קרור וחימום האקווריום – עובדות, שיטות ואמצעים.
'קדחת החום' בקיץ מציבה בפני המגדל הישראלי בעיה: "
כיצד למנוע את עליית המים באקווריום?"
שמירת הטמפרטורה ב-"סביבה עויינת" אפשרית אם נבין את התהליכים הפיזיקליים בזמן מעבר החום בשלושת מצבי הצבירה של המים.
במאמר זה אנסה להסביר את עקרונות החישוב לחימום וקרור האקווריום בלווית דוגמאות מספריות.
מטרת המאמר להעמיד כלים בפני החובב לפתרון בעית החימום והקרור באקווריום, מבלי להכנס להוצאות גדולות לרכישת ציוד יעודי יקר.
דגים בעלי 'דם קר' אינם מסוגלים לשנות את חום גופים כדוגמת יונקים בעלי 'דם חם'. מעצם טיבם הם תלויים בטמפרטורת המים האופפת אותם. הטמפרטורה במקווי המים המתוקים בטבע, בהם חיים הדגים הטרופיים, נעה בין 20-30 מעלות צלזיוס בהתאם למיקומם הגיאוגרפי.
למים מספר תכונות פיזיקליות יוצאות דופן המגינות על הדגה ומאפשרות את קיומם גם כשמזג האוויר משתנה ואיתו חום המים. מכל החומרים למים 'חום סגולי' גבוה ביותר, בשל כך נחוצה יותר אנרגיה טרמית כדי להעלות או להוריד את טמפרטורת המים יחסית ליחידת מסה.
קיבולת החום הגבוהה של המים מהווה 'בלם' לשינויים מהירים בטמפרטורת המים כמו מסת המים הגדולה באגם או בנהר אשר שומרת על הדגים משינוי חד בחום גופם.
תכונה פיזיקלית חריגה הנקראת 'האנומליה של המים' קשורה לשינוי צפיפות החומר בתלות בטמפרטורה. צפיפות המים עולה כשחומם יורד באופן ליניארי עד ארבע מעלות. בנקודה זו צפיפותם מירבית, אם נמשיך לקרר את המים צפיפותם תקטן עד לנקודת קפאון. תופעה זו גורמ לשכבת המים ה'חמה' (4 מעלות צלזיוס) לקיים חיים גם מתחת לשכבת הקרח העליונה. כשם שהחום הסגולי של המים גבוה (נקבע כיחידת יחוס וערכו 1 ק"ק לק"ג לשינוי של מעלה אחת), כך גם ה'חום הכמוס' הנחוץ להמיס או להקפיא יחידת מסה אחת.
'חום כמוס' נקרא כך על שום הטמפרטורה הקבועה של המים או הקרח, במשך כל זמן תהליך ההמסה או הקיפאון. האנרגיה הדרושה להפיכת מים לקרח ולהיפך גדולה פי 80 מהחום הסגולי של המים (!).
באופן דומה נמצא שהאנרגיה הדרושה להפוך מים לאדים גדולה פי 540 מהחום הסגולי של המים.
באקווריום הביתי כמות המים קטנה בהרבה מהסביבה הטבעית ולכן יש להגן על הדגים מפני שינויים קיצוניים בטמפרטורת המים.
הבדל טמפרטורה של מעלה אחת אינו מזיק לדגים. מקובל שהשינוי המירבי ביממה לא יעלה על 4 מעלות וקצב השינוי מוגבל למעלה אחת למשך שעה עד שעתיים.
נתונים אלו ראוי שידריכו אותנו בבואנו לקרר או לחמם את האקווריום. בקרת החימום או הקירור מבוצעת על ידי טרמוסטט – התקן חשמלי הנמצא במים ומגיב על שינוי הטמפרטורה. תפוקתו לרוב 'בינארית', כלומר מצב של 'הפעל' (1) או הפסק (0).
לא אכנס למבנה הטרמוסטט (קיימים סוגים רבים), אך אתייחס לרמת הדיוק הנדרשת ממנו.
מעבר ליכולת לשנות את 'טמפרטורת המטרה' (אותה יש לקבוע עפ"י סוג הדגים), הטרמוסטט חייב להגיב בתחום 'טמפרטורת המטרה' בהבדל של לא יותר מחצי מעלת צלזיוס (1 פרנהייט). טרמוסטט אלקטרוני מגיב בטווח של עשירית מעלת צלזיוס ומחירו בהתאם..
יש לציין שהטרמוסטט מוציא פקודה להתקן אליו הוא מחובר – 'גוף חימום' או 'משאבת חום'.
גוף חימום הופך אנרגיה חשמלית לחום, מקבל את האנרגיה החשמלית מהטרמוסטט ומסוגל למסור אנרגיה טרמית אך ורק למיכל בו הוא מותקן.
