सक्रिय शीतलन

सक्रिय शीतलन एक गर्मी कम करने वाला तंत्र है जो सामान्यतः इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों और अंतर्कक्ष भवनों में उचित गर्मी हस्तांतरण और संचलन सुनिश्चित करने के लिए लागू किया जाता है।

इसके समकक्ष निष्क्रिय शीतलन के विपरीत, सक्रिय शीतलन संचालित करने के लिए पूरी तरह से ऊर्जा खपत पर निर्भर है। यह विभिन्न यांत्रिक प्रणालियों का उपयोग करता है जो गर्मी को नष्ट करने के लिए ऊर्जा का उपभोग करते हैं। यह सामान्यतः उन प्रणालियों में लागू किया जाता है जो निष्क्रिय साधनों के माध्यम से अपना तापमान बनाए रखने में असमर्थ हैं। सक्रिय शीतलन प्रणाली सामान्यतः बिजली या तापीय ऊर्जा के उपयोग के माध्यम से संचालित होती है, लेकिन यह संभव है कि कुछ प्रणालियों को सौर ऊर्जा या जलविद्युत ऊर्जा द्वारा संचालित किया जाए। उन्हें अपने आवश्यक कार्यों को करने के लिए अच्छी तरह से बनाए रखने और टिकाऊ होने की आवश्यकता है या वस्तुओं की हानि की संभावना हो सकती है। वाणिज्यिक सक्रिय शीतलन प्रणालियों के विभिन्न अनुप्रयोगों में अंतर्कक्ष वातानुकूलक, कंप्यूटर पंखे और ऊष्मा पंप सम्मिलित हैं।

इमारत उपयोग
कई इमारतों को ठंडा करने में उच्च मांगों की आवश्यकता होती है और दुनिया भर के 50 सबसे बड़े मेट्रोपॉलिटन क्षेत्रों में से 27 गर्म या उष्णकटिबंधीय मौसम वाले क्षेत्रों में स्थित हैं। इसके साथ, पूरे ढांचे में उचित संवातन सुनिश्चित करने के लिए इंजीनियरों को गर्मी संतुलन स्थापित करना होगा।

ऊष्मा संतुलन समीकरण इस प्रकार दिया गया है:

$$p \cdot c_p\cdot V \cdot dT/dt = E_{int} + E_{Conv} + E_{Vent} + E_{AC}$$

जहाँ $$p$$ वायु घनत्व है, $$c_p$$ निरंतर दबाव पर हवा की विशिष्ट ताप क्षमता है, $$dT/dt$$ गर्मी हस्तांतरण की दर है, $$E_{int}$$ आंतरिक गर्मी लाभ है, $$E_{Conv}$$ लिफाफे के माध्यम से गर्मी हस्तांतरण है, $$E_{Vent}$$ अंतर्कक्ष और बाह्य हवा के बीच गर्मी वृद्धि/अभाव है, और $$E_{AC}$$ यांत्रिक गर्मी हस्तांतरण है।

इसके उपयोग से यह पता लगाया जा सकता है कि आधारभूत संरचना के भीतर कितनी शीतलन की आवश्यकता है।

सामान्यतः आवासीय क्षेत्रों में तीन सक्रिय शीतलन प्रणाली का उपयोग किया जाता है:

पंखा
पंखा एक विद्युत मोटर द्वारा स्थिर गति से घुमाए गए तीन से चार पटल होते हैं। पूरे क्रमावर्तन के उपरान्त, वायुप्रवाह का उत्पादन होता है और प्रणोदित संवहन गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया के माध्यम से प्रतिवेश ठंडा हो रहा है। इसकी अपेक्षाकृत कम कीमत के कारण, यह आवासीय क्षेत्र में तीन सक्रिय शीतलन प्रणालियों में से सबसे अधिक बार उपयोग किया जाता है।

हीट पंप
ऊष्मा पम्प एक ठंडे क्षेत्र से गर्म क्षेत्र में गर्मी निकालने के लिए बिजली का उपयोग करता है, जिससे ठंडे क्षेत्र का तापमान कम हो जाता है और गर्म क्षेत्र का तापमान बढ़ जाता है।

ऊष्मा पम्प दो प्रकार के होते हैं:

संपीड़न ताप पंप
दोनों के अधिक लोकप्रिय संस्करण होने के नाते, संपीड़न ताप पंप प्रशीतक चक्र के उपयोग के माध्यम से संचालित होते हैं। तापमान में वृद्धि के उपरान्त हवा में वाष्प प्रशीतक संकुचित हो जाता है, जिससे अतितापित वाष्प बनता है। वाष्प तब एक संधारित्र के माध्यम से जाता है और प्रक्रिया में अधिक गर्मी को दूर करते हुए एक तरल रूप में परिवर्तित हो जाता है। विस्तार अभिद्वार के माध्यम से यात्रा करते हुए, तरल प्रशीतक तरल और वाष्प का मिश्रण बनाता है। जैसे ही यह बाष्पीकरणकर्ता से पारित होता है, वाष्प प्रशीतक बनता है और प्रशीतक चक्र को दोहराते हुए हवा में बाहर निकलता है।

अवशोषण ऊष्मा पम्प
अवशोषण ऊष्मा पम्प की प्रक्रिया संपीड़न संस्करण के समान ही काम करती है, जिसमें मुख्य वैषम्य संपीड़क के स्थान पर अवशोषक का उपयोग होता है। अवशोषक वाष्प प्रशीतक में लेता है और एक तरल रूप बनाता है जो तब तरल पंप में जाता है जिसे अतिताप वाष्प में बदल दिया जाता है। अवशोषण ऊष्मा पम्प संपीड़न ताप पम्पों की तुलना में अपनी कार्यक्षमता के लिए बिजली और गर्मी दोनों का उपयोग करता है जो केवल बिजली का उपयोग करता है।

बाष्पीकरणीय शीतलक
एक बाष्पीकरणीय शीतलक बाहरी हवा को अवशोषित करता है और पानी के वाष्पीकरण के माध्यम से हवा के तापमान को कम करते हुए, पानी-संतृप्त उपघान के माध्यम से पारित होता है।

यह निम्न द्वारा विभाजित किया जा सकता है:

प्रत्यक्ष
यह विधि पानी को वाष्पित कर देती है जो फिर सीधे हवा की धारा में चला जाता है, जिससे नमी का एक छोटा रूप उत्पन्न होता है। आसपास के क्षेत्र के तापमान को ठीक से कम करने के लिए सामान्यतः पानी की खपत की एक अच्छी मात्रा की आवश्यकता होती है।

अप्रत्यक्ष
यह विधि पानी को एक दूसरी वायु धारा में वाष्पित करती है और फिर इसे ताप विनिमयक के माध्यम से डालती है, बिना किसी नमी को बढ़ाए मुख्य वायु धारा के तापमान को कम करती है। प्रत्यक्ष बाष्पीकरणीय शीतलक की तुलना में, इसे संचालित करने और तापमान कम करने के लिए बहुत कम पानी की खपत की आवश्यकता होती है।

अन्य अनुप्रयोग
सक्रिय शीतलन के सामान्य व्यावसायिक उपयोग के अलावा, शोधकर्ता विभिन्न तकनीकों में सक्रिय शीतलन के कार्यान्वयन में सुधार के तरीकों की भी तलाश कर रहे हैं।

तापविद्युत् जनित्र (टीईजी)
तापविद्युत् जनित्र, या टीईजी, एक शक्ति स्रोत है जिसे हाल ही में सक्रिय शीतलन बनाए रखने में इसकी व्यवहार्यता का परीक्षण करने के लिए प्रयोग किया गया है। यह एक ऐसा उपकरण है जो ताप ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलने के लिए सीबेक प्रभाव का उपयोग करता है। उच्च शक्ति की आवश्यकता वाली तकनीकों में शक्ति स्रोत के अनुप्रयोग अधिक सामान्य रूप से पाए जाते हैं। उदाहरणों में अंतरिक्ष जांच, विमान और ऑटोमोबाइल सम्मिलित हैं।

