קירור

קירור הוא תהליך הרחקת 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. מאחר שחום זורם מעצמו רק מחומר או גוף בעל טמפרטורה גבוהה לחומר או גוף בעל טמפרטורה נמוכה (החוק השני של התרמודינמיקה), יוצא שכדי לגרום לחום לזרום בכיוון ההפוך נחוץ להשקיע עבודה מכנית.

תולדות הקירור

יאחצ'אל, שנבנה לפני כמה מאות שנים בקרמאן שבאיראן, ושימש לאחסון קרח בחודשי הקיץ

אסיף קרח

השימוש בקרח לקירור ועל ידי כך לשימור מזון ראשיתו עוד בזמנים פרהיסטוריים. אסיף עונתי של קרח ושלג היה במהלך ההיסטוריה מעשה של קבע ברוב התרבויות הקדומות: אצל הסינים, העברים, היוונים, הרומים והפרסים. קרח ושלג אוחסנו במערות או בשוחות, אשר כוסו בקש או בחומרי בידוד אחרים. הפרסים אחסנו קרח בבורות מקורים שנקראו יאחצ'אלים. הדבר איפשר את שימורם של מצרכי מזון למשך העונות החמות. פרקטיקה זו הוסיפה לפעול ביעילות מאות בשנים, ובתי קרח עדיין היו בשימוש במאה העשרים.

גילוי הקירור הכימי במאה ה-16 היה אחד הצעדים הראשונים לקראת פיתוח אמצעי קירור מלאכותיים. כאשר הוסיפו למים נתרן חנקתי (sodium nitrate) או אשלגן חנקתי (potassium nitrate), ירדה טמפרטורת המים ונוצר מעין אמבט קירור. בצרפת קיררו משקאות וליקרים על ידי סחרור בקבוקים ארוכי-צוואר במים ובהם מלחת (saltpeter) מומסת.

ארגז קרח

ערך מורחב – ארגז קרח

במחצית הראשונה של המאה ה-19 היה אסיף הקרח עסק רחב-היקף באמריקה. פרדריק טיודור (Frederic Tudor) מניו-אינגלנד, שנודע לימים בכינוי "מלך הקרח" (Ice King), פעל לפיתוח מבודדי חום טובים יותר, כדי שניתן יהיה לשנע מטעני קרח למרחקים גדולים, במיוחד לאזורים טרופיים.

פיתוח אמצעי הבידוד התרמי אפשרו גם בניית ארגזי קרח שדמו למקררים וארגזי קרח נישאים. לימים התחלף הקרח שבהם לקרח יבש שלא הרטיב את המזון כשהתחמם.

מערכות הקירור הראשונות

שיטת הקירור המלאכותי הראשונה הידועה לנו פותחה והודגמה הלכה למעשה על ידי ויליאם קאלן באוניברסיטת גלאזגו שבסקוטלנד ב-1748. קאלן יצר באמצעות משאבה, ואקום חלקי בתוך מיכל ובו דיאתיל אתר. כתוצאה מכך האתר רתח בטמפרטורת הסביבה, תוך שהוא קולט את החום הכמוס הדרוש לשינוי מצב הצבירה שלו מאוויר הסביבה ועל ידי כך מקרר אותו. במהלך הניסוי אף נוצרה שכבה דקה של קרח, אך תוצאות הניסוי לא תורגמו באותו זמן לשפת מעשה.

ב-1805 תכנן הממציא האמריקני אוליבר אוואנס (Oliver Evans) מערכת קירור המבוססת על מחזור דחיסת אדים (vapour compression) ולאו דווקא על תמיסות כימיות או נוזלים נדיפים כמו אתר אתילי. הרעיון נותר על שולחן השרטוט בלבד.

ב-1820 הצליח המדען הבריטי מייקל פאראדיי (Michael Faraday) להפוך אמוניה וגזים אחרים לנוזלים על ידי שימוש בלחצים גבוהים ובטמפרטורות נמוכות.

ג'ייקוב פרקינס (Jacob Perkins), אמריקני תושב בריטניה, רשם ב-1834 את הפטנט הראשון של מערכת קירור בדחיסת אדים. הוא בנה מערכת אב-טיפוס שפעלה למעשה, אך לא הצליחה מבחינה מסחרית.

