التبريد الفرعي

يشير مصطلح التبريد الفائق (أو التبريد الناقص ) إلى عملية تبريد سائل ما إلى ما دون درجة غليانه الطبيعية . على سبيل المثال، يغلي الماء عند 373  كلفن؛ وعند درجة حرارة الغرفة (293  كلفن) يُطلق على الماء السائل اسم "المبرد الفائق". يُعد التبريد الفائق مرحلة شائعة في دورات التبريد ودورات التوربينات البخارية. وتستخدم بعض محركات الصواريخ وقودًا مبردًا فائقًا.

في أنظمة التبريد، يُعدّ تبريد المُبرّد إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة التشغيل ضروريًا لضمان إتمام المراحل المتبقية من دورة التبريد . تضمن مرحلة التبريد إلى درجة حرارة التشغيل أن يكون المُبرّد سائلًا تمامًا قبل وصوله إلى المرحلة التالية من الدورة، وهي صمام التمدد الحراري ، حيث يُمكن أن يُؤدي وجود الغاز إلى تعطيل العملية. ^{[ 1 ]} غالبًا ما يتم إجراء التبريد إلى درجة حرارة التشغيل في المبادلات الحرارية .

يُعد كل من التبريد الفائق والتسخين الفائق ، وهما عمليتان متشابهتان وعكسيتان، مهمتين لاستقرار نظام التبريد وحسن أدائه. ^{[ 2 ]}

يمكن أن تحدث عملية التبريد الفائق بطرقٍ عديدة؛ لذا، من الممكن التمييز بين المراحل المختلفة التي تجري فيها هذه العملية. عادةً، يُشير التبريد الفائق إلى مقدار انخفاض درجة الحرارة الذي يسهل قياسه، ولكن يمكن أيضًا الحديث عنه من حيث إجمالي الحرارة المُزالة. يُعدّ التبريد الفائق في المكثف أكثر أنواع التبريد الفائق شيوعًا ، وهو يُعرف عادةً بانخفاض درجة الحرارة الكلي الذي يحدث داخل المكثف، مباشرةً بعد تكثف السائل بالكامل، وحتى خروجه من وحدة التكثيف.

يختلف التبريد الفرعي للمكثف عن التبريد الفرعي الكلي عادةً لأن المبرد، بعد المكثف وعبر الأنابيب، قد يميل بشكل طبيعي إلى التبريد أكثر قبل وصوله إلى صمام التمدد، بالإضافة إلى التبريد الفرعي الاصطناعي . ^{[ 3 ]} التبريد الفرعي الكلي هو الانخفاض الكامل في درجة حرارة المبرد من درجة حرارة تكثيفه الفعلية إلى درجة الحرارة التي يصل إليها عند وصوله إلى صمام التمدد: وهذا هو التبريد الفرعي الفعال.

يُطلق مصطلح التبريد الفائق الطبيعي عادةً على انخفاض درجة الحرارة داخل المكثف (تبريد المكثف الفائق)، بالإضافة إلى انخفاض درجة الحرارة عبر الأنابيب فقط، دون أي مبادلات حرارية من أي نوع. في حال عدم وجود تبريد فائق ميكانيكي ( أي مبادل حراري داخلي)، يجب أن يساوي التبريد الفائق الطبيعي إجمالي التبريد الفائق. ^{[ 8 ]} من جهة أخرى، يُعرَّف التبريد الفائق الميكانيكي بأنه انخفاض درجة الحرارة الناتج عن أي عملية اصطناعية مُصممة خصيصًا لإحداث التبريد الفائق. ^{[ 1 ]} يشير هذا المفهوم بشكل أساسي إلى أجهزة مثل المبادلات الحرارية الداخلية، ووحدات التبريد الفائق المستقلة، والمُقتصدات، والمُعززات.

يُعدّ التبريد الفرعي عاملاً أساسياً في تحسين كفاءة أنظمة التبريد، مما أدى إلى إجراء بحوث مكثفة في هذا المجال. تميل الأنظمة التي تعمل بضغوط أعلى إلى أن تكون أكثر كفاءة، كما أن الضواغط المستخدمة في حلقات التبريد الفرعي تكون عموماً أكثر كفاءة من تلك التي تُبرّد سائل التبريد مباشرةً.

