توسعه پمپ‌های حرارتی مبتنی بر هوش مصنوعی

در سوئیس ۵۰ تا ۶۰ درصد از خانه‌های جدید مجهز به "پمپ‌های حرارتی"(heat pumps) هستند. این سیستم‌ها از انرژی حرارتی محیط اطراف مانند انرژی زمین، هوا، دریاچه یا رودخانه‌ها بهره برده و از انرژی آنها برای تأمین گرمای ساختمان‌ها استفاده می‌کنند.

پمپ حرارتی یا پمپ گرما وسیله‌ای که عمل انتقال انرژی از نقطه مبدا(کم دما) به نقطه مقصد که دارای دمای بیشتر می‌باشد را انجام می‌دهد. عمل انتقال به کمک انرژی حرارتی زیاد نقطه با دمای بالاتر یا انرژی مکانیکی انجام می‌پذیرد. تفاوت بین پمپ حرارتی و دستگاه‌های تهویه مطبوع مرسوم این است که پمپ حرارتی قابلیت انتقال حرارت برای سرمایش و گرمایش را دارد. پمپ حرارتی می‌تواند مانند سیستم‌های چیلر یا سیستم‌های تبخیری تولید سرما کند که این عمل با چرخه سرمایش مانند یخچال مقدور می‌باشد. در مناطق سردسیر استفاده از پمپ حرارتی بیشتر برای گرمایش می‌باشد. پمپ‌های حرارتی زمین گرما(GSHP) دستگاه‌های مرکزی هستند که گرما را از عمق زمین استخراج می‌کنند و از زمین در زمستان به عنوان منبع تأمین گرما و در تابستان برای دفع گرما استفاده می‌کنند.

در حالی که پمپ‌های حرارتی امروز به طور کلی به خوبی عمل می‌کنند و سازگار با محیط زیست هستند اما باز هم نکاتی وجود دارد که می‌تواند سبب بهبود عملکرد آنها شود.

به عنوان مثال، با استفاده از "میکرو توربو کمپرسورها"(microturbocompressors) به جای سیستم‌های فشرده سازی معمولی، مهندسین می‌توانند نیازهای برق پمپ‌ها را تا حدود ۲۰ الی ۲۵ درصد کاهش دهند.

این به این دلیل است که توربو کمپرسورها کارآمدتر و ۱۰ برابر کوچکتر از دستگاه‌های پیستونی هستند. اما قرار دادن این اجزای کوچک در طرح‌های پمپ‌های حرارتی به دلیل اندازه‌هایشان آسان نیست.

طی این مطالعه یک تیم از پژوهشگران مؤسسه پلی‌تکنیک فدرال لوزان به رهبری "جرج شیفمن"(Jürg Schiffmann) یک روشی را ایجاد کرده‌اند که باعث می‌شود بتوانند توربو کمپرسورها را به اجزای پمپ‌های حرارتی اضافه کنند.

با استفاده از یک فرایند یادگیری ماشین به نام "رگرسیون نمادین"(symbolic regression)، محققان توانستند ابعاد مطلوب یک توربو کمپرسور برای یک پمپ حرارتی را دریابند.

کمپرسور یا متراکم‌کننده(Compressor) یک دستگاه مکانیکی است که با کاهش حجم گازها، فشار آنها را افزایش می‌دهد. در برخی دستگاه‌ها و ماشین‌آلات، کمپرسورها هوا را فشرده کرده و به قسمت احتراق می‌فرستند.

از کمپرسورها برای فشرده‌کردن گازها استفاده می‌شود. در حقیقت کمپرسورها با صرف انرژی مکانیکی، سیال را با سرعت به درون خود مکیده و آن را فشرده می‌کنند. در اثر این عملیات، دمای گازی که فشرده می‌شود نیز افزایش می‌یابد. معمولاً گاز پرفشار خروجی از کمپرسورها را از یک سیستم خنک‌کننده عبور می‌دهند تا دمای گاز کاهش یابد.

روش محققان به طور چشمگیری اولین گام در طراحی "توربوشارژرها"(turbochargers) را ساده کرده است. این گام که شامل محاسبه اندازه ایده آل و سرعت چرخش مورد نیاز پمپ‌های حرارت مورد نظر است، بسیار مهم است زیرا برآورد اولیه خوب می‌تواند زمان طراحی کلی را بطور قابل توجهی کوتاه کند.

