موج‌های گرما و سیستم‌های تبرید CO₂
انگلستان: پس از تجربه دمای بی‌سابقه در تابستان ۲۰۲۲، دنیل کلارک، مدیرعامل شرکت Isentra، این سوال را مطرح می‌کند که آیا سیستم‌های ترانس‌کریتیکال CO₂ با فشار ۱۳۰ بار اکنون به یک ضرورت تبدیل شده‌اند؟
چالش‌های موج گرما در سیستم‌های تبرید CO₂
موج گرمای امسال باعث اختلال گسترده در سوپرمارکت‌ها شد، زیرا بسیاری از سیستم‌های تبرید با نقص عملکرد، از دست رفتن کالاها و کاهش فروش مواجه شدند.
تمامی فناوری‌های تبرید تحت تأثیر قرار گرفتند، اما اکنون که بسیاری از خرده‌فروشان به استفاده از سیستم‌های CO₂ روی آورده‌اند، ضرورت ارتقای این سیستم‌ها به ۱۳۰ بار فشار ترانس‌کریتیکال بیشتر احساس می‌شود.
در گذشته، دمای طراحی ۳۲°C برای محیط‌های استاندارد در نظر گرفته می‌شد، اما اکنون شاهد افزایش دما تا ۴۲°C هستیم که چالش‌های جدیدی را برای سیستم‌های تبرید به همراه دارد.
مشکل اصلی: فشار ناکافی در گاز کولر (Gas Cooler)
بهینه‌ترین فشار گاز کولر در دمای بالا باید بیش از ۹۶ بار باشد، اما بیشتر سیستم‌های CO₂ در فشارهای پایین‌تر (حدود ۸۵ بار یا کمتر) کار می‌کنند.
برای جلوگیری از قطع عملکرد کمپرسورها به دلیل افزایش فشار، اپراتورها معمولاً فشار سیستم را کاهش می‌دهند، درحالی‌که باید برعکس عمل کنند و فشار را افزایش دهند.
چالش‌های کنترل فشار در سیستم‌های ۱۲۰ بار
سیستم‌های ۱۲۰ بار، دارای تنظیمات ایمنی در ۱۰۸ بار هستند که فضای کمی برای افزایش فشار گاز کولر فراهم می‌کند.
کاهش فشار گاز کولر در دماهای بالا باعث ایجاد مقدار زیادی گاز فلاش (Flash Gas) می‌شود که منجر به مشکلاتی نظیر:
افزایش فشار در رسیور (Receiver)
افزایش بار کاری کمپرسورها و کاهش ظرفیت واقعی تبرید
افزایش جریان جرمی CO₂ که موجب افزایش افت فشار در جداکننده روغن (Oil Separator) و گاز کولر می‌شود
قطع عملکرد کمپرسورها به دلیل افزایش بیش از حد فشار
راهکار: سیستم‌های ۱۳۰ بار و بهبود کنترل شیر HPV
۱. افزایش فشار کاری به ۱۳۰ بار
تنظیم فشار قطع ایمنی در ۱۱۷ بار، به جای ۱۰۸ بار
امکان عملکرد پایدار در فشارهای گاز کولر حدود ۱۰۰ بار
۲. بهینه‌سازی کنترل شیرهای HPV (High Pressure Valve)
شیرهای HPV باید بتوانند به‌سرعت واکنش نشان دهند، به‌ویژه هنگام فعال‌شدن کمپرسورهای جدید
در بسیاری از سیستم‌ها، الگوریتم کنترل شیر HPV پاسخ مناسبی به افزایش ناگهانی فشار نمی‌دهد، که باید اصلاح شود
گزینه‌های جایگزین برای سیستم‌های ۱۲۰ بار موجود
۱. استفاده از خنک‌کننده‌های آدیاباتیک (Adiabatic Cooling)
کاهش دمای گاز کولر با اسپری آب روی سطح آن
چالش‌ها: کنترل کیفیت آب، رسوبات معدنی، خوردگی، ایمنی در برابر لژیونلا و هزینه‌های نگهداری
۲. بهبود کنترل شیر HPV و بهینه‌سازی نرم‌افزاری
همکاری با تولیدکنندگان سیستم‌های کنترل برای توسعه الگوریتم‌های دقیق‌تر
تست عملی در سایت‌های واقعی برای یافتن تنظیمات بهینه در شرایط دمایی بالا
نتیجه‌گیری
عملکرد پایدار سیستم‌های تبرید CO₂ در دماهای بالا امکان‌پذیر است، همان‌طور که کشورهایی مانند اسپانیا و ایتالیا این کار را انجام داده‌اند.
