توسعه پمپ های حرارتی مبتنی بر هوش مصنوعی

به گزارش خرید بک لینک پژوهشگران ˮمؤسسه پلی تکنیک فدرال لوزانˮ(Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) سوئیس در مطالعه اخیرشان با استفاده از هوش مصنوعی روشی برای طراحی نسل جدید کمپرسورهای پمپ های حرارتی توسعه داده اند. روش ابداعی پژوهشگران می تواند میزان برق مورد نیاز برای پمپ ها را حدود ۲۵ درصد کم کند.
به گزارش خرید بک لینک به نقل از ایسنا و به نقل از ساینس دیلی، در سوئیس ۵۰ تا ۶۰ درصد از خانه های جدید مجهز به “پمپ های حرارتی”(heat pumps) هستند. این سیستم ها از انرژی حرارتی محیط اطراف مانند انرژی زمین، هوا، دریاچه یا رودخانه ها بهره برده و از انرژی آنها برای تأمین گرمای ساختمان ها استفاده می نمایند.
پمپ حرارتی یا پمپ گرما وسیله ای که عمل انتقال انرژی از نقطه مبدا(کم دما) به نقطه مقصد که دارای دمای بیشتر می باشد را انجام می دهد. عمل انتقال به کمک انرژی حرارتی زیاد نقطه با دمای بالاتر یا انرژی مکانیکی انجام می پذیرد. تفاوت بین پمپ حرارتی و دستگاه های تهویه مطبوع مرسوم این است که پمپ حرارتی قابلیت انتقال حرارت برای سرمایش و گرمایش را دارد. پمپ حرارتی می تواند مانند سیستم های چیلر یا سیستم های تبخیری تولید سرما کند که این عمل با چرخه سرمایش مانند یخچال مقدور می باشد. در مناطق سردسیر استفاده از پمپ حرارتی بیشتر برای گرمایش می باشد. پمپ های حرارتی زمین گرما(GSHP) دستگاه های مرکزی هستند که گرما را از عمق زمین استخراج می کنند و از زمین در زمستان بعنوان منبع تأمین گرما و در تابستان برای دفع گرما استفاده می نمایند.
در حالیکه پمپ های حرارتی امروز به صورت کلی به خوبی عمل می کنند و سازگار با محیط زیست هستند اما باز هم نکاتی وجود دارد که می تواند سبب بهبود عملکرد آنها شود.
بعنوان مثال، با استفاده از “میکرو توربو کمپرسورها”(microturbocompressors) به جای سیستم های فشرده سازی معمولی، مهندسین می توانند نیازهای برق پمپ ها را تا حدود ۲۰ الی ۲۵ درصد کاهش دهند.
این به این علت است که توربو کمپرسورها کارآمدتر و ۱۰ برابر کوچکتر از دستگاه های پیستونی هستند. اما قرار دادن این اجزای کوچک در طرح های پمپ های حرارتی به علت اندازه هایشان آسان نیست.
طی این مطالعه یک تیم از پژوهشگران مؤسسه پلی تکنیک فدرال لوزان به رهبری “جرج شیفمن”(Jürg Schiffmann) یک روشی را بوجود آورده اند که سبب می شود بتوانند توربو کمپرسورها را به اجزای پمپ های حرارتی اضافه کنند.
با استفاده از یک فرآیند یادگیری ماشین به نام “رگرسیون نمادین”(symbolic regression)، محققان توانستند ابعاد مطلوب یک توربو کمپرسور برای یک پمپ حرارتی را دریابند.
کمپرسور یا متراکم کننده(Compressor) یک دستگاه مکانیکی است که با کاهش حجم گازها، فشار آنها را زیاد می کند. در بعضی دستگاه ها و ماشین آلات، کمپرسورها هوا را فشرده کرده و به قسمت احتراق می فرستند.
از کمپرسورها برای فشرده کردن گازها استفاده می شود. در حقیقت کمپرسورها با صرف انرژی مکانیکی، سیال را با سرعت به درون خود مکیده و آنرا فشرده می کنند. در اثر این عملیات، دمای گازی که فشرده می شود هم افزایش می یابد. معمولاً گاز پرفشار خروجی از کمپرسورها را از یک سیستم خنک کننده عبور می دهند تا دمای گاز کاهش پیدا کند.
