Thermodynamic Analysis of a Vortex Tube-Assisted Ejector Auto-Cascade Refrigeration System Using R41/R1234yf Mixture

कूलिंग आधुनिक दुनिया की एक मौलिक तकनीक है, फिर भी इसे बनाने वाली मशीनें अक्सर एक सरल, कुछ हद तक अपव्ययी तरीके पर निर्भर करती हैं: एक उच्च-दबाव वाली गैस को ठंडा करने के लिए एक छोटे से छेद से होकर गुजारना। यह प्रक्रिया, जिसे थ्रॉटलिंग (throttling) कहा जाता है, प्रभावी तो है लेकिन अक्षम भी है, क्योंकि यह ऊर्जा की एक महत्वपूर्ण मात्रा को ऊष्मा के रूप में बर्बाद कर देती है। बेहतर प्रशीतीकरण (refrigeration) की खोज में, विशेष रूप से मेडिकल नमूनों को संरक्षित करने या गैसों को द्रवीकृत करने जैसे डीप-फ्रीज अनुप्रयोगों के लिए, इंजीनियर लंबे समय से उस खोई हुई ऊर्जा को पुनः प्राप्त करने के तरीके खोज रहे हैं। एक आशाजनक दृष्टिकोण में विभिन्न तापमानों पर उबलने वाली गैसों के मिश्रण का उपयोग करना शामिल है, जिससे उन्हें स्वाभाविक रूप से अलग होने और एक चक्र में मिलकर काम करने की अनुमति मिलती है। हालांकि, इन उन्नत प्रणालियों में भी सुधार की गुंजाइश है। चुनौती उस शीतलन शक्ति (cooling power) को पकड़ने में है जो आमतौर पर बर्बाद हो जाती है और इसका उपयोग सिस्टम को अधिक बिजली खर्च किए बिना अधिक मेहनत करने में मदद करने के लिए करने में है।

इन्नर मंगोलिया यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी और इर्कुट्स्क नेशनल रिसर्च टेक्निकल यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या से निपटने का एक नया तरीका प्रस्तावित किया है। उन्होंने एक प्रशीतन प्रणाली डिजाइन की जो दो अलग-अलग उपकरणों को जोड़ती है: एक वोर्टेक्स ट्यूब (vortex tube) और एक इजेक्टर (ejector)। वोर्टेक्स ट्यूब एक सरल, ठोस धातु का उपकरण है जिसमें कोई चलते हुए पुर्जे नहीं होते हैं, जो केवल घूमती हुई गति के भौतिकी का उपयोग करके संपीड़ित गैस की एक धारा को दो अलग-अलग धाराओं में विभाजित कर सकता है—एक बहुत गर्म और एक बहुत ठंडी। इजेक्टर एक नोजल जैसा उपकरण है जो गैस की दूसरी धारा को खींचने और उसे संपीड़ित करने के लिए गैस की एक उच्च-गति वाली जेट का उपयोग करता है, जो बिना किसी मोटर के पंप के रूप में कार्य करता है। इन दोनों उपकरणों को एक मानक प्रशीतीकरण चक्र के साथ जोड़कर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम बनाया जो पारंपरिक डिजाइनों की तुलना में अपनी आंतरिक ऊर्जा को अधिक प्रभावी ढंग से पुनर्चक्रित (recycle) करता है।

यह प्रणाली दो पर्यावरण के अनुकूल गैसों, R1234yf और R41 के एक विशिष्ट मिश्रण का उपयोग करती है। इन गैसों को इसलिए मिलाया गया है क्योंकि ठंडा होने पर वे अलग तरह से व्यवहार करती हैं; एक दूसरे की तुलना में अधिक आसानी से तरल में बदल जाती है। इस नई व्यवस्था में, मिश्रित गैस को संपीड़ित किया जाता है और फिर तब तक ठंडा किया जाता है जब तक कि यह तरल और वाष्प में अलग होने न लगे। वाष्प वाला हिस्सा, जो कम तापमान पर उबलने वाली गैस से समृद्ध होता है, उसे वोर्टेक्स ट्यूब में भेजा जाता है। ट्यूब के भीतर, गैस हिंसक रूप से घूमती है और विभाजित होती है। इस विभाजन का ठंडा सिरा बर्बाद नहीं किया जाता है; इसके बजाय, इसे मुख्य कूलिंग चैंबर में प्रवेश करने से पहले उच्च-दबाव वाली गैस को ठंडा करने के लिए एक हीट एक्सचेंजर के माध्यम से वापस भेजा जाता है। यह प्री-कूलिंग चरण गैस को अन्य तरीकों की तुलना में बहुत अधिक ठंडा कर देता है, जिससे सिस्टम अधिक कूलिंग पावर उत्पन्न कर सकता है। इसी तरह, वोर्टेक्स ट्यूब के विभाजन का गर्म सिरा इजेक्टर को भेजा जाता है, जहाँ यह गैस के मुख्य प्रवाह को खींचने और संपीड़ित करने में मदद करता है, जिससे मुख्य कंप्रेसर को किए जाने वाले कार्य को कम किया जा सके।

इस विचार के काम करने के तरीके को समझने के लिए, शोधकर्ताओं ने इस प्रणाली का एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया। उन्होंने इस अध्ययन के लिए प्रयोगशाला में कोई भौतिक मशीन नहीं बनाई; इसके बजाय, उन्होंने R1234yf और R41 मिश्रण के ज्ञात गुणों पर आधारित गणितीय समीकरणों का उपयोग करके गैस के प्रवाह और ऊष्मा के हस्तांतरण का अनुकरण (simulate) किया। उन्होंने विभिन्न स्थितियों के तहत सिस्टम का परीक्षण किया, जिसमें बाहरी हवा का तापमान, पाइपों में गैस का प्रवाह, और मिश्रण में दोनों गैसों का अनुपात बदला गया। लक्ष्य यह देखना था कि ये परिवर्तन सिस्टम की ठंडक पैदा करने की क्षमता और इसकी ऊर्जा दक्षता को कैसे प्रभावित करते हैं।

