مسبار حراري جوفي يعمل بمبدأ الأنابيب الحرارية — معدات مختبرات حرارية، ومعدات تعليمية وتدريبية

AFT085 مسبار حراري جوفي يعمل بمبدأ الأنابيب الحرارية — معدات مختبرات حرارية، ومعدات تعليمية وتدريبية
1 الوصف
في مجال توليد الطاقة الحرارية الجوفية الضحلة، تُستخدم الطاقة الحرارية المخزنة تحت سطح الأرض لأغراض التدفئة.
يستعرض هذا الجهاز التجريبي آلية عمل مسبار حراري جوفي يعتمد في تشغيله على مبدأ "الأنابيب الحرارية" (Heat Pipes). وتتيح هذه المنظومة التجريبية الشفافة نظرة متعمقة على الدائرة المغلقة لعملية انتقال الحرارة؛ إذ توفر رؤية واضحة لعمليات التبخر داخل الأنبوب الحراري، والتكثف عند رأس المسبار، وعودة سائل انتقال الحرارة (الارتداد) على الجدار الداخلي للأنبوب الحراري. كما تتيح المنظومة إمكانية إلقاء نظرة فاحصة على الأساليب الأساسية المُطبقة لتحديد الموصلية الحرارية للتربة المحيطة بالمسبار الحراري الجوفي.
ويُشكل الأنبوب الحراري - الذي يخضع سلوكه التشغيلي للفحص - العنصر الجوهري في هذه المنظومة التدريبية. ويحتوي هذا الأنبوب على سائل لنقل الحرارة يتميز بانخفاض درجة غليانه. ويتم محاكاة تدفق الحرارة الواردة من التربة باستخدام غلاف للتحكم في درجة الحرارة مزود بدائرة تسخين خاصة. وتنتقل الحرارة من سائل نقل الحرارة المذكور إلى "سائل تشغيل" موجود داخل رأس المسبار. وتقوم مجموعة من المستشعرات برصد درجة الحرارة ومعدل تدفق سائل التشغيل داخل المبادل الحراري؛ حيث تُستخدم هذه القيم المقاسة لحساب القدرة الحرارية التي تم نقلها. كما يستخدم البرنامج الحاسوبي هذه القيم المقاسة لمحاكاة ميزانية الطاقة الخاصة بمضخة حرارية متصلة بالمنظومة.
ومن إحدى الطرق المُستخدمة لتحديد الموصلية الحرارية للتربة المحيطة ما يُعرف بـ "اختبار الاستجابة الحرارية" (Thermal Response Test)؛ وفيه تقوم مضخة بضخ مياه مُسخنة باستمرار عبر مسبار حراري جوفي أنبوبي على شكل حرف (U) يكون مغموراً داخل وسط رملي.
وخلال هذه العملية، يتم تسجيل قراءات درجة الحرارة عند المدخل والمخرج، بالإضافة إلى معدل التدفق وقدرة التسخين الخاصة بالمسبار الحراري الجوفي. وتُستخدم هذه القيم المقاسة لاحقاً لحساب قيمة الموصلية الحرارية.
وفي تجربة أخرى، يتم تسخين أسطوانة من الرمل باستخدام مصدر حراري أسطواني الشكل. ويتم رصد التوزيع الحراري (منحنى درجات الحرارة) المنتشر شعاعياً داخل عينة الرمل، ومن ثم تُستخدم هذه البيانات لحساب الموصلية الحرارية لتلك العينة. وفي الختام، تتم مقارنة النتائج التي تم التوصل إليها باستخدام كلتا الطريقتين. ويتم نقل القيم المقاسة مباشرة إلى جهاز حاسوب شخصي (PC) عبر منفذ USB، حيث يمكن تحليلها ومعالجتها باستخدام البرنامج الحاسوبي المرفق مع الجهاز.

2 المواصفات
عرض توضيحي لآلية عمل مسبار حراري جوفي (Geothermal probe) يعتمد على مبدأ "الأنابيب الحرارية" (Heat pipe)؛ حيث يتكون الأنبوب الحراري من الزجاج ويحيط به غلاف شفاف للتحكم في درجة الحرارة. يُستخدم الماء كوسيط تشغيل لتبديد الحرارة داخل المبادل الحراري. يتم توفير وسيط التشغيل إما عبر شبكة المختبر أو باستخدام مبرد الماء طراز WL 110.20 لضمان ألا تتجاوز درجة حرارة الماء القصوى 16 درجة مئوية. يتضمن الجهاز محاكاة لميزان الطاقة الخاص بمضخة حرارية باستخدام برمجيات مخصصة. وسيط التبريد المستخدم هو R1233zd، بقيمة إمكانية الاحترار العالمي (GWP) تساوي 1. تتوفر برمجيات مخصصة لجمع البيانات عبر منفذ USB، وتتوافق مع أنظمة التشغيل Windows 8.1 و Windows 10.
3 البيانات الفنية
طول الأنبوب الحراري: حوالي 1000 مم. القطر الخارجي للأنبوب الحراري: حوالي 56 مم. القطر الخارجي لغلاف التحكم في درجة الحرارة: حوالي 80 مم. قدرة السخان في دائرة التسخين: 2 كيلوواط. الحد الأقصى لمعدل تدفق المضخة في دائرة التسخين: 1.9 متر مكعب/ساعة؛ استهلاك الطاقة: 58 واط. مسبار حراري جوفي على شكل حرف U مصنوع من النحاس؛ الطول: حوالي 1000 مم. معدل تدفق المضخة المستخدمة في اختبار الاستجابة الحرارية: 4.8 – 28.2 لتر/ساعة؛ استهلاك الطاقة: 60 واط كحد أقصى. قدرة عنصر التسخين في خزان الماء: 100 واط. قدرة عنصر التسخين في حاوية الرمل: 50 واط. وسيط التبريد: R1233zd، بقيمة GWP تساوي 1.
حجم التعبئة (كمية وسيط التبريد): 2.3 كجم. المكافئ الكربوني (CO2-equivalent): صفر طن. نطاقات القياس: درجة حرارة عنصر التسخين داخل عينة الرمل: 0 – 250 درجة مئوية. معدل التدفق: 0.4 – 6 لتر/دقيقة. متطلبات الطاقة: 230 فولت، 50 هرتز، أحادي الطور؛ أو 230 فولت، 60 هرتز، أحادي الطور؛ أو 120 فولت، 60 هرتز، أحادي الطور. (شهادات UL/CSA متاحة كخيار إضافي).