, קר מהסביבה.

העצמה של התהליך מושגת אם לתהליך מצטרפת החלפה של מצב צבירה, השילוב של דחיסה ופליטת חום גורם לגז להתעבות לנוזל. החומר המבצע את העבודה בתהליך שאיבת החום נקרא "קרר" (Refrigerant). אותו חלק של המתקן בו מתרחשת ההתעבות, נקרא "מעבה", המעבה הינו מחליף חום, לרוב צינור מתכת מפותל בצורת נחשון, אליו צמודים צלעות קירור כדי לשפר את פיזור החום. הנחשון המסודר נקרא גם בשם "סוללה". מהסוללה זורם הנוזל אל שסתום התפשטות, המכוון כך שהלחץ אחריו נמוך יותר מלחץ ההתעבות ולכן מתרחשת רתיחה (רתיחה הינה התהליך ההפוך להתעבות). המעבר ממצב נוזלי למצב גזי מחייב שהקרר יקבל מהסביבה את החום הכמוס של הרתיחה או התאיידות, ותהליך זה קורה באותו חלק של המתקן הנקרא "מאייד" שהוא סוללה דומה לזו של המעבה. מזגן אוויר דו-תכליתי (לקירור וגם לחימום) מתוכנן כך שהסוללות יכולות להחליף תפקיד בעת המעבר ממזג אוויר חם לקר וזאת באמצעות שסתום תלת כיווני או ארבע כיווני, המורכב על קווי הצנרת המחברת את המזגן והסוללות, וגורם להיפוך כיוון הזרימה של הקרר.‏[3]

את הכוח מניע מספק המדחס, מצד אחד דוחס את הקרר לתוך המעבה ומצד שני יונק, או שומר על לחץ נמוך במאייד.

החלפת החום מהסוללות נעזרת במפוח ואפשר שתתבצע במספר שלבים:

  • ישירות אל האוויר
  • אל מים ורק אחר כך אל אוויר הסביבה באמצעות מגדל קירור
  • אל הסביבה באמצעות החלפת חום עם נהר, אגם או האדמה.
  • אל מים, ואחר כך באמצעות מחליפי חום אל הצרכן. מחליפי החום עצמם יכולים להיות מערכת משולבת של צינורות ומשאבות מים, או שמן, נחשונים, מפוחים ותעלות לפיזור האוויר.

הסבר פיזיקלי-תרמודינמי[עריכת קוד מקור | עריכה]

על פי החוק השני של התרמודינמיקה חום זורם ממקום חם למקום קר יותר, משאבת חום פועלת לכאורה בניגוד לחוק הטבע משום שזרימת חום ממקום קר למקום חם יותר מקטינה את האנטרופיה. הקטנת האנטרופיה מקוזזת בפעולת משאבת החום, כלומר האנטרופיה של החומר המקורר יורדת אך האנטרופיה של המערכת כולה (האנטרופיה של העולם), גדלה. במקרר או מזגן הקיזוז מושג כאשר אנרגיה מכנית מומרת לחום. במקרר ספיגה הקיזוז נעשה במעבר חום ממקור חם עוד יותר אל אחד המאגרים.

התרמודינמיקה של משאבת חום, דומה לזו של מנוע חום, אולם כיווני זרימת החום והשקעת האנרגיה הפוכים.

היחס בין הנפח, הלחץ, והטמפרטורה בחומר מיוצגת על ידי משוואת המצב של החומר. עבור גזים: 
\frac{pV}{T}=mR

  • p = הלחץ של הגז
  • V = נפח
  • T = הטמפרטורה
  • m = המסה
  • R = קבוע הגזים

את משוואת המצב הזו אפשר להציג בצורה של משטח תלת-ממדי, בגז אמיתי המשטח ייקטע על ידי האזורים בהם החומר מחליף מצב צבירה‏‏.‏[4]

דיאגרמת מצבי צבירה (פאזות), הצגה תלת-ממדית של משוואת המצב

הקשר בין הנפח, הלחץ והטמפרטורה מוכתב גם על ידי קיבול החום של הגז, עבור תהליך אדיאבטי קווזיסטטי, כלומר תהליך איטי ללא איבוד חום לסביבה, מתקיים גם היחס הבא:    
Tp^{\frac{1-\gamma}{\gamma}}=constant
או לחלופין:    
TV^{\gamma-1}=constant
כאשר    
\gamma=\frac{C_p}{C_v}
C_v = מקדם קיבול החום הסגולי בנפח קבוע
C_p = מקדם קיבול החום הסגולי בלחץ קבוע.

מהמשוואות והיחסים האלו נובע שדחיסת גז גורמת לחימומו, ומאידך כאשר מניחים לו להתפשט הוא מתקרר. העבודה המושקעת בדחיסה היא: 
w=\frac{1}{\gamma-1}(p_2v_2-p_1v_1)
‏‏‏[5] אינדקס 1 מציין מצב לפני הדחיסה, אינדקס 2 מציין מצב לאחר הדחיסה. הערך של \gamma כפי שנמדד בניסויים הוא 1.2 עד 1.7‏‏‏[6] משוואות אלו נכונות עבור גז אידאלי, לצורך תכנון הנדסי הערכים האלו מהווים קירוב טוב.

מחזור קרנו אידאלי לעומת אמיתי. תכלת=נוזל, ירוק=גז

התהליך של העברת חום ממאגר חם למאגר קר תוך הפקה של אנרגיה מכנית נקרא מנוע חום. התהליך ההפוך של העברת חום ממאגר קר למאגר חם נקרא משאבת חום. והוא מתואר כמנוע קרנו.

