হিট (তাপীয়) পাম্প এবং শীতলীকরণ চক্র

তাপগতিয় হিট পাম্প চক্র বা শীতলীকরণ(রেফ্রিজারেশন) চক্র শীততাপ নিয়ন্ত্রণ ব্যবস্থা এবং শীতলীকরণ(হিমায়ন) ব্যবস্থার ধারণামূলক এবং গাণিতিক মডেল। হিট পাম্প একটি যান্ত্রিক ব্যবস্থা যা নিম্ন তাপমাত্রার স্থান (উৎস) থেকে উচ্চ তাপমাত্রার স্থানে ("সিঙ্ক" বা তাপ বর্জনকারী বেসিন") তাপ প্রবাহিত করে । সুতরাং হিট পাম্পটিকে "উত্তপ্তকরণ যন্ত্র" হিসাবে বিবেচনা করা যেতে পারে যদি তাপ বর্জনকারী বেসিনটিকে গরম করার উদ্দেশ্যে ব্যবহার করা হয় (যেমন কোনও শীতের দিনে বাড়ির অভ্যন্তরে গরম করা হয়), অথবা "ফ্রিজ" বা "শীতলীকরণ যন্ত্র" হিসেবে বিবেচনা করা যেতে পারে যদি তাপীয় উৎসকে ঠান্ডা(শীতল) করার উদ্দেশ্যে ব্যবহার করা হয় (যেমন একটি ফ্রিজারের সাধারণ ক্রিয়াকলাপ হিসাবে)। উভয় ক্ষেত্রেই, কাজ করার নীতিগুলি নিকটবর্তী। তাপ ঠান্ডা জায়গা থেকে একটি উষ্ণ জায়গায় নিয়ে যাওয়া হয়।
তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় আইন অনুসারে তাপ কখনো স্বতঃস্ফূর্তভাবে ঠান্ডা অবস্থান থেকে উত্তপ্ত অঞ্চলে প্রবাহিত হতে পারে না; এটি অর্জনের জন্য কাজ করার দরকার হয়। একটি শীতাতপ নিয়ন্ত্রণ যন্ত্র দ্বারা একটি স্থানকে শীতল করার জন্য , তাপকে শীতলতম স্থান (তাপের উৎস) থেকে উষ্ণতম স্থানে (উত্তপ্ত বেসিন) প্রবাহ করার প্রয়োজন হয় এবং এর জন্য উক্ত যন্ত্রকে কাজ সম্পাদিত করতে হয়। একইভাবে, একটি রেফ্রিজারেটর তার অভ্যন্তরে শীতল বাক্স (তাপের উৎস) থেকে রান্নাঘরের উষ্ণ কক্ষ-তাপমাত্রা্র বায়ুতে তাপ সঞ্চার করে (উত্তপ্ত বেসিন)। আদর্শ তাপ ইঞ্জিনের কর্মকৌশল নীতিটি 1824 সালে সাদি কার্নোট দ্বারা কর্ণোট চক্র ব্যবহার করে গাণিতিকভাবে বর্ণনা করা হয়েছিল। একটি আদর্শ রেফ্রিজারেশন বা হিট পাম্প ব্যবস্থাকে একটি আদর্শ তাপ ইঞ্জিন হিসাবে ভাবা যেতে পারে যা বিপরীত কার্নোট চক্র দ্বারা পরিচালিত হয়।
বাস্তবে আদর্শ তাপ ইঞ্জিন তৈরি করা সম্ভব না, কেননা ঘর্ষণ বা অন্য যেকোন বাধার জন্য কিছুটা তাপ অপচয় হয় যার কারণে প্রকৃত তাপ ইঞ্জিন আদর্শ তাপ ইঞ্জিনে পরিণত হতে পারে না।
তাপীয় পাম্প এবং রেফ্রিজারেশন চক্রগুলি "বাষ্প সংকোচন," "বাষ্প শোষণ", "গ্যাস চক্র" বা "স্টিরলিং চক্রের" ধরনের হিসাবে শ্রেণীবদ্ধ করা যেতে পারে।
