כיצד לצאת מהלחץ האתגר והפתרון למהנדסים בתכנון מערכות קירור מוטסות וצבאיות

מערכות אלקטרוניות ואלקטרו-אופטיות פולטות חום רב בעת פעולתן ודורשות קירור מתמיד. רכיב חשוב במערכות קירור כאלה הוא מיכל המשנה את נפחו על פי תנאי העבודה והסביבה לצורך קליטת נוזל הקירור המתפשט. קיים בלבול בקרב מהנדסים בין שני רכיבים, אקומולאטור ומיכל התפשטות, הדומים בעקרון הפעולה ובמבנה שלהם, אך שונים בתפקיד אותו הם ממלאים. שניהם מכילים נוזל מערכת הנמצא בלחץ, אך משנים את נפחם בהתאם לפקודה או לתנאי עבודה שונים. מַהֵם רכיבים אלה, כיצד הם עובדים ואיך בוחרים אותם? מאמר ראשון זה ייוחד למיכלי התפשטות.

תמונה מס’ 1. Edge Welded Bellows

מיכל התפשטות (Expansion Tank), נועד לפצות על התפשטות נוזל במערכת כתוצאה משינויי טמפרטורה ובכך להגן על המערכת מלחץ עודף. שינוי טמפרטורת הנוזל במערכות קירור, נובע בעיקר מהחלפת חום בין נוזל הקירור והמערכת הראשית. מערכות אלקטרוניות ואלקטרו-אופטיות המותקנות בכלי טייס, חוות הפרש טמפרטורה גדול ומהיר מאד הנובע גם מתנאי סביבה משתנים. לדוגמא: מטוס הטס בגובה של 50,000 רגל ונוחת בשדה תעופה במזרח או מרכז ארה”ב בתקופת הקיץ, חווה במהלך טיסה כזו שינוי טמפרטורה של . השפעת טמפרטורת סביבה קיימת גם במערכות קירור קרקעיות (למשל במערכות מכ”ם קרקעי). הפרש טמפרטורות במדבר בין הלילה והיום או הפרש טמפרטורות בין חורף סיבירי לקיץ מדברי, גם הם הסיבה לכך שמערכות צבאיות ותעופתיות מתוכננות לעבודה בטווח טמפרטורות של -50°C ועד +80°C.
שינויי הטמפרטורה של נוזל הקירור (לרוב אתילן גליקול), גורמים לשינוי משמעותי בנפחו. מקדמי התפשטות נפחיים של נוזלים הם בטווח של 0.0001 ל-0.002 (יחידות נפח ל-C°). שינוי נפח הנוזל לפיכך יכול להיות בטווח של 1%-20% בהפרש טמפרטורות של . מערכות הקירור שהן חלק מציוד מוטס או קרקעי (Power Electronics Cooling Sytems), הן מערכות סגורות, ולכן, לחץ הנוזל (שאינו דחיס), יעלה מיידית עם התפשטותו, ועלול לגרום לכישלון מכני של רכיבי המערכת (צנרת, אביזרים, משאבה, מחליף חום וכו’) אם לא יתאפשר לו להתפשט באופן מבוקר.

תמונה מס’ 2. מיכל התפשטות עם חנקן (מימין) ועם קפיץ (משמאל)

