Energy performance and optimization of a transcritical R744 heat pump for electric ferries
تُثبت هذه الدراسة أن نظام المضخة الحرارية فوق الحرجة (transcritical) المحسّن الذي يعمل بمبرد R744، مع مخطط مبرد غازي متوازي وتحكم تناسبي تكاملي (PI) لمركزية التحكم، يقدم حلاً موثوقاً وصديقاً للبيئة وفعالاً في استهلاك الطاقة للإدارة الحرارية للعبارات الكهربائية صفرية الانبعاثات، متفوقاً بذلك على أنظمة R410A القياسية عبر نطاق واسع من درجات حرارة التشغيل.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن الرحلة نحو التنقل الخالي من الانبعاثات تعيد تشكيل كيفية نقل الناس عبر المياه. فالعبارات الكهربائية، التي تعمل بالبطاريات بدلاً من محركات الديزل، تقدم مستقبلاً أنظف وأكثر هدوءاً للمجتمعات الساحلية. ومع ذلك، تواجه هذه السفن تحدياً فريداً لم تواجهه نظيراتها من سفن الديزل قط: فهي لا تولد أي حرارة مهدرة تقريباً. السفن التقليدية تحرق الوقود لتتحرك، وتخلق عملية الحرق هذه كمية هائلة من الحرارة الزائدة التي تدفئ مقصورات الركاب بشكل طبيعي. أما العبارات الكهربائية، فتعتمد كلياً على بطارياتها لكل من الدفع والراحة. وفي المناخات الباردة، يمكن لتدفئة العبارة أن تستنزف جزءاً كبيراً من طاقة البطارية، حيث تستهلك أحياناً ما يقرب من نصف إجمالي الطاقة المتاحة. وهذا يخلق مقايضة صعبة حيث تؤدي الحاجة إلى الحرارة إلى تقصير المسافة التي يمكن للسفينة قطعها. ولحل هذه المعضلة، يتجه المهندسون إلى المضخات الحرارية، وهي أجهزة تنقل الحرارة بدلاً من إنشائها، لكن يتعين عليهم إيجاد طريقة لجعل هذه الأنظمة تعمل بكفاءة في الظروف القاسية والمتغيرة للبحر دون إضافة الكثير من الوزن أو التعقيد.
وضع باحثون في جامعة جنوب الدنمارك وشركاؤهم خطة لإيجاد أفضل طريقة لإدارة هذا التوازن الحراري للعبارات الكهربائية. وقد ركزوا على نوع محدد من المضخات الحرارية التي تستخدم ثاني أكسيد الكربون كمبرد، وهو مادة طبيعية آمنة بيئياً وغير قابلة للاشتعال. وبخلاف الأنظمة القديمة التي تستخدم مواد كيميائية اصطناعية، يعمل ثاني أكسيد الكربون بشكل مختلف عندما يكون الهواء دافئاً، مما يتطلب تصميماً متخصصاً ليعمل بشكل صحيح. قام الفريق ببناء محاكاة حاسوبية مفصلة لنظام تدفئة وتبريد عبارة لاختبار مدى جودة أداء نظام يعتمد على ثاني أكسيد الكربون مقارنة بالأنظمة القياسية المستخدمة حالياً في السفن. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كان هذا المبرد الطبيعي يمكنه الحفاظ على راحة الركاب مع الحفاظ على طاقة البطارية للرحلة، وكل ذلك دون جعل السفينة ثقيلة جداً بحيث تصبح غير عملية.
بدأت الدراسة بمقارنة نظام قياسي يستخدم مبرداً اصطناعياً شائعاً مقابل تصميم جديد يستخدم ثاني أكسيد الكربون مع مبخر مغمور، وهو مكون يسمح للمبرد بتغطية سطح التبادل الحراري بالكامل لتحقيق كفاءة أفضل. كشفت عمليات المحاكاة أن أداء نظام ثاني أكسيد الكربون يعتمد بشدة على درجة الحرارة الخارجية. فعندما كان الهواء بارداً جداً، حيث وصلت درجة الحرارة إلى خمس درجات تحت الصفر مئوية، كان النظام القياسي أكثر كفاءة قليلاً. ومع ذلك، مع ارتفاع درجة الحرارة، بدأ نظام ثاني أكسيد الكربون في التقدم. فعند درجة حرارة أربع درجات مئوية، كان أكثر كفاءة بنسبة تقارب الربع من النظام القياسي، وحتى في طقس الصيف الحار عند خمس وثلاثين درجة مئوية، حافظ على ميزة كبيرة. يشير هذا إلى أنه في معظم أيام السنة، يعد المبرد الطبيعي هو الخيار الأفضل، بشرط تصميم النظام للتعامل مع المتطلبات المحددة لدورة التدفئة في العبارة.
