Process engineering experimental determination of heat and mass transfer coefficients in thermoformed PVC evaporative media

तकनीकी सारांश: थर्मोफॉर्मेड पीवीसी (PVC) इवेपोरेटिव मीडिया में ऊष्मा और द्रव्य स्थानांतरण गुणांकों का प्रक्रिया इंजीनियरिंग प्रयोगात्मक निर्धारण

समस्या विवरण
डायरेक्ट इवेपोरेटिव कूलिंग (DEC) अपनी ऊर्जा दक्षता और कार्यशील तरल के रूप में जल के उपयोग के कारण एक व्यापक रूप से स्वीकृत तकनीक है। हालांकि, DEC प्रणालियों के इंजीनियरिंग डिजाइन में मौजूदा साहित्य में पहचाने गए कई महत्वपूर्ण अंतराल मौजूद हैं। एक प्राथमिक मुद्दा यह है कि व्यापक रूप से यह माना जाता है कि इवेपोरेटिव कूलिंग में ऊष्मा और द्रव्य स्थानांतरण दरें समान दरों पर चलती हैं, जो लेविस फैक्टर ($N_{Le}$) के इकाई (unity) होने का संकेत देती हैं। पिछले अध्ययनों ने इस धारणा और प्रयोगात्मक परिणामों के बीच महत्वपूर्ण विसंगतियों को दिखाया है, जहाँ आर्द्रता और प्रवाह स्थितियों के आधार पर लेविस फैक्टर 0.6 से 1.3 के बीच भिन्न होता है। इसके अलावा, विशेष रूप से थर्मोफॉर्मेड पीवीसी मीडिया के लिए ऊष्मा और द्रव्य स्थानांतरण गुणांकों का आकलन करने हेतु विश्वसनीय, सटीक सहसंबंधों (correlations) का अभाव है, और वायु रैखिक वेग (air linear velocity) से इन गुणांकों को संबंधित करने वाले सरल लेकिन सटीक गणितीय समीकरणों की कमी है। यह शोध पत्र इन गुणांकों को प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित करके और एक भरोसेमंद डिजाइन पद्धति विकसित करके इन अंतरालों को पाटने की आवश्यकता को संबोधित करता है।

कार्यप्रणाली
इस अध्ययन में एक प्रयोगात्मक सेटअप का उपयोग किया गया जिसमें चार सक्शन पंखों से युक्त एक डायरेक्ट इवेपोरेटिव कूलर यूनिट और दो परीक्षण खंड (test sections) शामिल थे, जो 40 सेमी मोटे थर्मोफॉर्मेड पीवीसी इवेरेटिव मीडिया ब्लॉकों को समाहित करने में सक्षम थे। तीन प्रकार के फिल्म फिल मीडिया (ओंडा 12, 19, और 27) जिनका विशिष्ट सतह क्षेत्र क्रमशः 248, 152, और 120 $m^2/m^3$ था, का उपयोग किया गया।

प्रायोगिक अभियान में संचालन के एक विस्तृत दायरे को कवर किया गया:

• वायु आयतन प्रवाह दर (Air Volumetric Flow Rates): 4,000 से 16,000 $Nm^3/h$ (जो 0.79–3.16 $kg/m^2\cdot s$ के फ्रंटल एयर वेलोसिटी के अनुरूप है)।
• जल छिड़काव दर (Water Sprinkling Rates): 2.39–9.58 $kg/m^2\cdot s$।
• तापीय स्थितियाँ (Thermal Conditions): 35°C से 43°C तक इनलेट ड्राई-बल्ब तापमान और 17°C से 25.5°C तक वेट-बल्ब तापमान।

मापन के लिए ड्राई- और वेट-बल्ब तापमान के लिए E-टाइप थर्मोकपल, वायु वेग के लिए हॉट-वायर एनेमोमीटर और आर्द्रता के लिए थर्मोहिग्रोमीटर का उपयोग किया गया। डेटा प्रत्येक मिनट में स्वचालित रूप से रिकॉर्ड किया गया। प्रयोगात्मक डेटा का विश्लेषण ऊष्मा और द्रव्य संतुलन समीकरणों के आधार पर गणितीय मॉडलिंग का उपयोग करके किया गया। अध्ययन ने प्रयोगात्मक डेटा को सैद्धांतिक मॉडलों के साथ सह-संबंधित करने के लिए सांख्यिकीय प्रतिगमन (statistical regression) का उपयोग किया, विशेष रूप रूप से नसेलट ($Nu$) और शेरवुड ($Sh$) नंबरों के बीच संबंध की जांच की।

प्रमुख योगदान और परिणाम
शोध ने कई विशिष्ट तकनीकी निष्कर्ष और योगदान दिए:

1. असमान स्थानांतरण दरें: प्रयोगात्मक डेटा ने पुष्टि की कि ऊष्मा और द्रव्य स्थानांतरण दरें समान नहीं हैं ($N_{Le} \neq 1$)। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि दोनों ऊष्मा और द्रव्य स्थानांतरण गुणांक फ्रंटल वायु वेग और पैड मॉड्यूल विशिष्ट सतह क्षेत्र के सीधे आनुपातिक हैं, लेकिन पैड मॉड्यूल की मोटाई के व्युत्क्रमानुपाती (inversely proportional) हैं।
2. नया आयामहीन संख्या ($N_{Sb}$): लेविस फैक्टर के इकाई से विचलन को समझाने के लिए, लेखक ने एक नया थर्मल फ्लूइड डायनेमिक आयामहीन संख्या, शाबान संख्या ($N_{Sb}$) पेश किया, जिसे नसेलट नंबर और शेरवुड नंबर के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है ($N_{Sb} = Nu/Sh$)। यह संख्या संवहनी (convective) ऊष्मा और द्रव्य स्थानांतरण दरों को उनके कंडक्टिव (diffusional) समकक्षों से जोड़ती है।
3. अनुभवजन्य सहसंबंध (Empirical Correlations): अध्ययन ने वायु फ्रंटल वेग ($V_{ma}$) के फलन के रूप में ऊष्मा ($h_{ch}$) और द्रव्य ($k_{cdm}$) स्थानांतरण गुणांकों के लिए सटीक गणितीय व्यंजक प्राप्त किए, जो $Coefficient \propto V_{ma}^{0.8}$ के संबंध का पालन करते हैं।
4. डिजाइन समीकरण: कूलर दक्षता ($\varepsilon$) और ट्रांसफर यूनिट्स की संख्या (NTU) के बीच एक सार्वभौमिक संबंध स्थापित किया गया। शोध पत्र दक्षता की भविष्यवाणी करने के लिए लघुगणकीय (logarithmic) और 6वें क्रम के बहुपद (6th-order polynomial) दोनों समीकरण प्रदान करता है, जो पिछले तरीकों की तुलना में DEC इकाइयों के आकार निर्धारण (sizing) के लिए अधिक विश्वसनीय आधार प्रदान करता है।
5. पैरामीटर संवेदनशीलता:
   • पैड की मोटाई: मोटाई बढ़ाने से दक्षता में सुधार होता है, हालांकि 0.4 मीटर के बाद लाभ अव्यवहारिक हो जाते हैं।
   • वायु वेग: कम फ्रंटल वायु वेग उच्च शीतलन दक्षता और अधिक तापमान गिरावट का परिणाम देते हैं।
   • तापमान: उच्च इनलेट ड्राई- और वेट-बल्ब तापमान आम तौर पर उच्च स्थानांतरण गुणांकों की ओर ले जाते हैं, हालांकि समग्र दक्षता पर प्रभाव वेग के साथ बदलता रहता है।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र डायरेक्ट इवेपोरेटिव कूलरों के डिजाइन के लिए एक "भरोसेमंद इंजीनियरिंग पद्धति" प्रदान करने का दावा करता है। लेविस फैक्टर को इकाई के बराबर मानने के बजाय, प्रस्तावित सहसंबंध और शाबान संख्या ($N_{Sb}$) का परिचय, वायु-जल इंटरफेस पर होने वाली भौतिक प्रक्रियाओं का अधिक सटीक प्रतिनिधित्व प्रदान करता है।

लेखक का तर्क है कि व्युत्पन्न समीकरणों का उपयोग करने से आयतन प्रवाह दर और मीडिया के विशिष्ट सतह क्षेत्र दोनों पर विचार करते हुए DEC इकाइयों के सटीक आकार निर्धारण की अनुमति मिलती है। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि 1075 Rt की क्षमता वाले एक "ग्रीन DEC-फार्म" जैसे बड़े पैमाने के अनुप्रयोगों में इन अनुकूलित डिजाइनों को लागू करने से ऊर्जा की खपत और $CO_2$ उत्सर्जन में काफी कमी आ सकती है (कोयला संयंत्रों से अनुमानित 22,800 मीट्रिक टन और प्राकृतिक गैस संयंत्रों से 9,500 मीट्रिक टन), जिससे ग्लोबल वार्मिंग के शमन में योगदान मिलता है। यह कार्य इस बात पर जोर देता है कि विकसित सहसंबंध प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित हैं और इवेपोरेटिव कूलिंग में प्रक्रिया इंजीनियरिंग के लिए एक ठोस आधार प्रदान करते हैं।