Refrigeration Cycles and Devices MCQ Quiz in हिन्दी - Objective Question with Answer for Refrigeration Cycles and Devices - मुफ्त [PDF] डाउनलोड करें

व्याख्या:

उल्टा कार्नो चक्र:

• उल्टा कार्नो चक्र एक सैद्धांतिक थर्मोडायनामिक चक्र है जो रेफ्रिजरेटर और हीट पंप के संचालन को समझने का आधार बनाता है। यह चक्र अनिवार्य रूप से उल्टे क्रम में चलने वाला कार्नो चक्र है। जबकि कार्नो चक्र ऊष्मा को कार्य में बदलने की सबसे कुशल प्रक्रिया का वर्णन करता है (जैसा कि ऊष्मा इंजनों में उपयोग किया जाता है), उल्टा कार्नो चक्र कार्य इनपुट का उपयोग करके ठंडे क्षेत्र से गर्म क्षेत्र में ऊष्मा को स्थानांतरित करने की सबसे कुशल प्रक्रिया का वर्णन करता है, जो प्रशीतन और हीट पंपिंग प्रणालियों के पीछे का सिद्धांत है।

उल्टे कार्नो चक्र में, मुख्य लक्ष्य कम तापमान वाले भंडार से उच्च तापमान वाले भंडार में ऊष्मा को स्थानांतरित करना है। इस चक्र में चार थर्मोडायनामिक प्रक्रियाएँ होती हैं:

1. समदैशिक संपीडन: इस प्रक्रिया में, कार्यशील द्रव (अक्सर एक सर्द) को समदैशिक रूप से संपीड़ित किया जाता है, जिसका अर्थ है कि एन्ट्रापी में कोई परिवर्तन नहीं होता है। यह संपीडन द्रव के तापमान और दबाव को बढ़ाता है।
2. समतापीय ऊष्मा अस्वीकृति: कार्यशील द्रव, जो अब उच्च तापमान पर है, उच्च तापमान वाले भंडार (जैसे, आसपास का वातावरण) को ऊष्मा छोड़ता है। यह प्रक्रिया स्थिर तापमान पर होती है।
3. समदैशिक प्रसार: द्रव समदैशिक प्रसार से गुजरता है, जिससे इसका दबाव और तापमान कम हो जाता है। यह प्रक्रिया अगले चरण में ऊष्मा को अवशोषित करने के लिए द्रव को तैयार करती है।
4. समतापीय ऊष्मा अवशोषण: अंत में, कार्यशील द्रव कम तापमान वाले भंडार (जैसे, ठंडा करने के लिए स्थान) से ऊष्मा को अवशोषित करता है। यह प्रक्रिया भी स्थिर तापमान पर होती है।

उल्टा कार्नो चक्र आदर्श है और यह मानता है कि कोई अपरिवर्तनीयता नहीं है, जिसका अर्थ है कि यह किसी भी प्रशीतन या हीट पंप प्रणाली के लिए अधिकतम संभव दक्षता का प्रतिनिधित्व करता है। वास्तविक दुनिया की प्रणालियाँ, जैसे कि वाष्प-संपीडन प्रशीतन चक्र, उल्टे कार्नो चक्र पर आधारित हैं, लेकिन इनमें घर्षण, दबाव में गिरावट और गैर-आदर्श गैस व्यवहार जैसी अक्षमताएँ शामिल हैं।

अनुप्रयोग:

उल्टा कार्नो चक्र निम्नलिखित का सैद्धांतिक आधार है:

• रेफ्रिजरेटर: ऐसे उपकरण जो एक रेफ्रिजरेटर के आंतरिक भाग (कम तापमान) से आसपास के वातावरण (उच्च तापमान) में ऊष्मा को स्थानांतरित करते हैं ताकि एक ठंडा इंटीरियर बनाए रखा जा सके।
• हीट पंप: ऐसे सिस्टम जो गर्म स्थान (जैसे, किसी भवन का आंतरिक भाग) को गर्म करने के उद्देश्य से ठंडे स्रोत (जैसे, सर्दियों में जमीन या हवा) से गर्म स्थान में ऊष्मा को स्थानांतरित करते हैं।

संकल्पना:

• बेल कोलमैन चक्र को उत्क्रमित ब्रेटन चक्र या उल्टा जूल चक्र के रूप में भी जाना जाता है।
• बेल कोलमैन प्रशीतन चक्र का कार्यशील द्रव वायु है।
• इस प्रशीतन प्रणाली का उपयोग विमान प्रशीतन के लिए किया जाता है और इसका वजन कम होता है।