ولتحسين أداء النظام خلال أيام الشتاء الأكثر برودة، اختبر الباحثون عدة تكوينات مختلفة. فقد استكشفوا إضافة مكونات إضافية، مثل مبادلات حرارية إضافية، للمساعدة في إطلاق الحرارة من ثاني أكسيد الكربون بشكل أكثر فعالية. وقد ثبت أن تصميماً واحداً بعينه، والذي أضاف وحدة ثانية تعمل بالتبريد الهوائي بالتوازي مع النظام الرئيسي، كان الأكثر فعالية. سمح هذا الإعداد للنظام بالتفوق على الخط المرجعي القياسي حتى عند درجة حرارة خمس درجات تحت الصفر مئوية، حيث قدم كفاءة تدفئة أفضل بنسبة تقارب ستة بالمئة. ومع ذلك، جاء هذا التحسن بتكلفة: فقد أدت الأجهزة المضافة إلى زيادة الوزن الإجمالي للنظام بنسبة خمس وعشرين بالمئة. كان على الفريق موازنة هذه الكتلة الإضافية مقابل توفير الطاقة، وخلصوا إلى أن هذه المقايضة مقبولة للعبارات الكهربائية حيث يكون تعظيم مدى البطارية أمراً بالغ الأهمية.
تتطلب إدارة هذه الأنظمة استراتيجية تحكم متطاً لأن سلوك ثاني أكسيد الكربون يتغير بشكل جذري مع تغير درجات الحرارة. طور الباحثون نظام تحكم يستخدم أربع حلقات منفصلة لمراقبة وضبط سرعة الضاغط، وفتحات الصمامات، وسرعات المراوح في الوقت الفعلي. سمح هذا النهج اللامركزي للنظام بالاستجابة بسرعة للتغيرات في الطقس دون الحاجة إلى قدرة حوسبة معقدة وثقيلة. وفي عمليات المحاكاة، استجاب النظام بسلاسة للتحولات المفاجئة في درجات الحرارة، محافظاً على تشغيل مستقر دون حدوث ارتفاعات خطيرة في الضغط أو دورات غير فعالة. نجح منطق التحكم في إبقاء النظام يعمل على مساره الأكثر كفاءة، مما أثبت أن طريقة التحكم البسيطة نسبياً يمكنها التعامل مع الفيزياء المعقدة لمضخة ثاني أكسيد الكربون الحرارية.
جاء التحليل النهائي ليجمع بين مكاسب الطاقة والوزن الفيزيائي لمختلف التصاميم. وبينما أدى التخطيط الأكثر كفاءة إلى إضافة وزن كبير، قرر الباحثون أن الطاقة التي سيتم توفيرها على مدار عمر العبارة ستعوض على الأرجح العقوبة الأولية (الوزن الزائد). أكدت الدراسة أن مضخة ثاني أكسيد الكربون الحرارية المصممة جيداً هي حل قابل للتطبيق وصديق للبيئة، وقادرة على التعامل مع تدفئة الشتاء وتبريد الصيف. ومن خلال استخدام مبرد طبيعي وتحسين تخطيط النظام، يمكن لهذه السفن الحفاظ على راحة الركاب دون التضحية بمدى رحلتها الكهربائية. يسلط هذا العمل الضوء على أنه بينما لا يوجد حل واحد مثالي لكل درجة حرارة، فإن النظام المرن والمحسن يمكن أن يوفر مساراً موثوقاً نحو مستقبل النقل البحري النظيف.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.