An experimental study on the balancing of heat exchanger surface temperature distribution and module output power in a TEG containing multiple thermoelectric modules via integrated PCM
यह प्रयोगात्मक अध्ययन प्रदर्शित करता है कि एक मल्टी-मॉड्यूल थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के कोल्ड-साइड हीट एक्सचेंजर में नैनोफ्लुइड-उन्नत फेज़ चेंज मटेरियल को एकीकृत करना सतह के तापमान वितरण को प्रभावी रूप से समरूप बनाता है, जिससे व्यक्तिगत मॉड्यूल आउटपुट संतुलित होता है और कुल बिजली उत्पादन एवं ईंधन ऊर्जा रिकवरी दरों में वृद्धि होती है, विशेष रूप से उच्च इंजन गति पर ग्रेफाइट नैनोकणों के साथ।
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प्रत्येक कार इंजन समझौतों की एक मशीन है। यह गति पैदा करने के लिए ईंधन जलाता है, लेकिन भौतिकी के नियम यह निर्धारित करते हैं कि उस ऊर्जा का अधिकांश हिस्सा पहियों तक कभी नहीं पहुँच पाता। इसके बजाय, वह गर्मी के रूप में निकल जाती है, जो साइलेंसर से गर्जना करती हुई बाहर निकलती है या इंजन ब्लॉक से विकिरणित होती है। दशकों से, इंजीनियरों ने इस बर्बाद हुई गर्मी को एक अपरिहार्य हानि, दहन पर लगने वाले एक आवश्यक कर के रूप में देखा है। फिर भी, इस खोई हुई ऊर्जा के एक हिस्से को पुनः प्राप्त करने के लिए एक आशाजनक तकनीक मौजूद है: थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर। ये उपकरण ठोस-अवस्था (solid-state) वाली बैटरी की तरह कार्य करते हैं जो गर्मी पर चलती हैं। इनमें विशेष सामग्रियां होती हैं जो बिजली उत्पन्न करती हैं जब एक पक्ष गर्म और दूसरा ठंडा होता है। दोनों पक्षों के बीच तापमान का अंतर जितना अधिक होगा, वे उतनी ही अधिक शक्ति उत्पन्न करेंगे। हालाँकि, चुनौती यह है कि वास्तविक दुनिया के इंजन अव्यवस्थित होते हैं। जैसे ही निकास गैस (exhaust gas) एक प्रणाली से होकर गुजरती है, वह तेजी से ठंडी हो जाती है, जिससे ऐसी स्थिति पैदा होती है जहाँ जनरेटर का अगला हिस्सा झुलसा देने वाला गर्म होता है जबकि पिछला हिस्सा केवल गर्म होता है। यह असमानता उपकरण के भीतर व्यक्तिगत बिजली पैदा करने वाले ब्लॉकों को अलग-अलग स्तरों पर काम करने के लिए मजबूर करती है, ठीक वैसे ही जैसे धावकों की एक टीम जहाँ कुछ दौड़ रहे होते हैं जबकि अन्य केवल जॉगिंग कर रहे होते हैं, जिससे समूह की कुल गति कम हो जाती है।
तुर्की के सुलेमन डेमिरेल विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं ने इस विशिष्ट असमानता की समस्या को हल करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक ऐसा थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर बनाया जिसे प्रोपेन से चलने वाले इंजन के निकास से गर्मी को पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया था। उपकरण एक बड़ा, आयताकार बॉक्स था जिसमें बीस-चार व्यक्तिगत पावर मॉड्यूल परतों में व्यवस्थित थे। इन मॉड्यूल के ठंडे पक्ष को ठंडा रखने के लिए, उन्होंने इंजन कूलेंट से भरे एक मानक कूलिंग सिस्टम का उपयोग किया। हालाँकि, उन्हें एहसास हुआ कि पाइपों के माध्यम से तरल पंप करना उतार-चढ़ाव वाले निकास के कारण होने वाले तापमान के उछाल को सुचारू बनाने के लिए पर्याप्त नहीं था। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने एक 'फेज चेंज मटेरियल' (phase change material) पेश किया, जो मोम जैसा एक पदार्थ है जो पिघलते समय भारी मात्रा में गर्मी सोख लेता है, और एक 'थर्मल स्पंज' के रूप में कार्य करता है। उन्होंने इस सामग्री को कूलिंग पाइपों के आसपास के स्थान में भरा, इस उम्मीद में कि यह अतिरिक्त गर्मी को सोख लेगा और इसे धीरे-धीरे छोड़ेगा, जिससे पूरे उपकरण में एक समान तापमान बना रहेगा।
