وتشكل توربينات الغاز مكونات أساسية في صناعات توليد الطاقة والطيران، وتعتمد كفاءتها وموثوقيتها اعتمادا كبيرا على نظم التبريد الفعالة، ومن بين مختلف أساليب التبريد، حظيت نظم التبريد بالغاز المفتوح بالفوائد بسبب البساطة والفوائد المحتملة من حيث التكلفة، وتستكشف هذه المادة إمكانية تنفيذ هذه النظم في التطبيقات الحديثة، وتدرس المبادئ الدينامية الحرارية، والاعتبارات المتعلقة بالتصميم على مستوى العناصر، والمبادلات البيئية الناشئة،

المبادئ الأساسية للتكرير المفتوح العضوية

وفي نظام لتبريد التوربينات في الهواء الطلق، يتم استخراج جزء من الهواء المضغوط من التصريف المضغوط أو منفذ مروحي منفصل، متجهة عبر الممرات الداخلية في نصلات توربينية، وشاحنات، وهديرات، ثم تستنفد مباشرة في مسار الغاز، بخلاف تشكيلات القفل المغلقة التي تعمم مبردا مكرسا عبر محرك حراري، وتستعمل نظم الصمامات واحدة السائل السائلة.

والميزة الأساسية لتبريد الهواء الطلق هي البساطة، والمبرد هو دائماً طازج، ومجاني من الملوثات التي يمكن أن تتراكم في نظام إعادة التشغيل، وفي درجة حرارة تحددها ظروف الخروج من المضغط، غير أن العقوبة كبيرة: فهواء التبريد يمثل هواء يمكن استخدامه في الاحتراق أو في إنتاج عمل في شكل حرارة ثابتة.

وتنظم فعالية التبريد لنظام مفتوح نسبة التبريد إلى درجات حرارة الغاز الساخن، ومعامل نقل الحرارة بين الجدار المبرد والجدار المكون، والمقياس الجغرافي الداخلي لقنوات التبريد، وتتيح نماذج المواسير الحاسوبية العالية الجودة الحديثة للمهندسين تحقيق الحد الأمثل من هذه البارامترات لتحقيق التبريد الموحد مع التقليل إلى أدنى حد من كمية الهواء النازح المطلوبة.

متطلبات التبريد على مستوى العناصر

توربين بلاس وفانيس

فشاحنات المرشدات المتحركة من طراز توربين وأجهزة التدوير المتناوبة معرضة لأعلى درجات حرارة الغاز في المحرك، التي تتجاوز في كثير من الأحيان 1500 درجة مئوية في الآلات الحديثة، وبدون التبريد الفعال، ستفشل هذه المكونات في غضون دقائق، ويستخدم التبريد الهواء الطلق من أجل اللوتس والشاحنات مزيجا من التبريد الداخلي وتبريد الأفلام.

تطور تصميم فتحات التبريد في الأفلام من فتحات متحركة بسيطة إلى شكل فتحات موزعة على شكل مستعمل، مما يحسن التغطية ويقلل من الخسائر المختلطة التي تقوض كفاءة التبريد، فتمكّن تكنولوجيات التصنيع الإضافة الآن من إنتاج قياسات جغرافية داخلية معقدة ذات قنوات تبريد مُشكلة تتبع منحنى النسيج، وتُحدّد درجات حرارة معدنية أكثر، وتُحدّ من مخاطر ارتفاع درجات الحرارة.

Combustor and Exhaust

كما يستفيد جهاز التغليف والتمثيل الانتقالي من التبريد في الهواء الطلق، رغم أن التحميل الحراري أقل حدة من الجزء التربيني، إذ يستخدم المكثف التبريد أو التبريد بالهواء المزود بالأجهزة الضغطية، بينما يُسهم الهواء المضغوط في نزيف العادم، فإن الهواء المبرد قد يُحقن لحماية المكونات الهيكلية من الأشعة الحرارية لنظم الغاز المتدفق.

الأداء والكفاءة

أما التحدي الأكبر في الأداء بالنسبة لنظم التبريد باللوحات المفتوحة فهو عقوبة الإعدام بالضغط، ففي حالة الاضطرابات العادية في الغازات الكبيرة الحجم، قد تستخدم نسبة تصل إلى 15 في المائة من الهواء المضغوط للتبريد في ظروف الحمولة الأساسية مع ارتفاع درجات الحرارة فوق 1400 درجة مئوية.() ويتجاوز هذا النزيف عملية الاحتراق ولا يعمل إلا في المراحل اللاحقة من التربين بعد أن يُنقَف الناتج.

