रेफ्रिजरेटर का इतिहास
रेफ्रिजरेटर के आविष्कार से पहले, लोग खाद्य पदार्थों को संरक्षित करने के लिए पारंपरिक तरीकों का उपयोग करते थे। इन तरीकों में नमक लगाना, धूम्रपान, और सूखाना शामिल थे। सर्दियों के मौसम में, लोग गड्ढे खोदकर अपने खाद्य पदार्थों को जमीन के नीचे रखते थे। लोग जानते थे कि ठंडा रखने पर भोजन लंबे समय तक खाने योग्य रहता है, लेकिन वे यह नहीं जानते थे कि क्यों।
आइसबॉक्स 1860-1890 के दशक में रेफ्रिजरेटर के रूप में उपयोग की जाने वाली पहली वस्तुएं थीं। प्रत्येक आइसबॉक्स जिंक के साथ लकड़ी से बना होता था और इसमें बर्फ रखने के लिए खंड होते थे। दुर्भाग्यवश, बर्फ केवल एक सप्ताह तक ही टिकती थी और इसे आइसमैन द्वारा बदलना पड़ता था (हाँ, यह पेशा मौजूद था!)। चूंकि बर्फ बनाने का कोई तरीका नहीं था, आइसमैन इसे ठंडे सर्दियों के मौसम में काटते थे और इसे आइसहाउस में तब तक रखते थे जब तक इसकी आवश्यकता नहीं होती थी।
पहला व्यावसायिक रेफ्रिजरेटर 1911 में पेश किया गया था। मूल डिजाइन में अमोनिया का उपयोग रेफ्रिजरेंट के रूप में किया गया था, लेकिन यह पाया गया कि अगर यह लीक हो जाता है तो इसकी बदबू होती है और इसे साँस लेने पर जहरीला होता है। 1920 और 1930 के दशक में आगे का विकास जारी रहा जब तक कि आम घरेलू फ्रिज डिजाइन खुले बाजार में उपलब्ध नहीं हो गया; इस अधिक आधुनिक डिजाइन में विभिन्न प्रकार की फ्रीऑन गैस का उपयोग किया गया।
आधुनिक घरेलू रेफ्रिजरेटर
रेफ्रिजरेटर कैसे काम करते हैं
रेफ्रिजरेटर खराब होने वाले सामानों के लिए भंडारण स्थान को ठंडा करते हैं ताकि बैक्टीरिया के विकास को धीमा किया जा सके और खराबी या गिरावट को रोका जा सके। वे इस शीतलन प्रभाव को एक क्षेत्र में गर्मी को अवशोषित करके और इसे दूसरे में स्थानांतरित करके प्राप्त करते हैं। यह प्रक्रिया वाष्पीकरण और संघनन के एक सतत चक्र का निर्माण करती है, जो दोनों गुप्त गर्मी प्रक्रियाएं हैं।
गुप्त और संवेदनशील गर्मी
लो साइड और हाई साइड
एक रेफ्रिजरेशन सिस्टम का आधा हिस्सा रेफ्रिजरेंट के दबाव और तापमान को कम करता है। इस सिस्टम के हिस्से को अक्सर लो साइड कहा जाता है और यह वाष्पीकरण की प्रक्रिया पर केंद्रित होता है (जहां तरल गैस में बदलता है)।
रेफ्रिजरेशन सिस्टम का दूसरा आधा हिस्सा रेफ्रिजरेंट के दबाव और तापमान को बढ़ाता है। इस सिस्टम के हिस्से को अक्सर हाई साइड कहा जाता है और यह संघनन की प्रक्रिया पर केंद्रित होता है (जहां गैस तरल में बदलती है)।
एक रेफ्रिजरेशन सिस्टम एक बंद प्रणाली है और इसमें एक रेफ्रिजरेंट की आवश्यकता होती है जो सुरक्षित और कुशल तरीके से बार-बार अवस्था/चरण बदल सके। सभी रेफ्रिजरेशन सिस्टम में पांच मुख्य घटक होते हैं: एक विस्तार वाल्व, एक वाष्पीकरण, एक कंप्रेसर, एक संघनक, और एक थर्मोस्टेट।
