सक्रिय शीतलन

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

इसके समकक्ष निष्क्रिय कूलिंग के विपरीत, सक्रिय कूलिंग 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 आमतौर पर उन प्रणालियों में लागू किया जाता है जो निष्क्रिय साधनों के माध्यम से अपना तापमान बनाए रखने में असमर्थ हैं। सक्रिय शीतलन प्रणाली आमतौर पर 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 के नुकसान की संभावना हो सकती है। वाणिज्यिक सक्रिय शीतलन प्रणालियों के विभिन्न अनुप्रयोगों में इनडोर एयर कंडीशनर, कंप्यूटर पंखे और हीट पंप शामिल हैं।

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

ऊष्मा संतुलन समीकरण इस प्रकार दिया गया है:

$$p \cdot c_p\cdot V \cdot dT/dt = E_{int} + E_{Conv} + E_{Vent} + E_{AC}$$ कहाँ $$p$$ 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, $$E_{Vent}$$ इनडोर और आउटडोर हवा के बीच गर्मी लाभ/हानि है, और $$E_{AC}$$ यांत्रिक गर्मी हस्तांतरण है।

इसके इस्तेमाल से यह पता लगाया जा सकता है कि इंफ्रास्ट्रक्चर के भीतर कितनी कूलिंग की जरूरत है।

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

प्रशंसक
एक पंखा एक विद्युत मोटर द्वारा स्थिर गति से घुमाए गए तीन से चार ब्लेड होते हैं। पूरे रोटेशन के दौरान, एयरफ्लो का उत्पादन होता है और मजबूर संवहन गर्मी हस्तांतरण की प्रक्रिया के माध्यम से आसपास के 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
एक 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 दौरान हवा में वाष्प प्रशीतक संकुचित हो जाता है, जिससे अतितापित वाष्प बनता है। वाष्प तब एक कंडेनसर के माध्यम से जाता है और प्रक्रिया में अधिक गर्मी को दूर करते हुए एक तरल रूप में परिवर्तित हो जाता है। विस्तार वाल्व के माध्यम से यात्रा करते हुए, तरल प्रशीतक तरल और वाष्प का मिश्रण बनाता है। जैसे ही यह बाष्पीकरणकर्ता से गुजरता 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 कंट्रास्ट कंप्रेसर के बजाय अवशोषक का उपयोग होता है। अवशोषक वाष्प रेफ्रिजरेंट में लेता है और एक तरल रूप बनाता है जो तब तरल पंप में जाता है जिसे सुपरहीट 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 कूलर
एक बाष्पीकरणीय कूलर बाहरी हवा को अवशोषित करता है और पानी के वाष्पीकरण के माध्यम से हवा के तापमान को कम करते हुए, पानी-संतृप्त पैड के माध्यम से गुजरता है। इसके द्वारा विभाजित किया जा सकता है:

सीधा
यह विधि पानी को वाष्पित कर देती है जो फिर सीधे हवा की धारा में चला जाता है, जिससे नमी का एक छोटा रूप पैदा होता है। आसपास के क्षेत्र के तापमान को ठीक से कम करने के लिए आमतौर पर 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 हीट एक्सचेंजर के माध्यम से डालती है, बिना किसी नमी को बढ़ाए मुख्य वायु धारा के तापमान को कम करती है। प्रत्यक्ष बाष्पीकरणीय कूलर की तुलना में, इसे संचालित करने और तापमान कम करने के लिए बहुत कम पानी की खपत की आवश्यकता होती है।

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

थर्मोइलेक्ट्रिक जेनरेटर (टीईजी)
थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर, 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 शामिल हैं।

2019 के एक शोध में टीईजी एक्टिव कूलिंग की व्यवहार्यता का परीक्षण किया गया था। TEG द्वारा संचालित पंखे से लैस एक छोटा सिंगल-बोर्ड कंप्यूटर, रास्पबेरी पाई पर परीक्षण लागू किया गया था और इसकी तुलना एक वाणिज्यिक निष्क्रिय कूलर द्वारा संचालित दूसरे के साथ की गई थी। अनुसंधान के दौरान, रास्पबेरी पीआई दोनों में वोल्टेज, शक्ति और तापमान को देखा और रिकॉर्ड किया गया। डेटा ने दिखाया कि पूरे बेंचमार्क परीक्षण के दौरान, TEG- संचालित रास्पबेरी PI3 निष्क्रिय शीतलन रास्पबेरी PI3 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 के शुरुआती स्टार्टअप 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:

$$P_{TEG}\rightarrow {fan air flow\over fan power}\rightarrow\sum R_{thermal}\rightarrow\bigtriangleup T_{TEG}\rightarrow P_{TEG}$$ कहाँ $$P_{TEG}$$ TEG द्वारा उत्पन्न शक्ति है, $$R_{thermal}$$ थर्मल प्रतिरोध है, और $$T_{TEG}$$ TEG से तापमान है।

परिणाम के आधार पर, थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर सक्रिय शीतलन को निष्क्रिय कूलर 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 इमर्शन एक्टिव कूलिंग, या NIAC, एक थर्मल मैनेजमेंट तकनीक है जिसे हाल ही में वायर + आर्क एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, या WAAM (एक धातु 3-डी प्रिंटिंग तकनीक) द्वारा उत्पन्न गर्मी संचय की मात्रा को कम करने के प्रयास में शोध किया गया है। NIAC एक कूलिंग लिक्विड 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। प्राकृतिक कूलिंग में हवा का इस्तेमाल किया गया, पैसिव कूलिंग में कूलिंग लिक्विड का इस्तेमाल किया गया जो एक निश्चित स्तर पर रहता है, और NIAC ने कूलिंग लिक्विड का इस्तेमाल 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: * थर्मल विश्लेषण: थर्मल विश्लेषण में, एनआईएसी और अन्य कूलिंग प्रकारों के बीच गर्मी की एक महत्वपूर्ण असमानता थी, जिसमें एनआईएसी तकनीक को बहुत तेज 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 कूलिंग 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।
 * 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।

पैसिव कूलिंग के साथ तुलना
सक्रिय कूलिंग की तुलना आमतौर पर विभिन्न स्थितियों में निष्क्रिय कूलिंग के साथ की जाती है ताकि यह निर्धारित किया जा सके कि कूलिंग 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 आमतौर पर घटते तापमान के मामले में बेहतर होती है। निष्क्रिय शीतलन इसके संचालन के लिए अधिक ऊर्जा का उपयोग नहीं करता है बल्कि इसके बजाय 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 कोर ऑपरेशन सिस्टम के नुकसान 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 थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर 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।

नुकसान
निष्क्रिय कूलिंग की तुलना में सक्रिय कूलिंग 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 सेटिंग में, सक्रिय शीतलन आमतौर पर 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। एक्टिव कूलिंग की तुलना में पैसिव कूलिंग का इस्तेमाल औसत या कम तापमान वाली जगहों पर ज्यादा देखा जाता है।

यह भी देखें

 * ठंडा करना
 * निष्क्रिय शीतलन
 * निष्क्रिय दिन के समय विकिरण शीतलन