सिमुलेशन से पता चला कि नया सिस्टम एक मानक प्रशीतीकरण चक्र की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करता है जिसमें इजेक्टर तो है लेकिन वोर्टेक्स ट्यूब नहीं है। जब शोधकर्ताओं ने समान परिस्थितियों में दोनों डिजाइनों की तुलना की, तो नए वोर्टेक्स ट्यूब-सहायता प्राप्त सिस्टम ने 58.37 प्रतिशत अधिक कूलिंग क्षमता प्रदर्शित की। इसने दक्षता के एक माप, यानी कोएफिशिएंट ऑफ परफॉर्मेंस (COP), में भी 49.03 प्रतिशत का सुधार किया। इसका अर्थ है कि यह सिस्टम चीजों को तेजी से जमा सकता है और इसे करने के लिए कम ऊर्जा का उपयोग कर सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि सबसे बड़े लाभ वोर्टेक्स ट्यूब से प्राप्त ठंडी धारा के चतुर उपयोग से मिले। इस ठंडी धारा का उपयोग उच्च-दबाव वाली गैस को प्री-कूल करने के लिए करके, सिस्टम ने विस्तार (expansion) प्रक्रिया के दौरान नष्ट होने वाली ऊर्जा की मात्रा को कम कर दिया।

अध्ययन ने यह भी दिखाया कि सिस्टम का प्रदर्शन इस बात पर बहुत अधिक निर्भर करता है कि गैस के मिश्रण को कैसे प्रबंधित किया जाता है। मिश्रण में कम उबलने वाले तापमान वाली गैस, R41, की मात्रा बढ़ाने से एक निश्चित बिंदु तक कूलिंग क्षमता और दक्षता में सुधार हुआ। शोधकर्ताओं ने यह भी पाया कि कंडेंसर से निकलने वाली गैस का तापमान मायने रखता है; कम कंडेंसर तापमान से बेहतर प्रदर्शन हुआ। इसके विपरीत, कंडेंसर से निकलने वाली गैस की शुष्कता (dryness) को बढ़ाने (जिसका अर्थ है वाष्प का उच्च अनुपात) से वास्तव में सिस्टम के कूलिंग आउटपुट में सुधार हुआ। हालांकि उच्च ड्राईनेस फ्रैक्शन ने अलग किए गए वाष्प में कम उबलने वाली गैस की सांद्रता को थोड़ा कम कर दिया, लेकिन चक्र में बहने वाले वाष्प की कुल मात्रा में काफी वृद्धि हुई। वाष्प के इस बड़े प्रवाह ने बाद की निम्न-तापमान प्रक्रिया के लिए अधिक रेफ्रिजरेंट और वोर्टेक्स ट्यूब के लिए अधिक प्रवाह प्रदान किया, जिससे कम सांद्रता के बावजूद कूलिंग क्षमता, COP और एक्सर्जी दक्षता (exergy efficiency) बढ़ गई।

सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक यह था कि सिस्टम तब सबसे अच्छा काम करता है जब चक्र के विभिन्न हिस्सों को सावधानीपूर्वक संतुलित किया जाता है। वोर्टेक्स ट्यूब ठंडे स्रोत प्रदान करता है जिसे अन्य प्रणालियों में अक्सर अनदेखा कर दिया जाता है, और इजेक्टर बिना अतिरिक्त मोटरों के दबाव को पुनः प्राप्त करने का एक तरीका प्रदान करता है। जब ये दोनों तत्व मिलकर काम करते हैं, तो वे एक ऐसा चक्र बनाते हैं जहाँ अपशिष्ट ऊष्मा और अपशिष्ट शीतलता का लगातार पुन: उपयोग किया जाता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि हालांकि R41 गैस की मात्रा बढ़ाने से प्रदर्शन में मदद मिली, लेकिन इससे सिस्टम के भीतर दबाव भी बढ़ गया, जो एक ऐसा कारक है जिस पर इंजीनियरों को वास्तविक मशीन बनाते समय विचार करने की आवश्यकता होगी।

इस अध्ययन के परिणाम बताते हैं कि एक वोर्टेक्स ट्यूब को इजेक्टर के साथ जोड़ना ऑटो-कैस्केड प्रशीतन प्रणालियों के प्रदर्शन को बढ़ाने का एक व्यवहार्य तरीका है। इन प्रणालियों का उपयोग पहले से ही गैस द्रवीकरण और निम्न-तापमान अनुसंधान जैसे विशेष क्षेत्रों में किया जाता है, जहाँ बहुत कम तापमान तक पहुँचना महत्वपूर्ण है। इन मशीनों की दक्षता में सुधार करके, नया डिजाइन छोटे, अधिक शक्तिशाली कूलिंग यूनिट बना सकता है जो कम बिजली की खपत करते हैं। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि उनके निष्कर्ष सिमुलेशन पर आधारित हैं, जिसका अर्थ है कि अगला कदम यह पुष्टि करने के लिए एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाना है कि क्या वास्तविक दुनिया में भी ये आंकड़े सही रहते हैं। हालांकि, डेटा का स्पष्ट संदेश यह है कि रेफ्रिजरेंट की आंतरिक ऊर्जा को बाहर जाने देने के बजाय उसे पकड़ने और पुनः उपयोग करने से अधिक कुशल कूलिंग तकनीक के लिए एक ठोस मार्ग प्रशस्त होता है।