יעילות וחיסכון במעבר חום בריאקטורים מחוממי מעיל

השוואה בין אמבטים סחרור ותרמוסטטים אטומים הידראולית בעלי נפח פנימי קטן.

השליטה המדויקת בטמפ’ התהליך היא מרכיב חשוב וקריטי בהצלחת התהליך ובצורך לאפשר חזרה על תהליך זה בצורה רוטינית.

שליטה זו תלויה ביעילות מעבר החום מהמדיום הנמצא בריאקטור אל מדיום החימום, וממדיום החימום אל מחליף החום הנמצא בתוך התרמוסטט.

על מנת להעביר אנרגיה תרמית מ- ואל תכולת הריאקטור מחוברת מערכת סחרור לריאקטור עם צנרת ומחברים מתאימים.

מיכל הקיבול בתוך מערכת הסחרור (אמבט סחרור) וכן המעיל והצנרת ממולאים במדיום חימום –
(Heat Transfer Fluid – HTF), נוזל זה מחומם או מקורר בהתאם לנדרש ע”י התהליך.

בשוק קיימים שני סוגים של אמבטים: אמבט הסחרור הקונבנציונאלי ותרמוסטט בעל נפח פנימי קטן – אטום הידראולית, (Low volume hydraulically sealed system – LVHSS).

אמבט הסחרור הקונבנציונאלי עושה כמובן את העבודה אך סובל ממספר מגבלות הנובעות משיטת הפעולה כגון: מהירות התגובה, עלויות תפעול ותחום טמפ’.

על מנת להשיג מעבר חום מהיר יש צורך לייצר במהירות הפרש טמפרטורות (Delta T) בין טמפ’ התהליך לבין טמפ’ המעיל על מנת להשפיע על קצב מעבר החום.

זה יכול להיות קצב קירור מהיר או קצב חימום מהיר או לחליפין לאפשר לשמור על טמפ’ קבועה גם בתהליך שמקיימת בו תגובה פולטת חום (Exothermic reaction).

המהירות בה מושג הפרש הטמפ’ (T) תלויה במספר משתנים אשר הדומיננטיים שבהם הם:

• נפח נוזל מדיום החימום (HTF) – בדרך כלל לאמבטים סחרור יש נפח פנימי גדול אשר חייב להיות
  מחומם או מקורר קודם על מנת ליצור את הפרש הטמפ’ (T), לעומתם התרמוסטטים מדגם ה- LVHSS
  בעלי נפח פנימי מינימאלי יגיבו במהירות רבה וכל שינוי בטמפ’ יופיע כמעט מיידית כהפרש
  הטמפ’ במעיל.
• גודלו של עומס החום – ממד זה נקבע ע”י התהליך ותלוי במספר משתנים: גודל/נפח התהליך, כמות
  האנרגיה המשתחררת בעת התגובה האקזוטרמית, קצב החימום / קירור הנדרש.
  נפח הפנימי של אמבט הסחרור חייב להיות כלול בכול חישוב.
  למערכות ה- LVHSSיש נפח פנימי קטן ביותר ולכן עומס החום פוחת במידה ניכרת,
  כמות האנרגיה שיש צורך להשקיע בחימום/קירור פוחתת בהתאם.
• הספק החימום / קירור – כאשר מחשבים את עומס החום נפח הפנימי של אמבט הסחרור חייב להיכלל
  בחישוב זה מכיוון שחלק ולעיתים חלק ניכר מהספק זה מופנה לחימום / קירור של נפח זה.
  גורם זה מהווה את החיסרון העיקרי בשיטת הפעולה של אמבט סחרור כאשר האמבט מהווה חלק ניכר מצרכני עומס החום.
  יש לציין שהוועדה לאמבטים סחרור מעבדתיים של תקני DIN בגרמניה הכירה בחיסרון זה וכבר הציגה בתקן 12876 DIN מונח חדש הנקרא Cooling Power Density (CPD).
  משמעותו הוא שהספק החימום / קירור מחושב בהתאם לנפח מדיום החימום הקיים במערכת והיחידות הינן וואטים לליטר (Watts/liter).

תחשיב זה הרבה יותר מדויק כאשר מבקשים להשוות יכולת ביצוע של אמבטים סחרור שונים.