מהרגע שבו הטרמוסטט הופעל (בירידת חום המים) גוף החימום ימסור את חומו למיים ועם השגת 'טמפרטורת המטרה' תופסק הזנתו והחימום יופסק.
משאבת חום הינה מתקן חשמלי השואב חום ממקום מוגדר אחד ופולט אותו במקום אחר. היא מבוססת על מדחס, מאייד, מעבה ומפוחים.
הפעלת כיוון דחיסת הגז מאפשרת שימוש בו כמקרר או מחמם (מזגן לדוגמא).
טמפרטורת החדר בו נמצא האקווריום משפיעה ישירות על חום המים. בימים לוהטים החום עולה מעל 26 מעלות ובהתאם ישפיע על עליית הטמפרטורה באקווריום, על אף שהטרמוסטט ניתק את גוף החימום טמפרטורת הסביבה תחמם את המיכל על ידי קרינה והסעה של האוויר החם הפוגע בדפנות המיכל. במצב כזה מערכת של טרמוסטט וגוף חימום לא מסוגלת לקרר את המיכל גם אם נוריד את 'טמפרטורת המטרה' בטרמוסטט למינימום.
קרור משמעותו נטילת חום. ניתן להשיג זאת בכמה שיטות:
א. "
מקרר לאקווריום" – התקן מסחרי יעודי (בעיקר למים מלוחים) המעביר דרכו מים מהאקווריום ומקרר אותם על פי הספקו הנקוב (אותו יש להתאים לגודל האקווריום). עלות המכשיר כמה אלפי שקלים והוא אינו בהישג יד ל'תפרנים' שביננו.
ניצול 'משאבת החום' לחימום חסכונית בעלות האנרגיה החשמלית מגוף חימום רגיל, היות ומאזן האנרגיה במשאבת חום מנצל את האנרגיה מחום הסביבה ורק שליש עד רבע נלקח מרשת החשמל. בניגוד לגוף החימום הסטנדרטי הצורך את כל האנרגיה שהוא מפיק רק ממערכת החשמל.
ב. "
קרור על ידי התנדפות"– אידוי מתרחש במים בכל טמפרטורה. התופעה הפיזיקלית של התנדפות יוצרת בחלל סגור 'לחץ אדים' התלוי בטמפרטורה עד לרוויה ושיווי משקל עם המים.
הפחתת 'לחץ האדים' תביא להתנדפות נוספת מהמיכל שתגרום לאיבוד חום ממסת המים בהתאם לכמות המים שהתנדפה. כזכור, חום האידוי גדול פי 540 מהחום הסגולי של המים, מכיוון שכך ההתנדפות של ליטר אחר תוריד את טמפרטורת המיכל של 540 ליטר במעלה אחת (!).
אם נמדוד את טמפרטורת הסביבה ואת חום המים נמצא שהמים תמיד קרים מן הסביבה והסיבה נעוצה בעצם ההתנדפות.
שתי שיטות עיקריות משמשות להגדלת ההתנדפות:
1. הפחתת לחץ האדים ע"י פתיחה חלקית של מכסה האקווריום ו/או שימוש במפוחים שישאבו את האויר מול פני המים.
2. שימוש בעקרון פעולה של 'מגדל קרור' נפוץ בעיקר בתעשיה, אך ניתן לבנותו בקנה מידה קטן באקוריום או בסאמפ.
עקרון הפעולה מבוסס על הזרמת מים מעל שריג (לא מתכתי) כנגד זרם אויר מאולץ, לחץ האדים נופל בחלל הפתוח ותחלופת האויר הגדולה, מאפשר לחלק גדול יותר של המים להתנדף ולהתקרר תוך כדי כך.
טמפרטורת המים יכולה לרדת עד 5 מעלות מהסביבה.
שימוש בקרח: ניצול עקרון השוואת הטמפרטורה במגע בין שני גופים בעלי טמפרטורה שונה תוך ניצול הערך הגבוה של קיבולת החום בהמסת הקרח.
נזכר בנוסחאות הפיזיקליות של תורת החום:
האנרגיה הדרושה להמיס גוש קרח ועליית הטמפרטורה לנקודת האיזון שקולה לחום שיאבד האקווריום עד להגיעו לנקודת האיזון (Te) כאשר:-
Te – אסור שתהיה שונה ביותר ממעלה אחת מהקיים.
Dt – הפרש טמפרטורות בין החום בהתחלה לסוף התהליך.
Mi- משקל הקרח הנחוץ.
Ma – נפח המיים במיכל.
Ci – חום כמוס להמסת הקרח.