रेफ्रिजरेटर के भाग
रेफ्रिजरेटर सिस्टम के घटक
रेफ्रिजरेटर सिस्टम को देखने का एक तार्किक तरीका यह है कि उस बिंदु से शुरू करें जहां रेफ्रिजरेंट तरल अवस्था में होता है, फिर रेफ्रिजरेंट को सिस्टम के माध्यम से देखें क्योंकि यह अवस्था, दबाव, और तापमान बदलता है। ध्यान रखें कि रेफ्रिजरेंट रेफ्रिजरेशन चक्र के दौरान वाष्पित और संघनित होगा और इससे रेफ्रिजरेंट गर्मी को अवशोषित या छोड़ता है (क्रमशः वाष्पीकरण और संघनन)।
रेफ्रिजरेशन सिस्टम
विस्तार वाल्व या कैपिलरी ट्यूब
एक विस्तार वाल्व या कैपिलरी ट्यूब रेफ्रिजरेशन सिस्टम के लो साइड की शुरुआत को चिह्नित करता है और यह वह बिंदु है जहां रेफ्रिजरेंट तरल से वाष्प में बदलता है। छोटे रेफ्रिजरेशन सिस्टम कैपिलरी ट्यूब का उपयोग करते हैं, जबकि बड़े यूनिट्स विस्तार वाल्व का उपयोग करते हैं।
कैपिलरी ट्यूब तांबे के पाइप को कई बार घुमाकर एक सर्पिल सिलेंडर बनाने के लिए बनाई जाती हैं; उनका डिज़ाइन बुनियादी है, इसलिए यह लेख विस्तार वाल्व और इसके कार्य पर ध्यान केंद्रित करेगा। चाहे जो भी डिज़ाइन उपयोग किया जाए, कैपिलरी ट्यूब और विस्तार वाल्व का उद्देश्य समान है अर्थात् दबाव और तापमान में कमी।
एक विस्तार वाल्व यह नियंत्रित करता है कि कितना रेफ्रिजरेंट वाष्पीकरण में छोड़ा जाता है। विस्तार वाल्व से गुजरने वाला रेफ्रिजरेंट दबाव और तापमान में महत्वपूर्ण गिरावट का अनुभव करता है। इसे प्राप्त करने के लिए, वाल्व में एक इनलेट, एक आउटलेट, और वाल्व आंतरिक (ट्रिम) स्थापित होता है।
- इनलेट संघनक से गर्म दबावयुक्त तरल रेफ्रिजरेंट को स्वीकार करता है।
- वाल्व का उद्देश्य यह नियंत्रित करना है कि वाल्व के माध्यम से कितना रेफ्रिजरेंट प्रवाहित होता है। वाल्व के माध्यम से गुजरने वाले रेफ्रिजरेंट की मात्रा वाल्व के भीतर डायाफ्राम पर कार्य करने वाले दबाव के संतुलन पर निर्भर करती है। आमतौर पर, डायाफ्राम के शीर्ष पर कार्य करने वाला सेंसिंग बल्ब से गैस वाल्व को खोलती है, जबकि वाष्पीकरण से दबाव और वाल्व के निचले हिस्से में एक समायोज्य दबाव स्प्रिंग डायाफ्राम के निचले हिस्से पर कार्य करता है और वाल्व को बंद करता है। सेंसिंग बल्ब एक फीडबैक लूप बनाता है, जो वाष्पीकरण के बाद सिस्टम दबाव के आधार पर वाल्व के माध्यम से प्रवाह को स्वचालित रूप से नियंत्रित करता है। ध्यान दें कि वाल्व के भीतर सेंसिंग बल्ब और स्प्रिंग की स्थिति उलट हो सकती है।
- आउटलेट वाष्पीकरण में ठंडे, कम दबाव, उबलते तरल-वाष्प रेफ्रिजरेंट का एक स्प्रे छोड़ता है।
थर्मोस्टेटिक विस्तार वाल्व
