مفاهيم التصميم وتحليل تركيبة رذاذ البولي يوريثين 245fa لمرافق التخزين البارد

ومع التنفيذ المستمر لبروتوكول مونتريال، يجري التخلص التدريجي من مركب الكربون الهيدروكلوري فلوري-141ب. ومن بين البدائل العديدة، برز مركب HFC-245fa (خماسي فلورو البروبان) باعتباره 'الخيار المفضل' في قطاع تطبيقات رش التخزين البارد، وذلك بفضل قدرته على استنفاد الأوزون (قدرة استنفاد الأوزون) الصفرية، والتوصيل الحراري الممتاز والتكنولوجيا الناضجة نسبيًا والحاصلة على براءة اختراع.

ومع ذلك، أفاد العديد من المهندسين أنه عند استخدامه في تطبيقات الرش، يميل 245fa إلى أن يصبح 'هشًا' وعرضة 'للتقرحات' ومكلفًا.

اليوم، وبالاعتماد على خبرتي في تطوير الرغوة الصلبة على مر السنين والتعامل مع الموضوع من منظور التصميم الجزيئي، سأقدم تحليلًا متعمقًا للمبادئ الأساسية وراء تركيبات رش 245fa للمخازن الباردة، وسأشارك نظامًا عمليًا مثبتًا.

أولا لماذا 245fa؟ — ليس فقط لأسباب بيئية، ولكن بسبب متطلبات الأداء الأساسية

في بيئات مخازن التبريد (خاصة مخازن التبريد ذات درجات الحرارة المنخفضة، والتي تتراوح من -18 درجة مئوية إلى -35 درجة مئوية)، ما هي أكبر المخاوف المتعلقة بالطبقة العازلة؟ أولا، ارتفاع الموصلية الحرارية (بسبب تكوين الجليد)، وثانيا، انكماش الأبعاد (مما يؤدي إلى التشقق).

بالمقارنة مع أنظمة رغوة الماء بالكامل (حيث يتمتع ثاني أكسيد الكربون بموصلية حرارية عالية تبلغ حوالي 0.016 واط/م·ك)، فإن التوصيل الحراري لمرحلة البخار لـ HFC-245fa يبلغ حوالي 0.012 واط/م·ك فقط. وهذا يعني أنه بنفس الكثافة، تم تحسين أداء العزل الحراري الأولي لنظام 245fa بنسبة 15-20 بالمائة تقريبًا.

علاوة على ذلك، على الرغم من أن عامل النفخ من الجيل الرابع LBA (1233zd) يتمتع بقدرة أقل على إحداث الاحترار العالمي، في ظل هيكل التكلفة الحالي، يظل 245fa هو الحل الأمثل الذي يوازن بين 'الفعالية العالية من حيث التكلفة' و'التسامح العالي للتطبيقات'. وهو غير قابل للاشتعال (مقارنة بالبنتان) وله قابلية الذوبان المناسبة للبولي إيثر والبوليستر، دون التسبب في تدفق غير منضبط بسبب التفاعلات العنيفة كما يحدث في الماء.

ثانيا. المنطق الأساسي وراء تصميم تركيبات رذاذ 245fa (التحليل)

يقوم العديد من المبتدئين ببساطة بتطبيق تركيبات 141b مباشرة على 245fa، مما يؤدي إلى مسحوق الرغوة (ضعف القوة) أو الانكماش. هذا غير صحيح.

درجة غليان 245fa (15.3 درجة مئوية) أعلى من درجة غليان 141b (32 درجة مئوية)، ولها وزن جزيئي أعلى. وهذا يعني أنه بين طبقات الرش، يتطلب الأمر المزيد من الطاقة للتبخر والاستحلاب. وبالتالي، يجب أن يلتزم تصميم صياغتنا بالمبدأ ثلاثي المحاور المتمثل في 'العمود الفقري عالي الأداء + التوازن الحفاز + مطابقة الذوبان'.

1. نظام البوليول: بناء العمود الفقري الصلب

تتطلب رغوة التخزين البارد قوة ضغط ممتازة واستقرارًا للأبعاد.

· ذو أساس من البولي إيثر: يوصى باستخدام بولي إيثرات البدء عالية الأداء (4.5-6.0) سكروز/سوربيتول (مثل النوعين 403 و8238). وينبغي التحكم في النسبة بنسبة 60-70 في المائة. وهذا يشكل العمود الفقري الذي يضمن عدم انكماش الرغوة عند درجات الحرارة المنخفضة.