הפיזיקאי האמריקני ג'ון גורי (John Gorrie) תכנן ב-1842 את המערכת הראשונה לקירור מים כדי לייצר קרח. הוא אף הגה את הרעיון להשתמש במערכת הקירור שפיתח לשם קירור האוויר בבתים ובבתי חולים (כלומר למיזוג אוויר). במערכת שלו נדחס אוויר שאחר כך קורר חלקית באמצעות מים קודם שנתאפשר לו להתפשט בעודו מבצע חלק מן העבודה הדרושה להנעת מדחס האוויר. ההתפשטות האיזנטרופית גרמה להתקררות האוויר לטמפרטורה מספיק נמוכה להקפאת מים ולייצור קרח, או לשם הזרמתו "דרך צינור על מנת ליצור אפקט קירור במקום אחר" כפי שמציין הפטנט שהוענק לו על ידי משרד הפטנטים האמריקני ב-1851. גורי בנה מערכת אב-טיפוס שפעלה היטב, אך הייתה כישלון מסחרי.

אלכסנדר טווינינג (Alexander Twining) האמריקני החל לערוך ניסויים בקירור המבוסס על דחיסת אדים ב-1848, ורשם פטנטים ב-1850 וב-1853. לזכותו נזקפת תחילת הקירור המסחרי בארצות הברית ב-1856.

ג'יימס הריסון (James Harrison), שנולד בסקוטלנד והיגר לאוסטרליה, הכניס לשימוש מסחרי זמן קצר לאחר מכן מערכות קירור בדחיסת אדים למבשלות שיכר ולבתי אריזה לבשר. ב-1861 כבר פעלו תריסר מערכות קירור שלו.

מערכת הקירור הראשונה הפועלת על עיקרון ספיגת אדים ועשתה שימוש בגז אמוניה מומס במים (שנקרא "מי אמוניה", aqua ammonia) פותחה ב-1859 על ידי פרדיננד קארה (Ferdinand Carré) מצרפת וקיבלה פטנט ב-1860. מאחר שהאמוניה רעילה, לא נועדו מערכות קירור אלה לשימוש ביתי אלא רק לייצור קרח למכירה. ציבור הצרכנים באותה תקופה עדיין השתמש בארגז קרח ובקרח שנקנה אצל ספקים מסחריים, אשר רבים מהם עדיין אספו קרח ואחסנו אותו בבתי קרח.

תדיאוש לוֹאוּ (Thaddeus Lowe), מטיס כדורים פורחים אמריקני מתקופת מלחמת האזרחים, ערך במשך השנים ניסויים בתכונות של גזים. אחד מהישגיו הבולטים היה ייצור גז מימן בכמויות גדולות. הוא גם רשם כמה פטנטים למכונות לייצור קרח. מכונת הקירור שלו, ה-"Compression Ice Machine", כמעט וחוללה מהפכה בתעשיית האחסנה בקירור. ב-1869 רכש לואו יחד עם משקיעים נוספים אוניית קיטור ישנה, והתקין בה את מערכות הקירור שלו, והחל להוביל פירות טריים מניו יורק אל מפרץ מקסיקו ובשר טרי מגלווסטון, טקסס, חזרה לניו יורק. העסק נכשל בשל בורותו של לואו בענייני ספנות, ומשום שקשה היה לציבור להתרגל למחשבה, כי אפשר לצרוך בשר ששהה זמן רב כל כך מחוץ לבית האריזה.

מקררים ביתיים החלו להופיע בסביבות 1910. בית החרושת "קלווינטור" (Kelvinator) ייצר ב-1918 את המקרר הביתי הראשון לשוק האמריקני. "ג'נרל אלקטריק" הציג כמה מהמקררים ההרמטיים הראשונים שלו ב-1928, שנקראו "מוניטור טופ" (Monitor Top).

התרחבות השימוש המסחרי

בשנות השבעים של המאה ה-19 היו מבשלות השיכר הצרכניות הגדולות ביותר של יחידות קירור מסחריות, אם כי אחדות מהן עדיין הסתמכו על אספקת קרח טבעי. אף שתעשיית אסיף קרח גדלה לממדים עצומים במפנה המאות, זיהום ושפכים החלו מחלחלים אל הקרח הטבעי, המבשלות התלוננו על הקרח המזוהם, וכתוצאה מכך גברה הדרישה למערכות קירור מודרניות יותר ולמכונות ייצור קרח. המהנדס הגרמני קרל פון לינדה (Carl von Linde) פיתח ב-1895 תהליך לייצור תעשייתי של אוויר נוזלי ואחר כך גם של חמצן נוזלי לשימוש בטוח במקררים ביתיים.

