या ब्लॉग पोस्टमध्ये, आपण एअर कंडिशनर घराच्या आतून बाहेर उष्णता कशी हस्तांतरित करतो हे पाहणार आहोत आणि हे शक्य करणाऱ्या हीट पंपच्या कार्यतत्त्वाचा शोध घेणार आहोत.
उन्हाळ्याच्या एका उकाड्याच्या दिवसाची कल्पना करा: तुम्ही गर्दीने भरलेल्या सबवेमधून प्रवास करत आहात, तापलेल्या डांबरी रस्त्यावरून चालत आहात आणि शेवटी एका ऑफिस किंवा वर्गात प्रवेश करता, जिथे एअर कंडिशनर जोरात चालू आहे. ज्या क्षणी तुमच्या घामाने भिजलेल्या शरीराला थंड करणारी ताजी, थंड हवा तुमच्या स्वागताला येते, त्या क्षणी एअर कंडिशनरचे अस्तित्व खरोखरच स्वागतार्ह वाटते. थोड्या वेळाने, एकदा तुम्ही पुरेसे थंड झाल्यावर आणि विचार करायला थोडा वेळ मिळाल्यावर, चला त्या एअर कंडिशनरकडे अधिक बारकाईने पाहूया ज्याने आपल्याला ती ताजी हवा दिली. एअर कंडिशनर नेमके थंड हवा कशी देत राहते? माझ्या शरीरातील आणि ऑफिस किंवा वर्गातील सगळी उष्णता गेली तरी कुठे? हीट पंपचे तत्त्व समजून घेतल्यावर याचे उत्तर स्पष्ट होते.
आपल्या सर्वांना परिचित असलेल्या पाण्याच्या पंपाच्या तुलनेत, उष्णता पंपाचे तत्त्व समजायला सोपे आहे. सर्वप्रथम, सर्वांना माहित आहे की पाणी साधारणपणे उंच जागेवरून सखल जागेकडे वाहते. तथापि, आपण पाण्याच्या पंपाचा वापर करून खालून पाणी वरच्या पातळीवर खेचू शकतो. त्याचप्रमाणे, उष्णता साधारणपणे जास्त तापमानाच्या भागातून कमी तापमानाच्या भागाकडे वाहते. परंतु, उष्णता पंपाचा वापर करून, आपण उष्णता प्रवाहाची ही नैसर्गिक दिशा उलट करू शकतो आणि कमी तापमानाच्या भागातून जास्त तापमानाच्या भागाकडे उष्णता हस्तांतरित करू शकतो. वातानुकूलक (एअर कंडिशनर) उष्णता पंपाच्या याच तत्त्वाचा उपयोग करून, घरातील तुलनेने थंड वातावरणातून सतत उष्णता काढून ती बाहेरील उष्ण वातावरणात हस्तांतरित करतात, ज्यामुळे घरातील तापमान थंड राहते.
एअर कंडिशनरला एक मोठा हीट पंप म्हणून पाहिले जाऊ शकते; तो मूलतः हीट पंपाच्या मुख्य घटकांनी बनलेला असतो: कंप्रेसर, कंडेन्सर, एक्सपान्शन व्हॉल्व्ह आणि इव्हॅपोरेटर. या घटकांपैकी, कंडेन्सर आणि इव्हॅपोरेटर अनुक्रमे बाहेरील आणि आतील युनिट्समध्ये उष्णता विनिमयक (हीट एक्सचेंजर) म्हणून कार्य करतात, तर उर्वरित घटक—ज्यात कंप्रेसर आणि एक्सपान्शन व्हॉल्व्हचा समावेश आहे—रेफ्रिजरंटच्या प्रवाहाचे नियमन करतात. सर्व घटक पाईप्सद्वारे जोडलेले असतात, ज्यामधून रेफ्रिजरंट सतत फिरत असतो. रेफ्रिजरंट उष्णता हस्तांतरित करण्यासाठी एक माध्यम म्हणून कार्य करतो; पूर्वी फ्रिऑन-आधारित रेफ्रिजरंट्सचा मोठ्या प्रमाणावर वापर केला जात असला तरी, आधुनिक एअर कंडिशनर आणि हीट पंप विशिष्ट युनिट आणि त्याच्या उद्देशित वापरानुसार R-32, R-410A, आणि R-454B सारख्या विविध रेफ्रिजरंट्सचा वापर करतात. प्रवाह प्रक्रियेदरम्यान, रेफ्रिजरंटचे रासायनिक गुणधर्म मोठ्या प्रमाणात अपरिवर्तित राहतात; तो दाब आणि तापमानानुसार द्रव आणि वायू अवस्थांमध्ये बदलतो, ज्यामुळे उष्णता घराच्या आतून बाहेर हस्तांतरित होते.
