كيف تستطيع مضخات الحرارة الهوائية التعامل مع البيئات ذات درجات الحرارة المنخفضة للغاية؟

في السنوات الأخيرة، حظيت مضخات الحرارة الهوائية باهتمام كبير وشعبية واسعة في السوق. إلا أن هناك عدة عوامل تؤثر بشكل كبير على أدائها: أولًا، ينخفض ​​أداؤها بشكل ملحوظ في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة؛ ثانيًا، تؤثر مشكلة التجمد أثناء عملية التسخين بشكل كبير على كفاءة الطاقة وموثوقيتها. في السنوات الأخيرة، بذل العديد من الباحثين والفنيين الهندسيين جهودًا كبيرة لتحسين تقنية مضخات الحرارة الهوائية لحل هذه المشكلات.

الجزء 01 تقنية الضغط متعدد المستويات

تُعد تقنية ضغط التردد المتغير إحدى الطرق الفعالة لتحسين سعة تسخين مضخات الحرارة الهوائية. في درجات الحرارة المنخفضة، يمكن لزيادة سرعة الضاغط زيادة إزاحته بشكل ملحوظ، مما يُحسّن سعة تسخين مضخة الحرارة الهوائية. ومع ذلك، لا تُحسّن تقنية تحويل التردد كفاءة طاقة النظام. ولتحسين سعة التسخين وكفاءة الطاقة في آنٍ واحد في درجات الحرارة المنخفضة، طُوّرت تقنية ضغط متعدد المراحل.

وفقًا لمراحل الضغط المختلفة وهياكل الدورة، يمكن تقسيم مضخات الحرارة الهوائية المضغوطة متعددة المراحل إلى دورة متسلسلة وضغط ثنائي/متعدد المراحل. لتحسين قدرة التسخين لنظام ضغط أحادي المرحلة عند درجات حرارة محيطة منخفضة، يمكن حقن مادة التبريد مباشرةً في حجرة الضغط أثناء عملية الضغط، وهو ما يُسمى ضغطًا شبه ثنائي المراحل. ونظرًا لخصائص دورة الضغط ثنائية المراحل، ستُدرج هذه المقالة هذه الدورة ضمن نطاق دورة الضغط ثنائية المراحل.

1.1 مضخة الحرارة الهوائية المكدسة

بسبب انخفاض درجة حرارة المحيط، تكون نسبة ضغط النظام عالية، وقوة الضغط كبيرة، وفقدان الاختناق كبير، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض كفاءة مضخة الحرارة في استهلاك الطاقة. لتقليل الخسائر وتحسين الكفاءة، يستخدم نظام مضخة الحرارة بمصدر الهواء المكدس دورتين لضغط البخار متتاليتين بدلاً من دورة واحدة لتقليل نسبة الضغط في دورة المرحلة الواحدة.

يتكون نظام الشلال من دورتين مستقلتين لضغط البخار، إحداهما دورة المرحلة منخفضة الحرارة والأخرى دورة المرحلة عالية الحرارة. تتصل هاتان الدورتان عبر مبادل حراري وسيط مشترك، يعمل كمكثف لدورة المرحلة منخفضة الحرارة ومبخر لدورة المرحلة عالية الحرارة. في الشتاء، تمتص دورة المرحلة منخفضة الحرارة الحرارة من الهواء المحيط عبر مبخر، وترفعها إلى درجة حرارة أعلى، مما يوفرها كمصدر حرارة لدورة المرحلة عالية الحرارة. في دورة المرحلة عالية الحرارة، ترتفع الحرارة مرة أخرى إلى درجة الحرارة المطلوبة للتدفئة الداخلية.