2019 के एक शोध में टीईजी सक्रिय शीतलन की व्यवहार्यता का परीक्षण किया गया था। TEG द्वारा संचालित पंखे से लैस एक छोटा एकल बोर्ड कंप्यूटर, रास्पबेरी पीआई3 पर परीक्षण लागू किया गया था और इसकी तुलना एक वाणिज्यिक निष्क्रिय शीतलक द्वारा संचालित दूसरे के साथ की गई थी। अनुसंधान के उपरान्त, रास्पबेरी पीआई3  दोनों में वोल्टता, शक्ति और तापमान को देखा और अभिलेखबद्ध किया गया। डेटा ने दिखाया कि पूरे मानदण्ड परीक्षण के उपरान्त, TEG- संचालित रास्पबेरी पीआई3 निष्क्रिय शीतलन रास्पबेरी पीआई3 की तुलना में कुछ सेल्सियस कम तापमान पर स्थिर हो गया। टीईजी द्वारा उत्पादित शक्ति का भी विश्लेषण किया गया था ताकि पंखे की आत्म-टिकाऊ क्षमताओं की संभावना को मापा जा सके। वर्तमान में, पंखे को बिजली देने के लिए केवल TEG का उपयोग करना पूरी तरह से आत्मनिर्भर होने के लिए पर्याप्त नहीं है क्योंकि इसमें पंखे को शुरू होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा की कमी होती है। लेकिन, ऊर्जा संचायक के कार्यान्वयन के साथ, यह संभव होगा।

टीईजी की बिजली उत्पादन के रूप में दिया गया है:

$$P_{TEG}\rightarrow {fan air flow\over fan power}\rightarrow\sum R_{thermal}\rightarrow\bigtriangleup T_{TEG}\rightarrow P_{TEG}$$

जहाँ $$P_{TEG}$$ TEG द्वारा उत्पन्न शक्ति है, $$R_{thermal}$$ ऊष्मीय प्रतिरोध है, और $$T_{TEG}$$ TEG से तापमान है।

परिणाम के आधार पर, तापविद्युत् जनित्र सक्रिय शीतलन को निष्क्रिय शीतलक के व्यावसायिक उपयोग के तुलनीय तापमान को प्रभावी ढंग से कम करने और बनाए रखने के लिए दिखाया गया है।

निकट विसर्जन सक्रिय शीतलन (एनआईएसी)
नियर विसर्जन सक्रिय शीतलन, या NIAC, एक ऊष्मीय प्रबन्धन तकनीक है जिसे हाल ही में वायर + चाप योगात्मक विनिर्माण, या WAAM (एक धातु 3-D मुद्रण तकनीक) द्वारा उत्पन्न गर्मी संचय की मात्रा को कम करने के प्रयास में शोध किया गया है। NIAC एक शीतलन द्रव का उपयोग करता है जो WAAM को एक कार्य टैंक के भीतर घेरता है और धातु के जमा होने पर जल स्तर को बढ़ाता है। तरल के साथ सीधा संपर्क WAAM से गर्मी की त्वरित वापसी की अनुमति देता है, जिससे तापमान में काफी कमी आती है।

2020 के एक प्रयोग में, शोधकर्ता NIAC का उपयोग करने की व्यवहार्यता की खोज करना चाहते थे और इसकी शीतलन क्षमताओं का परीक्षण करना चाहते थे। प्रयोग ने प्राकृतिक शीतलन, निष्क्रिय शीतलन और निकट विसर्जन सक्रिय शीतलन के बीच WAAM द्वारा उत्पन्न तापमान को कम करने की प्रभावशीलता की तुलना की थी। प्राकृतिक शीतलन में हवा का उपयोग किया गया, निष्क्रीय शीतलन में शीतलन द्रव का उपयोग किया गया जो एक निश्चित स्तर पर रहता है, और NIAC ने शीतलन द्रव का उपयोग किया जो WAAM की क्रियाओं के आधार पर ऊपर उठता है।

NIAC का उपयोग करने की व्यवहार्यता को मापने के लिए निम्नलिखित परीक्षणों का उपयोग किया गया था:

