على الرغم من أن العمل جار لتطوير المبردات البديلة وتحسين استراتيجيات إدارة المبردات ، فإن التخلص التدريجي من مركبات الكربون الهيدروفلورية سيفرض قيودًا على معدات ضغط البخار التي ستتطلب مقايضات بين التكلفة والكفاءة والسلامة. يمكن أن تقدم هذه القيود فرصًا في السوق لتقنيات تكييف الفضاء البديلة. تقنيات بديلة تعتمد على حالة تطورها (بعض التقنيات في مراحل مبكرة جدًا من التطوير) ، وإمكانية توفير الطاقة ، وعوامل أخرى قد تؤثر على قدرتها على التنافس مع أنظمة ضغط البخار.
مجموعات الشكل أدناه 22 تقنية ضغط غير بخار تم تحليلها في دراسة وزارة الطاقة ، مصنفة حسب مصدر الطاقة والسائل أو المادة العاملة الأولية. على الرغم من أن أنظمة ضغط البخار تُستخدم أيضًا في تطبيقات التبريد والنقل وتبريد العمليات ، إلا أن دراسة وزارة الطاقة تركز فقط على بناء تطبيقات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء.
بعض التقنيات البديلة غير عملية لتطبيقات التكييف الفضائي بسبب الكفاءات والقدرات المنخفضة ، وبعضها مبكر جدًا في دورة تطويرها ليتم تقييمها بالكامل (على سبيل المثال ، مضخة حرارية برنولي ودورة التدفق الحرج والمضخة الحرارية الكهربية).
تشرح هذه الأقسام بعض البدائل لدورات ضغط البخار.
دورة ثاني أكسيد الكربون عبر الحرجة
يمكن رؤية درجة الحرارة الحرجة المنخفضة لثاني أكسيد الكربون في الرسم البياني لعنصر الضغط (Figurebelow). سيكون للدورة ذات الطرد الحراري عند 31 درجة مئوية تأثير تبريد أقل بكثير من تكثيف واحد عند ، لنقل 27 درجة مئوية. فوق النقطة الحرجة ، لا يمكن تكثيف الغاز ، ومن الضروري الانتقال إلى هذه المنطقة إذا اقتربت درجة حرارة طرد الحرارة من 30 درجة مئوية. إذا كان من الممكن تبريد الغاز ، لنقل 40 درجة مئوية كما هو موضح في الشكل ، فإن تأثير التبريد مشابه لتأثير طرد الحرارة عند 30 درجة مئوية. في الدورة الموضحة ، يتم تبريد الغاز من 120 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية عند ضغط ثابت قدره 100 بار في مبادل حراري يوصف بأنه مبرد غاز.
يحدث تكوين السائل فقط أثناء التمدد إلى مستوى الضغط المنخفض. قد يكون من الممكن تشغيل نظام مصمم للتشغيل عبر الحرج في الوضع دون الحرج ، أي كدورة ضغط بخار ، في ظل ظروف محيطة منخفضة وفي هذه الحالة يصبح مبرد الغاز مكثفًا.
يعد تنظيم الضغط المرتفع ضروريًا للدورة الحرجة. يتم تحديد الضغط الأمثل كدالة لدرجة حرارة مخرج مبرد الغاز وهو عبارة عن توازن بين أعلى تأثير تبريد ممكن وأصغر كمية من طاقة الضاغط.
المبردات الخسارة الكلية
يتم استخدام بعض السوائل المتطايرة مرة واحدة فقط ثم تتسرب إلى الغلاف الجوي. اثنان منها في الاستخدام العام: ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين. يتم تخزين كلاهما كسوائل تحت مزيج من الضغط ودرجة الحرارة المنخفضة ثم يتم إطلاقهما عندما يكون تأثير التبريد مطلوبًا.
ثاني أكسيد الكربون أقل من نقطته الثلاثية عند الضغط الجوي ويمكن أن يوجد فقط على شكل "ثلج" أو غاز. النقطة الثلاثية هي المكان الذي تتعايش فيه الأطوار الصلبة والسائلة والبخارية. تحت هذا الضغط ، تتسامى المادة الصلبة مباشرة إلى الحالة الغازية. نظرًا لأن كلا الغازين يأتيان من الغلاف الجوي فلا يوجد خطر تلوث. ستكون درجة حرارة ثاني أكسيد الكربون عند إطلاقه 78.4 درجة مئوية. سيكون النيتروجين عند 198.8 درجة مئوية. يمكن أيضًا تصنيف الجليد المائي على أنه مادة تبريد ضائعة بالكامل.
دورة الامتصاص
يمكن سحب البخار من المبخر عن طريق الامتصاص في سائل (كما في الشكل أدناه). يتم استخدام توليفتين ، امتصاص غاز الأمونيا في الماء وامتصاص بخار الماء في بروميد الليثيوم. هذا الأخير غير سام وبالتالي يمكن استخدامه لتكييف الهواء. يؤدي استخدام الماء كمبرد في هذه المجموعة إلى تقييده على الأنظمة التي تزيد عن نقطة التجمد. يُسحب بخار مادة التبريد من المبخر إلى جهاز الامتصاص بواسطة مادة الامتصاص السائلة ، والتي يتم رشها في الحجرة. ثم يُضخ المحلول الناتج (أو السائل) حتى يصل إلى ضغط المكثف ويُطلق البخار في المولد عن طريق التسخين المباشر.
