בקטנה: מערכות הקירור המודרניות, המתבססות על חוקי התרמודינמיקה, תרמו רבות לחיים המודרניים בתחום אחסון והובלת מזון ובתחומים רבים אחרים.
הקירור והזמנים המודרניים
בימינו המקרר הוא אחד המכשירים הביתיים והמסחריים הנפוצים ביותר, חלק מחיי היום-יום של רובנו. קשה לזכור שעוד בתחילת המאה ה-20 אחסון מרבית סוגי המזון לתקופה של יותר ממספר ימים היה עניין מורכב ביותר. דרך אחת לקרר מזון באותה עת הייתה באמצעות בלוקים גדולים של קרח, שהונחו בתוך מרתפים בהם אוחסן מזון לטווח ארוך. אספקת הקרח הייתה מורכבת ויקרה ולכן רק אנשים אמידים יכלו להרשות לעצמם לשמור מזון בצורה זו. שיטות אחרות של שימור כללו המלחה של המזון, עישון או ייבוש. המצאת המקררים אפשרה שימור מלאי מזון טרי לתקופות ארוכות בבית ובחנויות, כמו גם הובלתו למרחקים ארוכים בכלי רכב, ולכן סייעה ליציבות ולביטחון של אספקתו לצרכנים.
אמצעי חשוב לא פחות של זמננו הוא המזגן, שמעבר להקלה שהוא מספק בימי הקיץ, האפשרות למזג מרחבים שונים סייעה רבות לפיתוח עולם המחשוב והתקשורת (כיוון שחדרי מחשבים וחוות שרתים פולטים חום רב שיש לפנותו) ואפשרה לשלוט ברמת הלחות באוויר בחללים סגורים גדולים הנחוצים לתהליכים תעשייתיים שונים, ותרמה לעוד תחומים בהם נדרשת בקרת אקלים.
התהליך התרמודינמי היוצר קירור נעשה על ידי "משאבת חום", כלומר, מערכת המעבירה חום בניגוד לחוק הקירור, לפיו חום נע מגוף או תווך בעל טמפרטורה גבוהה יותר לגוף או תווך בעל טמפרטורה נמוכה יותר, עד להשוואת טמפרטורות ביניהם. משאבת חום מתבססת על העיקרון הפיזיקלי לפיו נוזל ההופך לאד קולט חום ונושא אותו עמו כ"חום כמוס" הנדרש לצורך שינוי מצב הצבירה שלו, ללא שינוי בטמפרטורה הנמדדת (בניגוד ל"חום גלוי" המתבטא בעליית הטמפרטורה של החומר).
מחזור הקירור הבסיסי
מחזור הקירור האידאלי הבסיסי כולל את השלבים הבאים:
דחיסה – שבה חומר הקירור (הנקרא באנגלית Refrigerant, ובעברית "קרר") נכנס למדחס כשהוא במצב גזי ולחצו מועלה על ידי עבודת המדחס.
עיבוי – הקרר זורם דרך מעבה (רשת צינורות עליה מוזרם אוויר בטמפרטורת הסביבה) שם מורחק ממנו חום לסביבה והוא הופך לנוזל כשהעיבוי נעשה בלחץ קבוע.
הפחתת לחץ - הקרר זורם דרך שסתום התפשטות, שם לחצו והטמפרטורה שלו יורדים כדי שניתן יהיה לאייד אותו בשלב הבא (ככל שהלחץ הפועל על נוזל נמוך יותר, קל יותר לאייד אותו).
אידוי – שבו הקרר קולט חום מן התווך המקורר (למשל, מהאוויר בחללו הפנימי של בית ממוזג) ומתאייד, לקראת חזרה אל המדחס ותחילת המחזור מחדש. המונח "סביבה" מייצג את מה שנמצא מחוץ לחלל המקורר ולמערכת. עבור מקרר ביתי, האוויר בחלל הבית הוא הסביבה ולכן המקרר מזרים אליו חום מתוך חללו הפנימי.
בשונה מהנצילות, המשמשת לציון יעילותו של מנוע חום, עבור מערכת קירור משתמשים במקדם הביצועים המייצג את היחס בין כמות החום המורחקת מן החלל המקורר ליחידת זמן לבין העבודה המושקעת במדחס באותה יחידת זמן (כלומר, ההספק הנצרך על ידי המדחס). כאשר המערכת משמשת לחימום (כמו מזגן בימי החורף, למשל) היא "שואבת חום" מן הסביבה אל תוך החלל המחומם, ואז מקדם הביצועים מחושב ככמות החום הנפלטת לתווך החם ליחידת זמן חלקי ההספק הנצרך על ידי המדחס. מכאן שמקדמי הביצועים של מזגן בקירור ובחימום יכולים להיות שונים.
חומר הקרר נדרש להיות בעל טמפרטורת אידוי נמוכה ביותר, כדי שיתאייד בקלות בעת קליטת חום מן החלל המקורר. בעבר היה נהוג להשתמש במזגנים ומקררים בפריאון 12 (דיכלורודיפלואורומתאן, CCl2F2) שבשל השפעתו המזיקה על שכבת האוזון השימוש בו נאסר במקררים ומזגנים חדשים החל מ-1994 אך הוא עדיין נמצא בשימוש במערכות שיוצרו לפני כן. גז מזיק פחות לאוזון, R134a (טטרפלואורואתאן, C2H2F4) משמש כקרר נפוץ במערכות שיוצרו מאז. טמפרטורת הרתיחה של ה-R134a היא מינוס 26 מעלות צלסיוס, מה שהופך אותו למתאים עבור רוב המקררים, המזגנים והמקפיאים הביתיים והמסחריים. לשימושים תעשייתיים ומדעיים בהם נדרשות טמפרטורות הקפאה נמוכות יותר נעשה שימוש בחומרים אחרים בעלי טמפרטורות רתיחה נמוכות יותר.
קירור באמצעות אוויר
במטוסי נוסעים פועלת מערכת דחיסה המספקת אוויר מקורר בלחץ מתאים לנשימה (בין 2/3 ל- 3/4 אטמוספרה). כאן האוויר משמש גם כקרר במחזור התרמודינמי, כאשר במהלך כל מחזור העבודה הוא נמצא במצב גזי [1], [2]. שיטה זו חוסכת שימוש ברכיבי מערכת קירור כבדים יחסית ובקרר נפרד, והייתה בשימוש בעבר גם במקררי מזון, אך הופסקה עם תחילת השימוש בקררים המשנים מצבי צבירה.
במנועי סילון של מטוסי נוסעים האוויר נדחס על ידי מדחס צירי (בעל מספר שלבים המותקנים לאורך ציר סיבוב) לפני כניסתו לתא השריפה. בשל מבנה זה של המדחס עליית הלחץ לאורכו הדרגתית. צינור יציאה מאחד משלבי המדחס מזרים אוויר אל תוך המערכת הפניאומטית של המטוס (אוויר זה מכונה בשם Bleed Air) בטמפרטורה של 160-200 מעלות צלסיוס ובלחץ של כשתי אטמוספירות (חימום זה משמש לחיטוי האוויר שיוזרם בהמשך אל חלל תא הנוסעים). האוויר המיועד להגיע לתא הנוסעים עובר דרך מסנן קטליטי המפרק מולקולות אוזון (שהוא גז רעיל ושכיחותו עולה ככל שמתקרבים לסטרטוספרה, בגבהים בהם לעיתים קרובות נע המטוס במשך מרבית זמן הטיסה) ולאחר מכן מקורר על ידי מחליף חום: מתקן הדומה למקרן (רדיאטור) של מכונית, שבו האוויר החם נע בצינורות אשר מצדם החיצוני זורם אוויר הסביבה בטמפרטורה של מינוס 40 עד מינוס 50 מעלות צלסיוס.
לאחר קירור ראשוני זה, האוויר מגיע אל יחידות מיזוג האוויר (במטוסי נוסעים קיימות לפחות שתיים לצורך גיבוי) ושם עובר מחזור קירור תרמודינמי: דחיסה על ידי מדחס, קירור נוסף במחליף חום עם אוויר הסביבה ולאחר מכן הפחתת לחץ בשסתומי פליטה המזרימים אותו לחלל תא הנוסעים. הפחתת לחץ זו מורידה את טמפרטורת האוויר לזו הנדרשת בתא.
תהליכי קירור מיוחדים
קיימים תהליכי קירור המיועדים לייצר נוזלים בטמפרטורות נמוכות מאוד, כגון חנקן נוזלי, בעל טמפרטורת רתיחה של מינוס 196 מעלות צלסיוס, ויותר מכך – הליום נוזלי, בעל טמפרטורת רתיחה של מינוס 269 מעלות צלסיוס (כארבע מעלות מעל האפס המוחלט). ייצור של חנקן נוזלי הינו תהליך תעשייתי נפוץ כיום, אך ייצור הליום נוזלי מורכב ביותר ומתואר בפוסט הטמפרטורות הנמוכות בסדרת התרמודינמיקה.

<< לפוסט הקודם בסדרה   לפוסט הבא בסדרה>>

מקורות והרחבה:

• Fundamentals of Classical Thermodynamics, Gordon J. Van Wylen and Richard E. Sonntag
• Newton's law of cooling
• How Refrigerators Work
• Heat pump and refrigeration cycle
• Coolant or Refrigerant: What’s the Difference?
• How does basic refrigeration cycle work?
• How Air Conditioners Work
• Air conditioning
• How Heat Pumps Work
• Air cycle refrigeration

עריכה לשונית: שלומי ג'מו