إن الدافع العالمي نحو الاستدامة قد وضع قطاع التبريد الصناعي تحت رقابة غير مسبوقة، إذ إن سوائل النقل الحراري التقليدي - مركبات الكربون الكلورية فلورية، والمركبات الكربونية فلورية ذات الفلورية العالية، والمركبات الكربونية الفلورية ذات القدرة العالية، والمركبات الكربونية فلورية، التي كانت تشكل فترة طويلة، تشكل العمود الفقري للتبريد، وتكييف الهواء، وتبريد العمليات.

الأثر البيئي للمبردات التقليدية

(أ) قبل دراسة البدائل، من الضروري فهم تركة المبردات التقليدية.() وقد تكون مركبات الكربون الكلورية فلورية، التي تم تسويقها لأول مرة في العشرينات، جائزة لاستقرارها وعدم قابليتها للتنقية، وخواص حرارية ممتازة، وبحلول السبعينات، اكتشف العلماء أن هذه المركبات تتحول إلى طبقة الغلاف الجوي، حيث يحرر الإشعاع فوق البنفسجي ذرات الكلور التي تدمر بصورة محفزة الاختلال الأوزون.

فبخلاف الانبعاثات المباشرة، فإن كفاءة الطاقة في نظام التبريد أمر بالغ الأهمية، وقد لا يزال المبرد ذو القدرة العالية على إحداث الاحترار العالمي يتمتع بفائدة مناخية صافية إذا كان ذلك يتيح التشغيل بكفاءة كبيرة، لأن الانبعاثات غير المباشرة من توليد الكهرباء تكون في كثير من الأحيان أكبر من التسرب المباشر للمبردات، وهذا التبادل يخلق حيزاً متنوعاً للتصميم: فلا يجب أن يكون للمبردات البيئية القدرة على إحداث الاحترار العالمي المنخفض فحسب، بل أن تحافظ على معامل الأداء في النظام أو تحسنه.

المعايير الرئيسية للمبردات الودية

ويتطلب تطوير سوائل نقل حراري مستدام موازنة الأداء المتعدد والخصائص البيئية، وتسترشد المعايير التالية بجهود البحث والتسويق الحديثة:

احتمالية الحرب العالمية المنخفضة

ويُعتبر المبردات التي تقل قدرتها على إحداث الاحترار العالمي عن 150 عاماً ذات قدرة منخفضة على إحداث الاحترار العالمي، ويستهدف العديد من المبردات الجيل القادم قيم الاحترار العالمي تحت الـ 10، متوافقة مع الجدول الزمني لتخفيض معدل إنتاج كيغالي، ويقلل الحد من الاحترار العالمي إلى أدنى حد من التأثير المناخي المباشر لتسرب المبردات، الذي يمكن أن يحدث أثناء التصنيع والتشغيل والتخلص من النفايات في نهاية العمر.

صفر من الأوزون

ويجب أن تكون لدى جميع المبردات الصديقة للبيئة درجة حرارة صفرية من حيث استنفاد الأوزون، وهذا هو شرط خط الأساس للامتثال لبروتوكول مونتريال، إذ أن الثلاجات الطبيعية ومعظم البدائل الاصطناعية (HFOs, certain HFC blends) تستوفي هذا المعيار في جوهره.

الاستقرار الحراري وعدم القدرة الكيميائية

ويجب أن يظل المبرد مستقراً على مدى درجات حرارة التشغيل دون أن يتحول إلى منتجات ثانوية مسببة للتآكل أو سامة، كما أن الاستقرار الحراري المرتفع يحول دون تكوين الحطام ويمتد حياة الزيوت والأختام المضغوطة، فعلى سبيل المثال، فإن الأمونيا (R‐717) مستقرة حرارياً ولكنها تتطلب اختياراً مادياً دقيقاً لتجنب تآكل مكونات النحاس.

عدم القدرة على الإقلاع أو الحد من القابلية للاشتعال

فالسلامة هي الجوهر، إذ أن العديد من الثلاجات ذات القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار العالمي قابلة للاشتعال بصورة طفيفة (تصنف على أنها من طراز A2L من قبل الرابطة الأمريكية للمهندسين القانونيين) بمعنى أن لديها حدا أقل من القابلية للاشتعال ودرجة حرارة منخفضة من الاحتراق، وفي حين يمكن استخدام الثلاجات من طراز A2 بأمان مع الضوابط الهندسية السليمة، فإن الخيارات غير القابلة للتقلب تفضل على تطبيقات الرجع وبيئات المكتظة بالسكان.