وعلى سبيل المثال، فإن تربين الغاز المميت 100 ميغاواط مع كسر نزيف بنسبة 10 في المائة قد يضحي بحوالي 5 ميغاواط من الطاقة و2-3 نقاط من الكفاءة الحرارية مقارنة بمحرك مبرد تماماً، غير أن المحركات الحقيقية لا يمكن أن تعمل بدون التبريد، وبالتالي فإن المقارنة بين هذه النظم وبين بدائل التبريد المغلقة أو المتطورة.

كما تواجه نظم السحب المفتوحة تحدي حساسية درجة الحرارة المحيطة، ففي الأيام الساخنة، يكون الهواء المضغوط أقل كثافة، مما يقلل من التدفق الجماعي عبر المحرك ويرفع درجة حرارة المبردات الضغطية، وهذا الهواء الدافئ أقل فعالية في إزالة الحرارة من المكونات، مما يتطلب إما ارتفاع كسور النزيف أو تفكك التربين لمنع حدوث أحداث أكثر حرارة، وفي المناطق التي تقل فيها درجات الحرارة الموسمية إلى حد أعلى، يجب أن يكون التأثير الاقتصادي.

مقارنة مع نظم الغلق

كما أن نظم التبريد بالصوت المغلقة، المعروفة أيضاً بنظم التبريد غير المباشر، تعمم مبرداً (بخار مكرر، أو ماء، أو سوائل خارقة الأهمية مثل ثاني أكسيد الكربون) من خلال مكونات التربين ومن ثم من خلال مبادلات حرارية خارجية قبل العودة إلى القسم الساخن، ولا يزال المبرد منفصلاً عن مسار الغاز الرئيسي الذي يزيل الخسائر المختلطة المتأصلة في التبريد المفتوح.

  • Thermal efficiency:] closed-loop systems achieve 1-3 percentage points higher efficiency in combined cycle formations due to lower cooling air bleeding requirements.
  • Capital cost:] Open-loop systems cost 20 -40 percent less to install because they require no external heat exchangers, pumps, or coolant treatment systems.
  • Maintenance complexity:] Open-loop systems have fewer components subject to wear and fewer interfaces that can leak, reducing maintenance burden.
  • نطاق التشغيل: ] يمكن لنظم الغلق أن تحافظ على فعالية التبريد عبر مجموعة أوسع من درجات الحرارة المحيطة وظروف الحمل دون الحاجة إلى الهواء النزيف الإضافي.
  • Environmental impact:] Open-loop systems discharge heated air directly into the exhaust see, contributing to localized thermal pollution and noise; closed-loop systems reject heat through a cooling tower or condenser, which can be mitigated more easily.

وبالنسبة للتطبيقات التي تكون فيها الكفاءة العالية هي الأولوية العليا - مثل نظم الطاقة الكهربائية ذات الدورة المدمجة الكبيرة - المغلقة غالبا ما تبرر تكلفتها الإضافية، وعلى النقيض من ذلك، تظل نباتات الذروة في الدورة البسيطة ومحركات المشتقات الهوائية، حيث تكون تكلفة رأس المال والبدء السريع حرجة، ونظم فتح الباب هي الخيار السائد.

الاعتبارات البيئية والتنظيمية

أما نظم التبريد ذات السحب المفتوح فتنطلق من الهواء المسخ في البيئة، إما من خلال كومة العادم (للطوارب المحتوية على التراب) أو إلى جسم مائي (لنظم الهواء المفتوح ذات الصلة بالشبكة المائية ذات الصلة) وتنظم التلوث الحراري المرتبط بهذه التصريفات في العديد من الولايات القضائية، وفي الولايات المتحدة، تضع وكالة حماية البيئة حدوداً على هياكل تصريف المياه المبردة بموجب المادة 316 (ب) من أنظمة تصريف المياه النقية

والضوضاء المنبعثة من فتحات التبريد الهواءية المفتوحة هي اعتبار بيئي آخر، إذ أن ارتفاع سرعة خروج الهواء من فتحات التبريد وتركيبات النصب يولد ضوضاء جويا واسع النطاق يمكن أن يتجاوز 90 دي بي بالقرب من التراب، كما أن تدابير الحد من الضجيج، مثل الضجيج الصوتي، والصوت، والبدائل الخفية، والتعقيدات المفتوحة بيئيا.