נצילות[עריכת קוד מקור | עריכה]

נצילות משאבת חום בפעולתה כמקרר או מזגן מוגדרת כיחס בין כמות החום שמוצאת מהמאגר הקר לעבודה שהושקעה לשם כך, ליחס הזה גם קוראים "מקדם הביצועים של משאבת החום" COP: 
\gamma = \frac{Q_L}{W} = 
\frac{Q_L}{Q_H - Q_L} =
\frac{T_L}{T_H - T_L}
הנצילות גדלה ככל שהפרש הטמפרטורות בין הפנים לסביבה קטן, והיא הולכת וקטנה ככל שהפרש הטמפרטורות גדל. הנצילות של משאבת החום בפעולתה לחימום מוגדרת כיחס שבין כמות החום Q המועברת למאגר החם לבין העבודה W המושקעת לשם כך


\eta_c = \frac{Q_H}{W} = 
\frac{Q_H}{Q_H - Q_L} =
\frac{T_H}{T_H - T_L}

הנוסחאות האלו מראות את הגבול התאורטי העליון של נצילות לפי מחזור קרנו. ומהן ניתן להסיק שאפשר לשפר יעילות של משאבת חום, לאמור להפחית כמות העבודה הנדרשת, אם שאיבת החום תתבצע מתוך מאגר חם שהטמפרטורה שלו קרובה לטמפרטורה הרצויה לצרכן, למשל מעומק האדמה במקום מהאוויר הסמוך לבניין.

מקדם היעילות (COP) של משאבת חום בתנאי עבודה שונים
שימוש המשאבה חימום תת-רצפתי ל-35ºC רדיאטורים ב- 65ºC מיזוג אויר חימום ל-20ºC מיזוג אויר קירור ל-27ºC
המאגר החיצוני
אויר ב- 0ºC 3.8 2.0 אין נתונים לא שימושי
מאגר מים ב-0ºC 5.0 2.4 אין נתונים לא שימושי
אויר ב-7ºC אין נתונים אין נתונים 3.0 עד 3.9 לא שימושי
אויר ב-35ºC לא שימושי לא שימושי אין נתונים 3.0 עד 3.9
מחזור קרנו תאורטי
ממאגר ב-0ºC
8.8 5.2 14.6 לא שימושי
מחזור קרנו תאורטי
ממאגר ב-10ºC
12.3 6.1 29.3 לא שימושי
מחזור קרנו תאורטי
ממאגר ב- 10ºC-
6.8 4.5 9.7 לא שימושי

מחזור קרנו חושב לפי הנוסחאות בפסקה הקודמת
נתוני מזגנים לפי יצרנים ישראלים ב-2009 (אלקטרה, תדיראן, פרג-עצמה)
נתונים לחימום ל-35ºC ול-65ºC נלקחו מ- CREN - The Canadian Renewable Energy Network 'Commercial Earth Energy Systems'

מחזור אוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]

סכימת מיזוג על ידי מחזור-אוויר. 1: אוויר ממקור חיצוני, מהסביבה או ממדחס מנוע המטוס 2: מדחס 3: כניסה למחליף חום. 4 ו-5: החלפת חום עם הסביבה 6: יציאה ממחליף החום 7: טורבינה 8: ציר הפעלת מדחס 9: תא ערבוב 10: אוויר חוזר מתא הנוסעים 11: בקרת יחס אוויר טרי/אוויר חוזר 12: אוויר קר לתא הנוסעים

במערכות מחזור אוויר הקרר הוא אוויר. עיקרון הפעולה דומה לזה שתואר עד כה, אך ללא שינוי מצב צבירה. התהליך אינו במעגל סגור, אלא לאחר שעשה האוויר את עבודת הקירור הוא נפלט אל מחוץ למטוס. האוויר הקר משמש למיזוג ודיחוס ‏‏‏[7] הטס בגובה רב תא הנוסעים ותא הצוות, לקירור מכשירי המטוס ולמקררי מזון ומשקאות (במטוס המוביל מטען הדורש קירור או לרווחת הנוסעים).

הטורבינה והמדחס הנמצאים במתקני מחזור אוויר אינם חלק עקרוני של המערכת, הם נוספו כדי לשפר את היעילות, ולאפשר בקרה יעילה של הספיקות, הלחצים והטמפרטורות.

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ ‏ Pitt V.H. (editor),Dictionary of Physics, Penguin books 1986, entry=thermoelectric effects, p.v380, ISBN 0-14-051071-0
  2. ^ ‏ Merritt S.F., Ricketts J.T., Building Design and Construction Handbook, 5th Ed., Mc-Graw-Hill 1994, p.13.63, ISBN 0-07-041596-x
  3. ^ בסלנג של טכנאי מיזוג, השסתום הזה מכונה בשם "משאבת חום".
  4. ^ ‏ Lee F.S., Sears F.W.,Thermodynamics, 2nd Ed., Addison-Wesley 1969, pp.25-58
  5. ^ ‏ Lee F.S., Sears F.W.,Thermodynamics, 2nd Ed., Addison-Wesley 1969, pp.102-113 ‏
  6. ^ ‏White F.M., Fluid Mechanics, 6th Ed., Mc-Graw-Hill 2008 ISBN 978-0-07-128645-9 p.22‏
  7. ^ ‏כאשר מטוס טס בגובה בו לחץ האוויר החיצוני נמוך, יש צורך להגביר את הלחץ בתא הנוסעים ובתא הטייס וזה נעשה על ידי מערכת המיזוג של המטוס‏.