التحلل البيولوجي والتسمّي المنخفض

وبالنسبة لنظم أو تطبيقات مفتوحة حيث يمكن للإطلاق العرضي أن يتصل بالتربة أو المياه - مثل مضخات الحرارة الأرضية أو أبراج التبريد الصناعية - التحلل البيولوجي - ميزة رئيسية، ويمكن أن تنهار المبردات البيولوجية المستمدة من الزيوت النباتية في البيئة، مما يقلل من مخاطر النظم الإيكولوجية الطويلة الأجل، وبالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن تكون السمية المبردة منخفضة ومزمنة لحماية العمال والجمهور.

التوافق مع الهياكل الأساسية القائمة

ويمكن أن تتكبد إعادة تكييف نظم التبريد القائمة مع المبردات الجديدة تكاليف مرتفعة إذا كانت المواد (الغازات، والأختام، والحلوى، ومواد التشحيم) غير متوافقة، فالمبرد المثالي الذي يسهل فهمه يتطلب إجراء تعديلات طفيفة على النظام، فعلى سبيل المثال، يمثل R —290 (propane) ثلاجة طبيعية ذات خصائص حرارية ممتازة، ولكنها تتطلب مكونات كهربائية مضادة للتفجيرات بسبب قابلية ارتطامها العالية.

قدرة عالية على التبريد

وتُحدِّد قدرة التبريد بالفولطامتر حجم المُضغط والمبادلات الحرارية اللازمة، ويتيح التبريد ذو القدرة العالية نظماً أصغر حجماً وأكثر ترابطاً، مما يقلل من استخدام المواد وشحن المبردات، وهذا البارامتر مهم بصفة خاصة في المركبات والهواتف المحمولة HVAC، حيث تكون القيود المفروضة على الحيز والوزن شديدة.

التطورات الأخيرة في مجال التبريد الموفِّر للأصدقاء

وعلى مدى العقد الماضي، تسارع البحث عن مبردات مستدامة، مما أدى إلى تكاثر العديد من الأسر الواعدة بالسوائل، ومنها الثلاجات الطبيعية والهيدروفلوريفين، والسوائل المحسنة النانو التي تدفع حدود أداء النقل الحر.

Bio-Based coolants from Natural Oils

(أ) تم التحقيق في الزيوت النباتية مثل الصويا والكانولا وزيوت الجوز الهندية كمبردات للديكليات وكمواسير نقل الحرارة في النظم الحرارية الشمسية، وارتفاع نقاطها، والتحلل الأحيائي، وتدني السمية، غير أن سميتها المنخفضة نسبياً مقارنة بالزيوت المعدنية يمكن أن تحد من معدلات نقل الحرارة.

مركبات الهيدروفلوروفلوروكربون (HFOs) ومبردات الترددات ذات القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار العالمي

HFOs, such as R —1234yf and R — — —-1234ze (E), are unsaturated compounds that break down rapidly in the atmosphere, resulting in GFrig higher 1. R —1234yf(GWP = 4) is now widely used in automotive air conditioning, replace R134a (GWP = 1,430).

نانوفلويد: نقل حروف ثقيلة من الجسيمات المتحركة

ومن بين التحديات التي تنطوي عليها هذه المادة، وجود عوامل مؤثرة في المواد التي تُستخدم في المواد ذات التدفق الحر (من 1 إلى 100 نانو متر) في سوائل قاعدية مثل الماء، أو الزئبق في الماء، أو في إنتاج المواد ذات الفلورية المتطورة (من حيث الحجم) أو في إنتاج المواد ذات الفلور (من حيث الحجم) أو من خلال زيادة التركيز على المواد الحرارية (الكيمياء، والتيتانيا)

تطبيقات الصناعات عبر الحدود

ولا تشكل المبردات الملائمة للبيئة حلاً واحداً من حيث الحجم، ولقطاعات مختلفة متطلبات فريدة من حيث درجة الحرارة، والضغط، والسلامة، وتصميم النظم، وترسم الأقسام الفرعية التالية تطبيقات واعدة بالنسبة للتكنولوجيات الحديثة التبريد.

HVAC and Refrigeration

ويعترف قطاع HVAC بأكبر مستهلك للمبردات على الصعيد العالمي. وتنتقل المبردات التجارية ووحدات السطح والتجارب ذات القدرة العالية على إحداث الاحترار العالمي إلى الخلايا ذات القدرة العالية (مثلاً، R-513A، وR-515B) التي توفر حالياً قدرة منخفضة على إحداث الاحترار العالمي مقارنة بمستويات R-134a بينما تحافظ على قدرة وكفاءة مماثلة.

