מידע כללי

 

אגירת אנרגית חום וקור

מיכלי אגירה שמשו את האדם משחר ההיסטוריה ככלי לקיבול מים ואגירתם לעיתות הצורך.
עיקרון זה נשמר גם כשמדובר באגירת אנרגיה – הפקת חום במועד אחד, ושימוש בו במועד אחר.
ע"י שימוש בדוד השמש בבית אנו יכולים לחמם את המים בשעות השמש ע"י מערכת קולטים, ולהשתמש בהם לרחצה בשעות הערב, כאשר כבר אין שמש.
גם במערכות מרכזיות לחימום/קירור מים, נעזרים במיכלי אגירה לניוד האנרגיה, מהשעות בהן ניתן להפיק את האנרגיה בחינם (אנרגיה סולארית) ובזול (שימוש במשאבות חום או גופי חימום חשמליים בשעות תעריפי שפל לחשמל) ושימוש בו בשעות הצריכה העיקריות.
ע"י שימוש באגירה מספקת ניתן להקטין באופן משמעותי את הספקו של יצרן החום/קור.
לדוגמא: אם אנו משתמשים ביחידת קירור בתפוקה של 100,000 קק"ל/שעה למשך 4 שעות ביממה, ניתן לחלופין להשתמש ביחידת קירור בהספק 20,000 קק"ל/שעה למשך 20 שעות, לאגור את אנרגית הקור במיכל אגירה יעודי מבודד, והשתמש בה בשעות הצורך.

אילוצים בתכנון מערך לאגירת אנרגיה

מרבית המערכות, העושות שימוש במיכלי אגירה לאגירת אנרגיה, משתמשות במדית מים.

יתרונות:

מדיום זול וזמין
כושר קיבול חום גבוה (לעומת שמנים ונוזלים אחרים).
יחס אגירת אנרגיה לנפח גבוה.

חסרונות:

הצטברות משקעים ולכלוך
תכולה גבוהה של מינרלים וקלצידים המייצרים אבנית.
במערכות אגירה פתוחות חשש להתפתחות חיידקי לגיונלה.

אגירה במעגל הסגור ובמעגל פתוח

מעגל סגור מעגל פתוח
יתרונות ימוש באותם המים מפחית את הצטברות המשקעים ואבנית ומאריך את חיי הציוד.

מי המעגל הסגור לא מגיעים למשתמש ולכן אין סכנה הדבקות במחלת הלגיונה.
קיבול חום מקסימלי. כל הנפח משמש בפועל את הצרכן.
חסרונות קיבול חום נמוכה. הצטברות מוגברת של משקעים ואבנים פוגעת באורך החיים של הציוד.

חשש להתפתחות חיידק הלגיונלה.

אפליקציות נוספות

מחליף חום ספירלי מובנה (1 או 2) – שימוש במחליף חום פנימי מאפשר את חימום המיכל בלי להעביר את המדיום המתחמם בתוך יצרן החום (קולטי שמש, משאבות חום, תנורי הסקה), ובכך למנוע הצטברות אבנית ומשקעים בהם, ולהאריך את חייהם.
גוף חימום חשמלי – הוספת גוף חימום חשמלי לגיבוי והשלמת חימום בעת הצורך. משמש לעתים להעלאה נקודתית של טמפרטורת המדיום במיכל משיקולי תברואה.
הגנה קתודית – הוספת קתודה המאטה את תהליך היווצרות הקורוזיה במיכל.
ציפויים – מיכלים שונים מיוצרים במגוון רחב של ציפויים פנימיים במטרה להגן עליהם מפני קורוזיה, כגון זכוכית, PVC, תרכובות צמנט וכדומה.
בידוד חיצוני – בידוד המיכל מהווה מרכיב מפתח בכושר המיכל לשמור על החום לאורך זמן. סוגי הבידוד השכיחים ביותר: פוליאוריטן מוקצף, צמר סלעים, קלקר וספוג.

