משב מרענן

משב מרענן

ממכונה לייצור קרח שפותחה ב-1842 כדי להקל על מצוקת חולי המלאריה והקדחת הצהובה, הפכה מערכת מיזוג אוויר לפריט חיוני ובלתי נפרד משגרת ימינו במקום העבודה, בבית, ברכב ובכל חלל סגור. לא פלא שההמצאה של וויליס קרייר לפני 112 שנה שדרגה את איכות החיים ושינתה את ההיס

אבי אובליגנהרץ
החיים הנוחים והמפנקים במאה ה-21 גורמים לנו לקבל כל טכנולוגיה חדשה כדבר מובן מאליו. הדבר בולט בעיקר בקרב הדור הצעיר שמשוכנע למשל כי המחשב הטלפון הסלולארי, הטלוויזיה והמזגן כמובן היו מאז ומתמיד בעולמנו. לך תסביר שמדובר בהמצאות שמשרתות את החברה האנושית בפועל פחות ממאה שנה.
נסו לתאר לעצמכם את החיים שלנו ביום חם במיוחד ללא האפשרות להדליק את מערכת המיזוג בבית, במקום העבודה, ברכב, בקניון, בסופרמרקט וכדומה? הרי בכל הפסקת חשמל אנחנו נזעקים ומקטרים ללא הרף, אז מה יקרה אם פתאום נניח לשבוע ייקחו מאתנו את האפשרות לקרר או לחמם את האזור בו אנו נמצאים? תוהו ובוהו וכאוס מוחלטים.
 
קירור במחצלות ואמות מים
קירור  בפועל הנו  תהליך להוצאת חום מחלל סגור או מחומר על ידי סילוקו למקום אחר; המטרה העיקרית של הקירור היא להוריד את טמפרטורת החלל הסגור או החומר ואחר כך להוסיף ולקיים טמפרטורה נמוכה זו. היות וחום זורם מעצמו רק מחומר או גוף בעל טמפרטורה גבוהה לחומר או גוף בעל טמפרטורה נמוכה (החוק השני של התרמודינמיקה), הרי שנחוצה עבודה מכני כדי לגרום לחום לזרום בכיוון ההפוך.
המזגנים בצורה כזאת או אחרת מלווים את החברה האנושית למעשה הרבה לפני שלבשו את צורתם הנוכחית הודות לוויליס קרייר, אביו של המזגן המודרני. מערכות הקירור/מיזוג הראשונות הומצאו למעשה בתקופת הפרעונים. המצרים הקדמוניים גילו כי בעזרת מים ניתן לצנן את הטמפרטורות בחללים בהם הם שהו, על ידי תליית מחצלות רטובות על פתחי הבתים שלהם. המים שהתאדו מהמחצלות הרטובות, הורידו את הטמפרטורות בתוך הבית והוסיפו לחות  מרעננת לאוויר המדבר היבש. אגב, הפרעונים נהגו להגיש לאורחיהם גביעי כסף שהכילו פירות מעורבים בקרח שנוצר מירידת השלגים במהלך החורף, ואותו נהגו לאחסן בשוחות ובבתי קרח מיוחדים.
זמן לא רב אחרי שבמצרים העתיקה הצליחו להכניע את השרב באמצעות מחצלות לחות, הרומאים הצליחו לפתח שיטת מיזוג וקירור פרימיטיבית על ידי ניצול אמות המים המפורסמות שלהם להזרמת מים טריים דרך צנרת מקורה, שיטה שהפחיתה את טמפרטורת האוויר בתוך וילות מחניקות באופן משמעותי. טכנולוגיה זו תפסה בהמשך תאוצה משמעותית כשהרומאים  הצליחו לפענח את העקרונות על פי הן מתנהלת השמש.
הפרסים שכללו את אחסון הקרח באמצעות בורות מקורים שנקראו יאחצ’אלים. הדבר איפשר את שימורם של מצרכי מזון למשך העונות החמות. טכניקה זו הוסיפה לפעול ביעילות מאות בשנים, ובתי קרח עדיין היו בשימוש במאה העשרים.
 
