Thermodynamic Analysis of a Vortex Tube-Assisted Ejector Auto-Cascade Refrigeration System Using R41/R1234yf Mixture

يعد التبريد تقنية أساسية في العالم الحديث، ومع ذلك فإن الآلات التي تصنعه تعتمد غالباً على حيلة بسيطة ومبذرة نوعاً ما: دفع غاز عالي الضغط عبر ثقب صغير لجعله بارداً. هذه العملية، المعروفة باسم التمدد (throttling)، فعالة ولكنها غير كفؤة، حيث تهدر قدراً كبيراً من الطاقة الكامنة على شكل حرارة. وفي السعي وراء تبريد أفضل، لا سيما لتطبيقات التجميد العميق مثل حفظ العينات الطبية أو إسالة الغازات، سعى المهندسون طويلاً لإيجح طرق لاستعادة تلك الطاقة المفقودة. ويتضمن أحد النهج الواعدة استخدام خليط من غازات مختلفة تغلي عند درجات حرارة مختلفة، مما يسمح لها بالانفصال طبيعياً والعمل معاً في دورة واحدة. ومع ذلك، حتى هذه الأنظمة المتقدمة تظل بحاجة إلى تحسين؛ إذ يكمن التحدي في التقاط قدرة التبريد التي تُهدر عادةً واستخدامها للمساعدة في تشغيل النظام بجهد أكبر دون استهلاك المزيد من الكهرباء.

صمم فريق من الباحثين من جامعة منغوليا الداخلية للعلوم والتكنولوجيا وجامعة إيركوتسك الوطنية للبحوث التقنية طريقة جديدة لمعالجة هذه المشكلة. فقد صمموا نظام تبريد يجمع بين جهازين متميزين: أنبوب دوامي (vortex tube) وناثر (ejector). الأنبوب الدوامي هو جهاز معدني صلب بسيط لا يحتوي على أجزاء متحركة، يمكنه تقسيم تيار من الغاز المضغوط إلى تيارين منفصلين — أحدهما حار جداً والآخر بارد جداً — باستخدام فيزياء الحركة الدوامية فقط. أما الناثر فهو جهاز يشبه الفوهة يستخدم نفاثاً من الغاز عالي السرعة لسحب وضغط تيار ثانٍ من الغاز، ليعمل فعلياً كمضخة دون الحاجة إلى محرك. ومن خلال ربط هذين الجهازين بدورة تبريد قياسية، نجح الباحثون في إنشاء نظام يعيد تدوير طاقته الداخلية بشكل أكثر فعالية من التصميمات التقليدية.

يستخدم النظام خليطاً محدداً من غازين صديقين للبيئة، وهما R1234yf وR41. وقد تم خلط هذين الغازين لأنهما يتصرفان بشكل مختلف عند التبريد؛ فأحدهما يتكثف إلى سائل بسهولة أكبر من الآخر. في هذا الإعداد الجديد، يتم ضغط الغاز الخليط ثم تبريده حتى يبدأ في الانفصال إلى سائل وبخار. الجزء البخاري، الغني بالغاز الذي يغلي عند درجة حرارة أقل، يُرسل إلى الأنبوب الدوامي. وداخل الأنبوب، يدور الغاز بعنف وينقسم؛ ولا يتم هدر الطرف البارد من هذا الانقسام، بل يتم توجيهه عبر مبادل حراري لتبريد الغاز عالي الضغط قبل دخوله إلى غرفة التبريد الرئيسية. تجعل خطوة التبريد المسبق هذه الغاز أكثر برودة مما قد يكون عليه في الحالات العادية، مما يسمح للنظام بإنتاج قدرة تبريد أكبر. وفي الوقت نفسه، يُرسل الطرف الساخن من انقسام الأنبوب الدوامي إلى الناثر، حيث يساعد في سحب وضغط التدفق الرئيسي للغاز، مما يقلل من العمل الذي يتعين على الضاغط الرئيسي القيام به.

لفهم مدى فعالية هذه الفكرة، قام الباحثون ببناء نموذج حاسوبي مفصل للنظام. لم يقوموا ببناء آلة فيزيائية في مختبر لهذا البحث، بل قاموا بمحاكاة تدفق الغازات وانتقال الحرارة باستخدام معادلات رياضية تعتمد على الخصائص المعروفة لخليط R1234yf وR41. واختبروا النظام تحت ظروف مختلفة، من خلال تغيير درجة حرارة الهواء الخارجي، وكمية الغاز المتدفقة في الأنابيب، ونسبة الغازين في الخليط. كان الهدف هو معرفة كيف تؤثر هذه التغييرات على قدرة النظام على إنتاج البرودة ومدى كفاءة استخدامه للطاقة.