מחליף חום

מחליף חום הינו רכיב המשמש להעברת חום ממדיה אחת לאחרת ללא מגע פיזי ביניהן.
לרוב החלפת החום מתבצעת ע"י הזרמת שני החומרים משני צידי גוף מתכתי או פלסטי, כאשר קיר יצוק מפריד לחלוטין בין החומרים ומונע את ערבובם.
מחליפי חום נמצאים בשימוש נרחב בתעשיה ובחקלאות, בחימום וקירור במבנים, חימום בריכות שחיה, מיזוג אוויר, תחנות כוח, מפעלים כימיים, מפעלים פטרוכימיים, בתי זיקוק נפט, גז טבעי ועיבוד וטיפול בשפכים.

ישנם שני סוגים עיקריים של מחליפי חום:

מחליף חום בזרימה מקבילה

שני הנוזלים נכנסים מאותו צד, וזורמים במקביל אחד לשני

מחליף חום בזרימה נגדית

הנוזלים נכנסים למחליף החום מקצוות מנוגדים. שיטה זו היא היעילה ביותר, כיוון שכך המדיום המחמם מסוגל למסור יותר חום, זאת בשל העובדה שההבדל הטמפרטורה הממוצעת לאורך מחליף החום גדול יותר.
לקבלת יעילות מירבית, מחליפי חום נועדו למקסם את שטח פנים של החיץ בין שני הנוזלים, תוך מזעור התנגדות לזרימת הנוזל דרך מחליף החום. בנוסף, יצרני מחליפי החום משפרים את כושר העברת החום על ידי התוספת של סנפירים או תלמים באחד או בשני הכיוונים, ובכך מגדילים את שטח הפנים מחד, ומייעלים את כיוון זרימת הנוזלים למניעת מערבולות מאידך.
הטמפרטורה על פני השטח העברת החום משתנה בהתאם למיקום המדויק בתוך מחליף החום, אולם ניתן לצפות ולתכנן טמפרטורה ממוצעת מתאימה.

מכשירים נפוצים המכילים מחליף חום:

מזגנים, מקררים ותנורי חימום. התקנים אלה משמשים גם בעיבוד כימי וייצור חשמל
שימוש נוסף ניתן למצוא במקרן (רדיאטור) בכלי רכב, אשר מקרר את נוזל הרדיאטור החם על ידי ניצול של זרימת אוויר על פני השטח של הרדיאטור.

שיטות החלפת חום נפוצות

מחליף חום "מים-מים"

מחליף חום אשר בשני צידיו זורמים נוזלים, כגון מים סניטריים, מי הסקה, מי תהליך, שפכים וכדומה
מחליף חום שמן-מים

מחליף חום אשר בצידו האחד זורמים מים כגון אלו המפורטים לעיל, ובצידו האחר זורם שמן.
מחליפי חום מסוג זה משמשים בעיקר בתעשיה, ובתהליכי הפקת חום שיורי ממדחסים ומנועים.
מחליפי חום אלו לרוב מרותכים (ולא סגורים בהידוק כברוב המקרים) כדי להבטיח הפרדה מוחלטת בין הנוזלים.
מחליף חום גז-מים

מחליף חום אשר בצידו האחר זורמים מים, ובצידו האחר זורמים חומרים במצב צבירה גז, כגון גזי דחיסה (R407, R410, R22, R134), קיטור, או אויר.
מחליפי חום אלו משמשים בעיקר להחלפת חום בתהליכי דחיסה, בתהליכי חימום מבוססי קיטור ובתהליכי קירור אויר (רדיאטורים).
מחליפי חום אלו נפוצים במזגנים, מקררים, צ'ילרים ועוד.
מחליף חום גז-גז

מחליף חום אשר בשני צידיו זורמים גזים.
מחליפי חום אלו משמשים בעיקר לקירור של גזים ע"י החלפת חום עם אויר החוץ.
ניתן למצוא מחליפים אלו בעיקר בתהליכי קירור של גזים במדחסים מסוגים שונים ובתעשיה התהליכית.