נוסחה כללית לחישוב כמות החום (Q) הדרושה לששנות את טמפרטורת המסה (M) בעלת חום סגולי (C) בהפרש טמפרטורות (DT).
Q=MCDT
כדי למצוא את כמות הקרח הנחוצה לשינוי טמפרטורה של נפח המיכל נרשום את המשוואות הבאות: .
1. Mi*Ci:+Mi
t1=MaCaDt2
MaCaDt2)
Ci+Dt1) = Mi)
2. Dt1 הפרש הטמפרטורות בין הקרח (0 מעלות צלזיוס) לטמפרטורת האיזון (Te) Dt2 הפרש הטמפרטורות בין המים במיכל לטמפרטורת האיזון (Te) Ca החום הסגולי של המים.
נחשב לדוגמא את מסת הקרח הדרושה לקרור של מעלה אחת בטמפרטורת מים בת 30 מעלות צלזיוס של מיכל בן 100 ליטר. מאחר ואין לשנות בבת אחת יותר ממעלה אחת באקווריום נקבע את Dt2 = 1, טמפרטורת האיזון תהיה Te = 30-1=29
Dt1=Te-0=29-0= 29
Mi=(100x1x1)
80+29)[ק"ג]
]Mi=0.9174ק"ג]
מסת הקרח: 917.4 גרם.
עבור 100 ליטר נצטרך בערך1 ק"ג קרח לשינוי של מעלה אחת (!).
ניתן להקפיא בקבוקי פלסטיק ולהכניסם למיכל מדי שעה . המסת הקרח איטית ושינויים כאלו נסבלים ע"י הדגים כל עוד שומרים על הכללים (לא להעלות יותר מ- 4 מעלות ביום ). ניתן גם להשתמש בקוביות קרח (למי שיש במקרר) או לרכוש אותם בתחנות הדלק בהתאם לנפח האקווריום.
בחירת גופי חימום
עקרונות החימום באקווריום מתבססים על מגבלות הטמפרטורות שהדגים מסוגלים לשאת.( קצב החימום אסור שיעלה על מעלה אחת בשעה והפרש הטמפרטורות במשך יממה אסור שיעלה על 4 מעלות).
נחשב את הספק גוף החימום (P) שיעלה את טמפרוטת המים במעלה אחת עבור נפח (Ma) במשך שעה אחת.
עפ"י תורת החשמל נמצא כי גוף חימום (P) שיחמם במשך T שניות ימסור כמות חום (Q) שתעלה את טמפרטורת המים בהפרש (DT) למסה ( (M :
Q = 0.24 PT = MaCaDT
P =( MaCaDt)0.24T) [וואט]
נחשב לדוגמא עבור מיכל בנפח 100 ליטר, מהו ההספק הדרוש לחימום במשך שעה שיגרום לשינוי במעלה אחת:
P=(100000x1x1)0.24x3600) = 115[watt]
נבחר בהספק 100 וואט. גוף חימום כזה יאפשר שמירה על חום האקווריום בהפרש טמפרטורת מהסביבה של עד 20 מעלות צלזיוס ויבטיח קצב חימום מירבי של מעלה אחת בשעה.
יש לזכור כי הספק החימום (P) כולל גם את החימום התת קרקעי (למי שיש) . היחס בינהם 1:5 בסביבה קרה או 1:10 בסביבה חמה.
יציבות טמפרטורת המים נשמרת ע"י טרמוסטט ומחייבת חיבור קבוע לחשמל כדי לאפשר חימום בלילות קרים בקיץ כמו גם בעונות הקרות במשך השנה.
מערכת מתקדמת, מבקרת בנפרד את הפעלת גוף החימום במים ובמצע. עדיפות לחימום ניתנת למצע (כדי לקיים את מערכת הזנת השורשים של הצמחיה) על חימום המים. המערכת מתריעה על טמפרטורת מים גבוהה מטמפרטורת היעד. מומלץ למי שמשתמש בטרמוסטט פשוט ויחיד להוסיף טרמוסטט נוסף המכוון גבוה במעלה אחת מהקיים כדי להבטיח את הפסקת החימום במקרה של תקלה.
טרמוסטט "תקוע" יגרום לחימום רציף של המים עד לטמפרטורות גבוהות שהדגים לא יעמדו בהם או לצניחת טמפורטרה שתגרום לדגים 'נקודות לבנות'.
לסיכום, עקרונות החישוב שהובאו במאמר הם הבסיס התיאורטי ומתאימים במצבים 'סטריליים' השונות במיקום ובגודל ובצורת האקווריום עלולים להקצין או למתן את ההשפעות על טמפרטורת המים ומוטלת עלינו החובבים האחריות לשיקול דעת ובחירה נבונה בהתאם לנסיבות בשטח.
שלכם- איציק רז