كيف تتعامل المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء مع بيئات درجات الحرارة المنخفضة للغاية؟

اكتسبت المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء قوة جذب في السوق لكفاءتها وفوائدها البيئية. ومع ذلك، يمكن أن يختلف الأداء بشكل كبير بناءً على عدة عوامل. في المناخات الباردة، تنخفض كفاءة هذه المضخات، ويمكن أن يؤثر تكوين الصقيع أثناء التسخين بشدة على كل من الكفاءة والموثوقية. ولمواجهة هذه التحديات، تم تحقيق تقدم في التكنولوجيا والتصميم، مما أدى إلى تعزيز وظيفة وتطبيق المضخات الحرارية بمصدر الهواء في بيئات مختلفة.

التقدم في تكنولوجيا الضغط متعدد المراحل

تعد تقنية ضغط التردد المتغير إحدى الطرق الفعالة لتحسين قدرة التسخين للمضخات الحرارية بمصدر الهواء. في ظروف درجات الحرارة المنخفضة، يمكن أن تؤدي زيادة سرعة الضاغط إلى زيادة حجم العادم بشكل كبير، وبالتالي تحسين قدرة التسخين للمضخة الحرارية لمصدر الهواء. ومع ذلك، فإن تقنية التردد المتغير لا تعمل على تحسين كفاءة استخدام الطاقة في النظام. لتحسين قدرة التسخين وكفاءة الطاقة في درجات الحرارة المنخفضة في نفس الوقت، تم تطوير تقنية الضغط متعدد المراحل.

اعتمادًا على عدد مراحل الضغط وهيكل الدورة، يمكن تقسيم المضخات الحرارية لمصدر الهواء المضغوط متعدد المراحل إلى دورات متتالية وضغط مزدوج/متعدد المراحل، وما إلى ذلك. لتحسين قدرة التسخين لأنظمة الضغط أحادية المرحلة في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة، يمكن حقن مادة التبريد مباشرة في غرفة الضغط أثناء عملية الضغط، المعروفة باسم الضغط شبه على مرحلتين. نظرًا لأن دورات الضغط شبه ذات المرحلتين لها خصائص الضغط ثنائي المرحلة، فسوف تدرجها هذه المقالة في نطاق دورات الضغط ثنائية المرحلة للمناقشة.

مضخات حرارية مصدر الهواء المتتالية

نظرًا لانخفاض درجة الحرارة المحيطة، تكون نسبة ضغط النظام مرتفعة، ويكون عمل الضغط كبيرًا، ويكون فقدان الاختناق كبيرًا، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض كفاءة طاقة المضخة الحرارية. لتقليل الخسائر وتحسين الكفاءة، تستخدم أنظمة المضخات الحرارية لمصدر الهواء المتتالي دورتين لضغط البخار على التوالي لتحل محل دورة واحدة، لتقليل نسبة الضغط للدورة أحادية المرحلة.

كما هو موضح في الشكل، يتكون النظام التعاقبي من دورتين مستقلتين لضغط البخار، إحداهما عبارة عن دورة مرحلة ذات درجة حرارة منخفضة، والأخرى عبارة عن دورة مرحلة درجة حرارة عالية. ترتبط هاتان الدورتان من خلال مبادل حراري متوسط ​​مشترك، والذي يعمل أيضًا كمكثف لدورة درجة الحرارة المنخفضة والمبخر لدورة درجة الحرارة المرتفعة. وفي الشتاء، تمتص دورة الحرارة المنخفضة الحرارة من الهواء المحيط من خلال المبخر وترفع الحرارة إلى درجة حرارة أعلى لتكون بمثابة مصدر حرارة لدورة الحرارة المرتفعة؛ وفي دورة الحرارة المرتفعة، ترتفع الحرارة إلى درجة الحرارة المطلوبة للتدفئة الداخلية.

باستخدام المضخة الحرارية لمصدر الهواء المتتالي، يتم تقليل نسبة ضغط الدورة بشكل كبير، مما يقلل من فقدان الضغط الإجمالي وفقدان الاختناق، وبالتالي تحسين كفاءة الطاقة للمضخة الحرارية لمصدر الهواء. علاوة على ذلك، اعتمادًا على ظروف العمل المختلفة، يمكن لمراحل درجات الحرارة العالية والمنخفضة للدورة التعاقبية استخدام مبردات مختلفة. نظرًا لأنه يمكن تنفيذ النظام التعاقبي باستخدام نظامين بسيطين أحاديي المرحلة، فقد تم استخدامه لسنوات عديدة في تطبيقات التدفئة وإمدادات المياه الساخنة. ومع ذلك، فإن الفرق في درجة الحرارة في التبادل الحراري للمبادل الحراري الوسيط في الدورة المتتالية يؤدي حتماً إلى خسائر معينة في الكفاءة؛ علاوة على ذلك، تتطلب الدورة المتتالية ضاغطين ومبادل حراري إضافي، مما يجعلها أكثر تكلفة مقارنة بالدورات أحادية المرحلة.

مزايا المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء المضغوط ذات المرحلة المزدوجة

تعمل المضخة الحرارية ذات مصدر الهواء المضغوط على مرحلتين على توصيل دورتي تبريد معًا ويمكن اعتبارها شكلاً مبسطًا للنظام المتتالي. كما هو موضح في الشكل، استنادًا إلى المقتصدات المختلفة المستخدمة، يمكن تقسيم المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء المضغوط ثنائي المرحلة إلى نوعين: أنظمة خزان الفلاش (FT) وأنظمة المبادلات الحرارية المتوسطة (IHX).