বাষ্প-সংকোচক চক্রটি অনেক হিমায়ন ব্যবস্থা, শীতাতপনিয়ন্ত্রক এবং অন্যান্য শীতলীকরণ ব্যবস্থা এবং উত্তপ্তকরণ ব্যবস্থাগুলিতে তাপ পাম্পের দ্বারাও ব্যবহৃত হয়। এতে দুটি তাপ বিনিময়কারক যন্ত্র রয়েছে, একটি হ'ল ঘণীভূতকারক যন্ত্র (কনডেনসার) যা অতিউত্তপ্ত এবং তাপ নির্গমন করে এবং অপরটি বাষ্পীভূতকারক যন্ত্র যা শীতলতর এবং তাপ গ্রহণ করে। যে ব্যবস্থাগুলিতে উত্তপ্তকরণ এবং শীতলীকরণ প্রক্রিয়া পরিচালনা করতে হবে, উক্ত ব্যবস্থাগুলির জন্য এই দুটি তাপ বিনিময়কারক যন্ত্রের ভূমিকা পরিবর্তন করার জন্য একটি বিপরীত্মুখী ভাল্ব ব্যবহার করা হয়।
তাপগতীয় চক্রের শুরুতে শীতলক ,সংকোচনকারী যন্ত্রে নিম্ন চাপ এবং নিম্ন তাপমাত্রা্র বাষ্প হিসেবে প্রবেশ করে যেখানে চাপ বৃদ্ধি করা হয় এবং এটি উচ্চ তাপমাত্রা এবং উচ্চ চাপে অতিউত্তপ্ত গ্যাস হিসেবে নির্গমিত হয়। এই গরম চাপযুক্ত গ্যাসটি তখন ঘনীভূতকরণ যন্ত্র(কনডেনসারের) এরমধ্য দিয়ে যায় যেখানে এটি পারিপার্শ্বিকে তাপ বর্জন করার মাধ্যমে শীতল এবং পুরোপুরি ঘনীভূত হয়। শীতলতর উচ্চ চাপীয় তরল পরবর্তীতে প্রসারণ ভালভ (থ্রোটল ভালভ) এর মধ্য দিয়ে যায় যা হঠাৎ চাপকে হ্রাস করে তাপমাত্রাকে অতিমাত্রায় হ্রাস করে দেয়। তরল এবং বাষ্পের শীতল নিম্নচাপের মিশ্রণটি পরবর্তীতে বাষ্পীভবন যন্ত্রের মধ্য দিয়ে ভ্রমণ করে যেখানে এটি পুরোপুরি বাষ্পীভূত হয়ে যায় কারণ এটি, চক্রটি আবার শুরু করার পূর্বে নিম্নচাপ নিম্ন তাপমাত্রা গ্যাস হিসাবে সংকোচক যন্ত্রে ফিরে আসার আগে পারিপার্শ্ব থেকে তাপ গ্রহণ করে।
গৃহজাত রেফ্রিজারেটরের মতো স্থির সক্রিয় তাপমাত্রা সহ কিছু সহজ নমুনাগুলিতে স্থির গতি সংক্ষেপক এবং স্থির একমুখী সম্প্রসারণ ভালভ ব্যবহার করা যেতে পারে। যে ব্যবস্থাগুলিতে বিভিন্ন অবস্থায় নানা পরিস্থিতিতে অতি উচ্চ কর্মদক্ষতার সঞ্চালনের প্রয়োজন হয় যেমন হিট পাম্পগুলির ক্ষেত্রে বাহ্যিক এবং অভ্যন্তরীন তাপ পারিপার্শ্বিকের অবস্থা অনুযায়ী পরিবর্তিত হয়, সেখানে পরিবর্তনশীল গতিয় বৈদ্যুতিক সংকেতের সংকোচনকারক যন্ত্রে একটি সামঞ্জস্যযোগ্য সম্প্রসারণ ভালভ ব্যবহার করে চক্রের চাপগুলি আরও নির্ভুলভাবে নিয়ন্ত্রণ করা যায়।
উপরের আলোচনাটি আদর্শ বাষ্প-সংক্ষেপণ শীতলীকরণ(রেফ্রিজারেশন) চক্রের উপর ভিত্তি করে তৈরি করা হয়েছে যা বাস্তব প্রভাবগুলি যেমন সিস্টেমে ঘর্ষণের ফলে চাপের হ্রাস, রেফ্রিজারেন্ট বাষ্পের সংকোচনের সময় সামান্য তাপীয় পরিবর্তন বা অ-আদর্শ গ্যাস মতো আচরণ (যদি থাকে) বিবেচনা করে না।