ومع تشديد متطلبات الاستدامة، يخضع استهلاك المياه من معدات توليد الطاقة للتدقيق، ولا يستخدم التبريد الجوي المفتوح الماء، وهو ما يمثل ميزة كبيرة في المناطق القاحلة، مما يجعل نظم التشغيل المفتوحة جذابة لمصانع الطاقة في المناطق المعرضة للجفاف أو التي تكون فيها حقوق المياه محدودة، والمقايضة هي أن نظم التبريد الجاف (بما في ذلك التبريد بالهواء المفتوح) تكون عادة مطبقة على كفاءة تتراوح بين 2 و5 في المائة مقارنة بسياق المياه.

التكلفة الاقتصادية وتكاليف دورة الحياة

ومن منظور اقتصادي، تتوقف جدوى نظم التبريد بالطرق المفتوحة على الشكل المتوقع للعمليات، وتكاليف الوقود، والإجازات اللصيانة، وبالنسبة لمصانع الحمولة الأساسية التي تعمل أكثر من ٠٠٠ ٦ ساعة في السنة، فإن عقوبة الكفاءة في التبريد بالصوت المفتوح تترجم إلى تكاليف كبيرة للوقود على مدى عمر المصنع، وقد يتجاوز الفرق بين نقطتين في الكفاءة الحرارية ل ١٠٠ من الغاز الطبيعي المحترق في فترة السنتين ٠٠٠ ٨٠ دولار.

غير أنه بالنسبة للمصانع التي تعمل في ذروة أقل من ٠٠٠ ٢ ساعة في السنة، فإن ميزة التكلفة الرأسمالية لنظم فتح الأبواب تهيمن على التحليل الاقتصادي، ويحسن الاستثمار الأولي الأدنى عائد رأس المال على رأس المال ويقلل من المخاطر المالية المرتبطة بتقلب أسعار الكهرباء، وبالإضافة إلى ذلك، تقلل درجة تعقيد الصيانة في نظم الصرف المفتوحة - لا مبادلات حرارية مبردة لتنظيفها، ولا تصانها، ولا توجد بدائل مغلقة لتحل محل نفقات التشغيل السنوية المنخفضة بنسبة ٥-١٠ في المائة.

كما أن توافر قطع الغيار ودعم الخدمات يؤثر على الجدوى، إذ أن تصميمات التبريد المفتوحة تكون ناضجة وسليمة جداً من سلسلة الإمداد، ولا تتاح بسهولة لوحات الاستبدال والشاحنات التي تستخدم أنماطاً قياسية من فتحات التبريد من جهات متعددة، مما يجعل عمليات الشراء قصيرة المدة وتنافسية الأسعار، أما بالنسبة لنظم الغلق، فإن المكونات المتخصصة - مثل الفقمات الدوارة، والضخات العالية التبريد، والتأخيرات التراكمية.

تطبيقات في قضية الطيران ضد توليد الطاقة

وفي توربينات الغازات الجوية، فإن التبريد باللوحات المفتوحة هو أمر يكاد يكون عالميا، إذ أن القيود التي تفرضها الطائرات على وزنها وحيزها تجعل نظم الطائرات المغلقة غير عملية، كما أن دورات التشغيل القصيرة تقلل من أهمية المكاسب الناتجة عن زيادة الكفاءة في الأجل الطويل، وتطالب المحركات العسكرية، على وجه الخصوص، بارتفاع معدلات الدفع إلى الوزن المرتفع والاستجابة السريعة للصدمات، التي تؤدي نظم فتحها تدريجيا إلى ارتفاع مستويات عدم القدرة على التكرار في الهواء.