अधिकांश रेफ्रिजरेटर यूनिट्स एक सेंसिंग बल्ब का उपयोग करती हैं जो यह संकेत उत्पन्न करने के लिए गैस से भरी होती हैं कि अधिक या कम शीतलन की आवश्यकता है। जब सेंसिंग बल्ब वांछित तापमान से अधिक गर्म होता है, तो बल्ब के भीतर की गैस फैलती है, जो थर्मोस्टेटिक विस्तार वाल्व डायाफ्राम पर दबाव डालती है, जिससे वाल्व खुलता है और अधिक रेफ्रिजरेंट वाष्पीकरण में प्रवाहित होता है (इस प्रकार अधिक शीतलन और कम तापमान प्राप्त होता है)।
एक बार जब वाष्पीकरण पर्याप्त गर्मी को हटा देता है और वांछित तापमान को पुनः स्थापित कर देता है, तो कैपिलरी ट्यूब के अंदर की गैस सिकुड़ जाती है, जो थर्मोस्टेटिक विस्तार वाल्व को बंद स्थिति की ओर ले जाती है।
संक्षेप में, विस्तार वाल्व संघनक से तरल रेफ्रिजरेंट प्राप्त करता है और फिर इसके दबाव को कम करता है जिससे तापमान में परिणामी गिरावट होती है। कम दबाव के कारण रेफ्रिजरेंट उबलता है और वाष्प बन जाता है। रेफ्रिजरेंट अपने सबसे ठंडे तापमान पर होता है जब यह विस्तार वाल्व छोड़ता है। एक सेंसिंग बल्ब थर्मोस्टेटिक विस्तार वाल्व को एक संकेत भेजता है और यह संकेत डायाफ्राम की रैखिक गति में परिवर्तित होता है, जो वाल्व को प्रवाह को नियंत्रित करने (प्रवाह को थ्रॉटल करने) का परिणाम देता है।
वाष्पीकरण
वाष्पीकरण वह है जो रेफ्रिजरेटर के फ्रीजर और रेफ्रिजरेटर खंडों के अंदर को ठंडा बनाता है। जब ठंडा, कम दबाव वाष्प विस्तार वाल्व से वाष्पीकरण के कॉइल्स के माध्यम से यात्रा करता है, तो ठंडे कॉइल्स आसपास के क्षेत्र से गर्मी खींचते और अवशोषित करते हैं। बड़े रेफ्रिजरेटर पर एक पंखा वाष्पीकरण कॉइल्स के पार हवा को पास करने के लिए स्थापित किया जाता है और इस प्रकार कॉइल्स और आसपास के क्षेत्र के बीच गर्मी हस्तांतरण दर को बढ़ाता है।
कंप्रेसर
कंप्रेसर को रेफ्रिजरेटर के शीतलन चक्र का दिल और सिस्टम के हाई साइड की शुरुआत माना जाता है। यह विस्तार वाल्व का समकक्ष है क्योंकि रेफ्रिजरेंट अपने सबसे ठंडे और सबसे कम दबाव पर होता है जब यह विस्तार वाल्व छोड़ता है, और अपने सबसे गर्म और सबसे अधिक दबाव पर होता है जब यह कंप्रेसर छोड़ता है।
कंप्रेसर रिसीप्रोकेटिंग (सबसे आम), रोटरी, और सेंट्रीफ्यूगल डिज़ाइन में आते हैं, लेकिन उनके डिज़ाइन की परवाह किए बिना, कंप्रेसर का उद्देश्य रेफ्रिजरेंट के दबाव को बढ़ाना है। कंप्रेसर यह वाष्पीकरण से रेफ्रिजरेंट को चूसकर/खींचकर, फिर वाष्प के दबाव को बढ़ाकर और इसे संघनक में डिस्चार्ज करके प्राप्त करते हैं। वाष्प के संपीड़न के कारण इसका तापमान बढ़ता है। प्रवाह रेफ्रिजरेशन सिस्टम के माध्यम से दबाव अंतर (ΔP) द्वारा उत्पन्न होता है जो कंप्रेसर द्वारा बनाया जाता है।
संघनक