הפתרון המקובל במערכות קירור סגורות (תמונה מס’ 4) להגנה מפני עודף לחץ, הוא מיכל ההתפשטות המשנה את נפחו בהתאם ללחץ במערכת. הוא עשוי בד”כ מתכת (St.St, טיטניום), עמיד בלחץ גבוה ומתוכנן להכיל את תוספת נפח הנוזל הנוצרת עם עליית הטמפרטורה. המיכל מותקן במערכת אחרי המשאבה, והוא קולט לתוכו את הנוזל המתפשט בעת עליית הטמפרטורה. עם ירידת הטמפרטורה, נפח הנוזל קָטֵן. זהו למעשה אביזר בטיחות שמחויב בכל מערכת בה קיים נוזל המשנה את נפחו. מיכל התפשטות המבוסס על Bellows הוא אחד הפתרונות המתקדמים ביותר המותקנים כיום במגוון רחב של מטוסי נוסעים ומטען (Boeing, Airbus), מטוסי קרב (F35) ומסוקים, רק”מ ומערכות קרקעיות נוספות.
איך עובד מיכל ההתפשטות Bellows Type?
המיכל מבוסס על שרוול מתכת גמיש ואלסטי (Metal Bellow), הבנוי מטבעות (תמונה מס’ 1) המרותכות בהיקפן הפנימי והחיצוני בטכנולוגית Micro Plasma שמבטיחה דיוק, אטימות ועמידות לשנים רבות במספר רב של מחזורים. ביכולתו של ה- Bellow להתארך בכ- 30% מאורכו החופשי ולהתכווץ בכ- 70% ממנו. תכונה זו מקנה לו יתרון על פני פתרונות אחרים (בוכנה, שרוול גומי) לשימושים בהן נדרשת שמירה על אטימות מלאה של נוזלים או גזים ושמירה על לחץ או תת לחץ. ל- Bellow תכונת קפיציות עם מקדם קפיץ קבוע והוא מחליף חומרים אלסטומריים לאיטום. מגוון החומרים ממנו הוא מיוצר מאפשר שימוש בו בתנאים מגוונים וקורוזיביים. יכולתו לבצע תנועות ארוכות במספר רב של מחזורים (עד מיליוני מחזורים), הופכת את ה-Bellow לפתרון אידיאלי כמרכיב המשנה נפח בתוך מיכל ההתפשטות. מיכלים מסוג זה מיוצרים גם ע”י החברה משוויץ, המתמחה בפיתוח וייצור של Edge Welded Bellows ומוצרים המבוססים עליו, והם נבדקים לאטימות בואקום גבוה ובמחזורי פעולה המדמים פעולת מערכת לאורך החיים המתוכנן שלה. בחישוב אורך חיי המערכת, נלקחים מספר ההמראות והנחיתות ביום, מספר ימי התפעול בשנה ומספר השנים להם מתוכננת המערכת. מִדגם מכל סדרת ייצור נבדק במבדקה מיוחדת המדמה את מספר מחזורי עבודה לאורך חיי המוצר. כיוון שתנועת ה-Bellow היא ללא חיכוך, לא קיימת בעיית היתקעות ולא נדרשות פעולות תחזוקה.
קיימים שני סוגי מיכלי התפשטות בטכנולוגיה זו:
Spring Loaded – מיכל חיצוני, שבתוכו שני חללים המופרדים ע”י ה-Bellow. לחלל אחד מתפשט הנוזל, ואילו החלל השני מחובר לאטמוספירה. התפשטות הנוזל

איור מס’ 3. מבנה ועקרון פעולה של מיכלי התפשטות עם קפיץ ועם גז חנקן

היא כנגד קפיציות ה-Bellow ששומר על אטימות מוחלטת של חלל ההתפשטות. במידת הצורך, מוסיפים קפיץ להגדלת לחץ העבודה (איור מס’ 3). מבנה כזה מבטיח יחס ישר בין עליית הלחץ להתפשטות הנפחית.
Gas Loaded – במיכל התפשטות זה, ה-Bellow מפריד בין שני חללים. חלל אחד אליו מתפשט הנוזל והחלל השני אטום וממולא בגז חנקן (תמונה מס’ 2). כאן מתאפשרת עליית נפח הנוזל כתוצאה מדחיסותו של גז החנקן. הנוזל המתפשט, דוחף את ה-Bellow כנגד החנקן הדחוס עובדה הגורמת לעלייה קטנה בלבד בלחץ. לחץ מילוי גז החנקן במיכל נקבע על פי נתוני העבודה של המערכת. מיכל כזה נקרא גם Hydro-Pneumatic Expansion Tank.  במיכל התפשטות ניתן להתקין אינדיקאטור (מכאני או חשמלי) לקבלת חיווי של נפח הנוזל במיכל ובכך לאפשר למערכת בקרת הקירור לעבוד בצורה יעילה יותר. האתגר העומד בפני המהנדס המתכנן נובע מכך שתכנון מיכל התפשטות הוא התמחות מיוחדת, בו נדרש לתת פתרון הנדסי במגבלות של נפח, משקל, טווח טמפרטורות גדול, ממשק עם מערכות בקרה ועוד.