وفي توليد الطاقة، يتوقف الاختيار بين التبريد في الهواء الطلق والنفط المغلقة على الطلب، حيث تستخدم محطات دورة واحدة كبيرة تعمل في خدمة التبريد في قاعات مغلقة من أجل تحقيق أعلى قدر ممكن من الكفاءة، وتجمع بين أجهزة الذروة في دورة بسيطة ومولدات الطوارئ، وتركيبات العجلات الآلية للخطوط الأنابيب والضغطات، عادة ما تستخدم التبريد في الهواء الطلق بسبب انخفاض تكلفة رأس المال، وتسارع وتيرة الاستعادة في المناطق.

ومن الاتجاهات الناشئة استخدام التبريد باللوحات المفتوحة في التوربينات الصغيرة للغاز المزود بالوحدات (1-20 ميغاواط) المصممة من أجل موارد الطاقة الموزعة، وكثيرا ما يتم تركيب هذه الوحدات في المواقع النائية أو الحضرية التي يكون فيها الإمداد بالمياه محدوداً، كما أن موظفي الصيانة قليلون، وتبريد الهواء بالصوت المفتوح يزيل الحاجة إلى مناولة مبردة، ويقلل من التعقيد، ويحسن من قدرة الأجهزة على الاعتماد على الاعتماد على الاعتماد على الغير، مما يتجاوز في كثير من فقدان الكفاءة المتواضع في هذه الآلات الأصغر حجماً.

الابتكارات التكنولوجية والتوجيهات المستقبلية

وهناك تطورات تكنولوجية عديدة تحسن جدوى نظم التبريد المفتوحة، إذ أن التصنيع الإضافة يتيح نسيج نصلات توربينية ذات مجسمات هندسية معقدة من قبيل هياكل التذاكر والقنوات الفرعية التي توفر نقلا حراريا أكثر فعالية مع انخفاض فقدان الضغط، كما أن الإدارة تيسر إنتاج فتحات لتبريد الأفلام ذات الزوايا التوسعية التي تقلل من حجم الطاقة الحركية في خليط التبريد(20).

كما أن المركبات المركبة المكوّنة للكيمياء تمثل انطلاقة أخرى، إذ يمكن للمركبات الكيميائية أن تعمل في درجات حرارة أعلى من المناديل الفوقية التي تستخدم النيكل، مع احتياجها إلى هواء أقل تبريداً، كما أن محرك جي 9X يستخدم أشرطة توربين وأجهزة لحرق المحركات، مما يتيح درجات حرارة أعلى دون زيادة عقوبة النزيف المبرد، حيث أن تكاليف تصنيع مركبات الكربون الكلورية المميتة المفتوحة تتحول اقتصادياً.

كما يجري تطوير نظم التبريد الهجينة التي تدمج المعالم المفتوحة والمغلقة، وفي مفهوم واحد، تبرد شاحنات المرحلة الأولى بدائرة مائية مغلقة (لتقاط أعلى منطقة درجة حرارة دون اختلال الخسائر) بينما تستخدم المثانة التبريد الهواء الطلق (لتفادي تعقيد نظم التناوب للصيانة المباشرة) مما يمكن أن يحقق مستويات من الكفاءة.

خاتمة

وتتوقف جدوى نظم التبريد بالغاز المفتوح على الاحتياجات المحددة لكل قيود على التكاليف الرأسمالية، وموجزات التشغيل، وأسعار الوقود، والظروف المحيطة، والبيئة التنظيمية، والقدرة على الصيانة، وبالنسبة للتطبيقات التي تبسط فيها، وتدني التكلفة الأولية، والبدء السريع، هي من أهم الخيارات العملية مثل محطات تصميم الطاقة التي تبلغ ذروتها ونظم الطائرات المفتوحة.

وبالنسبة لمصانع دورة التحميل المدمجة التي يترجم فيها كل جزء من نقطة مئوية من الكفاءة إلى ملايين الدولارات في مدخرات الوقود على مدى الحياة، فإن نظم الغلق ستظل تهيمن على ذلك، غير أن الفجوة بين النهجين آخذة في الضيق، وقد تجمع تصميمات التوربين في المستقبل بين أفضل الملامح لكلاهما، وفي نهاية المطاف، يتطلب القرار إجراء تقييم تقني شامل يُحسب فيه جميع العوامل المحددة للمواقع.

For further reading on gas turbine cooling technologies and their thermodynamic implications, the following resources provide authoritative guidance: the ASME Gas Turbine cooling Overview, the ]U.S. Department of Energy Gas Turbine Technology Program