जहाँ

1. प्रक्रिया 1 2: समदैशिक संपीडन
2. प्रक्रिया 2 3: स्थिर दाब ऊष्मा निष्कासन
3. प्रक्रिया 3 4: समदैशिक प्रसार
4. प्रक्रिया 4 1: स्थिर दाब ऊष्मा अवशोषण

वायु प्रशीतन प्रणाली और बेलकोलमैन चक्र या उल्टा ब्रेटन चक्र:

• वायु प्रशीतन प्रणाली में वायु को वातावरण से कंप्रेसर में लिया जाता है और संपीड़ित किया जाता है।
• गर्म संपीड़ित वायु को एक ऊष्मा विनिमयक में वायुमंडलीय तापमान (आदर्श परिस्थितियों में) तक ठंडा किया जाता है।
• तब ठंडी वायु को एक विस्तारक में फैलाया जाता है। समदैशिक प्रसार के कारण विस्तारक से निकलने वाली वायु का तापमान वायुमंडलीय तापमान से नीचे होता है।
• विस्तारक से निकलने वाली निम्न तापमान वाली वायु बाष्पीकरण में प्रवेश करती है और ऊष्मा को अवशोषित करती है। चक्र दोहराया जाता है।

संकल्पना:

एक रेफ्रिजरेटर के COP को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

$COP=\frac{Q_L}{W}\Rightarrow W=\frac{Q_L}{COP}$

कुल त्यागी गई ऊष्मा: $Q_H=Q_L+W$

दिया गया है:

• $COP=2$
• $Q_L=100\text{kJ/min}=1.667\text{kW}$

गणना:

$W=\frac{1.667}{2}=0.8335\text{kW}$

$Q_H=1.667+0.8335=2.5\text{kW}$

संकल्पना:

आदर्श वाष्प संपीडन प्रशीतन चक्र के लिए p-h और T-s आरेख नीचे दिखाए गए हैं,

वाष्पीकरण दाब में कमी से संघनन तापमान प्रभावित नहीं होगा क्योंकि संघनन तापमान संघनन दाब का एक फलन है, वाष्पीकरण दाब का नहीं। इसलिए, संघनित्र के तापमान में कोई परिवर्तन नहीं होता है।

p-h आरेख से:

मान लीजिये pE1 और p­E2 क्रमशः प्रारंभिक वाष्पीकरण दाब और घटा हुआ वाष्पीकरण दाब हैं।

pE1 पर,

W (संपीडक कार्य) = h2 - h­1

RE (प्रशीतन प्रभाव) = h1­ ­­- h4

pE2 पर,

W’ (संपीडक कार्य) = h2’ - h1

RE’ (प्रशीतन प्रभाव) = h1’ - h4’

p-h आरेख से,

W’ > W, संपीडक कार्य बढ़ गया है

RE’ < RE, प्रशीतन प्रभाव कम हो गया है

संपीडक कार्य में वृद्धि और प्रशीतन प्रभाव में कमी आई है।

वाष्प संपीडन प्रशीतन प्रणाली का निष्पादन गुणांक नियत संघनित्र तापमान पर वाष्पीकरण तापमान में कमी के साथ घटता है।

व्याख्या:

प्रशीतन चक्र:

• एक प्रशीतन चक्र में, प्राथमिक लक्ष्य रेफ्रिजरेटर के आंतरिक भाग से इसके बाहरी वातावरण में ऊष्मा को स्थानांतरित करना है, जिससे आंतरिक स्थान ठंडा हो जाता है। बर्फ की गुप्त ऊष्मा (गलन) इस प्रक्रिया की दक्षता और कार्यक्षमता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। आइए देखें कि यह गुप्त ऊष्मा प्रशीतन प्रभाव में कैसे योगदान करती है और विकल्प 1 सही उत्तर क्यों है।

प्रशीतन चक्र:

प्रशीतन चक्र में चार मुख्य प्रक्रियाएँ होती हैं: वाष्पीकरण, संपीड़न, संघनन और प्रसार। यहाँ प्रत्येक प्रक्रिया का संक्षिप्त अवलोकन दिया गया है:

1. वाष्पीकरण: प्रशीतक रेफ्रिजरेटर के आंतरिक भाग से ऊष्मा को अवशोषित करता है, जिससे यह वाष्पित हो जाता है। द्रव से गैस में इस चरण परिवर्तन के लिए प्रशीतक को अपने परिवेश से महत्वपूर्ण मात्रा में गुप्त ऊष्मा को अवशोषित करने की आवश्यकता होती है, जो बदले में आंतरिक स्थान को ठंडा करता है।
2. संपीड़न: वाष्पित प्रशीतक को कंप्रेसर द्वारा संपीड़ित किया जाता है, जिससे इसका दाब और तापमान बढ़ जाता है।
3. संघनन: उच्च-दाब, उच्च-तापमान प्रशीतक अपने बाहरी वातावरण में अपनी ऊष्मा को छोड़ता है क्योंकि यह वापस द्रव में संघनित हो जाता है।
4. प्रसार: द्रव प्रशीतक एक प्रसार वाल्व से गुजरता है, जिससे इसका दाब और तापमान कम हो जाता है, और यह चक्र को फिर से शुरू करने के लिए बाष्पीकरणकर्ता में वापस आ जाता है।

बर्फ की गुप्त ऊष्मा (गलन):

• गलन की गुप्त ऊष्मा उस ऊष्मा की मात्रा है जिसकी आवश्यकता किसी पदार्थ को उसके गलनांक पर ठोस से द्रव में बदलने के लिए होती है बिना उसके तापमान को बदले। बर्फ के लिए, यह प्रक्रिया 0°C (32°F) पर होती है। जब बर्फ पिघलती है, तो यह महत्वपूर्ण मात्रा में ऊष्मा को अवशोषित करती है, जिसे गलन की गुप्त ऊष्मा के रूप में जाना जाता है, जो पानी के लिए लगभग 334 kJ/kg है।

एक प्रशीतन चक्र के संदर्भ में, गलन की गुप्त ऊष्मा निम्नलिखित कारणों से आवश्यक है:

• वाष्पीकरण के दौरान ऊष्मा अवशोषण: बाष्पीकरणकर्ता में, प्रशीतक रेफ्रिजरेटर के आंतरिक भाग से ऊष्मा को अवशोषित करता है। इस ऊष्मा अवशोषण में गलन की गुप्त ऊष्मा भी शामिल है जब बर्फ मौजूद होती है। जैसे ही प्रशीतक वाष्पित होता है, यह महत्वपूर्ण मात्रा में ऊष्मा लेता है, जिसमें बर्फ को पिघलाने के लिए आवश्यक ऊष्मा भी शामिल है। यह प्रक्रिया प्रभावी रूप से आंतरिक स्थान को ठंडा करती है।
• कुशल शीतलन: गलन की गुप्त ऊष्मा का अवशोषण रेफ्रिजरेटर के आंतरिक भाग के कुशल शीतलन को सुनिश्चित करता है। प्रशीतक को वाष्पित करके और इस गुप्त ऊष्मा को अवशोषित करके, प्रशीतन चक्र रेफ्रिजरेटर के अंदर कम तापमान बनाए रख सकता है, जिससे भोजन और अन्य वस्तुएँ ठंडी रहती हैं।

अवधारणा:

$\mathrm{C}\mathrm{O}\mathrm{P}\mathrm{o}\mathrm{f}\mathrm{C}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{n}\mathrm{o}\mathrm{t}\mathrm{H}\mathrm{e}\mathrm{a}\mathrm{t}\mathrm{p}\mathrm{u}\mathrm{m}\mathrm{p}=\frac{T_1}{T_1-T_2}$

गणना:

दिया हुआ:

T₁ = 327° C = 600 K, T₂ = 27° C = 300 K

$\therefore COP=\frac{T_1}{T_1-T_2}$

$\therefore COP=\frac{600}{600-300}=\frac{600}{300}=2$

∴ कार्नोट ऊष्मा पंप का COP = 2

संकल्पना:

${\eta }_{carnot}=\frac{T_H-T_L}{T_H}=1-\frac{T_L}{T_H}$

$(COP{)}_{carnot}=\frac{T_L}{T_H-T_L}$

गणना:

दिया गया है:

η_Carnot = 50 % = 0.5, T_H = 400 K

${\eta }_{carnot}=\frac{T_H-T_L}{T_H}=1-\frac{T_L}{T_H}$

$\Rightarrow \frac{T_L}{T_H}=0.5=\frac{1}{2}$

अब,

$(COP{)}_{carnot}=\frac{T_L}{T_H-T_L}=\frac{1}{\frac{T_H}{T_L}-1}=\frac{1}{2-1}=1$

वर्णन:

प्रशीतन प्रणाली:

एक प्रशीतन प्रणाली में न्यूनतम चार महत्वपूर्ण घटक शामिल हैं अर्थात् संपीडक, संघनित्र, विस्तार वाल्व, और उद्वाष्पक। 