يمكن بعد ذلك تكثيف غاز التبريد عالي الضغط المنبعث بالطريقة المعتادة وإعادته عبر صمام التمدد إلى المبخر. يمر السائل الضعيف من المولد عبر صمام آخر لخفض الضغط إلى الممتص. يتم تحسين الكفاءة الحرارية الكلية بواسطة مبادل حراري بين مسارين للسائل ومبادل حراري للشفط والسائل من أجل مادة التبريد. عادة ما تكون الطاقة لمضخة السوائل كهربائية ، ولكن الطاقة الحرارية للمولد قد تكون أي شكل من أشكال الطاقة منخفضة الدرجة مثل النفط أو الغاز أو الماء الساخن أو البخار. يمكن أيضًا استخدام الإشعاع الشمسي. الطاقة الإجمالية المستخدمة أكبر من دورة الضغط ، لذا فإن COP أقل. الأرقام النموذجية كما هو مبين في الجدول.
دورة الهواء
يعمل تبريد دورة الهواء على دورة Brayton أو Joule العكسية. يتم ضغط الهواء ثم إزالة الحرارة ؛ ثم يتم توسيع هذا الهواء إلى درجة حرارة أقل مما كانت عليه قبل ضغطه. يمكن بعد ذلك استخراج الحرارة لتوفير تبريد مفيد ، وإعادة الهواء إلى حالته الأصلية (انظر الشكل أدناه). يتم إخراج العمل من الهواء أثناء التمدد بواسطة توربين التمدد ، والذي يزيل الطاقة حيث يتم تحريك الشفرات بواسطة الهواء المتوسع. يمكن استخدام هذا العمل بشكل مفيد لتشغيل أجهزة أخرى ، مثل المولدات أو المراوح. في كثير من الأحيان ، يتم استخدامه للمساعدة في تشغيل الضاغط ، كما هو موضح. في بعض الأحيان ، يتم تشغيل ضاغط منفصل ، يسمى ضاغط "التمهيد" ، بواسطة الموسع ، مما يعطي مرحلتين من الضغط. تؤدي الزيادة في الضغط على الجانب الساخن إلى زيادة درجة الحرارة وتجعل نظام دورة الهواء ينتج حرارة أكثر قابلية للاستخدام (عند درجة حرارة أعلى). يمكن استخدام الهواء البارد بعد التوربين كمبرد إما بشكل مباشر في نظام مفتوح كما هو موضح أو بشكل غير مباشر عن طريق مبادل حراري في نظام مغلق. إن كفاءة هذه الأنظمة محدودة إلى حد كبير بكفاءات الضغط والتوسيع ، وكذلك تلك الخاصة بالمبادلات الحرارية المستخدمة.
في الأصل ، تم استخدام ضواغط وموسعات ترددية بطيئة السرعة. كان ضعف كفاءة وموثوقية هذه الآلات من العوامل الرئيسية في استبدال هذه الأنظمة بمعدات ضغط البخار. ومع ذلك ، فإن تطوير الضواغط والموسعات الدوارة (مثل الشاحن التوربيني للسيارة) أدى إلى تحسن كبير في كفاءة وموثوقية دورة الهواء. تقدم التطورات في تكنولوجيا التوربينات جنبًا إلى جنب مع تطوير محامل الهواء ومكونات السيراميك مزيدًا من التحسينات في الكفاءة.
التطبيق الرئيسي لهذه الدورة هو تكييف الهواء وضغط الطائرات. تدور التوربينات المستخدمة للضغط والتمدد بسرعات عالية جدًا للحصول على نسب الضغط اللازمة ، وبالتالي فهي صاخبة. COP أقل من الأنظمة الأخرى.
دورة ستيرلينغ
دورة "ستيرلنغ" هي دورة غاز بارعة تستخدم الحرارة المنقولة من انخفاض درجة الحرارة للغاز لتوفير ذلك للغاز الذي يرتفع في درجة الحرارة. تم تطبيق دورة "ستيرلنغ" بنجاح في التطبيقات المتخصصة التي تتطلب درجات حرارة منخفضة في مهام منخفضة للغاية.
التبريد الكهروحراري
يؤدي مرور تيار كهربائي عبر تقاطعات معادن غير متشابهة إلى انخفاض درجة الحرارة عند تقاطع واحد وارتفاع في الآخر ، وهو تأثير بلتيير. تم إجراء تحسينات في طريقة التبريد هذه في السنوات الأخيرة من خلال إنتاج أشباه موصلات مناسبة. التطبيقات محدودة الحجم ، بسبب التيارات الكهربائية العالية المطلوبة ، والاستخدامات العملية هي أنظمة تبريد صغيرة للاستخدام العسكري والفضائي والمختبر.
التبريد المغناطيسي
يعتمد التبريد المغناطيسي على ما يُعرف بالتأثير المغنطيسي ، وهو التغير في درجة الحرارة الذي يتم ملاحظته عند تعرض مواد مغناطيسية معينة لتغير في المجال المغناطيسي. التبريد المغناطيسي هو موضوع بحثي ، وقد تم استخدامه تاريخيًا في درجات حرارة منخفضة للغاية. في الآونة الأخيرة فقط ، تم اعتباره وسيلة ممكنة للتبريد في درجات حرارة الغرفة القريبة.
التبريد وتكييف الهواء GF Hundy و AR Trott و TC Welch و TC Welch