קרונות רכבת מקוררים הופיעו לראשונה בשנות ה-40 של המאה ה-19, ושימשו להובלת מוצרי חלב למרחקים קצרים. ב-1867 רשם ג' ב' סאת'רלנד (J.B. Sutherland) ממישיגן פטנט למכונית קירור. היא צוידה במכלי קרח בשני קצותיה ובמדפי אוורור סמוך לרצפה, שגרמו לזרימה טבעית של אוויר קר דרך ארגז המטען.

עד שנת 1900 אימצו בתי האריזה לבשר של שיקגו מערכות קירור מסחריות באמוניה. ב-1914 נמצאו מערכות קירור מלאכותי בכל מקום כמעט. בתי האריזה הגדולים לבשר, "ארמור" (Armour), "סוויפט" (Swift) ו"ווילסון" (Wilson), רכשו את יחידות הקירור היקרות ביותר, והתקינו אותן בקרונות רכבת, במסופי מטענים ובמחסנים בשטחי החלוקה המרוחקים.

רק באמצע המאה העשרים נבנו יחידות קירור לשם התקנה בנגררי משאיות (טריילרים). משאיות קירור משמשות להובלת מצרכים מתכלים, כמו מוצרי מזון קפואים, פירות וירקות וכן חומרים הרגישים לשינויי טמפרטורה. ברוב משאיות הקירור המודרניות נשמרת טמפרטורה בין 40°C- ל-20°C, והמעמס המקסימלי שלהן הוא 24 טון ברוטו לערך (באירופה).

מקררים לשימוש ביתי

ערך מורחב – מקרר

עם המצאת נוזלי קירור סינתטיים כמו פריאון, נתאפשר ייצור מקררים ביתיים בטוחים יותר לשימוש. במונח פריאון הכוונה ל-CFC ‏(Chlorofluorocarbon), הָלוֹקַרבּוֹן (Halocarbon) או הָלוֹאַלְקֵן (Haloalkane).

פריאון, שפותח בשנות העשרים המאוחרות, הוא רעיל ומסוכן הרבה פחות מכמה קררים שקדמו לו, כמו אמוניה, מתיל כלורי (methyl chloride) וגופרית דו-חמצנית (sulfur dioxide). לפריאון 12 נקודת רתיחה של 30°C-. המטרה הייתה לספק יחידות קירור לשימוש ביתי מבלי להשתמש בקררים רעילים. בה בעת צריכות היו היחידות להיות קטנות יותר, כשהמשמעות היא שימוש בקררים המסוגלים להרחיק חום רב יותר ומערכות הכוללות פחות חלקים ותופסות פחות מקום. חומר קירור כמו פריאון ענה על הדרישה.

הפטנטים הנוגעים לפריאון הוחזקו בתחילה על ידי תעשיית הרכב, אשר השתמשה בו למיזוג אוויר בכלי-רכב. ברם, המוצר היה לאין שיעור יותר שימושי מכדי שיוגבל לכלי רכב בלבד, ואומנם בשנות השלושים היה הפריאון זמין בשוק הפתוח. ב-1989 אסרה אמנת מונטריאול את השימוש בפריאון בשל הנזקים שהוא גורם לשכבת האוזון. כיום מוחלף השימוש בפריאון בהדרגה ב-R-410A, תערובת כמעט אזיאוטרופית של הגזים מתאן דו-פלואורי ואתאן חמש-פלואורי, הנפוצה בשם המסחרי "פיורון" (Puron).

השימוש בקירור בימינו

היישום הנרחב ביותר של קירור בימינו הוא מיזוג האוויר של בתים פרטיים ומבני ציבור וקירור מוצרי מזון בבתים, במסעדות ובמחסנים.

במסחר ובתעשייה יש לקירור שימושים רבים. קירור משמש להפיכת גז לנוזל, כמו חמצן, חנקן, פרופן, מתאן. בבתי זיקוק לנפט, במפעלים כימיים ופטרוכימיים משתמשים בקירור בתהליכים מסוימים הצריכים להתבצע בטמפרטורות נמוכות.

קירור הוא דבר חיוני בעת הובלת מוצרי מזון וחומרים אחרים הרגישים לשינויי טמפרטורה, בין שההובלה נעשית במשאיות, קרונות רכבת, מטוסים או אוניות.

ראו גם

• הומיאותרמיות

קישורים חיצוניים

• רן לוי, ההיסטוריה של הקירור, באתר "עושים היסטוריה" (שידור של הפודקאסט וטקסט מלא שלו)
• מילון למונחי קירור והסקה (1942), באתר האקדמיה ללשון העברית
• קירור, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• קירור, דף שער בספרייה הלאומית