ऊष्मीय विश्लेषण: ऊष्मीय विश्लेषण में, एनआईएसी और अन्य शीतलन प्रकारों के बीच गर्मी की एक महत्वपूर्ण असमानता थी, जिसमें एनआईएसी तकनीक को बहुत तीव्र गति से ठंडा कर रहा था।
 * ज्यामितीय गुणवत्ता: दीवारों की ज्यामितीय गुणवत्ता के लिए, NIAC में सबसे पतली और सबसे ऊंची दीवार थी जो सक्रिय शीतलन का उपयोग करते समय WAAM के कठिन स्थायित्व को दर्शाती है।
 * सरंध्रता मूल्यांकन: सरंध्रता मूल्यांकन से पता चला है कि सक्रिय शीतलन में सबसे कम सरंध्रता स्तर होता है। एक उच्च सरंध्रता स्तर का यांत्रिक गुणों पर प्रतिकूल प्रभाव पड़ता है, जैसे कि सीमित लचीलापन है।
 * यांत्रिक गुण: NIAC प्राकृतिक और निष्क्रिय शीतलन दोनों के विपरीत, यांत्रिक गुणों, विशेष रूप से नमनीयता की बराबरी करता है।

उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि एनआईएसी व्यावहारिक और पारंपरिक शीतलन विधियों जैसे निष्क्रिय और प्राकृतिक शीतलन के बराबर है।

निष्क्रीय शीतलन के साथ तुलना
सक्रिय शीतलन की तुलना सामान्यतः विभिन्न स्थितियों में निष्क्रिय शीतलन के साथ की जाती है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि शीतलन का बेहतर और अधिक कुशल तरीका कौन प्रदान करता है। ये दोनों कई स्थितियों में व्यवहार्य हैं लेकिन कई कारकों के आधार पर, एक दूसरे की तुलना में अधिक लाभप्रद हो सकता है।

लाभ
निष्क्रिय शीतलन प्रणाली की तुलना में सक्रिय शीतलन प्रणाली सामान्यतः घटते तापमान के मामले में बेहतर होती है। निष्क्रिय शीतलन इसके संचालन के लिए अधिक ऊर्जा का उपयोग नहीं करता है बल्कि इसके स्थान पर प्राकृतिक शीतलन का लाभ उठाता है, जो लंबे समय तक ठंडा होने में अधिक समय लेता है। कम समय अंतराल में तापमान कम करने में इसकी प्रभावशीलता के कारण अधिकांश लोग निष्क्रिय शीतलन की तुलना में गर्म या उष्णकटिबंधीय जलवायु में सक्रिय शीतलन प्रणाली का उपयोग करना पसंद करते हैं। प्रौद्योगिकियों में, यह उचित तापीय स्थितियों को बनाए रखने में मदद करता है, जिससे अंतर्भाग संचालन प्रणाली की हानि या अति ताप के जोखिम को रोका जा सकता है। यह तकनीक से होने वाली गर्मी को बेहतर ढंग से संतुलित करने में सक्षम है, इसे एक सुसंगत तरीके से बनाए रखता है। कुछ सक्रिय शीतलन प्रणालियों में निष्क्रिय शीतलन की तुलना में तापविद्युत् जनित्र के अनुप्रयोग में दिखाए गए स्व-टिकाऊ होने की संभावना भी होती है, जहां यह संचालित करने के लिए प्राकृतिक साधनों पर अत्यधिक निर्भर है।

हानि
निष्क्रिय शीतलन की तुलना में सक्रिय शीतलन के मुद्दे मुख्य रूप से वित्तीय लागत और ऊर्जा खपत हैं। सक्रिय शीतलन की उच्च ऊर्जा आवश्यकता के कारण, यह इसे बहुत कम ऊर्जा कुशल और साथ ही कम लागत कुशल बनाता है। एक आवासीय समायोजन में, सक्रिय शीतलन सामान्यतः पूरे भवन में पर्याप्त शीतलन प्रदान करने के लिए बड़ी मात्रा में ऊर्जा की खपत करता है जिससे वित्तीय लागत बढ़ जाती है। भवन के इंजीनियरों को यह ध्यान रखना होगा कि ऊर्जा की खपत में वृद्धि भी वैश्विक जलवायु को नकारात्मक रूप से प्रभावित करने में एक कारक की भूमिका निभाएगी। सक्रिय शीतलन की तुलना में निष्क्रीय शीतलन का उपयोग औसत या कम तापमान वाली जगहों पर अधिक देखा जाता है।

यह भी देखें

 * शीतलन
 * निष्क्रिय शीतलन
 * निष्क्रिय दिन के समय विकिरण शीतलन