לקפוא למוות גם ביום חמסין 
בשנת 1758 המדינאי והמדען המפורסם בנג’מין פרנקלין שמחקריו תרמו רבות להבנת תחום החשמל,  כולל המצאת המונחים “חיובי”, “שלילי” ו”סוללה”, ועמיתו ג’ון הדלי, פרופ’ לכימיה באוניברסיטת קיימברידג’, החלו להתנסות עם אפקטי הקירור של תופעות נוזליות מסוימות במטרה לחקור את עיקרון האידוי כאמצעי מהיר לקירור האובייקט. השניים גילו כי אידוי של נוזלים נדיפים כגון אלכוהול יכול לשמש כדי להפחית את הטמפרטורה של אובייקט מעבר לנקודת הקיפאון של המים. הם ערכו ניסוי עם נורה של מדחום כספית כאובייקט שלהם עם מפוח כדי “לזרז” את האידוי, הם הפחיתו את הטמפרטורה של המדחום ל-14 מעלות כאשר טמפרטורת הסביבה ניצבה על 18 מעלות צלזיוס. בהמשך, הצליחו השניים לרדת 25 מעלות מתחת לנקודת הקפאון של המים, ופרנקלין ציין ביומנו כי ניתן לקפוא למוות גם ביום חמסין.
ב-1805 תכנן הממציא האמריקני אוליבר אוואנס מערכת קירור מבוססת על מחזור דחיסת אדים ולאו דווקא על תמיסות כימיות או נוזלים נדיפים כמו אתר אתילי. הרעיון נותר על שולחן השרטוט בלבד.
 
המכונה הראשונה בעולם לייצור קרח 
את מורשתם של פרנקלין והדלי המשיך הפיזיקאי והכימאי הבריטי מייקל פארדיי, שתרם רבות לתחומי האלקטרומגנטיות והאלקטרוכימיה, ניסח את חוק פאראדיי  ולמעשה הפיכת החשמל למקור אנרגיה נפוץ וחיוני נזקפת בעיקר לפועלו. בשנת 1820 ערך  פארדיי במעבדתו ניסויים עם תכונות הקירור של גזים כאשר גילה כי ניתן לדחוס אמוניה וגזים אחרים ולהפוך אותם לנוזלים המקררים את האוויר על ידי שימוש בלחצים גבוהים ובטמפרטורות נמוכות.
ג’ון גורי, פיזיקאי מפלורידה היה הראשון שהבין את כוחה של התאוריה שפיתח פאראדיי, כאשר פיתח כעבור 22 שנה את המכונה הראשונה בעולם לייצור קרח ששימשה בעיקר להורדת חום גופם של חלוי מלריה וקדחת צהובה. גורי רשם פטנט על המצאתו, הפטנט הראשון על קרח מכני והראשון שדמה לעקרון עליו מושתת מיזוג האוויר המודרני, אולם פטירתו של המשקיע העיקרי שלו והעדרו של משקיע חלופי שייכנס לנעליו, גם מכיוון שהאב טיפוס סבל מדליפות וחוסר יציבות דחתה בכמה שנים טובות את לידת המזגן הראשון.
מערכת הקירור הראשונה הפועלת על עיקרון ספיגת אדים ועשתה שימוש בגז אמוניה מומס במים פותחה ב-1859 על ידי פרדיננד קארה הצרפתי, אבל  מכיוון שהאמוניה רעילה, לא מערכות הקירור שימשו לייצור קרח ל בלבד. ציבור הצרכנים באותה תקופה עדיין השתמש בארגז קרח ובקרח שנקנה אצל ספקים מסחריים, אשר רבים מהם עדיין אספו קרח ואחסנו אותו בבתי קרח. עד שנת 1900 אימצו בתי האריזה לבשר של שיקגו מערכות קירור מסחריות באמוניה. ב-1914 נמצאו מערכות קירור מלאכותי כמעט בכל מקום.
אחד היישומים הראשונים של טכנולוגיית מיזוג האוויר פותח על ידי המהנדס אלפרד וולף מניו ג’רסי שיצר ב-1902 מערכת המספקת צינון וחימום לבניין הבורסה לניירות ערך בניו יורק.
 