विस्तार वाल्व:

• विस्तार वाल्व का उद्देश्य प्रशीतन चक्र में प्रशीतक के दबाव को तीव्रता से कम करना होता है। 
• यह प्रशीतक को उद्वाष्पक में प्रवेश करने से पहले तीव्रता से ठंडा होने की अनुमति प्रदान करता है। 
• विस्तार वाल्व ऊष्मा लाभ को कम करने के लिए उद्वाष्पक के निकट स्थित होता है। 
• अधिकांश सामान्य उपकरण केशिका ट्यूब, तापीय विस्तार वाल्व, इलेक्ट्रॉनिक विस्तार वाल्व हैं। 

​

संकल्पना:

• केशिका नली घरेलू प्रशीतक, डीप फ्रीजर, वाटर कूलर और एयर कंडीशनर में सबसे अधिक इस्तेमाल होने वाले उपरोधी उपकरणों में से एक है।
• केशिका नलियों में बहुत छोटे आंतरिक व्यास और बहुत लंबी लंबाई होती है और वे कई मोड़ों पर कुंडलित होती हैं ताकि यह कम स्थान घेरे (सुगठित)।
• वे निर्माण में आसान, सस्ते और सुगठित हैं।

कार्यप्रणाली:

• जब प्रशीतक द्रवणित्र छोड़ता है और केशिका नली में प्रवेश करता है, तो इसका उच्च दबाव केशिका नली के बहुत छोटे व्यास के कारण अचानक नीचे गिर जाता है और लंबी लंबाई अधिक घर्षण शीर्ष देती है और आगे दबाव छोड़ देती है।
• दबाव में कमी से प्रशीतक का ठंडा होना और कम तापमान प्रशीतक कमरे से ऊष्मा ले सकता है।

दिया गया है: T1 = 27°C = 300 K, T2 = -23°C = 250 K, W = 1 kW; $CO{P}_{HP}=\frac{Q_1}{W}=\frac{Q_1}{Q_1-Q_2}=\frac{T_1}{T_1-T_2}=\frac{Q_H}{Q_H-Q_L}$; अब, $\frac{Q_1}{1}=\frac{300}{300-250}\Rightarrow Q=6kW$ 

संकल्पना:

आदर्श रेफ्रीजिरेटर का COP (प्रदर्शन का गुणांक) = T₁ / (T₂ – T₁) = Q₁ / W_R

$COP=\frac{Q_1}{W}=\frac{T_1}{T_2-T_1}$

T₂ = गर्म जलाशय का तापमान 

T₁ = ठंडा जलाशय का तापमान 

Q₁ = ठंडे जलाशय से अस्वीकृत ऊष्मा 

W_R = ऊष्मा को बाहर निकालने के लिए आवश्यक कार्य

गणना:

T₁ = -23 + 273 = 250 K

T₂   = 27+ 273 = 300 K

Q₁ = 0.5 kJ/s

$COP=\frac{Q_1}{W}=\frac{T_1}{T_2-T_1}\Rightarrow \frac{0.5}{W}=\frac{250}{300-250}\Rightarrow \frac{0.5}{W}=5$

W_in = 0.1 kJ/s

संकल्पना:

W (संपीडक कार्य) = h2 – h­1

RE (प्रशीतन प्रभाव) = h1­ ­­– h4

उपशीतलन का कार्यान्वयन वाष्प संपीडन प्रशीतन प्रणाली के COP को बढ़ाता है।

प्रक्रिया 3-3’ स्थिर दबाव पर उपशीतलन प्रक्रिया है।

$COP=\frac{refrigerationeffect}{workinput}=\frac{h_1-h_4}{h_2-h_1}=\frac{h_1-h_{3^{\prime }}}{h_2-h_1}$

h₃ – h_3’ = C_p (T₃ – T₃') ⇒ h₃' = h₃ – C_p(T₃ – T₃')

गणना:

दिया गया है:

h₁ = 220 kJ/kg, h₂ = 257 kJ/kg, h₃ = 87 kJ/kg

h₃' = h₃ – C_p (T₃ – T₃') = 87 – (5 × 5) = 62 kJ/kg.