باستخدام مضخة حرارية هوائية مكدسة، يتم تقليل نسبة الضغط في الدورة بشكل كبير، مما يقلل من إجمالي فقدان الضغط وفقدان الاختناق، وبالتالي تحسين كفاءة الطاقة لمضخة الحرارة الهوائية. علاوة على ذلك، وفقًا لظروف التشغيل المختلفة، يمكن استخدام مبردات مختلفة لمراحل درجات الحرارة العالية والمنخفضة لدورة الشلال. نظرًا لحقيقة أنه يمكن تنفيذ النظام المكدس باستخدام نظامين بسيطين أحاديي المرحلة، فقد تم استخدامه في تطبيقات التدفئة وإمدادات المياه الساخنة لسنوات عديدة. ومع ذلك، فإن فرق درجة حرارة نقل الحرارة للمبادل الحراري الوسيط في دورة الشلال يؤدي حتمًا إلى فقدان معين في الكفاءة. علاوة على ذلك، تتطلب دورة الشلال استخدام ضاغطين ومبادل حراري إضافي، وهو أكثر تكلفة مقارنة بالدورات أحادية المرحلة.

1.2 مضخة الحرارة ذات مصدر الهواء المضغوط ثنائي المرحلة

تربط مضخة الحرارة ثنائية المرحلتين العاملة بالهواء المضغوط دورتي تبريد معًا، وهو ما يُعدّ نموذجًا مبسطًا لنظام متتالي. كما هو موضح في الشكل أدناه، يمكن تقسيم مضخات الحرارة ثنائية المرحلتين العاملة بالهواء المضغوط إلى فئتين بناءً على مُوَفِّرات الحرارة المختلفة المستخدمة: أنظمة خزانات الوميض (FT) وأنظمة المبادلات الحرارية الوسيطة (IHX).

في نظام خزان التفريغ، يُخنق سائل التبريد الخارج من المكثف الداخلي إلى مرحلتين ويدخل إلى خزان التفريغ. يُفصل سائل التبريد ثنائي الطور إلى غاز مشبع وسائل مشبع في خزان التفريغ. بعد خلط غاز التبريد المشبع مع عادم ضاغط المرحلة منخفضة الضغط، يُضغط مجددًا بواسطة ضاغط المرحلة عالية الضغط. يُخنق السائل المشبع بواسطة صمام التمدد الثاني ويدخل المبخر الخارجي ليتبخر إلى غاز. ثم يدخل ضاغط المرحلة منخفضة الضغط ويختلط مع غاز الضغط المتوسط ​​في خزان التفريغ.

في نظام المبادل الحراري الوسيط، يُقسّم سائل التبريد عند مخرج المكثف مباشرةً إلى تيارين: التيار الرئيسي والتيار الفرعي. يُخنق سائل التبريد الفرعي إلى ضغط متوسط، ثم يدخل المبادل الحراري الوسيط. يُبرّد سائل التبريد منخفض الحرارة سائل التبريد الرئيسي إلى حالة فائقة البرودة. يمتص سائل التبريد الفرعي الحرارة، فيتحول إلى غاز مشبع أو فائق الحرارة، ويمتزج مع عادم ضاغط المرحلة منخفضة الضغط قبل دخول ضاغط المرحلة عالية الضغط لمزيد من الضغط. يُخنق سائل التبريد الفرعي عند المخرج الرئيسي للمبادل الحراري الوسيط، ويمر عبر المبخر، ثم يعود أخيرًا إلى ضاغط المرحلة منخفضة الضغط، حيث يُضغط إلى ضغط متوسط، ويُخلط مع سائل التبريد الفرعي.

1.3 مضخة حرارية تعمل بالهواء المضغوط ثنائية المرحلة تقريبًا

مضخة الحرارة شبه ثنائية المرحلة العاملة بالهواء المضغوط (المعروفة أيضًا باسم نظام الهواء التكميلي) تُشبه إلى حد كبير نظام الضغط ثنائي المرحلة. يكمن الفرق في أنه في نظام الضغط شبه ثنائي المرحلة، يُستخدم ضاغط مزود بمنفذ إمداد هواء وسيط بدلاً من ضاغطين متصلين على التوالي. في نظام الضغط شبه ثنائي المرحلة، يُحقن سائل التبريد من خزان التفريغ أو المبادل الحراري الوسيط في حجرة ضغط الضاغط، بدلاً من حقنه بين الضاغطين.