بالنسبة لنظام خزان الفلاش، يتم اختناق سائل التبريد الخارج من المكثف الداخلي إلى مرحلتين ثم يدخل إلى خزان الفلاش، حيث يتم فصل المبرد ثنائي الطور إلى بخار مشبع وسائل مشبع؛ يتم خلط غاز التبريد المشبع مع عادم غاز التبريد من ضاغط مرحلة الضغط المنخفض ثم يتم ضغطه مرة أخرى بواسطة ضاغط مرحلة الضغط العالي، ويتم اختناق السائل المشبع بواسطة صمام التمدد الثاني ويدخل المبخر الخارجي ليتبخر إلى غاز ثم أدخل الضاغط في مرحلة الضغط المنخفض، ثم امزجه مع غاز الضغط المتوسط ​​من خزان الفلاش.

بالنسبة لنظام المبادل الحراري المتوسط، يتم تقسيم سائل التبريد من مخرج المكثف مباشرة إلى مسارين: التدفق الرئيسي والتدفق الفرعي. يتم اختناق مبرد التدفق الفرعي إلى ضغط متوسط ​​ويدخل إلى المبادل الحراري المتوسط، حيث يقوم المبرد ذو درجة الحرارة المنخفضة بتبريد مبرد التدفق الرئيسي إلى حالة التبريد الفرعي، ويمتص مبرد التدفق الفرعي الحرارة ويصبح بخارًا مشبعًا أو حالة شديدة السخونة ويختلط مع العادم من ضاغط مرحلة الضغط المنخفض، ثم يدخل إلى ضاغط مرحلة الضغط العالي لمزيد من الضغط. يتم اختناق مادة التبريد المبردة من الباطن من مخرج التيار الرئيسي للمبادل الحراري المتوسط ​​من خلال المبخر وتعود أخيرًا إلى ضاغط مرحلة الضغط المنخفض، ويتم ضغطها إلى ضغط متوسط، ويتم مزجها مع مبرد التدفق الفرعي.

ضغط شبه مزدوج للمرحلة من أجل تعدد الاستخدامات

كما هو موضح في الشكل، فإن المضخات الحرارية لمصدر الهواء المضغوط شبه مزدوجة المرحلة (المعروفة أيضًا باسم أنظمة التركيب) تشبه إلى حد كبير أنظمة الضغط ثنائية المرحلة. الفرق هو أنه في مرحلة الضغط شبه المزدوجة، يتم حقن مادة التبريد من خزان الفلاش أو المبادل الحراري الوسيط في غرفة الضغط الخاصة بالضاغط، بدلاً من حقنه بين ضواغط من سلسلتين.

ولذلك، يمكن اعتبار المضخات الحرارية شبه ثنائية المرحلة شكلاً مبسطًا من المضخات الحرارية ثنائية المرحلة، وذلك باستخدام ضواغط مكياج مصممة خصيصًا لتحل محل ضاغطين، وبالتالي تجنب مشكلة معادلة الزيت بين ضاغطين وتقليل تكاليف النظام. والأهم من ذلك، من خلال إغلاق الصمام الموجود على فرع التركيب، يمكن للأنظمة شبه المزدوجة المرحلة أن تتحول بمرونة إلى وضع الدورة أحادية المرحلة، وبالتالي تحسين أداء المضخات الحرارية شبه مزدوجة المرحلة في الشتاء والصيف. لهذا السبب، تم تطبيق تقنية الضغط شبه المزدوج المرحلة على نطاق واسع في المضخات الحرارية ذات درجات الحرارة المنخفضة في السنوات الأخيرة.

استبدال المبردات

يعد التحرك نحو المبردات الصديقة للبيئة والفعالة أمرًا محوريًا في تطوير المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء. يتم استبدال المبردات التقليدية مثل R22 وR410A ببدائل مثل R290 وR32 وR744 وR161 وغيرها. كل من هذه المبردات لها مزاياها واعتباراتها، وخاصة فيما يتعلق بأثرها البيئي، وكفاءتها، ومعايير السلامة. ومع تقدم التكنولوجيا، فإن اعتماد هذه البدائل، إلى جانب تصميمات الأنظمة المتقدمة، سوف يستمر في تحسين أداء وقابلية تطبيق المضخات الحرارية ذات مصدر الهواء.

من خلال الابتكار والبحث المستمر، أصبحت المضخات الحرارية لمصدر الهواء أكثر قوة وكفاءة ومناسبة لمجموعة واسعة من المناخات والتطبيقات. يعد دمج تقنيات الضغط المتقدمة والتحول إلى المبردات الصديقة للبيئة أمرًا أساسيًا في هذا التطور، مما يمهد الطريق لحلول التدفئة المستدامة والفعالة.

استنتاج

تعد المضخات الحرارية بمصدر الهواء في طليعة تكنولوجيا التدفئة والتبريد، مما يوفر بديلاً مستدامًا وفعالاً للأنظمة التقليدية. ومن خلال اعتماد تقنيات الضغط متعددة المراحل والمبردات الصديقة للبيئة، تتطور هذه الأنظمة باستمرار لتوفير أداء أفضل وقدرة على التكيف وتقليل التأثير البيئي. ومن خلال البحث والابتكار المستمرين، من المتوقع أن تصبح المضخات الحرارية بمصدر الهواء خيارًا أكثر جاذبية لمجموعة واسعة من التطبيقات السكنية والتجارية، مما يدفع مستقبل التدفئة والتبريد المستدامين إلى الأمام.