אוויר כנוזל קירור (קרר): טכנולוגיה, הזדמנויות ומגבלות

אוויר, כקרר (refrigerant) טבעי, מושך תשומת לב מחודשת בעקבות דרישות מחמירות והולכות להגנת האקלים. יתרונו המרכזי טמון בתאימותו הסביבתית: לאוויר יש פוטנציאל התחממות גלובלית אפסי (GWP ~ 0), הוא אינו רעיל, אינו דליק וזמין ברחבי העולם. הדבר מבטל רבים מהסיכונים הרגולטוריים הנלווים לחומרי קירור אחרים.

מבחינה טכנית, צ'ילרים מבוססי מחזור אוויר מתוכננים בדרך כלל במחזור טורבו-ברייטון הפוך (RTB): האוויר נדחס, מקורר, ולאחר מכן מתפשט דרך מרחיב (expander), ובכך מייצר טמפרטורות נמוכות. ניתן להשלים תהליך זה באמצעות מחליף חום רקוופרטיבי (recuperative heat exchanger), המאפשר להוריד את רמת הטמפרטורה הנמוכה עוד יותר. ניתן להבחין בין שני סוגי תכנון ויישומים:

●        יישומים הדורשים אוויר קר ישיר: במקרים אלו, האוויר הקר יכול להיות מסופק ישירות על ידי הקרר ללא צורך במחליף חום נוסף. דוגמה אחת לכך היא קירור של דגימות חומרים באמצעות אוויר קר לצורכי מדידה.

●        יישומים שבהם הקור מועבר מהאוויר לתהליך באמצעות מחליף חום נוסף: למשל לנוזל קירור או למפזר חום (heat sink). תחום יישום טיפוסי כאן הוא צ'ילרים מקוררי אוויר, שבהם לא ניתן להשתמש בחומרי קירור קונבנציונליים או בתערובות קררים מסיבות טכניות (למשל, טמפרטורות נמוכות מאוד) או מסיבות רגולטוריות (למשל, פסילת חומרי קירור דליקים) – או שילוב של שני הגורמים יחד.

טכנולוגיות מדחסים ומרחיבים מודרניות משפרות באופן משמעותי את הכדאיות הכלכלית של מערכות כאלה. הטורבו-מדחסים והמרחיבים של Celeroton מספקים נצילות גבוהה, ובזכות מהירויות הסיבוב הגבוהות שלהם, הם בעלי מבנה קומפקטי ביותר. הודות למיסבי גז ללא מגע מכני, המכונות פועלות גם ללא שמן (oil-free) וללא שחיקה. הדבר מהווה יתרון משמעותי עבור תהליכי קירור ויישומים בעלי דרישות ניקיון גבוהות.

תחום יישום מעניין אחד הוא תעשיית המוליכים למחצה (סמיקונדקטור). בייצור שבבים, נדרשות טמפרטורות יציבות ונמוכות במיוחד עבור מערכות ליתוגרפיה, תהליכי צריבה (etching), קירור פרוסות סיליקון (wafers) וייצוב תהליכים מדויק. במקביל, יש לעמוד בסטנדרטים הגבוהים ביותר של ניקיון, אמינות ובטיחות תפעולית. מערכות קירור מבוססות אוויר מציעות כאן יתרונות, שכן הן אינן משתמשות בחומרי קירור דליקים או מזיקים לסביבה, ומדחסי טורבו נטולי שמן ממזערים את סיכוני הזיהום. הטורבו-מדחסים והמרחיבים הקומפקטיים של Celeroton מאפשרים גם תכנון מערכות קירור חוסכות מקום בעלות צפיפות הספק גבוהה – גורם מפתח במפעלי ייצור מוליכים למחצה מודרניים ובסביבות חדרים נקיים.

יישומים נוספים ניתן למצוא בטכנולוגיה קריוגנית, כגון בתעשיות המזון, התרופות (פארמה) והרפואה, כמו גם ב-IT, טלקומוניקציה וייצור אלקטרוניקה. אוויר משמש כקרר גם בתעשייה הכימית ובטכנולוגיות סביבה ואנרגיה, שכן הוא בטוח מפני דליפות, אינו דליק ועומד בדרישות הרגולטוריות העדכניות ביותר.

בהשוואה למחזורי קרר דו-פאזיים מסורתיים, צ'ילרים במחזור אוויר הם לרוב פחות יעילים מכיוון שהאוויר נשאר במצב גזי לאורך כל התהליך, מה שדורש עבודת דחיסה משמעותית. כתוצאה מכך, מערכות אלו נוטות להיות גדולות וכבדות יותר. עם זאת, הן יכולות להציע פתרונות אטרקטיביים מבחינה כלכלית לטווח טמפרטורות של כ-50°C- עד 120°C-, בשילוב עם דרישות בטיחות גבוהות ודרישות של GWP = 0. רכיבים מודרניים כגון דחיסה רב-שלבית, השבת חום (heat recovery) וטורבו-מדחסים ומרחיבים בעלי נצילות גבוהה משפרים את מקדם הביצועים (COP).

יתרונות של צ'ילרים מקוררי אוויר עם טורבו-מדחסים ומרחיבים מבוססי מיסבי גז מבית Celeroton:

●        נתוני ביצועים וצפיפות הספק משופרים הודות לדחיסה/התפשטות רב-שלבית עם השבת חום.

●        אוויר נקי בזכות פעולה נטולת שמן לחלוטין.

●        מבנה קומפקטי בזכות מהירויות סיבוב גבוהות במיוחד.

●        פעולה ללא צורך בתחזוקה הודות לעבודה חופשייה ממגע מכני.

אוויר אינו מהווה תחליף לכל תהליכי הקרר הדו-פאזיים המסורתיים, אך הוא מהווה חלופה חסונה (robust), בטוחה וידידותית לאקלים עבור יישומים ספציפיים. במיוחד בתעשיית המוליכים למחצה, צ'ילרים מודרניים במחזור אוויר פותחים אפשרויות חדשות לקירור תהליכים נקי, בטוח ובעל ביצועים גבוהים מבלי להשפיע לרעה על פוטנציאל ההתחממות הגלובלית. בזכות מערכות הטורבו-מדחסים והמרחיבים המודרניות של Celeroton, מערכות אלו הופכות לקומפקטיות, יעילות, דלות תחזוקה ואטרקטיביות יותר מבחינה כלכלית.