لذلك، تُعتبر مضخة الحرارة شبه ثنائية المرحلة نموذجًا مبسطًا لمضخة الحرارة ثنائية المرحلة، حيث تستخدم ضاغط إمداد هواء مصممًا خصيصًا ليحل محل الضاغطين، مما يُجنّب مشكلة معادلة الزيت بينهما ويُخفّض تكاليف النظام. والأهم من ذلك، أنه بإغلاق صمام فرع إمداد الهواء، يُمكن للنظام شبه ثنائي المرحلة الانتقال بمرونة إلى وضع الدورة أحادية المرحلة، مما يُحسّن أداء مضخة الحرارة شبه ثنائية المرحلة في الشتاء والصيف. لذلك، في السنوات الأخيرة، طُبّقت تقنية الضغط شبه ثنائي المرحلة على نطاق واسع في مضخات الحرارة منخفضة الحرارة.

الجزء 02 استبدال المبرد

حاليًا، يُعدّ كلٌّ من R22 وR410A أكثر سوائل التبريد استخدامًا في أنظمة مضخات الحرارة الهوائية، بينما تُعدّ بدائلهما الرئيسية R290 وR32 وR744 وR161، بالإضافة إلى بعض سوائل التبريد المختلطة بمركبات الكربون الهيدروفلورية (HFC). ومع ذلك، باستثناء R744، فإن جميع سوائل التبريد ذات قابلية الاحترار العالمي المتوسطة والمنخفضة تتميز بدرجة معينة من قابلية الاشتعال، ويجب أن يتوافق استخدامها مع معايير السلامة واللوائح ذات الصلة، مع مراعاة كمية الشحن والمتطلبات الخاصة الأخرى.

بالنسبة لبدائل المبردات النقية، يتميز غاز التبريد R290 بضغط تشغيل وسعته مماثلين لغاز التبريد R22، ونسبة كفاءته في استخدام الطاقة أعلى منه. ومع ذلك، نظرًا لقابليته للاشتعال، فهو مناسب بشكل أساسي لأنظمة الشحن الصغيرة. وقد استخدم المصنعون مكيفات هواء منفصلة ومضخات حرارية تعمل بالهواء المضغوط R290. يكاد يكون ضغط تشغيل وسعته مماثلين لغاز التبريد R410A، كما أن كفاءته في استخدام الطاقة مماثلة لغاز التبريد R410A، بل أعلى بقليل من R410A.

حاليًا، يُعدّ غاز R32 مناسبًا لمختلف أنواع أجهزة تكييف الهواء المتوفرة في السوق، ويُستخدم في الوحدات المنفصلة في العديد من الدول والمناطق، مثل اليابان والصين وكوريا الجنوبية وأوروبا. كما يستخدمه بعض المصنّعين في أنظمة أخرى، مثل الوحدات المنفصلة المتعددة. يُعدّ استخدام غاز R744 في مجالات التدفئة والتبريد محدودًا نظرًا لكفاءته في استخدام الطاقة في وضع التبريد، خاصةً عند ارتفاع درجة الحرارة الخارجية. ومع ذلك، تتميز دورة R744 فوق الحرجة بمزايا كبيرة في الماء الساخن عالي الحرارة.

بالإضافة إلى المبردات النقية، تتوفر أيضًا العديد من المبردات المختلطة المصممة خصيصًا لمضخات الحرارة الهوائية، والتي تتكون بشكل أساسي من مبردين نقيين أو أكثر، مثل R32، وR125، وR134a، وR152a، وR161، وR1234yf، وR1234ze، وR600a، وR1270، وR290. وقد سُميت بعض المبردات المختلطة بأرقام ملكية، مثل R444B، وR446A، وR447A، بينما لا يزال عدد كبير من المبردات المختلطة الأخرى قيد التطوير المستمر. غالبًا ما تتميز هذه المبردات المختلطة بضغوط تشغيل وسعات مماثلة لـ R22 أو R410A، مع معامل احترار عالمي يتراوح بين 150 و1000، ومستويات قابلية اشتعال تبلغ 1 (للمبردات ذات معامل احترار عالمي مرتفع) أو 2 لتر (للمبردات ذات معامل احترار عالمي متوسط). في الوقت الحاضر، لم يتم إنتاج معظم سوائل العمل المختلطة بكميات كبيرة، ولم يتم الإعلان عن البيانات الفنية ذات الصلة بعد.