עקרון “מעגל הקירור” ותנאי התכנון הנדרשים למערכת הקירור

המונח “מעגל קירור” מתייחס לפעולת מנגנון מכני תרמו דינמי, הפועל באופן מחזורי במעגל סגור. התוצאה הסופית של פעולת מעגל הקירור הינה תהליך מתמשך של שינויי טמפרטורת אוויר או נוזל. תהליך הקירור המחזורי מסתכם בספיחה (קליטה) ופליטה קבועה של חום מוחשי מאזור אחד אל מחוצה לו ושמירה על רמת טמפרטורה ולחות יחסית קבועה, באמצעות טיפול באוויר ממוחזר בחלל מטופל וסגור. תוך כדי כך האוויר מטופל ומסונן בהתאם לתנאים המתבקשים בחלל זה.

לצורך המחשת הפעולה המחזורית של מערכת הקירור, נשתמש לצורך כך במונח חום.
המושג ” חדירת החום” (זליגה) דרך קירות או מעטפת חיצונית של חלל מטופל, מתייחס לתופעה פיזיקלית קבועה הנלקחת בחשבון כפרמטר בסיסי, בעת התכנון הראשוני של חדר הקירור.  תופעה זו נובעת, עקב הפרש טמפרטורה גבוה (יחסית) בין החלל המטופל ומחוצה לו, ונלקחת בחשבון במהלך הורדת הטמפרטורה במצב קירור ו/או העלאת טמפרטורה במצב חימום.

בעת חישוב ההספק האנרגטי הנדרש לגריעת חום מהחלל המטופל, יש להתייחס לשילוב בין תנאי התכנון הנדרשים ביחס ישיר להספק המצטבר של החום ו/או הקור החודר לחלל המטופל, לבין העומס הנובע מאפיוני הפעילות בחלל זה (אנשים, ציוד וכו’) המהווים יחד את מכלול נתוני התכנון.

מכלול נתוני התכנון, משתנים בהתאם לפרמטרים הבאים:fgsdf
מיקומו הגאוגרפי של המבנה– התייחסות לטמפרטורה ורמת הלחות באזור הגאוגרפי.
תנאי תכנון מתבקשים– לעניין טמפרטורה, רמת לחות ואויר צח.
נפח החלל המטופל- מתייחס לאזור המקורר וחלק היחסי מהחלל הלא מטופל.
דלתות- מתייחס לרמת הבידוד ביחס למעבר חום וסינון קרינה, חשיפה לשמש, סוג החומר, שטח המגע, מותקן חיצונית ו/או פנימית במבנה ועוד.
קירות ותקרה– סוג החומר, אפיוני בידוד, מידת חשיפתם לשמש וכו’.
עומס כללי- כמות וסוג הסחורה (מידת פליטת החום של כל מוצר לסוגו)

 

מעגל הקירור- עקרונות הפעולה

במעגל הקירור מתבצעת פעולה מחזורית של הקרר ובמהלכה מתבצע שינוי מחזורי במצבי הצבירה של הקרר ההופך מגז בלחץ נמוך לנוזל בטמפרטורה ולחץ גבוה, ושוב בחזרה לגז.

להלן הגדרת השלבים השונים של תהליך הקירור, התהליך התרמו דינמי:

שלב ראשון- המערכת מוכנה לעבודה, המדחס עדיין לא בפעולה. מעגל הקירור מלא בכמות הנדרשת בגז קרר מתאים.
שלב שני-  התחלת עבודה. מתקבלת “דרישה” להפעלת המערכת. המדחס נכנס לעבודה ומבצע בו זמנית פעולת דחיסה בכיוון המעבה ויניקה מהמאייד. בשלב זה מתחיל תהליך המחזורי של הקרר.
שלב שלישיתהליך העיבוי, דחיסה. גז הקרר נדחס בלחץ גבוה מהמדחס אל סוללת העיבוי, ונוצרת התנגדות לזרימת הקרר אשר מעלה גם את הטמפרטורה בצד הזה של מעגל הקירור. כתוצאה מעליית הלחץ והטמפרטורה של הקרר, משתנה בהדרגה בשליש השני של סוללת העיבוי, מצב הצבירה  של הקרר מגז בלחץ נמוך יחסית לנוזל בלחץ גבוה. בשליש האחרון הופך הקרר מגז לנוזל מעובה.
שלב רביעי- מסלול הנוזל. הקרר הנוזלי נדחס בלחץ וטמפרטורה גבוהה, מסוללת העיבוי אל סוללת האיוד, כאשר לפני כן הוא עובר דרך בקר לחץ, בקר שמירת לחצים אשר מתפקד כ”שומר הסף” ומבקר את כמות הקרר הנכנסת לסוללת המאייד. כמות הקרר הנדרשת בסוללת המאייד משתנה בהתאם לתנאי העבודה הנדרשים ומכלול נתוני תכנון שנקבעים מראש.
שלב חמישי- תהליך האיוד. הקרר הנוזלי זורם דרך פתח צר מהבקר לחץ אל סוללת האיוד בעלת חתך צנרת גדול יותר. כתוצאה מקוטר ואורך צנרת גדולים יותר, מתפשט הקרר הנוזלי, כתוצאה מכך משתנה רמת הלחץ בו הוא נמצא. בעת נפילת לחץ, יורדת טמפרטורת הקרר ובהדרגה הופך ממצב נוזלי לגז.
במהלך שינוי מצב הצבירה נקלט במעגל הקירור חום מהחלל המטופל, באמצעות האוויר המסוחרר דרך צנרת הסוללה והפיליסים המיועדים, המשפרים את יכולת הקליטה. (הסוללה מהווה מחליף חום)
שלב שישי- יניקה מסוללת האיוד בחזרה אל מדחס הקירור. הגז זורם לצינור יניקה בעל קוטר גדול יחסית לצינור סוללת המאייד, כלומר הגז ממשיך ומתפשט אם כי הפעם בלחץ נמוך. כתוצאה מההתפשטות הקרר יורד הלחץ ורמת הטמפרטורה של הקרר.
שלב שביעי- מדחס הקירור. גז הקרר נשאב אל המדחס בלחץ וטמפרטורה נמוכה דרך צינור היניקה, ומנגד דוחס אותו שוב בלחץ גבוה אל עבר סוללת העיבוי.
שלב שמיני- יחידת העיבוי קולטת מחדש את הגז, המכיל את האנרגיה /החום שנגרע מהחלל המטופל/המקורר. בשלב זה מוזרם האוויר באמצעות מפוח סוללת המעבדה המותקן על מבנה הסוללה, וכך למעשה משתחרר החום  שנגרע מהחלל המטופל/המקורר אל מחוצה לו, לסביבה החיצונית. מכאן נובעת הדרישה למקם את יחידת העיבוי בחלל החיצוני הפתוח ולא במקום הסגור.