إدارة حراري السيارات

ويمكن أن تتحول نظم تكييف الهواء الآلية إلى حد كبير إلى مركبات R-1234yf، بدءاً بالمركبات في عام 2013 في أوروبا، وبحلول عام 2025، يمكن أن يؤدي التخلص التدريجي من مركبات الكربون الهيدروفلورية التي تستخدمها الولايات المتحدة إلى إصدار أوامر بتبريد أجهزة التبريد ذات القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار العالمي في السيارات الجديدة، كما أن المركبات الكهربائية (EVs) تتطلب إدارة حرارية للحفاظ على درجات الحرارة القصوى المستخدمة في عمليات النقل.

العمليات الصناعية ومراكز البيانات

وتظهر كميات كبيرة من الطاقة المبردة الصناعية من المفاعلات الكيميائية أو توليد الطاقة أو أجهزة التصنيع، متطلبات شديدة على المبردات، حيث أن العديد من سوائل نقل الحرارة الصناعية هي زيوت اصطناعية ثابتة في البيئة، وتُقيَّم البدائل ذات القدرة العالية الحرارة، مثل الزيوت النباتية العالية، لعمليات الحرارة المتوسطة (حتى 300 درجة مئوية) بعد أن تُصبح متجانسة.

تصريف الأراضي

وأطر الامتثال هي المحرك الرئيسي لاعتماد المبردات البيئية - ويقضي بروتوكول مونتريال، من خلال تعديل كيغالي، بتخفيض استهلاك مركبات الكربون الهيدروفلورية بنسبة 80 في المائة بحلول عام 2047 للبلدان المتقدمة، كما أن لائحة الاتحاد الأوروبي المتعلقة بمركبات الكربون الهيدروفلورية المفلورة تحدد جدولاً زمنياً للتخفيض التدريجي، وهو ما يقيِّد استخدام مركبات الكربون الهيدروفلورية ذات القدرة على إحداث الاحترار العالمي بما يزيد على 150 في معظم أنظمة التبريد وتكييف الهواء الجديدة بحلول عام 2027.

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وعلى الرغم من التقدم المحرز، لا تزال هناك عقبات عديدة أمام أن تزيل المبردات الملائمة للبيئة السوائل القديمة بالكامل، فالتكاليف تشكل عاملا رئيسيا: فعمليات الهيدروفلوروكربون غالبا ما تكون أكثر تكلفة لإنتاج مركبات الكربون الهيدروفلورية، وتحتاج المبردات الطبيعية مثل ثاني أكسيد الكربون إلى إعادة تصميم نظام كثيف الكثافة رأسماليا، ويمكن أن تؤدي القدرة على المنافسة مع المواد التشحيم والمواد القائمة إلى فشل غير متوقع أثناء عمليات إعادة التك، وعلى سبيل المثال، فإن بعض عمليات التبريد الحراري غير قابلة للاحتجاز

إن الاستقرار الطويل الأجل للمبردات البيولوجية - المبردة في ظل التقلبات الحرارية المتكررة وفي وجود الرطوبة والأكسجين هو مجال نشط من مجالات البحث، ويمكن أن يمتد مسببات الاختراق وتحسين تجهيز النفط الأساسي إلى عمر الخدمة، ولكن البيانات الميدانية على مدى فترات متعددة السنوات متفرقة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن التعليم والتدريب للفنيين أساسيين في التعامل الآمن مع الثلاجات القابلة للاشتعال ونظم الضغط العالية.

ومن المرجح أن تركز البحوث المقبلة على نظم التبريد الهجينة التي تخلط بين تكنولوجيات متعددة لتحقيق توازن أمثل، فعلى سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الجمع بين الارتفاع الحاد والثدي في كمية صغيرة من مركبات الكربون الهيدروفلورية إلى الحد من القابلية للاشتعال مع الحفاظ على القدرة المنخفضة على إحداث الاحترار العالمي.

خاتمة

إن تطوير المبردات الملائمة للبيئة ليس بديلا بسيطا - بل هو تحول منهجي في تكنولوجيا نقل الحرارة - من الزيوت القائمة على أساس بيولوجي إلى ثلاجات الهيدروفلورو وسوائل نانو - محصنة، بينما يعالج كل ابتكار وجها محددا من التأثير البيئي: استنفاد الأوزون، والاحترار العالمي، والسمية، واستهلاك الموارد، ويظل تقارب الضغط التنظيمي، والطلب على المستهلك على الاستدامة، والتقدم في تطبيقات السلامة على المسارات.