उष्णता पंप, दाब आणि तापमानानुसार रेफ्रिजरंटच्या वायू आणि द्रव अवस्थांमध्ये बदलण्याच्या क्षमतेचा उपयोग करून, संघनन प्रक्रियेदरम्यान उष्णता बाहेर सोडून आणि बाष्पीभवन प्रक्रियेदरम्यान उष्णता शोषून घेऊन, उष्णता एका ठिकाणाहून दुसऱ्या ठिकाणी हस्तांतरित करतात. रेफ्रिजरंटचा हा गुणधर्म—दाबानुसार बाष्पीभवन किंवा द्रवीकरण होणे—एखाद्या माध्यमिक किंवा उच्च माध्यमिक शाळेच्या वर्गाची कल्पना करून सहजपणे समजू शकतो. जर आपण वर्गातील विद्यार्थ्यांना रेफ्रिजरंट मानले, तर जेव्हा शिक्षकाचा "दाब" असतो, तेव्हा विद्यार्थी मुक्तपणे फिरू शकत नाहीत आणि आपल्या जागेपासून फार दूर जाऊ शकत नाहीत. दुसऱ्या शब्दांत, हे द्रव अवस्थेसारखे आहे, जिथे कणांच्या हालचालींवर निर्बंध असतात आणि ते एकमेकांच्या जवळ एकत्र जमलेले असतात. याउलट, जेव्हा "शिक्षक"—जो दाबाचे प्रतिनिधित्व करतो—वर्गातून निघून जातो, म्हणजेच जेव्हा दाब कमी होतो, तेव्हा मुले मुक्तपणे फिरू लागतात, आपल्या जागा सोडून इकडेतिकडे भटकतात. हे उदाहरण वायू अवस्था स्पष्ट करण्यास मदत करते, ज्यामध्ये रेणू सक्रियपणे फिरतात.
दाबानुसार रेफ्रिजरंटचे द्रवीकरण किंवा बाष्पीभवन कसे होते हे आता आपल्याला समजले आहे, तर आता आपण रेफ्रिजरंटच्या प्रवाहाचे निरीक्षण करून एअर कंडिशनरमध्ये ही प्रक्रिया कशी घडते ते पाहूया. रेफ्रिजरंट सतत फिरत असल्यामुळे, आपण चार घटकांपैकी कोणत्याही घटकापासून सुरुवात केली तरी परिणाम सारखाच असतो; तथापि, सोयीसाठी, आपण कंप्रेसरपासून सुरुवात करूया. सर्वप्रथम, रेफ्रिजरंट कमी दाबाच्या वायू अवस्थेत कंप्रेसरमध्ये प्रवेश करतो. त्यानंतर कंप्रेसर विद्युत ऊर्जेचा वापर करून कमी दाबाच्या वायू रेफ्रिजरंटला उच्च दाबाच्या वायू अवस्थेत रूपांतरित करतो. या प्रक्रियेदरम्यान, रेफ्रिजरंटचा दाब आणि तापमान दोन्ही वाढतात. आता उच्च तापमान आणि उच्च दाबाच्या वायू अवस्थेत असलेला रेफ्रिजरंट कंडेन्सरकडे जातो, जिथे तो बाहेरील हवेच्या तापमानापेक्षा जास्त तापमानावर उष्णता बाहेर टाकत द्रवरूप होतो. या प्रक्रियेदरम्यान, रेफ्रिजरंट बाहेरच्या बाजूला उष्णता सोडतो; परिणामी, संपीडन आणि संघननाच्या सतत चालणाऱ्या प्रक्रियांमुळे, ते आतील जागेतून शोषलेली उष्णता आणि कंप्रेसरला पुरवलेल्या ऊर्जेशी संबंधित उष्णता बाहेर टाकते.