$COP=\frac{220-62}{258-220}=4.15$

वर्णन:

वाष्प संपीडन प्रशीतन प्रणाली:

साधारण VCRS में चार प्रक्रियाएँ शामिल हैं:

1. संपीडक में समएंट्रॉपिक संपीडन (1-2) 
2. संघनित्र में स्थिर दबाव ऊष्मा निष्कासन (2-3)
3. उपरोधी उपकरण में सम-एन्थल्पी विस्तार (3-4)
4. उद्वाष्पक में स्थिर दबाव ऊष्मा निष्कासन (4-1)

उपरोक्त T - s आरेख से हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि वाष्प संपीडन प्रणाली में चक्र के दौरान न्यूनतम तापमान विस्तार के बाद और उद्वाष्पक में वाष्पीकरण प्रक्रिया (4-1) के दौरान होता है। 

प्रश्न में न्यूनतम तापमान का सटीक स्थान नहीं पूछा गया है, उन्होंने पूछा है कि किस प्रक्रिया के बाद सबसे कम तापमान प्राप्त किया जाएगा। सबसे कम तापमान निश्चित रूप से उद्वाष्पक में प्राप्त होता है जो विस्तार प्रक्रिया के बाद आता है इसलिए विस्तार सही उत्तर है।

वर्णन:

केशिका ट्यूब:

• केशिका ट्यूब स्थिरांक व्यास वाला एक लंबा, संकीर्ण ट्यूब होता है।
• शब्द "केशिका" एक गलत नाम है चूँकि पृष्ठीय तनाव केशिका ट्यूबों के प्रशीतन अनुप्रयोग में महत्वपूर्ण नहीं है।
• प्रशीतक केशिका ट्यूबों का विशिष्ट ट्यूब व्यास 0.5 mm से 3 mm तक की सीमा में है और लम्बाई 1.0 m से 6 m तक की सीमा में है।
• केशिका ट्यूब का मुख्य उद्देश्य दबाव को कम करना है।
• केशिका ट्यूब में दबाव कमी निम्नलिखित दो कारकों के कारण होती है:
  1. प्रशीतक ट्यूब दीवारों द्वारा प्रदान किये गए घर्षण प्रतिरोध पर काबू प्राप्त करता है। यह कुछ दबाव कमी का कारण बनता है, और 
  2. द्रव्य प्रशीतक इसके दबाव के कम होने पर द्रव्य और वाष्प के मिश्रण में प्रसारित (वाष्पित) होता है। वाष्प का घनत्व द्रव्य के घनत्व की तुलना में कम होता है। इसलिए प्रशीतक का औसत घनत्व ट्यूब में इसके प्रवाहित होने पर कम होता है। द्रव्यमान प्रवाह दर और ट्यूब का व्यास (इसलिए क्षेत्रफल) स्थिरांक होता है, इसलिए प्रशीतक का वेग तब बढ़ता है चूँकि द्रव्यमान प्रवाह दर = ρVA होता है। प्रशीतक के वेग या त्वरण में वृद्धि को भी दबाव कमी की आवश्यकता होती है।

वर्णन:

शुष्क वायु रेटेड तापमान (DART):

शुष्क वायु रेटेड तापमान की संकल्पना का प्रयोग अलग-अलग विमान प्रशीतन चक्रों की तुलना करने के लिए किया जाता है। शुष्क वायु रेटेड तापमान को नमी संघनन की अनुपस्थिति में शीतलन टरबाइन की निकासी पर वायु के तापमान के रूप में परिभाषित किया जाता है। टरबाइन में विस्तार के दौरान संघनन के घटित नहीं होने के लिए ओसांक तापमान और इस प्रकार वायु की नमी सामग्री को बहुत निम्न होना चाहिए, वायु को बहुत शुष्क होना चाहिए। विमान प्रशीतन प्रणालियाँ DART डिज़ाइन पर वायु के द्रव्यमान प्रवाह दर के आधार पर रेटेड होते हैं। फिर शीतलन क्षमता को निम्न द्वारा ज्ञात किया गया है:

Q = mcp(Ti - TDART)

जहाँ, m = द्रव्यमान प्रवाह दर, TDART =  शुष्क वायु रेटेड तापमान, Ti = केबिन तापमान

Important Points

• DART निम्न परिवेशी प्रणाली के बजाय सभी प्रणालियों के लिए मैक संख्या के साथ एकदिष्‍टत: रूप से बढ़ता है।
• साधारण प्रणाली निम्न मैक संख्याओं पर पर्याप्त होता है।
• उच्च मैक संख्याओं पर या तो बूटस्ट्रैप प्रणाली या पुनःउत्पादक प्रणाली का प्रयोग किया जाना चाहिए।
• निम्न परिवेशी तापमान वाली प्रणाली बहुत उच्च मैक संख्या, पराध्वनिक विमान के लिए सबसे उपयुक्त होता है।