বাস্তবে বাষ্প-সংকোচন চক্রে শীতলক যখন বাষ্পীভূতকরণ যন্ত্র থেকে বের হয় তখন তা শতভাগ সম্পৃক্ত বাষ্প হিসেবে থাকে না। সংকোচন চক্র সংঘটিত হওয়ার সময় তাপ,ঘর্ষণ,এন্ট্রপি বৃদ্ধি ইত্যাদি কারণে প্রক্রিয়াটি রুদ্ধতাপীয় এবং সমএন্ট্রপিক থাকে না। ঘনীভূতকরণ যন্ত্র থেকে যখন শীতলক বের হয় তখন তা সম্পূর্নরূপে সম্পৃক্ত তরলে পরিণত হয় না কিছুটা চাপ হ্রাসের জন্য।
বিংশ শতাব্দীর শুরুর দিকে, জল-অ্যামোনিয়া সিস্টেমগুলি ব্যবহার করে বাষ্প শোষণ চক্রটি জনপ্রিয় এবং ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়েছিল, তবে বাষ্প সংকোচনচক্রের বিকাশের পরে, এটির কার্যকারিতা কম গুণমানের(প্রায় এক বাষ্প সংকোচনের যে পঞ্চম) কারণে এটি এর গুরুত্ব অনেকটাই হারিয়ে ফেলেছিল । আজকাল, বাষ্প শোষণ চক্রটি কেবলমাত্র যেখানে বিদ্যুতের চেয়ে তাপ আরও সহজেই পাওয়া যায়, যেমন শিল্প বর্জ্য তাপ, সৌরতাপ সংগ্রহকারী যন্ত্র দ্বারা সৌর তাপ শক্তি বা বিনোদনমূলক যানবাহনে গ্রিডবহির্ভূত রেফ্রিজারেশন ব্যবহার করা হয়।
বাষ্প-শোষক চক্রটি হিমায়িত বাষ্পের চাপ বাড়ানোর পদ্ধতি ব্যতীত বাষ্প-সংকোচনের চক্রের সমান। শোষণ পদ্ধতিতে, সংক্ষেপক যন্ত্রটি একটি শোষণকারী যন্ত্র এবং একটি জেনারেটর দ্বারা প্রতিস্থাপিত হয়। শোষণকারক(শোষণকারী পদার্থ) রেফ্রিজারেন্টকে একটি উপযুক্ত তরলের (পাতলা দ্রবণ) মধ্যে দ্রবীভূত করে এবং তাই পাতলা দ্রবণটি একটি শক্তিশালী/দৃঢ় দ্রবণ হয়ে যায়। তারপরে, একটি তরল পাম্প শক্তিশালী/দৃঢ় দ্রবণটিকে শোষণকারী যন্ত্র থেকে জেনারেটরে নিয়ে যায় যেখানে তাপ সংযোজনের সাথে তাপমাত্রা এবং চাপ বৃদ্ধি পায়। তারপরে রেফ্রিজারেন্ট বাষ্পটি শক্তিশালী/দৃঢ় দ্রবণ থেকে বের করানো হয়, যা পাতলা দ্রবণে পরিণত হয় এবং তরল পাম্প দ্বারা পুনরায় শোষণকারী যন্ত্রে স্থানান্তরিত হয়। তরল পাম্প এর জন্য কিছু কাজ করা প্রয়োজন, তবে একটি নির্দিষ্ট পরিমাণের শীতলকের জন্য, এটি বাষ্প সংকোচন চক্রের সংক্ষেপক দ্বারা যতটুকু প্রয়োজন তার তুলনায় অনেক কম। তবে, জেনারেটরের জন্য একটি তাপ উৎস প্রয়োজন, যা উত্তপ্তকরণের জন্য শক্তি সংগ্রহ করবে যদি না বর্জ্য তাপ ব্যবহার করা হয়। একটি শোষক-শীতলীকরণ যন্ত্রে, শীতলক এবং শোষণকারকের একটি উপযুক্ত সংমিশ্রণ ব্যবহৃত হয়। সর্বাধিক সাধারণ সংমিশ্রণগুলি হ'ল অ্যামোনিয়া (শীতলক) এবং জল (শোষণকারক), এবং জল (শীতলক) এবং লিথিয়াম ব্রোমাইড (শোষণকারক)।