वर वर्णन केलेल्या प्रक्रियेद्वारे उष्णता बाहेर टाकल्यानंतर, रेफ्रिजरंट उच्च-दाबाचा द्रव बनतो. त्यानंतर तो एका विस्तार झडपेतून (expansion valve) जातो, जी रेफ्रिजरंटचा दाब कमी करते—जे कंप्रेसरच्या कार्याच्या अगदी उलट आहे. रेफ्रिजरंट विस्तार झडपेतून जात असताना, त्याचा दाब आणि तापमान कमी होते, ज्यामुळे तो कमी-तापमान, कमी-दाबाच्या स्थितीत येतो. त्याचा काही भाग अर्धवट बाष्पीभवन झालेल्या द्रव आणि वायूच्या मिश्रणात बाष्पीकरण यंत्रात (evaporator) प्रवेश करतो. त्यानंतर, घरातील बाष्पीकरण यंत्रात रेफ्रिजरंटचे बाष्पीभवन होत असताना, तो खोलीतील उष्णता शोषून घेतो आणि कमी-दाबाच्या वायू अवस्थेत पुन्हा कंप्रेसरमध्ये प्रवेश करतो. रेफ्रिजरंटच्या बाष्पीभवनासाठी लागणारी उष्णता घरातील हवेतून शोषली जात असल्यामुळे, खोलीतील उष्णता काढून टाकली जाते आणि खोली थंड होते. विस्तार आणि बाष्पीभवनाच्या प्रक्रियेद्वारे घरातील जागेतून उष्णता शोषून घेतलेला रेफ्रिजरंट, पुन्हा कमी-दाबाच्या वायू अवस्थेत येतो आणि कंप्रेसरमध्ये प्रवेश करतो—जे चक्राचा पहिला टप्पा आहे. थोडक्यात सांगायचे झाल्यास, हीट पंपमध्ये, रेफ्रिजरंट संपीडन (compression) आणि संघनन (condensation) द्वारे उष्णता बाहेर सोडतो आणि प्रसरण (expansion) व बाष्पीभवन (evaporation) द्वारे खोलीतील उष्णता शोषून घेतो. हे चक्र सतत पुनरावृत्त करून, हीट पंप अखेरीस खोलीतून बाहेर उष्णता हस्तांतरित करण्याचा आपला उद्देश साध्य करतो. एअर कंडिशनरच्या बाबतीत, हे हीट पंप चक्र खोली थंड करण्यासाठी वापरले जात असल्यामुळे, याला सामान्यतः शीतकरण चक्र (cooling cycle) म्हटले जाते. याउलट, जेव्हा हीट पंपमधील रेफ्रिजरंट प्रवाहाची दिशा उलट केली जाते, तेव्हा इमारतीच्या आत आणि बाहेर असलेल्या इव्हॅपोरेटर (evaporator) आणि कंडेन्सरच्या (condenser) भूमिकांची अदलाबदल होते. या प्रकरणात, हीट पंप बाहेरून उष्णता शोषून घेतो आणि ती इमारतीच्या आत हस्तांतरित करतो; हीट पंप आतील भाग गरम करत असल्यामुळे, याचा उपयोग उष्णता चक्र (heating cycle) म्हणून केला जाऊ शकतो. दुसऱ्या शब्दांत, रेफ्रिजरंट प्रवाहाची दिशा उलट करून, एकाच हीट पंपचा उपयोग शीतकरण आणि उष्णता या दोन्हीसाठी केला जाऊ शकतो, आणि हे तत्त्व शीतकरण व उष्णता कार्ये एकत्रित करणाऱ्या एअर कंडिशनर आणि हीट पंप प्रणालींमध्ये दिसून येते.