छोटे रेफ्रिजरेटर में, संघनक आमतौर पर ट्यूबों या एक कॉइल की एक श्रृंखला होती है, और शीतलन एजेंट हवा होता है। बड़े चिलर प्लांट्स में, संघनक आमतौर पर एक शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर होता है, जिसमें ट्यूबों के माध्यम से रेफ्रिजरेंट प्रवाहित होता है (ट्यूब साइड फ्लुइड) और ट्यूबों के चारों ओर शीतलन पानी प्रवाहित होता है (शेल साइड फ्लुइड); शीतलन पानी शीतलन एजेंट होता है।
आधुनिक औद्योगिक रेफ्रिजरेशन चिलर
संघनक का उद्देश्य गर्म रेफ्रिजरेंट वाष्प से ठंडा करना (गर्मी को हटाना) है ताकि यह तरल अवस्था में बदल जाए। छोटे फ्रिज और फ्रीजर पर, संघनक आमतौर पर आवरण के पीछे स्थापित होता है। संघनक की लंबाई और मोड़ विन्यास को इस प्रकार डिज़ाइन किया गया है कि यह गर्मी को बाहर निकाल सके जबकि यह सुनिश्चित करते हुए कि रेफ्रिजरेंट के पास ठंडा होने के लिए पर्याप्त समय हो। वाष्पीकरण की तरह, हवा ठंडा संघनक एक धुरी पंखा का उपयोग कर सकते हैं ताकि हवा और रेफ्रिजरेंट के बीच गर्मी हस्तांतरण दर को बढ़ाया जा सके।
संघनक से तरल रेफ्रिजरेंट विस्तार वाल्व (वाल्व्स) में डिस्चार्ज होता है, इस प्रकार रेफ्रिजरेंट सिस्टम चक्र को बंद करता है।
थर्मोस्टेट
एक थर्मोस्टेट का उपयोग प्रशीतित स्थान के भीतर वास्तविक तापमान को मापने और इसे वांछित तापमान से तुलना करने के लिए किया जाता है। थर्मोस्टेट यांत्रिक या इलेक्ट्रॉनिक संकेत का उपयोग कर सकते हैं इस पर निर्भर करता है कि रेफ्रिजरेटर सिस्टम कितना जटिल है।
थर्मोस्टेट का मुख्य उद्देश्य यह सुनिश्चित करना है कि वांछित तापमान बनाए रखा जाए। यह तापमान बहुत अधिक या कम होने पर, क्रमशः कंप्रेसर को शुरू या बंद करने के लिए एक संकेत भेजकर इसे प्राप्त करता है।
सिस्टम जो केवल इलेक्ट्रॉनिक संकेतों पर निर्भर करते हैं, उनके पास संबंधित रिले होते हैं जो कंप्रेसर (कंप्रेसर) को शुरू और बंद करते हैं। सिस्टम जो इलेक्ट्रोमैकेनिकल संकेत का उपयोग करते हैं, आमतौर पर बायमेटलिक स्ट्रिप्स का उपयोग कंप्रेसर को शुरू और बंद करने के लिए करते हैं।
तापमान, दबाव और संतृप्ति बिंदु
यह बताने के लिए कि क्या एक रेफ्रिजरेशन सिस्टम ठीक से काम कर रहा है, तापमान और दबाव रीडिंग का उपयोग एक रेफ्रिजरेंट के संतृप्ति स्तर के प्रमुख संकेतक के रूप में किया जाता है।
संतृप्ति बिंदु को उबलने बिंदु के रूप में भी जाना जाता है, यह वह बिंदु है जिस पर तरल और अधिक तापीय ऊर्जा संग्रहीत नहीं कर सकता है बिना अवस्था बदलने के। संतृप्ति बिंदु के बारे में अक्सर कुछ भ्रम होता है, निम्नलिखित परिभाषाएं आपको विषय को और अधिक समझने में मदद करेंगी।
- संतृप्ति तापमान वह तापमान है जिस पर तरल उबलता है, और वाष्प में बदलता है।
- संतृप्ति दबाव वह दबाव है जिस पर तरल उबलता है, और वाष्प में बदलता है।
