تطبيق مواد تبديد الحرارة الجرافينية في الضواغط

مع تطور تكييف مع تزايد كفاءة أنظمة المضخات الحرارية وتصغير حجمها وتوجهها الذكي، أصبحت مشكلة التحكم الحراري داخل الضاغط أكثر بروزًا. تُثير تحديات توليد الحرارة، مثل سرعة التردد العالية والهياكل المغلقة وكثافة الطاقة العالية، تساؤلات حول موثوقية الضاغط وعمره الافتراضي.

من بين العديد من المواد الجديدة، أصبح الجرافين، بموصليته الحرارية العالية وخصائصه الميكانيكية الممتازة، محورًا جديدًا في تكنولوجيا تبريد الضاغط.

أولا: نقطة ضعف تبديد حرارة الضاغط

كما هو قلب أنظمة تكييف الهواءسوف يولد الضاغط قدرًا كبيرًا من الحرارة من مكوناته، مثل غرفة الضغط، والملف، والمحرك، ووحدة الطاقة.

وخاصة ضاغط مكيفات الهواء العاكسة، حيث أن تعديل سرعته بشكل متكرر وكثافة تياره العالية يجعل توليد الحرارة شفافًا.

إذا كان تبديد الحرارة ضعيفًا، فسيؤدي ذلك إلى:

· شيخوخة عزل المحرك وانخفاض الكفاءة؛

· تدهور زيت التشحيم وتفاقم الاحتكاك والتآكل؛

· ارتفاع درجة حرارة الأسطوانة يؤدي إلى عدم استقرار ضغط العادم؛

· وحدة التحكم الإلكترونية ساخنة جدًا وتالفة.

تعتمد طريقة تبديد الحرارة التقليدية بشكل أساسي على التوصيل الحراري المعدني وهيكل التبريد بالزيت/الهواء ولكنها محدودة بالتوصيل الحراري والحجم، مما يجعل من الصعب تحقيق التوازن بين تبديد الحرارة الفعال والهيكل المدمج.

II. الجرافين: موصلية حرارية ثورية على مستوى النانو

الجرافين، وهو مادة بلورية ثنائية الأبعاد تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون، لديه الخصائص التالية في الفيزياء الحرارية:

· استقرارها الكيميائي ومرونتها الممتازة تسمح لها بالتركيب مع مجموعة متنوعة من مواد الركيزة.

· إنه رقيق للغاية وخفيف الوزن، مما يسمح بنقل الحرارة بكفاءة على مستوى سماكة الميكرون؛

· تصل الموصلية الحرارية إلى ما يصل إلى 5000 واط/م·ك (مقارنة بحوالي 400 واط/م·ك للنحاس)؛

· يمتلك كل من التوصيل الكهربائي والحراري، مما يسهل الإدارة الحرارية في المحركات ووحدات الطاقة.

· في هذه الحالة، أصبح الجرافين مادة مثالية للواجهات الحرارية ومعززات تبديد الحرارة للضواغط.

ثالثًا. التطبيقات الرئيسية للجرافين في الضواغط

1. تبديد الحرارة لملفات المحرك والجزء الثابت

أما بالنسبة ل مكيفات الهواء العاكسةالعامل الرئيسي لانخفاض أداء الضواغط هو تسخين لفائف المحرك. إضافة طبقة من راتنج الجرافين المركب إلى طبقة عزل اللف يمكن أن يُحسّن كفاءة التوصيل الحراري بين الجزء الثابت والغلاف، مما يُخفّض درجة الحرارة بمقدار 5-10 درجات مئوية. هذا لا يُحسّن كفاءة المحرك فحسب (مستوى IE)، بل يُطيل أيضًا عمر العزل.

2. الواجهة الحرارية لوحدة التحكم الإلكترونية (PCB/IGBT)

بدلاً من شحم السيليكون التقليدي أو حشوات أكسيد الألومنيوم، يُستخدم عادةً غشاء الجرافين الموصل للحرارة بين اللوحات الأم ومشتتات الحرارة، مما يتميز بمقاومة حرارية أقل واستقرار حراري أفضل. كما يُخفّض درجة حرارة اللوحات في مكيفات الهواء بشكل ملحوظ.

3. طلاء تعزيز تبديد الحرارة لغلاف الضاغط

يُغطي طلاء الجرافين المُركّب سطح غلاف الضاغط، مُشكّلاً طبقة مُركّبة عالية التوصيل الحراري وتبديد الإشعاع الحراري. عند التشغيل في درجة حرارة محيطة عالية (أكثر من 45 درجة مئوية)، يُسرّع الطلاء إطلاق الحرارة من الغلاف ويمنع ارتفاع درجة حرارة الزيت بشكل مفرط.

4. إضافات مواد التشحيم وتحسين التوصيل الحراري

وقد تمت محاولة إضافة جسيمات نانوية من الجرافين إلى زيت التبريد في بعض الأبحاث، بهدف تحسين التوصيل الحراري ومقاومة التآكل.

أظهرت الأبحاث أن الفيلم الزيتي يتمتع بموصلية حرارية محسنة بنسبة 30% ومعامل احتكاك بنسبة 10%.

رابعًا: التحديات التقنية والإنجازات الهندسية

على الرغم من أن الجرافين لديه آفاق تطبيق واسعة، إلا أن تطبيقه الشامل في الضواغط لا يزال يحتاج إلى الوقت للتغلب على العديد من التحديات:

· قضايا التشتت والترابط بين الواجهات:

يتميز الجرافين بقدرته على التجمع بسهولة، مما يجعل توزيعه بالتساوي أمرًا صعبًا ويستلزم تعديل السطح أو تقنية التركيب.

· التكلفة لكل من المزود والمستهلكين:

تعتبر مواد الجرافين أكثر تكلفة من المواد التقليدية، مما يجعل تحقيق التوازن بين الأداء والتكلفة أمرًا صعبًا.

· استقرار:

من غير المعروف ما إذا كانت طبقة الجرافين ستتفكك أو تتفاعل في بيئات عالية الحرارة والضغط، وفي بيئات مختلطة بالنفط والغاز. ويستغرق الأمر وقتًا لإثبات ذلك.

في المستقبل، لن تعتمد الضواغط على كتل معدنية كبيرة، بل سيتم تحسينها باستخدام مواد خاصة لتحقيق موصلية حرارية دقيقة. وباعتباره جيلًا جديدًا من مواد التحكم الحراري، سيتم دمج الجرافين مع التحكم بالذكاء الاصطناعي وتقنية استشعار درجة الحرارة الذكية لتحقيق معامل أداء أعلى وظروف تشغيل أكثر استقرارًا. وحدات تكييف الهواء.