محققان این مطالعه، نتایج ۵۰۰ هزار شبیه‌سازی را در الگوریتم‌های یادگیری ماشین وارد کردند و سپس دریافتند این توربو کمپرسورها بسیار مناسب و ۱۵۰۰ برابر سریع‌تر هستند.

مزایای میکرو توربو کمپرسورها چه هستند؟

پمپ‌های حرارتی معمولی از پیستون برای فشرده سازی مایع که "ماده سرد کننده"(refrigerant) نام دارد، استفاده می‌کنند. اگر روغن پیستون‌ها کافی نباشد، آنها به درستی عمل نمی‌کنند، اما روغن می‌تواند به دیواره‌های مبدل حرارتی بچسبد و روند انتقال حرارت را ضعیف کند.

ماده سردکننده یا ماده سردساز یا مبرد (refrigerant) به ماده‌ای خالص یا مخلوطی از مواد اطلاق می‌شود که به‌ طور متداول در حالت سیال قرار دارند و در چرخه‌های تبریدی و پمپ‌های حرارتی استفاده می‌شوند. در اغلب چرخه‌های تبریدی، مبرد چرخه‌های تغییر فاز از مایع به گاز و برعکس را به‌طور پی‌درپی طی می‌کند. از سیالات سرویسی که در چنین فرآیندهایی شرکت می‌کنند می‌توان به فلوئوروکربن‌ها و کلروفلوئوروکربن‌ها اشاره کرد که از آغاز قرن بیستم بسیار پرکاربرد شدند.

از دیگر مبردهای متداول مورد استفاده در صنعت می‌توان به آمونیاک، گوگرد دی‌اکسید و هیدروکربن‌های عاری از هالوژن‌ها مثل پروپان اشاره کرد. یک مبرد ایده‌آل می‌بایست خواص مطلوب ترمودینامیکی و خواص فرآیندی مانند عدم خورندگی تجهیزات مکانیکی، سازگاری با محیط، سمی نبودن و اشتعال‌ناپذیری را برآورده کند. همچنین این سیالات نباید آثار تخریبی بر لایه اوزون و تغییرات اقلیمی داشته باشد. با توجه به معیارهای متعدد و متفاوتی که ذکر شد، سیالات گوناگونی با دربرداشتن تعدادی از این شرایط در صنعت متداول شده‌اند و انتخاب سیال مناسب بستگی به نوع فرایند و کارکرد آن دارد و مسائل اقتصادی و بهینه‌سازی باید در انتخاب سیال مناسب مدنظر قرار گیرند.

از جمله خواص ترمودینامیکی مطلوب می‌تواند به داشتن نقطه جوش پایین‌تر از دماهای موجود در فرایند، گرمای تبخیر بالا، چگالی مناسب در شرایط مایع، چگالی نسبتاً بالا در حالت گازی و دمای بحرانی بالا اشاره کرد. از آن جا که نقطه جوش و چگالی گاز خود تابع فشار سیال در جای‌جای فرایند هستند، انتخاب بهینه و مناسب مبردها می‌بایست براساس کاربرد آنها در فشارهای عملیاتی فرایند صورت پذیرد.

دمای بحرانی برای هر ماده دمایی است که در بالاتر از آن دما نمی‌توان آن را با افزایش فشار یا کاهش حجم تغییر فاز ایجاد کرد.

با این حال، میکرو توربو کمپرسورها که دارای قطر فقط چند میلی‌متر می‌باشند بدون روغن نیز می‌توانند کار کنند. آنها با سرعت صدها هزار دور در دقیقه بر روی یاتاقان‌های گاز می‌چرخند. حرکات دوار و وجود لایه‌های گاز بین اجزای به این معنا است که تقریباً هیچ اصطکاک وجود ندارد. در نتیجه، این سیستم‌های مینیاتوری می‌توانند ضریب انتقال حرارت پمپ‌های حرارتی را ۲۰ تا ۳۰ درصد افزایش دهند.

این تحقیق پس از ارائه در "نمایشگاه توربو ۲۰۱۹ " (۲۰۱۹ Turbo Expo) که توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا برگزار شد، به عنوان بهترین مقاله انتخاب شد.

منبع: ساینس دیلی

24