टीम केवल मोम के उपयोग तक ही सीमित नहीं रही। वे जानते थे कि हालांकि ये सामग्रियां गर्मी संग्रहीत करने में उत्कृष्ट हैं, लेकिन वे अक्सर गर्मी स्थानांतरित करने में कमजोर होती हैं। इसे ठीक करने के लिए, उन्होंने दो अलग-अलग सामग्रियों के सूक्ष्म कणों को मिलाया: एल्युमीनियम ऑक्साइड और ग्रेफाइट। उन्होंने अपने कूलिंग सिस्टम के तीन संस्करण बनाए ताकि तुलना की जा सके: एक शुद्ध मोम से भरा हुआ, एक दस प्रतिशत एल्युमीनियम ऑक्साइड मिश्रित मोम, और तीसरा दस प्रतिशत ग्रेफाइट मिश्रित मोम। इसके बाद उन्होंने अपने इंजन को दो हजार से चार हजार आरपीएम (RPM) की विभिन्न गति से चलाया, और मापा कि प्रत्येक संस्करण ने कितनी बिजली उत्पन्न की और वह शक्ति उन चौबीस मॉड्यूलों के बीच कितनी समान रूप से वितरित थी।
परिणामों ने दिखाया कि केवल मोम ने मदद की, लेकिन कणों के समावेश ने एक महत्वपूर्ण अंतर पैदा किया। विशेष रूप से, ग्रेफाइट का मिश्रण सबसे प्रभावी साबित हुआ। चूंकि ग्रेफाइट, एल्युमीनियम ऑक्साइड की तुलना में गर्मी का संचालन बहुत बेहतर तरीके से करता है, इसलिए इसने मोम को कूलिंग सिस्टम में थर्मल ऊर्जा को अधिक तेज़ी से और समान रूप से फैलाने में सक्षम बनाया। इसका अर्थ यह था कि जनरेटर के पिछले हिस्से के मॉड्यूल, जिन्हें आमतौर पर कम गर्मी मिलती थी, वे अगले हिस्से वाले मॉड्यूलों के बराबर आने में सक्षम हुए। शुद्ध मोम वाले सिस्टम में, उच्च गति पर पहले समूह के मॉड्यूल अंतिम समूह की तुलना में लगभग दोगुना अधिक बिजली पैदा करते थे। ग्रेफाइट मिश्रण के साथ, वह अंतर नाटकीय रूप से कम हो गया, जिससे सभी मॉड्यूलों का प्रदर्शन एक-दूसरे के बहुत करीब आ गया। इस संतुलन ने पूरे सिस्टम को अधिक कुल बिजली उत्पन्न करने में मदद की। उच्चतम इंजन गति पर, ग्रेफाइट-वर्धित सिस्टम ने शुद्ध मोम वाले सिस्टम की तुलना में छह प्रतिशत से अधिक बिजली उत्पन्न की।
केवल अधिक शक्ति उत्पन्न करने के अलावा, बेहतर प्रणाली ने इंजन को अपनी ही बर्बाद हुई ऊर्जा से ऊर्जा प्राप्त करने में थोड़ा अधिक कुशल भी बनाया। ग्रेफाइट मिश्रण ने कूलिंग सिस्टम को निकास से अधिक गर्मी निकालने में मदद की, जिससे उपकरण से निकलने वाली गैस का तापमान कम हो गया और कूलेंट का तापमान बढ़ गया। यह इस बात का संकेत था कि अधिक गर्मी को वातावरण में खोने के बजाय बिजली में परिवर्तित किया जा रहा है। अध्ययन ने पुष्टि की कि मोम और चालक कणों (conductive particles) के स्मार्ट मिश्रण का उपयोग करके, इंजन के निकास की अराजक गर्मी को नियंत्रित करना और उसे बिजली की एक स्थिर, विश्वसनीय धारा में बदलना संभव है। हालांकि बरामद की गई कुल शक्ति इंजन के कुल आउटपुट का एक छोटा सा अंश है, लेकिन यह तरीका बिना किसी जटिल गतिशील पुर्जों या इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रणों को जोड़े, वाहनों और औद्योगिक मशीनों की दक्षता में सुधार करने का एक निष्क्रिय, विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है। शोध सुझाव देता है कि बर्बाद हुई गर्मी से अधिक ऊर्जा प्राप्त करने की कुंजी न केवल गर्मी को पकड़ने में है, बल्कि इस बात के प्रबंधन में भी है कि वह गर्मी सिस्टम के माध्यम से कैसे चलती है।
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