לידת אחת ההמצאות החשובות בהיסטוריה
ה-17 ליולי 1902, היה יום חם במיוחד בניו יורק. שבוע לפני כן נרשמו שבעה מקרי מוות כתוצאה מהחמסין וההמונים צבאו על בתי המרחץ הציבוריים ברחבי העיר, בניסיון לצנן את גופם.בקומה השנייה של בית הדפוס וליטוגרפיה “סאקט-ווילהלם” בברוקלין אירע באותה עת משהו ששינה לגמרי את איכות החיים של המין האנושי ונחשב לאחת ההמצאות הגדולות בהיסטוריה. 
המהנדס וויליס הבילנד קרייר התקין באותו יום את מערכת מיזוג האוויר האלקטרונית הראשונה באותו בית דפוס, שעוצמת הקור שהפיקה היתה מקבילה לקור שהיה יכול להיות מופק מ-49 אלף קילוגרם קרח ליום- אירוע מכונן שהפך ליום ההולדת הרשמי של אמצעי הצינון והחימום מס’ 1 בעולם. 
בשנת 1903 פיתח קרייר מערכת סלילים מצוננים ששמרה על בהצלחה על לחות קבועה ונוחה בשיעור 55 אחוז בבית הדפוס הנ”ל, והפכה בדיעבד למה שנחשב בפועל כמזגן הראשון עלי אדמות. ההמצאה המהפכנית עוררה הדים נרחבים ברחבי ארה”ב וקרייר הוצף בפניות לפיתוח מערכות דומות, בין השאר למפעל תרופות, מפעל לפיתוח סרטים, מחסן טבק, מפעל לייצור ממתקים ומאפיה ענקית. ראוי לציין כי המערכת של קרייר סייעה גם בהשגת טמפרטורה נמוכה וגם בהורדת הלחות, פעולה שנועדה למנוע עיוותים בצורת הנייר ובמריחת הדיו בעת ההדפסה. בעקבות זאת הוא הקים ב-1915 בעלות של כ-30 אלף דולר את ענקית המיזוג הנושאת עד היום בגאווה את שמו.
 
האבא של המזגן
בשנת 1906 מהנדס מכונות צעיר בשם סטיוארט וו. קריימר משרלוט, צפון קרוליינה, יצר מכשיר אוורור דומה להורדת הלחות במפעל הטקסטיל בו עבד, באמצעות הוספת אדי מים לאוויר המחניק הפנימי של המפעל. בעוד קריימר היה האדם השני לפתח מכשיר כזה, הוא למעשה היה הראשון שטבע את המונח “מיזוג אוויר” כדי לתאר את המטרה של ההמצאה שלו ואולם בקרדיט של אבי המזגן ממשיך לאחוז עמיתו קרייר שבאותה שנה רשם פטנט נוסף בנושא הטמפרטורה שבה אדי האוויר הופכים לטל, תגלית שהיוותה את הבסיס שלפיו פיתח מערכת שליטה אוטומטית במזגן.
המהנדס המזהיר שרשם למעלה מ-80 פטנטים בימי חייו והקדיש קרוב ל-50 שנה מחייו למיזוג וקירור, הציג בכנס מהנדסים, שנערך ב-1911, את המסמך שהפך לאורים ולתומים של עולם המיזוג ולפיו מחשבים מהנדסי מיזוג אוויר כמה אנרגיה יש לייצר כדי לקרר את החדר או החלל הספציפי:  Rational Psychrometric Formulae.
קרייר רשם נקודת ציון חשובה נוספת ב-1921 עם המצאת המדחס הצנטריפוגלי שאפשר קירור של שטחים נרחבים בהם מפעלים, מרכזי מסחר, בנייני משרדים ואפילו אולמות תיאטרון וקולנוע. בהמשך, הוסיפה חברת דופונט את הפריאון, גז הקירור שהקפיץ עשרות מונים את איכות מערכות המיזוג. יחד עם זאת, המזגן הביתי הראשון הותקן רק ב-1914 כאשר המיליארדר צ’רלס גייטס ממיניאפוליס שכר את שירותיו של קרייר להתקין מערכת מיזוג אוויר באחוזתו.
 