- वाष्प वह गैस है जिसमें कुछ तरल बूंदें होती हैं, वाष्प के आगे गर्म होने से वाष्प गैस बन जाएगी।
जैसे-जैसे सिस्टम का दबाव बढ़ता है, वैसे-वैसे संतृप्ति तापमान भी बढ़ता है अर्थात वह बिंदु जिस पर तरल वाष्प में बदलना शुरू करता है। उदाहरण के लिए, ताजा/मीठा पानी 100⁰C (212⁰F) से कम तापमान पर उबलेगा यदि दबाव वायुमंडलीय दबाव (1 बार, 14.5 पीएसआई) से कम है। इसी तरह, यदि सिस्टम का दबाव 100 बार (145 पीएसआई) तक बढ़ा दिया जाता है, तो ताजा पानी केवल 100⁰C (212⁰F) से बहुत अधिक तापमान पर उबलना शुरू करेगा। इस प्रकार, सिस्टम के दबाव को नियंत्रित करके, यह संभव है कि रेफ्रिजरेंट के संतृप्ति तापमान को नियंत्रित किया जा सके और सिस्टम के विभिन्न बिंदुओं पर इसकी अवस्था को नियंत्रित किया जा सके।
दबाव और तापमान के आधार पर उबलने बिंदु
संतृप्ति तापमान और दबाव रीडिंग विशेष रूप से वाष्पीकरण और संघनक के लिए महत्वपूर्ण हैं क्योंकि रेफ्रिजरेंट को वाष्पित या संघनित होने के लिए संतृप्ति तापमान के करीब होना चाहिए।
तापमान, दबाव, और संतृप्ति तापमान संबंध रेफ्रिजरेशन तापमान-दबाव चार्ट में संकेतित होते हैं। चूंकि प्रत्येक प्रकार के रेफ्रिजरेंट के अलग-अलग गुण होते हैं (अलग-अलग संतृप्ति तापमान आदि), सही चार्ट को सही रेफ्रिजरेंट के लिए चुना जाना चाहिए।
3D मॉडल विवरण
यह 3D मॉडल एक विशिष्ट घरेलू रेफ्रिजरेटर का प्रतिनिधित्व करता है। रेफ्रिजरेटर के आविष्कार ने मानव विकास के पाठ्यक्रम को बड़े पैमाने पर बदल दिया। अब भोजन को उपभोग से पहले महीनों तक संग्रहीत करना संभव है और इसने मानवता को मौसम के परिवर्तन से जुड़े दुर्लभता और प्रचुरता चक्रों से मुक्त कर दिया है। इसके अलावा, अब भोजन को उपभोग से पहले काफी दूरी तक भेजना संभव है; इसने उन क्षेत्रों में बड़ी जनसंख्या सांद्रता की अनुमति दी है जो पारंपरिक रूप से इतनी बड़ी जनसंख्या का समर्थन नहीं कर सकते थे। 3D मॉडल दिखाता है:
- कंप्रेसर
- वाष्पीकरण
- संघनक
- विस्तार ट्यूब (कैपिलरी ट्यूब)
प्रत्येक मुख्य रेफ्रिजरेटर घटक को समझने में सहायता के लिए हाइलाइट किया गया है।
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संदर्भ
https://www.achrnews.com/articles/94025-refrigerant-pressures-states-and-conditions
https://www.fda.gov/consumers/consumer-updates/are-you-storing-food-safely
https://www.youtube.com/watch?v=RdTG3gjZGpI
https://www.swtc.edu/Ag_Power/air_conditioning/lecture/expansion_valve.html
https://www.hvacrschool.com/flash-gas/
https://tigermechanical.net/blog/how-a-refrigerator-compressor-works/
https://www.danfoss.com/en/about-danfoss/our-businesses/cooling/the-fridge-how-it-works