يجري تطوير ضواغط لولبية حديثة مزودة بخاصية التوفير ^{[ 9 ]} ، مما يتطلب تقنيات تصنيع متقدمة. تستطيع هذه الضواغط حقن مادة التبريد من مبادل حراري داخلي، بدلاً من المبخر الرئيسي، في المرحلة النهائية من عملية الضغط. في هذا النظام، يتم تبريد سائل التبريد إلى درجة حرارة أقل من درجة حرارة التشغيل عند ضغط عالٍ في المبادل الحراري، وهي عملية تُعرف بالتبريد الميكانيكي. تُعد أنظمة التعزيز نهجًا آخر، حيث يعمل أحد الضواغط عند ضغوط أعلى وكفاءة أكبر، بينما يتعامل ضاغط آخر مع ضغوط أقل. على عكس أنظمة التعزيز، تحقق ضواغط التوفير التبريد إلى درجة حرارة التشغيل باستخدام ضاغط واحد مصمم خصيصًا لهذا الغرض.

تُقدّم أنظمة التبريد الفرعي المتتالي طريقةً أخرى، حيث تستخدم نظام تبريد منفصلًا لتبريد المُبرّد. ورغم فعاليتها، إلا أن هذه الأنظمة مُكلفة ومعقدة، إذ تتطلب ضواغط مُخصصة ومعدات إضافية. ومع ذلك، فهي تحظى باهتمام كبير نظرًا لفوائدها المُحتملة. وقد أقرت وزارة الطاقة الأمريكية بتبريد المُبرّد الفرعي كطريقة موثوقة لتحسين أداء النظام وتوفير الطاقة في تنبيه تكنولوجي اتحادي . ^{[ 10 ]} ومع ذلك، لا يزال فصل وحدة التبريد الفرعي عن النظام الرئيسي يُمثل تحديًا اقتصاديًا، إذ يتطلب أنظمة تحكم مُتطورة ومُكلفة لمراقبة حالة السوائل.

في الآونة الأخيرة، أدخل منتج تم تطويره في تشيلي تقنية التبريد الميكانيكي الفرعي إلى أنظمة التبريد العامة، مما أظهر القدرة على تعزيز سعة النظام. ^{[ 11 ]}

مبدأ التبريد الفرعي بسيط: فالتبريد الإضافي الناتج عنه يزيد مباشرةً من كفاءة المُبرِّد، بينما يُقلِّل التسخين الفائق من كفاءته. تعمل الضواغط المُستخدمة في التبريد الفرعي في ظروف أفضل - عند ضغوط أعلى - مما يجعل عملية التبريد أكثر كفاءة. وهذا يجعل الحرارة المُزالة أثناء التبريد الفرعي أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وأقل تكلفة مقارنةً بالحرارة المُزالة بواسطة النظام الرئيسي.

في نظام التبريد التقليدي ، يتحول المبرد بين حالتي الغاز والسائل. يتضمن ذلك التسخين الفائق والتبريد الفائق، حيث يجب تبريد الغاز ليتكثف إلى سائل، ويجب تسخين السائل ليتبخر عائدًا إلى غاز. يكاد يكون من المستحيل تجنب التبريد الفائق أو التسخين الزائد الطفيف خلال هذه العملية، مما يجعل التسخين الفائق والتبريد الفائق ظاهرتين متأصلتين لا مفر منهما في أنظمة التبريد التقليدية بضغط البخار.

على النقيض من ذلك، تُدخل الأنظمة فوق الحرجة حالةً مختلفةً للمادة المبردة خلال الدورة. تحديدًا، لا تخضع المادة المبردة (عادةً ثاني أكسيد الكربون ) لعملية تكثيف قياسية، بل تمر عبر مُبرِّد غازي في حالة فوق حرجة . في ظل هذه الظروف، لا تنطبق مفاهيم درجة حرارة التكثيف والتبريد الفرعي بشكل كامل.

تُجرى أبحاثٌ مكثفةٌ حول هذا الموضوع، مع التركيز على العمليات متعددة المراحل، والقاذفات ، والموسعات، والعديد من الأجهزة والتحسينات الأخرى. وقد اقترح غوستاف لورنتزن تعديلاتٍ على الدورة، بما في ذلك التبريد الفرعي الداخلي ثنائي المراحل، لهذه الأنظمة. ^{[ 12 ]}