ניתוח אנרגיה ואקסרגיה של מערכת ניהול עיבוי ואדים: מקרה בוחן במפעל הסוכר באורמיה

מדוע מפעלי סוכר ושימוש באנרגיה חשובים

סוכר עשוי להיראות כמצרך ביתי פשוט, אך ייצורו בקנה מידה תעשייתי דורש כמות מפתיעה של אנרגיה. במדינות רבות מפעלי סוכר שורפים כמויות גדולות של דלק כדי להפיק את האדי־הקיטור והחום הנדרשים להפיכת מיץ סלק או קנה לסוכר לבן גבישי. עם עליית מחירי האנרגיה, דאגות אקלימיות ולחץ על שימוש מושכל במשאבים, הפך להיות קריטי לזהות היכן המפעלים מבזבזים אנרגיה יקרת ערך וכיצד ניתן לצמצם בזבוז זה. מחקר זה בוחן מקרוב מפעל כזה באורמיה, איראן, ומתמקד באופן שבו הוא מנהל קיטור, מים חמים ואדים, ובשאלה אילו חלקים במערכת פועלים ביעילות ואילו מתנהגים כבולענים גדולים של פוטנציאל אנרגטי.

מעקב אחרי החום במסעו

בתוך מפעל סוכר, הקיטור מחמם תחילה מיץ דליל במאדות גדולות, מה שמעבה אותו לסירופ סמיך ויוצר עיבוי (מים חמים) ואדים בלחץ נמוך. במקום להשליך חום זה, המהנדסים מנסים למחזירו לשימוש. במפעל אורמיה קיימות שתי תת־מערכות מרכזיות למטרה זו: יחידת שיקום אדים שלוכדת חום מעיבוי המים ומגרה חלק ממנו חזרה לאדי שימוש, ויחידת עיבוי אדים שמקררת ומעבה אדים בלחץ נמוך כדי לאפשר תפעול בצ вакום. החוקרים מיפו את מסלולי הקיטור, העיבוי והאדים דרך יחידות אלה, מדדו טמפרטורות, לחצים וקצבי זרימה במשך שתי עונות ייצור, ולאחר מכן השתמשו בחישובים תרמודינמיים כדי לבדוק לא רק כמה אנרגיה זורמת, אלא כמה ממנה ניתנת למעשה להמרה לעבודה מועילה.

מאנרגיה ל"אנרגיה שימושית"

חשבונאות אנרגטית סטנדרטית מתייחסת לכל החום כשווה, אך בפועל קיטור חם בלחץ גבוה יקר ערך הרבה יותר ממים פושרים. כדי ללכוד הבדל זה, הצוות השתמש הן בניתוח אנרגיה והן בשיטה ממצה יותר שנקראת ניתוח אקסרגיה, העוקבת אחרי החלק מהאנרגיה שניתן להמיר לעבודה. בהשוואה בין האקסרגיה הנכנסת והיוצאת בכל רכיב — כגון מיכלי פלאש, ממירי חום, משאבות, מעבים ומגדל הקירור — זיהו היכן אי־הפיכות, כמו פערי טמפרטורה גדולים וערבוב אינטנסיבי, הורסים את מירב האנרגיה הניתנת לשימוש. הם גם חישבו "מדד קיימות" שמתחזק ככל שיעילות האקסרגיה של יחידה גבוהה יותר, ו"פוטנציאל שיפור" שמציג כמה מרחב לשיפור קיים.

מבצע חזק וחוליה חלשה משמעותית

יחידת שיקום האדים התגלתה כסיפור הצלחה יחסי. היא השתמשה מחדש בעיבוי הקיטור בכמה מיכלי פלאש וממירי חום כדי לחמם מראש סירופ ולייצר אדים משניים, כאשר רק חלק קטן מאקסרגיית הכניסה שלה אבד. יעילות האקסרגיה שלה הייתה כ־86 אחוזים, ומדד הקיימות שלה היה גבוה. רוב ההפסדים הנותרים נבעו משלושה ממירי חום שגרמו לפערי טמפרטורה גדולים בין הזרמים החמים והקרים, מה שמרמז שעיצובים טובים יותר — כגון ממירים רב־שלבי עם צעדי טמפרטורה קטנים יותר ובידוד משופר — יכולים לצמצם עוד בזבוז. לעומת זאת, יחידת עיבוי האדים נראתה כמעט כמערכת פסולת של אנרגיה שימושית: למעלה מ־98 אחוזים מאקסרגיית הכניסה שלה נהרסו, ויעילותה האקסרגטית הייתה בפועל קרובה לאפס. העבריין הגרוע ביותר היה מגדל הקירור, שם המים משחררים חום לאוויר ומתאדים חלקית, ואחריו מעבים בארומטריים שמערבבים אדים ומי קירור. יחד, רכיבים אלה פועלים כנזילות עיקריות של איכות אנרגטית.

הפיכת אדים מבוזבזים למשאב

מכיוון שכמות כה גדולה של אקסרגיה נהרסת בשלב העיבוי והקירור, המחקר מסיק שהדרך הטובה ביותר לשפר את המפעל אינה לנסות ללכוד פליטת סחרור פושרת, אלא למנוע כמה שיותר אדים מלהגיע ליחידת העיבוי מלכתחילה. האדים בלחץ נמוך המגיעים משלב האידוי והגימור אינם ניתנים כיום לשימוש לחימום — הם פשוט קרים מדי. עם זאת המחברים מראים שאם אדים אלה יהיו דחוסים מכנית או תרמית, וכתוצאה מכך יעלו בטמפרטורה ובלחץ, הם יוכלו לשמש כמקור חימום באפקטים מאיידים נוספים או בשלבי תהליך אחרים. הדבר יקצץ באופן דרמטי בעומס על המעבים ומגדל הקירור, יפחית את צריכת הדלק בבתי הדוודים ויקטין גם עלויות וגם השפעות סביבתיות.

מה משמעות הדבר עבור סוכר נקי יותר

לקורא שאינו מומחה, המסר המרכזי פשוט: במפעל סוכר זה כמעט כל ה"אנרגיה השימושית" המוכנסת למערכת העיבוי והקירור מבוזבזת, בעוד מערכת השיקום כבר עושה עבודה סבירה של מיחזור חום. על ידי זיהוי היכן וכיצד האקסרגיה נהרסת, המחקר מראה ליצרני הסוכר היכן שדרוגים יניבו את התשואה הגדולה ביותר. טכנולוגיות כגון דחיסת אדים ושיפור עיצוב ממירי החום יכולות להפוך אדים מבוזבזים כיום למשאב יקר ערך, ולסייע למפעלי סוכר לצרוך פחות דלק ולפלט פחות גזי חממה — מבלי לשנות את טעם הסוכר שעל שולחנך.

ציטוט: Samadzadeh, N., Fanaei, A.R., Piri, A. et al. Energy and exergy analysis of condensate and vapor management system: a case study of Urmia sugar plant. Sci Rep 16, 10011 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41065-6

מילות מפתח: אנרגיה במפעל סוכר, ניתוח אקסרגיה, שיקום אדים, הפסדי מגדל קירור, יעילות תעשייתית