מחלף חום

מַחְלֵף חום הוא מתקן שייעודו העברת חום מזורם אחד לזורם אחר. מפל הטמפרטורות בין הזורמים הוא הכוח הדוחף למעבר החום. ללא מפל טמפרטורות לא 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 למחלף חום היא הרדיאטור (בעברית: מקרן) של המכונית, המשמש להעברת חום ממים חמים - שמקורם במנוע והעוברים בצינורות בתוך הרדיאטור, אל האוויר - המוסע בעזרת מאוורר דרך כנפוני הרדיאטור.

מבנה הזרימה

איור א: מחלף חום צינורי וקליפתי, מעבר יחיד - זרימה מקבילה (1-1)
איור ב: מחלף חום צינורי וקליפתי, 2-צד צינור המעבר - זרם חוצה (1-2)
איור ג: מחלף חום צינורי וקליפתי, 2-צד קליפת המעבר, 2-צד צינור המעבר - זרימה נגדית (2-2)

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

בזרימה מקבילה - שני הזורמים נכנסים אל מחלף החום באותו כיוון. לדוגמה במחלף 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 למחלף החום בכיוון נגדי זה לזה. לדוגמה במחלף 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 / ניצבת) הזורמים מאונכים זה לזה, ואין קשר בין מידת החום של הזורם הראשון (בדרך כלל בצינורות) והזורם השני (בדרך כלל אוויר). 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

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 במחלף מסוג זה הוא מקסימלי מכיוון שאין התנגדות למעבר חום של תווך החוצץ בין הזורמים (לעומת מחלף 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

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

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

חסרונותיו של מחלף חום פלטות:

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

מחלף 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 מחלף החום יזרום כל נוזל תלויה בתכונות החומרים ובמטרות מחלף 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 מחלף החום קליפה וצינורות:

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

חסרונותיו של מחלף חום קליפה וצינורות:

מקדם פאולינג גבוה בצינורות. הצטברות המשקעים גורמת לירידה ביעילות מחלף החום.
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

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

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

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

מחלף חום קיטורי

מחלף חום קיטורי - מחלף 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 מחלף החום: 1.ניצול החום הכמוס על ידי מעבר הפאזה. 2.יעילות גבוהה של מחלף החום עקב המגע בין הזורמים. חסרונות מחלף החום: 1.מוגבל לחומרים הניתנים לערבוב במעבר פאזה. 2.משמש רק לחימום.

ניקוי מחלף חום

בעבודה שוטפת של מחלף חום ישנה הצטברות של אבנית CaCO₃ על דפנות של מחלף חום, מה שגורם באופן ישיר לפגיעה בהחלפת חום, מאחר שאבן מהווה בידוד ולא מאפשר להעברת חום. באופן עקיף הצטברות אבנית במחלף חום פוגעת בהוצאות אנרגיה בכך שנדרשת כמות גדולה של אנרגיה על מנת להגיע להחלפת חום הדרושה.

על מנת להחזיר את מחלף החום למצבו התקין בו החלפת חום מתבצעת בצורה רצויה יש לבצע ניקוי של מחלף חום, ישנם שני סוגים של ניקויים, ניקוי כימי וניקוי מכני.

ניקוי כימי מחלף חום

ניקוי כימי מחלף חום מתבצע בסירקולציה של חומרים חומציים אשר מסוגלים להמיס את האבנית במחלף חום. מאחר שחומרים חומציים פוגעים במתכות יש צורך בהוספת אינגיביטור לשמירת המתכת, כמובן שיש להתאים את האינגיביטור לסוג מתכת ממנה בנוי מחלף חום.

ניקוי כימי של מחליפי חום נחושת יש לבצע על ידי חומצת מלח בתוספת אינגיביטור השומר על נחושת.

ניקוי מכני מחלף חום

ניקוי מכני של מחלף חום פלטות

יש לפרק את מחלף החום לפלטות אשר עשויות נרוסטה בדרך כלל, וטבילת הפלטות באמבטיה מתאימה בגודלה מלאה חומצה פוספורית.

ניקוי מכני של מחלף חום שרוולי

במחליפי חום שרווליים ישנם צינורות פנימיים, ישנם שני סוגים של ניקוי מכני במחלף חום מסוג זה

ניקוי על ידי מברשות מסתובבות שחודרות לאורך הצינור ומורידות את שכבת האבנית.