המעבר לפריאון
בשנות העשרים של המאה שעברה נרשם גידול מסחרר בביקוש ובהתקנות של מזגנים מסחריים, וזאת למרות שהמערכות לא היו בטוחות וגרמו לא מעט תאונות קטלניות בגלל השימוש הלא מבוקר באמוניה וגזים רעילים נוספים. גם הכניסה תקופת השפל הגדול בארה”ב לא העיבה כהו זה על התפתחות התעשייה הרבה בזכות המהנדס האמריקני תומאס מידג’לי שהיה ב-1928 לחלוץ השימוש בגז הפריאון שנחשב לבטוח בהרבה מהאמוניה והכלורן מתאן. אלא שלמרבה הצער הפריאון התגלה בהשך כמזיק ביותר לסביבה וכיום ישנה מגמה עולמית להפחתת השימוש בו ומעבר לנוזלי קירור ידידותיים יותר לעולמנו.
בעוד שהמזגן הפך בהדרגה לנחלת הכלל, וויליס קרייר נחשב לאדם שסירב ללכת עם הזרם. 12 שנה אחרי שגילה את המזגן, הוא שכר את שירותיה של מהנדסת מיזוג האוויר הראשונה בארה”ב ואולי אף בעולם: מרגרט אינגלס, שכתבה את הביוגרפיה של קרייר אשר יצאה לאור ב-1952, שנתיים אחר פטירתו בגיל 73. 
בניגוד להתפתחות של המצאות אחרות, אולי למעט העובדה כי במזגנים ביתיים נעשה שימוש בגז ולא במים, המזגן של קרייר לא השתנה ב-112 השנים שחלפו מאז יצא לאוויר העולם. עם זאת, הבום הגדול של המזגנים, שבינתיים הוכנסו למטוסים, רכבות ואף למכוניות, החל דווקא אחרי מותו של הממציא בשלהי שנות ה-50 וראשית שנות השישים של המאה הקודמת, כשהם הפכו לחלק אינטגראלי מהבנייה החדשה למגורים. אם ב-1955 היה מזגן רק באחד מתוך 22 משקי בתים אמריקנים, הרי שב-1960 הכמות קפצה לכדי אחד מכל חמישה בתים. היום ניתן למצוא מזגנים בכ-91 אחוז מהבתים בארה”ב וב-99 אחוז מכלי הרכב, ועל-פי כל התחזיות הכמות רק תלך ותגדל.
 
ותודה ענקית לקרייר
וויליס הבילנד קרייר ראוי למלוא המחמאות על תרומתו להיסטוריה, אולם ממשיכי דרכו נדרשים לקחת בחשבון את ההשלכות לטווח הארוך של המצאותיו ולפתח מערכות וגזי קירור ידידותיים לסביבה, שיאפשרו לכולנו להמשיך ליהנות ביום לוהט או קר במיוחד ממנעמיו של המזגן שבלעדיו חיינו היו בלתי נסבלים. 
תעשיית מיזוג האוויר נמצאת כיום בעיצומו של הגילוי מחדש של הפחמן הדו חמצני, וחברת קרייר אף חשפה לפני כשלוש שנים סדרת מזגנים מבוססת על הגז המהווה תרכובת של פחמן וחמצן. 
מה הפלא שעם למעלה מ-100 מיליון מזגנים במשקי הבית האמריקנים, יותר ויותר אנשים מתמכרים עם השנים למזגנים. 
לרגל יום ההולדת ה-110 להמצאתו של קרייר, פרסמה החברה שייסד ספר עב כרס בן 144 עמודים על פועלו של מייסדה   וההיסטוריה של מיזוג האוויר המודרני, בשם Weathersmakers to the World””. “ראיית הנולד של וויליס קרייר בגיל 25, שינתה לנצח את העולם וסללה את הדרך ללמעלה ממאה שנה של מה שנחשב בזמנו לחידושים בלתי אפשריים”, אומר ג’ררד דרניס, מנכ”ל תאגיד Climate UTC, חברת האם של “קרייר”. “הגאונות שלו יצרה תעשייה שלמה וחיונית לתפוקה עולמית ונוחות אישית. כל אחד מאתנו חייב לוויליס קרייר תודה ענקית”.
 