أظهرت عمليات المحاكاة أن النظام الجديد يعمل بشكل أفضل بكثير من دورة التبريد القياسية التي تستخدم ناشراً ولكنها تفتقر إلى الأنبوب الدوامي. فعندما قارن الباحثون بين التصميمين تحت نفس الظروف، أنتج نظام التبريد المدعوم بالأنبوب الدوامي قدرة تبريد أعلى بنسبة 58.37 بالمائة. كما حسن معامل الأداء (COP)، وهو مقياس للكفاءة، بنسبة 49.03 بالمائة. وهذا يعني أن النظام يمكنه تجميد الأشياء بشكل أسرع واستهلاك طاقة أقل للقيام بذلك. ووجد الباحثون أن أكبر المكاسب جاءت من الاستخدام الذكي للتيار البارد من الأنبوب الدوامي؛ فمن خلال استخدام هذا التيار البارد لتبريد الغاز عالي الضغط مسبقاً، قلل النظام من الطاقة المفقودة أثناء عملية التمدد.

كما أظهرت الدراسة أن أداء النظام يعتمد بشدة على كيفية إدارة خليط الغازات. فزيادة كمية الغاز ذي نقطة الغليان المنخفضة (R41) في الخليط أدت إلى تحسين قدرة التبريد والكفاءة، حتى نقطة معينة. ووجد الباحثون أيضاً أن درجة الحرارة التي يخرج عندها الغاز من المكثف مهمة؛ حيث أدت درجة حرارة المكثف المنخفضة إلى أداء أفضل. وعلى العكس من ذلك، فإن زيادة "جفاف" الغاز الخارج من المكثف (أي زيادة نسبة البخار) أدت في الواقع إلى تحسين مخرجات التبريد للنظام. ورغم أن زيادة نسبة الجفاف قللت قليلاً من تركيز الغاز ذي نقطة الغليان المنخفضة في البخار المنفصل، إلا أن إجمالي كمية البخار المتدفقة في الدورة زادت بشكل كبير. هذا التدفق الأكبر للبخار وفر مادة تبريد أكثر للعملية اللاحقة ذات درجات الحرارة المنخفضة، ووفر تدفقاً أكبر للأنبوب الدوامي ليفصله، مما عزز في النهاية قدرة التبريد، ومعامل الأداء، وكفاءة الإكسرجي (exergy efficiency) رغم انخفاض التركيز.

كانت إحدى أهم النتائج هي أن النظام يعمل بأفضل حالاته عندما يتم موازنة الأجزاء المختلفة من الدورة بعناية. فالأنبوب الدوامي يوفر مصدراً للبرودة غالباً ما يتم تجاهله في الأنظمة الأخرى، بينما يوفر الناثر وسيلة لاستعادة الضغط دون الحاجة إلى محركات إضافية. وعندما يعمل هذان العنصران معاً، فإنهما يخلقان دورة يتم فيها إعادة استخدام الحرارة المهدرة والبرودة المهدرة باستمرار. وأشار الباحثون إلى أنه بينما ساعدت زيادة كمية غاز R41 في تحسين الأداء، إلا أنها رفعت أيضاً الضغط داخل النظام، وهو عامل يجب على المهندسين مراعاته عند بناء آلة حقيقية.

تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن الجمع بين أنبوب دوامي وناثر يعد وسيلة فعالة لتعزيز أداء أنظمة التبريد المتتابعة (auto-cascade refrigeration systems). وتُستخدم هذه الأنظمة بالفعل في مجالات متخصصة مثل إسالة الغازات وأبحاث درجات الحرارة المنخفضة، حيث يكون الوصول إلى درجات حرارة شديدة الانخفاض أمراً بالغ الأهمية. ومن خلال تحسين كفاءة هذه الآلات، يمكن للتصميم الجديد أن يؤدي إلى وحدات تبريد أصغر حجماً وأكثر قوة وتستهلك كهرباء أقل. ويؤكد الباحثون أن نتائجهم تستند إلى عمليات المحاكاة، مما يعني أن الخطوة التالية ستكون بناء نموذج أولي فيزيائي للتأكد من أن هذه الأرقام تصمد في العالم الحقيقي. ومع ذلك، فإن الرسالة الواضحة من البيانات هي أن التقاط وإعادة استخدام الطاقة الداخلية لمادة التبريد، بدلاً من تركها تتسرب، يمثل مساراً جوهرياً نحو تكنولوجيا تبريد أكثر كفاءة.