ניקוי על ידי לחץ מים גבוה המוזרק דרך דיזה .

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מחלף חום בוויקישיתוף

מחלף חום, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

הערות שוליים

^ ר' מנגנון זרימה נגדית להסבר התופעה

[1] ר' מנגנון זרימה נגדית להסבר התופעה

[1]

תרמודינמיקה
חוקי יסוד	חוקי שימור (החומר, האנרגיה) • חוקי התרמודינמיקה: אפס, ראשון, שני (ראו גם: תנועה נצחית, השד של מקסוול), שלישי
קבועים	קבוע הגזים • קבוע בולצמן • קבוע אבוגדרו • קבוע פלאנק
משתנים	אינטנסיבים (טמפרטורה, לחץ, פוטנציאל כימי) • אקסטנסיבים (אנטרופיה, נפח, מספר חלקיקים) • משוואת מצב
יחידות מידה	טמפרטורה (צלזיוס, קלווין, יח' אחרות) • נפח (ליטר, מטר מעוקב) • לחץ (בר, אטמוספירה, פסקל) • מספר חלקיקים (מול) • אנרגיה (ג'אול, קלוריה)
אפיון	הפיכות • שינוי האנתלפיה (תהליך אקסותרמי, תהליך אנדותרמי) • שינוי באנרגיה (תהליך ספונטני, תהליך מאולץ) • תהליך (איזוברי, איזותרמי, איזוכורי, אדיאבטי, איזנטרופי, איזואנתלפי)
פוטנציאלים תרמודינמיים	אנרגיה פנימית • אנתלפיה • האנרגיה החופשית של הלמהולץ • האנרגיה החופשית של גיבס
מצבי צבירה ומעברי פאזות	מצבי צבירה (מוצק, נוזל, גז) • מעברי פאזות (התכה, התאדות, המראה, התעבות, הקפאה) • נקודת התכה • נקודת רתיחה • נקודה משולשת • נקודה קריטית • דיאגרמת פאזות • משוואת קלאוזיוס-קלפרון • חוק הפאזות של גיבס
גזים	גז אידיאלי • גז ואן דר ואלס • התאוריה הקינטית של הגזים • לחץ חלקי • חוק ראול • מודל דלטון • חוק בויל-מריוט • חוק גה-ליסאק • חוק שארל• משוואת הגז האידיאלי
חום וטמפרטורה	האפס המוחלט • יח' מידה לטמפרטורה • שיווי משקל תרמודינמי • קיבול חום • יחס קיבולי החום • חום כמוס • חוק הס • קלורימטר • אפקט ג'ול-תומסון • הסעת חום • מוליכות חום • מעבר חום • קרינה תרמית • קשר מאייר • האינדקס האדיאבטי
מעגלי עבודה	מעגלים תרמודינמיים (קרנו, סטרלינג, ברייטון, אריקסון, רנקין, סטירלינג, דיזל, לנואר, אוטו, היגרוסקופי, סקודירי, סטודרד) • נצילות
יישומים	מכונות חום • מנועים • משאבות • משאבת חום • מחליף חום • מיזוג אוויר • מקרר • קירור תרמואלקטרי • תחנות כוח
מונחים נוספים	תאוריית הקלוריק • תנועה בראונית • פונקציית מצב • תרמודינמיקה סטטיסטית • קשרי מקסוול • תרמוכימיה
דמויות בולטות	דניאל ברנולי (1700–1782) • בנג'מין תומפסון (1753–1814) • סאדי קרנו (1796–1832) • אמיל קלפרון (1799–1874) • רוברט מאייר (1814–1878) • ג'יימס ג'ול (1818–1889) • ויליאם ג'ון מקורן רנקין (1820–1872) • הרמן פון הלמהולץ (1821–1894) • רודולף קלאוזיוס (1822–1888) • ויליאם תומסון (1824–1907) • ג'יימס קלרק מקסוול (1831–1879) • יוהנס דידריק ואן דר ואלס (1837–1923) • ג'וסיה וילארד גיבס (1839–1903) • לודוויג בולצמן (1844–1906) • מקס פלאנק (1858–1947) • פייר דוהם (1861–1916) • קונסטנטין קרתיאודורי (1873–1950) • לארס אונסגר (1903–1976)