برای حفظ عملکرد مطمئن در دماهای ۴۰°C و بالاتر، صنعت تبرید بریتانیا باید به سمت سیستم‌های ۱۳۰ بار حرکت کند یا کنترل دقیق‌تر شیرهای HPV را توسعه دهد.
تست و بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها در شرایط دمایی شبیه‌سازی‌شده، کلید حل مشکلات فعلی خواهد بود.
۱.سیستم‌های ترانس‌کریتیکال CO₂ در تهویه مطبوع و تبرید
تعریف:
سیستم‌های تبرید ترانس‌کریتیکال CO₂ از دی‌اکسید کربن (R-744) به‌عنوان سیال مبرد استفاده می‌کنند و در شرایطی کار می‌کنند که فشار در سمت فشار بالای سیکل، بالاتر از نقطه بحرانی (Critical Point) CO₂ باشد.
ویژگی اصلی:
برخلاف سیکل‌های تبرید معمولی که در یک چگالنده (کندانسور) گرما را دفع می‌کنند، در سیستم‌های ترانس‌کریتیکال، بخش گاز کولر (Gas Cooler) جایگزین کندانسور شده و گرمای مبرد را دفع می‌کند، زیرا CO₂ در فشارهای بالا دیگر به‌صورت مایع خالص چگالیده نمی‌شود.
اجزای اصلی سیستم ترانس‌کریتیکال CO₂
۱. کمپرسور: افزایش فشار CO₂ به محدوده بالاتر از نقطه بحرانی (معمولاً ۹۰-۱۲۰ بار).
۲. گاز کولر: به جای کندانسور استفاده می‌شود و گرمای مازاد را به محیط دفع می‌کند.
۳. شیر انبساط: کاهش فشار و دمای CO₂ قبل از ورود به اواپراتور.
۴. اواپراتور: جذب گرما از محیط موردنظر و تبدیل CO₂ به بخار.
۵. کنترل‌کننده فشار بالا: برای بهینه‌سازی فشار خروجی از گاز کولر و افزایش کارایی.
مزایا و معایب سیستم ترانس‌کریتیکال CO₂
✅ مزایا:
سازگاری زیست‌محیطی: CO₂ دارای GWP=1 است که بسیار پایین‌تر از مبردهای HFC است.
عملکرد بهینه در دماهای پایین: راندمان خوبی در دمای محیطی سرد دارد.
اندازه و حجم کوچک‌تر: تجهیزات جمع‌وجورتر نسبت به سیستم‌های مبتنی بر آمونیاک یا HFC.
امنیت بالا: غیر سمی و غیرقابل اشتعال.
❌ معایب:
فشارهای بالا (بالای ۱۰۰ بار): نیاز به تجهیزات مقاوم و گران‌تر.
کاهش راندمان در دمای محیطی بالا: در مناطق گرمسیری سیستم‌های ساب‌کریتیکال یا هیبریدی بهتر عمل می‌کنند.
پیچیدگی کنترلی: به سیستم‌های کنترلی پیشرفته نیاز دارد تا فشار گاز کولر را تنظیم کند.
کاربردهای سیستم‌های ترانس‌کریتیکال CO₂
سوپرمارکت‌ها و فروشگاه‌های زنجیره‌ای (یخچال‌های صنعتی)
سیستم‌های تبرید در سردخانه‌ها و انبارهای مواد غذایی
تهویه مطبوع و پمپ‌های حرارتی با دمای پایین
صنایع دارویی و فرآوری مواد غذایی