শোষক-শীতলীকরণ চক্রগুলি জীবাশ্ম শক্তি (যেমন, কয়লা, তেল, প্রাকৃতিক গ্যাস ইত্যাদি) বা নবায়নযোগ্য শক্তি (যেমন, বর্জ্য-তাপ পুনরুদ্ধারকরণ, বায়োমাস, সৌর শক্তি ) দ্বারা চালিত হতে পারে।
বাষ্প-শোষণ চক্রটি বাষ্প-সংকোচন চক্র থেকে বেশি ব্য্যবহুল। এটি বেশি জটিল এবং অধিক স্থান দখল করে। এটির কর্মদক্ষতা কম, এবং বর্জ্য তাপ নির্গমনের জন্য বৃহৎ কুলিং টাওয়ার (উঁচু শীতলীকরণ মিনারবিশেষ) প্রয়োজন পড়ে।
যখন কার্যক্ষম তরল এমন একটি গ্যাস যা সংকুচিত এবং প্রসারিত হয় তবে তার পর্যায় পরিবর্তন করে না, তখন উক্ত শীতলীকরণ চক্রকে "গ্যাস চক্র বলে" । বায়ু বেশিরভাগ ক্ষেত্রে এই কার্যক্ষম তরল হিসেবে ব্যবহার করা হয়। যেহেতু গ্যাস চক্রের উদ্দেশ্যে ঘনীভবন এবং বাষ্পীভবন নয়, বাষ্প সংকোচন চক্রের ঘনীভূতকরণ যন্ত্র এবং বাষ্পীভূতকরণ যন্ত্রের সাথে সম্পর্কিত গ্যাস চক্রের উপাদানগুলি হ'ল উত্তপ্ত এবং শীতল গ্যাস থেকে গ্যাস তাপ বিনিময়কারক যন্ত্র ।
একটি প্রান্তিক তাপমাত্রার জন্য, একটি গ্যাস চক্র বাষ্প সংকোচন চক্রের চেয়ে কম দক্ষ হতে পারে কারণ গ্যাস চক্র বিপরীতমুখী র‍্যাঙ্কিন চক্রের পরিবর্তে বিপরীতমুখী উপর কাজ করে। যেমন, কার্যক্ষম তরল কখনও ধ্রুবক তাপমাত্রায় তাপ গ্রহণ করে না বা প্রত্যাখ্যান করে না। গ্যাস চক্রে, শীতলীকরণ প্রভাবটি গ্যাসের আপেক্ষিক তাপ এবং নিম্ন তাপমাত্রার দিকে গ্যাসের তাপমাত্রা বৃদ্ধির গুনফলের উত্পাদনের সমান। অতএব, সমপরিমাণ শীতলীকরণের জন্য, গ্যাস শীতলীকরণ চক্রচালিত মেশিনগুলিতে একটি বৃহত্তর ভর প্রবাহ হারের প্রয়োজন হয়, যার ফলে তাদের আকার বৃদ্ধি পায়।
তাদের দক্ষতা কম এবং বৃহত্তর আকারের কারণে, "বায়বীয় চক্র চালিত" হিমায়ক যন্ত্রগুলি প্রায়শই স্থলজ শীতলীকরণ ব্যবস্থায় প্রয়োগ করা হয় না। তবে বায়বীয় চক্রচালিত মেশিন খুব প্রচলিত গ্যাস টারবাইন- চালিত জেট বিমানগুলিতে, যেহেতু ইঞ্জিনের সংকোচকারী যন্ত্র থেকে সংকোচিত বায়ু সহজেই পাওয়া যায়। এই জেট বিমানের শীতলকরণ এবং বায়ুচলাচল ব্যবস্থা উড়োজাহাজের কেবিনকে উত্তাপ ও চাপ দেওয়ার উদ্দেশ্যেও কাজ করে।
স্ট্রিলিং চক্রের তাপ ইঞ্জিনটি, যান্ত্রিক শক্তি দ্বারা বিপরীত দিকে তাপ প্রবাহের(যেমন একটি তপীয় পাম্প বা শীতলীকারক যন্ত্র) মাধ্যমে, বিপরীত দিকেও চালিত করা যেতে পারে। এই জাতীয় যন্ত্রগুলির জন্য বেশ কয়েকটি পরিকল্পনা তৈরি করা যেতে পারে। এই জাতীয় বেশ কয়েকটি স্থাপনার জন্য ঘূর্ণায়মান বা মসৃন বন্ধকারক প্রয়োজন হয়, যা ঘাটতিজনিত লোকসান এবং শীতলক নির্গমনের মাধ্যমে ব্যবসায় ক্ষতির সূচনা করতে পারে।