ניצול משאבים

אמבט הסחרור מנצל משאבים על מנת ליצר עוצמת חימום / קירור, בעבור משאבים אלו יש לשלם, משאבים אלו כוללים:

• חשמל – ככל שההספק הנדרש יהיה גדול יותר כך צריכת החשמל תהיה גבוהה יותר, חלק ניכר מהספק זה מיועד לחמם / לקרר את נפח הפנימי של אמבט הסחרור.
  כאשר נפח זה מחומם / מקורר לטמפ’ הרצויה להשגת ה- T ניתן לשלוט בטמפ’ הרצויה.
  מערכות ה- LVHSSשולטות במערכת הזרמת מדיום הקירור ברזולוציה גבוהה ביותר בעזרת מנוע מדורג המווסת בצורה מדויקת את רמת הקירור הנדרשת.
• מדיום חימום / קירור (HTF)- אמבט סחרור קונבנציונאלי מכיל באופן טבעי יותר מדיום.
  מגבלות מעשיות צצות עקב שינוי בצמיגות עקב ירידה בטמפ’ וסכנת הבזק בטמפ’ גבוהות, התוצאה היא תחום טמפ’ צר יותר עקב בעיית בטיחות.
  מגבלות נוספות הינן חמצון מהיר יותר ואדים בטמפ’ גבוהות וכן ספיגת לחות מואצת ככול שהטמפ’ יורדות.
  דבר זה משפיע על יעילות (קטנה) ואורך החיים(מתקצר)של מדיום החימום / קירור שמשמעותו היא החלפה תכופה שלו, החלפה זו גוררת הוצאות לרכישת מדיום חדש, השמדת המדיום הקודם וחשוב יותר הוא זמן ההמתנה המתבזבז בתהליך ההחלפה.
  מערכות ה-LVHSS עובדות במערכת סגורה ואטומה וכוללות מיכל התפשטות אשר אינו מהווה חלק ממחזור תהליך החימום / קירור ולכן המדיום הנמצא בתוכו לא חשוף יותר מאשר לטמפ’ החדר, דבר זה מאפשר לעבוד עם מדיום זה ללא צורך בהחלפה זמן רב (4-5 שנים).
  טמפ’ העבודה המקסימאלית של מדיום החימום / קירור באמבט סחרור מוגבלת ע”י טמפ’ ההבזק, שטח הפנים של המדיום נמצא במגע עם האוויר ועל מנת למנוע סכנה זאת יש לעבוד ב- OC15-20 מעלות נמוך מטמפ’ ההבזק.
  כיום ניתן עם מדיומים מודרניים במערכות אטומות (LVHSS ) להשיג תחומי עבודה של 90- ועד OC 200+ מעלות צלזיוס במדיום אחד ללא צורך בהחלפה.
• מי קירור – בתהליך קירור על מערכות התרמוסטטים מוטל לסלק את החום מחוץ למערכת, ניתן לעשות זאת ב-2 שיטות: ע”י קירור אוויר או ע”י מדיום קירור כגון מים.
  שימוש באוויר צורך חשמל רב, גורם לרעש גדול, מפזר את החום לסביבת העבודה ומאבד יעילות בטמפ’ סביבה גדולה.
  שימוש במים כמובן צורך מים למעט אם מחברים למעגל נוסף של יחידת קירור, מעלה את עלות המערכת אבל זול ונוח לשימוש ארוך טווח.
  למערכות ה- LVHSS שולטות בברז מדורג לכניסת מי קירור בהתאם לכמות החום הנדרש לסילוק ממחליפי החום, דבר זה מאפשר “בזבוז” מים מינימאלי.

יתרונות ייחודיות למערכות אטומות (LVHSS ):

יכולת קירור גם בטמפ’ גבוהות מעל OC200, יחידה חיונית המאפשרת טווח עבודה של 120- ועד OC300+ בתרמוסטט אחד נקראת High Temperature Slider Valveאו בקיצור HT – היחידה מורכבת מווסת , מחליף חום נוסף וחיישן טמפרטורה.

כאשר חיישן הטמפ’ מזהה טמפ’ גבוהה של הגז תפקידו של הווסת זה היא להעביר גז זה דרך מחליף חום נוסף במקביל למחליף החום הרגיל ובכך מאפשר להתחיל את תהליך הקירור בטמפ’ התחלתית גבוהה יותר, ככול שהטמפ’ גבוהה יותר כך נפתח הווסת יותר ומאפשר לכמות גז גדולה יותר לזרום דרך מחליף החום הנוסף.

טכנולוגיית מעבר החום – יעילות מעבר החום תלויה ב-3 גורמים עיקריים איכות החומר, שטח הפנים החשוף למדיום החימום/קירור וקצב הזרימה.

הפתרון הטכנולוגי בו משתמשים במערכות LVHSS הוא שימוש במחליף חום פלטות, מחליף חום זה משלב שטח פנים גדול עם נפח יחסי קטן של מדיום כמו כן גודלו הפיזי קטן.

מערכות ה- LVHSS נכון להיום הינן היחידות המשיגות שילוב של יעילות, חיסכון וכול זאת בתחום טמפ’ רחב ביותר מ- OC120- ועד OC400+ בתוך מעיל הריאקטור.