Exergy Studies on Process Components of a Low Temperature Thermal Desalination (LTTD) Plant using Field Experiments

विशाल, धूप से सराबोर महासागरों में, ऊष्मा की गति को एक सरल लेकिन शक्तिशाली सत्य नियंत्रित करता है: गर्म पानी ऊपर उठता है, और ठंडा पानी नीचे बैठता है। यह प्राकृतिक अलगाव एक छिपे हुए ऊर्जा भंडार का निर्माण करता है, एक तापीय प्रवणता (thermal gradient) जो समुद्र की धूप से तपती सतह और बहुत नीचे स्थित बर्फीले गहरे पानी के बीच मौजूद होती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस तापमान के अंतर को केवल प्रकृति की एक जिज्ञासा के रूप में नहीं, बल्कि मानवता की सबसे गंभीर आवश्यकताओं में से एक: मीठे पानी की समस्या को हल करने के लिए एक संभावित इंजन के रूप में देखते आए हैं। इस ऊर्जा का लाभ उठाने के लिए डिज़ाइन की गई तकनीक को 'लो टेम्परेचर थर्मल डिसैलिनेशनेशन' (Low Temperature Thermal Desalination) कहा जाता है। यह गर्म सतही समुद्री जल को लेकर उसे एक ऐसे कक्ष में रखने का काम करती है जहाँ दबाव को इतना कम कर दिया जाता है कि पानी अपने सामान्य क्वथनांक से बहुत कम तापमान पर उबलने लगता है। यह प्रक्रिया, जिसे 'फ्लैश इवैपोरेशन' (flash evaporation) के रूप में जाना जाता है, बिना किसी भट्टी या आग की आवश्यकता के गर्म पानी को वाष्प में बदल देती है। उस वाष्प को फिर सैकड़ों मीटर नीचे से पंप किए गए गहरे, ठंडे समुद्री जल द्वारा ठंडा किया जाता है, जिससे वह वापस तरल मीठे पानी में बदल जाता है। यह एक स्वच्छ, सुरुचिपूर्ण चक्र है जो समुद्र की अपनी ऊष्मा का उपयोग अपने ही पानी को शुद्ध करने के लिए करता है, लेकिन किसी भी मशीन की तरह, यह भी पूर्ण नहीं है। इस प्रक्रिया में कुछ ऊर्जा हमेशा नष्ट हो जाती है, जो उन तरीकों से व्यर्थ होती है जिससे संयंत्र द्वारा उत्पादित मीठे पानी की मात्रा कम हो जाती है।

भारत के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ ओशन टेक्नोलॉजी के एक शोधकर्ता ने यह मापने के लिए प्रयास किया कि ठीक कहाँ और कितनी ऊर्जा नष्ट होती है। वे केवल कंप्यूटर सिमुलेशन या सैद्धांतिक मॉडलों पर निर्भर नहीं रहे; इसके बजाय, वे वास्तविक जीवन में इस प्रक्रिया को देखने के लिए मिनिकॉय में एक चालू डिसैलिनेशन प्लांट (अलवणीकरण संयंत्र) में गए। उनका लक्ष्य एक "एक्सर्जी" (exergy) विश्लेषण करना था, जो ऊर्जा को देखने का एक ऐसा तरीका है जो न केवल यह पूछता है कि कितनी ऊष्मा मौजूद है, बल्कि यह भी कि वह ऊष्मा वास्तव में कितना उपयोगी कार्य कर सकती है। सरल शब्दों में, जबकि ऊर्जा कभी नष्ट नहीं होती, यह कम उपयोगी हो सकती है जब यह फैलती है या अपने परिवेश के साथ मिश्रित होती है। शोधकर्ता इन नुकसानों का मानचित्र बनाने के लिए संयंत्र के दो मुख्य 'हृदय स्पंदनों' के भीतर काम करना चाहते थे: फ्लैश इवपोरेटर (flash evaporator), जहाँ पानी भाप में बदलता है, और सरफेस कंडेंसर (surface condenser), जहाँ वह भाप वापस पानी में बदल जाती है। तापमान, दबाव और प्रवाह दर को वास्तविक संचालन के दौरान सावधानीपूर्वक ट्रैक करके, उनका लक्ष्य उन विशिष्ट स्थानों को खोजना था जहाँ सिस्टम की दक्षता घट रही थी।