روش محققان به صورت قابل ملاحظه ای نخستین گام در طراحی “توربوشارژرها”(turbochargers) را ساده کرده است. این گام که شامل محاسبه اندازه ایده آل و سرعت چرخش مورد نیاز پمپ های حرارت مورد نظر است، بسیار مهم می باشد چونکه برآورد اولیه خوب می تواند زمان طراحی کلی را به طور قابل توجهی کوتاه کند.
محققان این مطالعه، نتایج ۵۰۰ هزار شبیه سازی را در الگوریتم های یادگیری ماشین وارد کردند و سپس دریافتند این توربو کمپرسورها بسیار مناسب و ۱۵۰۰ برابر سریع تر هستند.

مزایای میکرو توربو کمپرسورها چه هستند؟
پمپ های حرارتی معمولی از پیستون برای فشرده سازی مایع که “ماده سرد کننده”(refrigerant) نام دارد، استفاده می نمایند. اگر روغن پیستون ها کافی نباشد، آنها به درستی عمل نمی کنند، اما روغن می تواند به دیواره های مبدل حرارتی بچسبد و روند انتقال حرارت را ضعیف کند.
ماده سردکننده یا ماده سردساز یا مبرد(refrigerant) به ماده ای خالص یا مخلوطی از مواد اطلاق می شود که به صورت متداول در حالت سیال قرار دارند و در چرخه های تبریدی و پمپ های حرارتی استفاده می شوند. در اغلب چرخه های تبریدی، مبرد چرخه های تغییر فاز از مایع به گاز و برعکس را به صورت پی درپی طی می کند. از سیالات سرویسی که در چنین فرآیندهایی شرکت می کنند می توان به فلوئوروکربن ها و کلروفلوئوروکربن ها اشاره نمود که از آغاز قرن بیستم بسیار پرکاربرد شدند.
از دیگر مبردهای متداول مورد استفاده در صنعت می توان به آمونیاک، گوگرد دی اکسید و هیدروکربن های عاری از هالوژن ها مثل پروپان اشاره نمود. یک مبرد ایده آل می بایست خواص مطلوب ترمودینامیکی و خواص فرآیندی مانند عدم خورندگی تجهیزات مکانیکی، سازگاری با محیط، سمی نبودن و اشتعال ناپذیری را برآورده کند. همینطور این سیالات نباید آثار تخریبی بر لایه اوزون و تغییرات اقلیمی داشته باشد. با عنایت به معیارهای مختلف و متفاوتی که ذکر شد، سیالات گوناگونی با دربرداشتن برخی از این شرایط در صنعت متداول شده اند و انتخاب سیال مناسب بستگی به نوع فرآیند و کارکرد آن دارد و مسائل اقتصادی و بهینه سازی باید در انتخاب سیال مناسب مدنظر قرار گیرند.
همچون خواص ترمودینامیکی مطلوب می تواند به داشتن نقطه جوش پایین تر از دماهای موجود در فرآیند، گرمای تبخیر بالا، چگالی مناسب در شرایط مایع، چگالی نسبتاً بالا در حالت گازی و دمای بحرانی بالا اشاره نمود. از آن جا که نقطه جوش و چگالی گاز خود تابع فشار سیال در جای جای فرآیند هستند، انتخاب بهینه و مناسب مبردها می بایست برپایه کاربرد آنها در فشارهای عملیاتی فرآیند صورت پذیرد.
دمای بحرانی برای هر ماده دمایی است که در بالاتر از آن دما نمی توان آنرا با افزایش فشار یا کاهش حجم تغییر فاز ایجاد کرد.
با این وجود، میکرو توربو کمپرسورها که دارای قطر فقط چند میلی متر می باشند بدون روغن هم می توانند کار کنند. آنها با سرعت صدها هزار دور در دقیقه بر روی یاتاقان های گاز می چرخند. حرکات دوار و وجود لایه های گاز بین اجزای به این معنا است که تقریباً هیچ اصطکاک وجود ندارد. در نتیجه، این سیستم های مینیاتوری می توانند ضریب انتقال حرارت پمپ های حرارتی را ۲۰ تا ۳۰ درصد بالا برند.
این تحقیق بعد از عرضه در “نمایشگاه توربو ۲۰۱۹ ” (۲۰۱۹ Turbo Expo) که توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکا برگزار شد، بعنوان بهترین مقاله انتخاب گردید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دسته‌ها