עקרון ההפעלה של המזגן
עקרון הפעולה עליו מבוסס המזגן כמעט ולא השתנה כאמור מאז פותח על ידי קרייר. הפעלת המזגן היא פועל יוצא של עקרונות התרמודינמיקה, לפיהם בין היתר, הפיכת נוזל לגז (הרתחה) כרוכה בהשקעת אנרגיה/ חום  לצורך הפיכת גז לנוזל (עיבוי).
החום הדרוש לשינוי הצבירה מכונה גם “חום כמוס” מאחר שבתהליך שינוי מצב הצבירה (המבוצע בלחץ קבוע) אין שינוי בטמפרטורה. חוק פיזיקלי נוסף, שעליו מבוסס עיקרון הפעולה של המזגן, הוא שהטמפרטורה שבה מתרחש תהליך שינוי מצב הצבירה (מנוזל לגז או מגז לנוזל) תלויה בלחץ. ככל שהלחץ עולה, כך תהיה הטמפרטורה, שבה מתרחש שינוי מצב הצבירה, גבוהה יותר, ולהיפך.
עקרון הפעולה של המזגן הוא למעשה העברת חום באמצעות שינוי מצב צבירה של קרר (נוזל קירור כגון אמוניה או פחמן כלורו-פלואורי (CFC) במזגנים מודרניים). הקרר מתעבה תחת לחץ גבוה בטמפרטורה גבוהה ומוסר חום לאוויר החיצוני. הוא מתאייד תחת לחץ נמוך בטמפרטורה נמוכה וגורע חום מהאוויר בחדר. הגז מכיל בתוכו מעט שמן סיכה (לסיכת המדחס).
תהליך הקירור של המזגן מבוצע באמצעות הרתחה (איוד) של נוזל בלחץ נמוך. המאייד הוא מחליף חום. מאיידים מטיפוס התפשטות ישירה (Direct expansion) מורכבים מצינורות שבתוכם מוזרם קרר, במצב הצבירה הנוזלי בלחץ נמוך. כאשר הלחץ נמוך, נמוכה גם הטמפרטורה שבה מתרחש שינוי מצב הצבירה. מחוץ לצינורות מוזרם אוויר מהחדר ו מים. לצינורות מחוברות צלעות לצורך הגדלת השטח ושיפור מעבר החום. הנוזל בתוך הצינורות סופח חום מהאוויר המוזרם על פני הדפנות החיצוניות של הצינורות והופך לגז. האוויר מהחדר, המוזרם על פני הצינורות, מעביר חום לנוזל שרותח ועקב כך מתקרר.
במאיידים מוצפים (flooded) זורם הקרר מחוץ לצינורות, ואילו בתוך הצינורות זורמים מים או אוויר. המים מוסרים חום לקרר וכך הם מתקררים. המים המקוררים (chilled water) מסופקים ליחידת-קצה (יחידת טיפול באוויר, יחדית מפוח נחשון או יחידת (Air water שבה סליל קירור נוסף, שמשמש כמחליף חום בין האוויר המטופל למים המקוררים.
 










פי.סי.חץ