কার্নোট চক্র একটি বিপরীতমুখী চলার উপযুক্ত চক্র তাই যে চারটি প্রক্রিয়া দ্বারা এটি গঠিত, দুটি সমোষ্ণ এবং দুটি সম-এন্ট্রপিক, সেগুলিও বিপরীতমুখী হতে পারে। যখন একটি কার্নোট চক্র বিপরীতমুখী চলে তখন একে "বিপরীত কর্নোট চক্র বলে" । বিপরীত কার্নোট চক্রের উপর ভিত্তি করে কাজ করে এমন একটি রেফ্রিজারেটর বা হিট পাম্পকে যথাক্রমে কার্নোট ফ্রিজ বা কার্নোট হিট পাম্প বলে। এই চক্রের প্রথম পর্যায়ে, শীতলক কম তাপমাত্রার উৎস থেকে পরিমাণ তাপ সমোষ্ণ প্রক্রিয়ায় শোষণ করে। এরপরে, শীতলকটি সম-এন্ট্রপিকভাবে সঙ্কোচিত হয় এবং এর তাপমাত্রা বেড়ে উচ্চ-তাপমাত্রার উৎস, এরসমপর্যায়ে উপনীত হয় । তারপরে এই উচ্চ তাপমাত্রায়, শীতলক পরিমাণে তাপ বর্জন করে দেয়। এছাড়াও এই পর্যায়ে, শীতলক একটি সম্পৃক্ত বাষ্প থেকে ঘনীভূতকরণ যন্ত্রের মাধ্যমে মধ্যে একটি সম্পৃক্ত তরলে পরিবর্তিত হয়। শেষ অবধি, শীতলকটি সম-এন্ট্রপিক প্রক্রিয়ায় প্রসারিত হয় যতক্ষণ না এর তাপমাত্রা নিম্ন-তাপমাত্রার উৎসের, এর সমান না হয় ।
একটি রেফ্রিজারেটর বা হিট পাম্পের দক্ষতা একটি স্থিতিমাপক দ্বারা প্রকাশ করা হয় যাকে কর্মক্ষমতা সহগ (COP) বলে।
সমীকরণটি হ'ল:
যেখানে
একটি রেফ্রিজারেটরের COP নিম্নলিখিত সমীকরণ দ্বারা পাওয়া যায়:
হিট পাম্পের COP (কখনও কখনও সম্প্রসারণ সহগ COA হিসাবে পরিচিত) নীচের সমীকরণ দ্বারা প্রদত্ত, যেখানে :
একটি রেফ্রিজারেটরের এবং একটি হিট পাম্প উভয়ের COP একের বেশি হতে পারে। উল্লিখিত দুটি সমীকরণের সংমিশ্রণের ফলাফল:
এটি ইঙ্গিত করে যে এর মান একের বেশি হবে কারণ একটি ধনাত্মক মান। সবচেয়ে খারাপ পরিস্থিতিতে, হিট পাম্প যতটা শক্তি সংগ্রহ করবে তার সমপরিমাণ সরবরাহ করবে, এটি প্রতিরোধমূলক উত্তপ্তকারী যন্ত্র(হিটার) হিসাবে কাজ করবে। তবে বাস্তবে, যেমন গৃহ উত্তপ্তকরণের মতো কিছু ক্ষেত্রে, এর কিছু অংশ পাইপিং, তাপ অপরিবাহী পদার্থ ইত্যাদির মাধ্যমে বাইরের বায়ুতে হারিয়ে যায়, সুতরাং বাইরের বায়ু তাপমাত্রা খুব কম হলে একের নীচে নেমে যায়। এই কারণে ঘরগুলি গরম করার জন্য ব্যবহৃত পদ্ধতিতে জ্বালানী ব্যবহার করা হয়।
কার্নোট রেফ্রিজারেটর এবং হিট পাম্পগুলির জন্য, COP তাপমাত্রা দ্বারা প্রকাশ করা যেতে পারে: