מהו מחליף חום וכיצד הוא פועל?

מחליף חום הוא מערכת המאפשרת העברת אנרגית חום מנוזל או גז אחד לאחר ללא מגע ישיר וערבוב בין המדיות השונות. בשימוש היומיומי שלנו ישנם הרבה מחליפי חום שאנחנו אפילו לא מודעים אליהם. למשל, הרדיאטור של האוטו שלכם מעביר את החום מהמנוע אל האוויר באמצעות נוזל קירור. דוגמא נוספת נמצאת במערכת הקירור של המחשב הנייח או הנייד שיש בכל בית. המערכת מעבירה את החום מרכיבים שמתחממים (כמו המעבד או כרטיס מסך) אל האוויר בעזרת גוף קירור ומאווררים שמוליכים את האוויר החם מהמחשב החוצה.

אולם, כשמדברים על "מחליפי חום" מתכוונים בדרך כלל למערכות גדולות שמשמשות בתעשייה, מפעלים, בתי קירור, תחנות כוח, בתי חולים, אוניברסיטאות או מלונות. מערכות אלה לרוב משמשות לקרר מתקנים תעשייתיים או לקרר את האוויר בחללים שונים במבנה (מערכות מיזוג אוויר).

איך מחליף חום פועל?

התכונה המרכזית של מחליף חום היא שהוא מאפשר העברה של חום מנוזל או גז (למשל, מים או אוויר) לנוזל או גז אחר מבלי שהם יתערבבו. זה לא כמו מזגן שמקרר את החדר על ידי הכנסת אוויר קר שמתערבב עם האוויר החם שבחדר. זה גם שונה מהאמבטיה בבית, לדוגמה, שבה אם אתם רוצים לקרר את המים אתם פשוט מוסיפים מים קרים. מחליף חום לא יערבב מים קרים עם חמים, או אוויר חם עם קר, אלא יקרר ללא מגע ישיר בין הנוזלים או הגזים. איך מחליף החום עושה זאת?

סוגים של מחליפי חום

למרות ששיטת הפעולה של כל מחליפי החום מבוססת על רעיון אחד של החלפת חום ללא מגע בין נוזלים או גזים, ישנן דרכים שונות לעשות זאת. סוג אחד של מחליף חום, למשל, פועל באמצעות שיטה שמכונה תרמיל וצינורות. ה"תרמיל" הוא מעין צינור ענק וה"צינורות" הם עשרות או מאות צינורות קטנים שנמצאים בתוכו. נוזל קר זורם בתוך הצינורות הקטנים, ונוזל חם זורם בתרמיל, כלומר, באזור שמסביב לצינורות הקטנים. החום עובר דרך דפנות הצינורות וגורם לקירור הנוזל החם וחימום הנוזל הקר, וזאת מבלי שהנוזלים יתערבבו זה בזה – החום יעבור דך דופן הצינורות הקטנים. לצורך הגברת יעילות תהליך החלפת החום, היצרן השתמש ליצור הצינורות הקטנים (צינורות החלפת החום) במתכות בעלות יכולת הולכת חום גבוהה, לרוב הצינורות יהיו עשויים מנחושת, מתכת הידוע כבעלת יכולת הסעת חום מהגבוהות ביותר שקיים. כמובן, זה יכול לפעול גם הפוך, כלומר, הנוזל החם בצינורות והקר בתרמיל. סוג אחר של מחליף חום הוא צינור בתוך צינור, והוא מכונה גם קואקסיאלי. שיטה זו מבוססת על רעיון דומה לתרמיל וצינורות, אלא שהפעם מדובר על צינור אחד שנמצא בתוך צינור גדול ממנו. נוזל חם עובר בצינור הפנימי ונוזל קר בחיצוני, וכך הם מקררים את הנוזל שבפנים (או ההפך). שיטה נוספת היא שיטת הלוחות. בשיטה זו ישנם לוחות דקים וצפופים שביניהם זורמים לסירוגין נוזל חם ונוזל קר. כך, כמו בשיטות הקודמות, החום עובר מהנוזל החם לנוזל הקר ללא מגע ישיר ביניהם (כי הלוחות חוצצים בין הנוזלים). שטח המגע הגדול בין הנוזלים הופך את השיטה הזאת ליעילה, מצד אחד, וקומפקטית יחסית, מצד שני. ישנן שיטות נוספות, כמו מחליף חום צינור סנפירים, מחליף חום ספירלה ועוד, ובגדול, הרעיון הוא דומה וכנראה שכבר הבנתם את העיקרון. נוזל או גז חם ונוזל או גז קר זורמים בנפרד אך עם השקה רק דרך דפנות משותפות המכונות שטח החלפת החום, וכך מתאפשרת העברה של חום מנוזל או גז אחד לשני מבלי שיש ביניהם מגע ישיר או ערבוב.

חשוב לציין שמחליפי החום השונים מתאימים, כל אחד מהם, לתנאים שונים, ומאוד חשוב להתאים את מחליף החום באופן מדויק לצורך. לצערנו, כבר יצא לנו לראות טעויות בדברים האלה, שעלו ביוקר. חשוב לעבוד עם איש מקצוע, ולקחת בחשבון משתנים כמו טמפרטורה, לחץ, עומס העבודה הצפוי למערכת, תפוסת המקום, ועוד, כדי לקבל החלטה מושכלת.   

מי משתמש במחליף חום?

אחרי שהבנתם את עקרון הפעולה של מחליף החום, אולי לא תתפלאו לדעת שהוא נמצא סביבכם בהרבה מקומות. למשל, קניונים, מלונות, אולמות גדולים, מוסדות ומבני מסחר גדולים משתמשים בדרך כלל במערכת מיזוג מרכזית הכוללת מחליף חום. איך זה עובד? התהליך מתחיל בדרך כלל בצ'ילר שמייצר מים קרים. אלה מוזרמים בצינורות למחליף חום בתוך יחידת טיפול אוויר (מוכר יותר בראשי התיבות יט"א). אל היחידה מוזרם אוויר חם מהחדר, ונפגש עם סוללת קירור שבה המים הקרים מהצ'ילר. האוויר מתקרר וחוזר קר לחדר. המים שבתוך סוללת הקירור מתחממים מעט וחוזרים לצ'ילר כדי להתקרר שוב, והמעגל מתחיל מחדש. קירור באופן זה (ולא ישירות על ידי האוויר הקר שיוצא מהמזגן) הוא גם יעיל יותר אנרגטית, גם נעים יותר, וגם יותר בטיחותי.

דוגמאות נוספות לשימוש במחליף חום אפשר למצוא, למעשה, בכל מקום בעולם המערבי. בבתי חולים, למשל, משתמשים במחליף חום כדי לקרר מכונות רגישות כמו MRI או מכשיר CT, וגם כדי לשמור על טמפרטורה קבועה במעבדות או מקומות עם ציוד רגיש. במפעלים שונים משתמשים במחליף חום כשצריך לקרר למשל שמן או מים, כחלק מתהליך הייצור. בתחנות כוח מחליף חום מקרר את הקיטור שמשמש להפקת אנרגיה, כדי שיחזור להיות מים ואפשר יהיה להשתמש בו שוב.