מחליפי חום
מה זה ? מַחְלֵף חום הוא מתקן שייעודו העברת חום מזורם אחד לזורם אחר. מפל הטמפרטורות בין הזורמים הוא הכוח הדוחף למעבר החום. ללא מפל טמפרטורות אין 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 של המכונית, המשמש להעברת חום ממים חמים - שמקורם במנוע והעוברים בצינורות בתוך הרדיאטור, אל האוויר - המוסע בעזרת מאוורר דרך כנפוני הרדיאטור.
סוגי מחליפי חום : 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.
מחליפי חום סגורים : 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.
מחלף חום מסוג קליפה וצינורות
עקרון הפעולה : יש שלשה סוגי זרימה במחליפי חום : זרימה מקבילה, זרימה ניגודית או זרימה חוֹצָה. סוגי הזרימה העיקריים הם : זרימה מקבילה וזרימה נגדית. מחליף חום עליון : זרימה נגדית מחליף חום תחתון : זרימה מקבילה
מעבר חום הוא מעבר של אנרגיית חום מגוף בטמפרטורה גבוהה לגוף בטמפרטורה נמוכה או להפך. מעבר החום מתבצע בשלוש דרכים : הולכה, הסעה וקרינה. איך החום עובר ? מעבר חום במחליף החום מתבצע ע " י : הולכה הסעה - טבעית או מאולצת
איך החום עובר ? הולכת חום (heat conduction): מעבר חום מחלק נתון לחלק אחר בגוף מוצק או לגוף אחר שבא במגע עם הגוף החם. לכל חומר ישנה הולכת חום ייחודית ( מוליכות חום סגולית של חומר היא קבוע ). החום הוא למעשה תדירות הרטט של אטומי ומולקולות החומר. כאשר חלקיקים אלו רוטטים הם פוגעים בסמוכים להם וגורמים גם להם לרטוט וחוזר חלילה בדרך זו החום ( רטט ) מולך דרך החומר. הסעת חום (convection): גוף שספח חום - נפחו גדל. הדבר זניח במוצק אך ניכר בנוזל ובעיקר בגז ; עם העלייה בנפח צפיפותו קטנה ( מסה ליחידת נפח ). כאשר הנוזל או הגז מצויים בהשפעת כוח משיכה האזור הצפוף יותר ישאף לשקוע ( יש בו יותר מסה ליחידת נפח ) ואילו הפחות צפוף יעלה כלפי מעלה ; תנועה זו יוצרת זרמים המסיעים את הנוזל או הגז החם. הסעה טבעית או הסעה חופשית נגרמת בשל הפרשי טמפרטורה המשפיעים על צפיפות הזורם, ובכך על כושר הציפה היחסי של הזורם הסעה מאולצת, המכונה גם אדבקציית חום, תנועת הזורם נובעת מכוחות משטחיים חיצוניים כגון מפוח או משאבה. הסעה מאולצת משמשת לרוב ככלי להעלאת קצב מעבר חום