· البوليستر كمكمل: أدخل 20-30 في المائة من بوليولات البوليستر العطرية XF-3152. يمكن للبوليستر أن يحسن بشكل كبير الصلابة الأساسية وخصائص مثبطات اللهب للرغوة (وهذا أيضًا مفتاح لتحقيق تصنيفات فئة B1/B2 مع نظام المياه 245fa +).

· عيوب التوافق: بينما يُظهر 245FA توافقًا معقولاً مع البولي إيثرات القياسية، فإنه يكون عرضة للانفصال عند مزجه مع البوليستر عالي اللزوجة. من الضروري استخدام استر بولي إيثر متوافق للغاية أو زيادة شدة التحريض؛ خلاف ذلك، وهذا يمكن أن يؤدي بسهولة إلى خلايا الرغوة الخشنة أو حتى انهيار الخلايا.

2. تصميم متدرج لعامل النفخ: 'النسبة الذهبية' لـ '245FA + الماء'

على الرغم من أن 245fa ينتج رغوة ذات خلايا دقيقة عند استخدامه بمفرده، إلا أنه مكلف للغاية ويميل إلى زيادة الكثافة. معيار الصناعة الحالي هو نظام الرغوة المختلط '245fa + الماء'.

· النسب الموصى بها: في التركيبة القياسية، التي تعتمد على 100 جزء من البوليول، يوصى بإضافة 10-18 جزءًا من 245fa و1.5-3.0 أجزاء من الماء.

· الآلية: 245fa مسؤول عن تكوين بنية خلية دقيقة وكثيفة ذات محتوى عالي من الخلايا المغلقة (توصيل حراري منخفض)؛ يعمل الماء (CO₂) على تقليل الهشاشة وتعزيز كثافة الارتباط المتقاطع. يحافظ الجمع بين الاثنين على خصائص توفير الطاقة (الموصلية الحرارية المنخفضة) مع معالجة مشكلات الهشاشة العالية والميل إلى الانهيار المرتبط عادةً بأنظمة 245fa.

3. المحفزات وزيت السيليكون: التحكم المجهري في خصائص التدفق

هذا هو الجانب الأكثر تحديًا في صياغة 245fa لإتقانه.

· المحفز: نظام 245fa حساس لدرجة الحرارة. يوصى باستخدام محفز الجل المتأخر (مثل مزيج PC-5 وPC-41). وبما أن تغويز 245fa عبارة عن عملية ماصة للحرارة، فإن التفاعل الأولي يجب ألا يحدث بسرعة كبيرة؛ يجب السماح للمادة بالخلط والانتشار جيدًا. بمجرد تراكم الحرارة، يجب أن تتم عملية المعالجة اللاحقة السريعة. إذا استمرت الرغوة بسرعة كبيرة جدًا في المراحل المبكرة، فسيتم 'تجميد' جدران الخلايا، مما يؤدي إلى تمزق الخلايا.

· عامل توحيد خلايا زيت السيليكون: من الضروري التحول إلى زيت السيليكون المصمم خصيصًا لنظام 245fa. غالبًا ما تفتقر زيوت السيليكون ذات الأغراض العامة إلى قدرة الاستحلاب الكافية في نظام 245fa؛ ويجب اختيار المواد الخافضة للتوتر السطحي التي تتمتع بقدرات أقوى على التنوي لضمان عدم تجمع الخلايا في بيئة عامل نفخ منخفض نقطة الغليان.

ثالثا. نصائح عملية لتجنب المخاطر: كيفية حل المشكلات الشائعة عند رش 245FA؟

رابعا. بيانات التحقق من صحة الأداء (مرجع لصياغة نموذجية من الفئة B2)

باستخدام ظروف التخزين البارد النموذجية عند -22 درجة مئوية كمثال، نقدم مجموعة من البيانات المقاسة لنظام مياه 245FA + محسّن (استنادًا إلى 100 جزء من البوليول، وحوالي 12 جزءًا من 245FA، وحوالي 2.3 جزء من الماء):

خامسا الاستنتاج

245fa ليس الهدف النهائي، ولكنه حاليًا هو المسار الأمثل نحو مرافق التخزين البارد عالية الأداء.

يكمن جوهر فلسفة التصميم هذه في 'التوازن': تحقيق التوازن بين الضغوط البيئية واستهلاك طاقة التبريد، وبين صلابة الرغوة وصلابتها، والأهم من ذلك، بين تكاليف التركيب وكفاءة البناء.