סוגי מחליפי חום נפוצים

מחליף חום פלטות

מחליף חום זה מורכז מסדרת פלטות בעלות מבנה גלי (בד"ע במבנה של אדרת דג), המיוצרות לרוב מפלב"מ 316 או 304 או טיטניום, ומוצמדות אחת לשניה באמצעות אטמים, לרוב אטמי גומי EPDM.
בפלטות הזוגיות מוזרם חומר אחד, ובפלטות האי-זוגיות מוזרם החומר השני. מעבר החום מתבצע דרך שטח הפנים של דפני הפלטות.
מחליפי חום אלו מתאימים ליישומים בעלי צמיגות נמוכה ואחידה, ללא חלקיקים ובמקרים בהם הפרש
מחליפי החום אלו מתוכננים בהתאם לדרישות הלקוח כאשר כושר מעבר החום ניתן להתאמה ע"י הגדלה או הקטנה של מספר הפלטות במחליף.

מחליף חום דוד וצינורות Shell and Tube

מחליפי חום דוד וצינורות הינם נפוצים בעיקר בתעשיה הכימית , ומאפשרים עבודה במגוון רחב של לחצים וטמפרטורות.
מחליף דוד וצינורות מורכב ממספר רב של צינורות המותקנים בתוך מעטפת גלילית.
בחלל הדוד מוזרם נוזל אחד (לרוב הנוזל המתחמם), ובצינורות זורם נוזל אחר וכך מתבצעת החלפת החום. על מנת ליצור החלפת חום טובה ומהירה דרוש שטח פנים גדול, ועל כן המחליפים כוללים כמות רבה של צינורות
במחליף זה ניתן להשתמש במגוון רב של גזים, נוזלים וכימיקלים.

משאבות סחרור ומערכות סחרור מאולצותIn-Line-Circulating-Pump

משאבות סחרור משמשות לסחרור מים באופן קבוע במערכי מים בהם יש צורך בהנעת מים קבועה.

שימושים:

מערכות סחרור למתקני ייצור חום וקור
על מנת להניע את המים אל מתקני החימום והקירור משתמשים במשאבות סחרור
מערכות לסחרור מים לצרכנים
על מנת לספק מים חמים או קרים זמינים בקווי הצריכה. העדר משאבת סחרור יביא לכך כי כל צרכן ידרש לרוקן את קו ההולכה ממתקן ייצור החום/קור עד לנקודת השימוש.
ישנם סוגים וגדלים רבים של משאבות סחרור, אולם אין משאבה אחת "כל-יכולה". משאבת הסחרור צריכה להיות מותאמת לצרכים ולמאפייני השימוש.
שימוש במשאבה לא מתאימה יאיץ את הבלאי שלה, יקצר את אורך חייה ויגדיל את עלויות התפעול שלה.

פרמטרים להתאמת משאבת סחרור:

טמפרטורות עבודה – הן בחימום והן בקירור משאבת הסחרור צריכה להיות מותאמת לטמפרטורת המדיה המסוחררת.
הפרש טמפרטורה (דלתא T) – ההפרש בין טמפרטורת מוצא המים לטמפרטורת חזרתם.
הפסדי התנגדות (עומד) – הלחץ הנגדי המופעל על המשאבה. נתון זה יביא בחשבון את קוטר הצנרת ואורכה, הגובה אליו נדרש להרים את המים והתנגדות מכלולים כגון מחליף חום, מגופים, מסננים, שעונים ועוד.
שקלול נתונים אלו יתאים את הספיקה הדרושה, ואת סוג המשאבה המתאים.

משאבות סחרור ומערכות סחרור מאולצותIn-Line-Circulating-Pump

משאבות סחרור משמשות לסחרור מים באופן קבוע במערכי מים בהם יש צורך בהנעת מים קבועה.