शोधकर्ता ने संयंत्र को तब देखा जब वह लगभग 28 डिग्री सेल्सियस पर प्रवेश करने वाले गर्म सतही जल और लगभग 12 डिग्री सेल्सियस पर पहुँचने वाले गहरे शीतलन जल के साथ संचालित हो रहा था। उन्होंने देखा कि कैसे गर्म पानी एक बड़े वैक्यूम चैंबर में प्रवेश करता है, जहाँ दबाव में गिरावट के कारण यह तुरंत वाष्प में बदल जाता है। वह वाष्प ऊपर उठी, नमक पीछे छोड़ दिया, और फिर एक कंडेंसर में पहुँची जहाँ वह ठंडी नलियों से टकराई जिनमें गहरा समुद्री जल बह रहा था। जैसे ही वाष्प ठंडी धातु के संपर्क में आई, वह मीठे पीने योग्य पानी में संघनित हो गई। शोधकर्ता ने इन घटकों में प्रवेश करने वाली और बाहर निकलने वाली ऊर्जा को मापा, और प्रत्येक चरण की दक्षता की गणना की। उन्होंने पाया कि कंडेनसेशन की प्रक्रिया, जहाँ भाप वापस पानी में बदल जाती है, आश्चर्यजनक रूप से कुशल थी, जिसने उपलब्ध उपयोगी ऊर्जा का लगभग 67 प्रतिशत हिस्सा पुनः प्राप्त किया। हालाँकि, फ्लैश इवैपोरेशन की प्रक्रिया कम कुशल थी, जो केवल लगभग 34 प्रतिशत ही प्रबंधित कर सकी। पूरे सिस्टम को शुरू से अंत तक देखने पर, संयंत्र की समग्र दक्षता औसतन 22 प्रतिशत पर स्थिर हुई। इसका अर्थ यह है कि गर्म समुद्री जल द्वारा लाई गई उपयोगी ऊर्जा की प्रत्येक इकाई के लिए, केवल लगभग पाँचवाँ हिस्सा ही मीठा पानी बनाने के कार्य में सफलतापूर्वक परिवर्तित हो सका, जबकि शेष हिस्सा भौतिक दुनिया के अपरिहार्य घर्षण और मिश्रण के कारण नष्ट हो गया।

अध्ययन से पता चला कि पानी का तापमान इस बात में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता था कि कितनी ऊर्जा बर्बाद होती है। जब शोधकर्ता ने फ्लैश इवपोरेटर का अवलोकन किया, तो उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे आने वाले गर्म पानी का तापमान बढ़ा, ऊर्जा की हानि भी बढ़ती गई। यह विरोधाभासी लग सकता है, क्योंकि गर्म पानी आमतौर पर अधिक वाष्पीकरण का संकेत देता है, लेकिन अध्ययन ने दिखाया कि गर्म पानी और वैक्यूम चैंबर के भीतर के तापमान के बीच का बड़ा अंतर अधिक अव्यवस्था, या एंट्रॉपी (entropy) पैदा करता था, जो उपयोगी ऊर्जा को नष्ट कर देता है। इसी तरह, जब इवपोरेटर के भीतर दबाव बहुत तेज़ी से गिरा, तो इससे और अधिक नुकसान हुआ। कंडेंसर में, कहानी थोड़ी अलग थी। शोधकर्ता ने पाया कि यदि गहरे समुद्र से आने वाला शीतलन जल थोड़ा गर्म होता, तो ऊर्जा की हानि वास्तव में कम हो जाती। ऐसा इसलिए था क्योंकि गर्म भाप और ठंडे पानी के बीच तापमान का छोटा अंतर ऊष्मा के अधिक सुचारू और कम अराजक हस्तांतरण का संकेत था। हालाँकि, यदि वे पाइपों के माध्यम से बहुत अधिक शीतलन जल प्रवाहित करते, तो धातु के विरुद्ध चलते पानी का घर्षण नई हानियाँ पैदा करता, जो यह सिद्ध करता है कि पानी के बहने की गति के मामले में एक नाजुक संतुलन बनाना आवश्यक है।

शायद सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्ष यह था कि तापमान में मामूली बदलाव करने मात्र से संयंत्र की समग्र दक्षता में कोई बड़ा बदलाव नहीं आया। सिस्टम में एक प्राकृतिक सीमा प्रतीत होती थी, जो प्रवाह दरों या इनटेक वाटर के विशिष्ट तापमानों में छोटे समायोजन के बावजूद, 22 प्रतिशत के निशान के आसपास बनी रहती है। शोधकर्ता ने निष्कर्ष निकाला कि सुधार के सबसे बड़े अवसर घटकों के भीतर स्वयं तापमान के अंतर को न्यूनतम करने में निहित हैं। इस तकनीक का अधिकतम लाभ उठाने के लिए, संयंत्र को वाष्पीकरण के लिए यथासंभव गर्म सतही जल और संघनन के लिए यथासंभव ठंडे गहरे जल के साथ चलना चाहिए, जबकि आंतरिक तापमान परिवर्तनों को जितना संभव हो उतना सौम्य रखना चाहिए। अध्ययन ने यह दावा नहीं किया कि उसने डिसैलिनेशन की समस्या को हल कर दिया है, बल्कि इसने एक स्पष्ट, मापा हुआ मानचित्र प्रदान किया है कि ऊर्जा कहाँ जाती है। यह सटीक रूप से पहचान करके कि उपयोगी ऊर्जा कहाँ गायब हो जाती है, यह कार्य उन इंजीनियरों के लिए एक व्यावहारिक मार्गदर्शिका प्रदान करता है जो भविष्य में बेहतर, अधिक कुशल संयंत्र बनाना चाहते हैं, ताकि समुद्र की प्राकृतिक ऊष्मा को उन लोगों के लिए मीठे पानी के एक अधिक विश्वसनीय स्रोत में बदला जा सके जिन्हें इसकी आवश्यकता है।