תמונה מס’ 4. מערכת קירור תוצרת תאת טכנולוגיות עם שני מיכלי התפשטות

לפיכך, מעמידה החברה את הניסיון הרב שצברה לאורך שנים ומהנדסיה משתפים פעולה עם מהנדסי פיתוח בחברות מובילות בשלבי פיתוח שונים. רוב מיכלי ההתפשטות מיוצרים על פי מפרט לקוח והמוצרים הם custom made, אך למרות זאת מחיריהם של מיכלים כאלה אינם מושפעים מעובדה זו. טכנולוגיית ה Bellows מאפשרת לייצר מיכלי התפשטות כמעט ללא מגבלת מימדים. ניתן לתכנן מיכלים צרים מקוטר של 20 מ”מ ועד לקוטר של 1 מ’, ובאורך בלתי מוגבל.
על מנת להגיע לאופטימיזציה של המערכת, על מהנדס המערכת לרכז לפניו את הנתונים והפרמטרים הבאים:
• חומר המיכל – תלוי בסוג נוזל הקירור והקורוזיביות שלו, תנאי סביבה (אווירה רגילה או אווירה ימית קורוזיבית), משקל מכסימלי מותר (שימוש בטיטניום מאפשר הקטנת משקל ב-40%). חומרי מבנה מקובלים הם: St.St. 316/L, Titanium AM350, Inconel 718.
• לחצים – יש להתייחס ללחץ סטטי בעת שהמשאבה אינה פועלת, לחץ עבודה של המשאבה (דינמי וסטטי), לחץ מכסימלי מותר במערכת (על פי הרכיב החלש ביותר בה), לחץ בדיקה נדרש. הלחצים צריכים להיות אבסולוטיים.
• הפרשי טמפרטורה – נובע מעומסי חום שונים במערכת הראשית וגם מתנאי סביבה משתנים (יום לילה, גובה, מיקום גיאוגרפי). הטמפרטורות צריכות להיות ב-K°.
• נפח נוזל המערכת – נפח צנרת, אביזרים, מחליף חום ונפח מיכל ההתפשטות עצמו. בחישוב התפשטות הנפח יש לכלול גם את התפשטות המערכת עצמה (בעיקר צנרת) אם מדובר על מערכת גדולה.
• אינדיקאטור – האם קיימת מערכת בקרה לה נדרש משוב על מצב מיכל ההתפשטות הנותן אינדיקציה על מידת ההתפשטות של הנוזל.
• מספר מחזורי עבודה – מספר הפעלות מתוכנן של המערכת ביממה/שנה ואורך חיי המערכת. כמה מחזורי עבודה מלאים (חימום-קירור) צפויים.
• נפח מיכל ההתפשטות – מחושב על פי שינויי טמפרטורה, סוג נוזל הקירור ומקדם ההתפשטות הטרמי שלו.
נפח התפשטות הנוזל (dV) יחושב לפי הנוסחא הבאה:
dV = β * V0 *
β – מקדם התפשטות נפחי של נוזל הקירור
V0 – נפח הנוזל בטמפרטורה התחלתית t0
t0 – טמפרטורה מינימלית
t1 – טמפרטורה מכסימלית
חישוב מיכל ההתפשטות מבוצע בד”כ על ידי יצרן מיכלי ההתפשטות. ריכוז כל הנתונים בצורה מדויקת, תאפשר לך המתכנן להגיע לתכן אופטימאלי של מערכת הקירור ולצאת מהלחץ..