שימושים:

מערכות סחרור למתקני ייצור חום וקור
על מנת להניע את המים אל מתקני החימום והקירור משתמשים במשאבות סחרור
מערכות לסחרור מים לצרכנים
על מנת לספק מים חמים או קרים זמינים בקווי הצריכה. העדר משאבת סחרור יביא לכך כי כל צרכן ידרש לרוקן את קו ההולכה ממתקן ייצור החום/קור עד לנקודת השימוש.
ישנם סוגים וגדלים רבים של משאבות סחרור, אולם אין משאבה אחת "כל-יכולה". משאבת הסחרור צריכה להיות מותאמת לצרכים ולמאפייני השימוש.
שימוש במשאבה לא מתאימה יאיץ את הבלאי שלה, יקצר את אורך חייה ויגדיל את עלויות התפעול שלה.

פרמטרים להתאמת משאבת סחרור:

טמפרטורות עבודה – הן בחימום והן בקירור משאבת הסחרור צריכה להיות מותאמת לטמפרטורת המדיה המסוחררת.
הפרש טמפרטורה (דלתא T) – ההפרש בין טמפרטורת מוצא המים לטמפרטורת חזרתם.
הפסדי התנגדות (עומד) – הלחץ הנגדי המופעל על המשאבה. נתון זה יביא בחשבון את קוטר הצנרת ואורכה, הגובה אליו נדרש להרים את המים והתנגדות מכלולים כגון מחליף חום, מגופים, מסננים, שעונים ועוד.

שקלול נתונים אלו יתאים את הספיקה הדרושה, ואת סוג המשאבה המתאים.

מדידה ובקרת אנרגיה

על מנת לבצע ניתוח מעמיק ומפורט של האנרגיה המושקעת בחימום וקירור נוזלים, מקדמי הנצילות של הציוד בשימוש, ואפיון ובדיקה מדויקת של אמצעי החימום החלופיים, יש לבצע מגוון רחב של בדיקות:

קלורימטריה

על מנת לנתח את התפוקה הקלורית, יש לחשב את:
הפרש הטמפרטורה בין כניסת הנוזל לחימום לטמפרטורה בצאתו מיצרן החום.
לצורך כך יש מבצעים בדיקה באמצעות רגשי טמפרטורה מסוג (PT100 או TC Thermocouple) בכניסה וביציאה. ההפרש בין הקריאות הינו הפרש הטמפרטורה הנקרא גם דלתא T.
ספיקת הנוזל
הספיקה היא קצב מעבר המים במערכת.
הספיקה נמדדת לרוב ביחידות של ליטר/שניה או מ"ק/שעה
המכפלה של הפרש הטמפרטורה בספיקה יתן את נתון האנרגיה העוברת בקו ביחידות של קק"ל.
צריכת אנרגיה של יצרן החום
על מנת לבחון את יעילות המערכת יש לבצע בחינה של האנרגיה המושקעת בייצור החום.
לצורך כך מבוצעת בדיקה לספק החום:
עבור יחידות חשמליות (צ'ילרים, משאבות חום, גופי חימום חשמליים, מקררים)
מדידת צריכת החשמל באמצעות אמפר-מטר.
עבור תנורי הסקה
מבוצעת מדידה של צריכות גז/סולר/מזוט לאורך תקופת המדידה.
הכמות נבחנת בהיבטי עלות וערך הסק (ערך קלורי לק"ג/ליטר).
כל הנתונים נמדדים לאורך תקופה מייצגת ונאספים במערכת איגום מידע. עם השלמת איסוף הנתונים הם מנותחים לצורך הסקת המסקנות.
מדידת הקלורימטריה, בשילוב עם בדיקת צריכת האנרגיה של יצרן החום מספקת את מקדם הנצילות (COP – Coefficient of Performance) של המערכת.