LNG शीतलन प्रणालियों के डिज़ाइन में ऊर्जा-दक्षता अनुपात एवं ऊर्जा-संयोजन संबंधी विवरण।

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नीचे मैंने खुद ही एक लेख तैयार किया है; सभी से इस पर चर्चा करने, आलोचनाएँ एवं सुझाव देने का आग्रह है। परिचय: पर्यावरण संरक्षण एवं ऊर्जा संरक्षण की आवश्यकताओं के कारण, शीतलन प्रणालियों द्वारा खपत होने वाली बिजली की मात्रा सबसे महत्वपूर्ण मापदंड है। LNG संयंत्रों के संचालन हेतु, जब उपकरणों की लागत निश्चित होती है, तो ऊर्जा-बचत वाली एवं दक्ष प्रक्रियाओं का चयन करना ही लागत कम करके आय बढ़ाने का सबसे महत्वपूर्ण तरीका है। एयर कंडीशनिंग उत्पादों के मामले में, ऊर्जा-दक्षता स्तर वह मापदंड है जिसके द्वारा एयर कंडीशनिंग उत्पादों की ऊर्जा-दक्षता में होने वाले अंतर को दर्शाया जाता है। ऊर्जा-दक्षता अनुपात, निर्धारित शीतलन क्षमता एवं निर्धारित शक्ति (बिजली की खपत) के अनुपात को दर्शाता है। **मानक संबंधी नियमों के अनुसार, एयर कंडीशनरों की ऊर्जा-दक्षता को 1, 2, 3, 4, 5 ऐसे पाँच स्तरों में विभाजित किया गया है। इन स्तरों के अनुरूप ऊर्जा-दक्षता के मान क्रमशः 3.4 से अधिक, 3.2–3.4, 3.0–3.2, 2.8–3.0, 2.6–2.8 हैं।** नियमों के अनुसार, यदि किसी उत्पाद की ऊर्जा-दक्षता स्तर, न्यूनतम बाजार प्रवेश मानदंडों के 5वें स्तर से कम है, तो उसे बाजार में बेचने की अनुमति नहीं है। ऊर्जा-दक्षता संबंधी चिह्न का पृष्ठभूमि रंग नीला होता है; इसके ऊपर “निर्माता का नाम”, “मॉडल/विनिर्देश” आदि जानकारियाँ लिखी होती हैं। ； सबसे ध्यान आकर्षित करने वाला हिस्सा, चिह्न का मध्य भाग है; इसमें 1 से 5 तक के स्तर दर्शाए गए हैं, जो हरे रंग से लेकर लाल रंग तक हैं। बाईं ओर “कम ऊर्जा खपत” से लेकर “अधिक ऊर्जा खपत” तक की जानकारी दी गई है। ऊपरी दाईं ओर, उस उत्पाद के ऊर्जा-दक्षता स्तर को स्पष्ट रूप से दर्शाया गया है। लोगो के नीचे “ऊर्जा दक्षता अनुपात”, “इनपुट पावर” एवं “कूलिंग क्षमता” संबंधी विस्तृत आंकड़े दिए गए हैं। 1. LNG शीतलन प्रणाली का ऊर्जा-दक्षता अनुपात: LNG शीतलन प्रणाली में कूलेंट कंप्रेसर, कंडेनसर, J-T वाल्व एवं कूलिंग चेम्बर जैसे कई मुख्य घटक होते हैं। LNG संघनन प्रक्रिया हेतु उपयोग में आने वाली शीतलन प्रणाली भी एक बंद चक्रीय प्रणाली ही है। जैसा कि नीचे दर्शाया गया है: क्रायोजेनिक पदार्थ, क्रायोजेनिक कंप्रेसर द्वारा संपीडित होकर उच्च तापमान एवं उच्च दबाव वाली अवस्था में आ जाता है। इसके बाद यह कंडेंसर से गुजरकर ठंडा हो जाता है, एवं इसमें मौजूद ऊष्मा बाहर निकल जाती है। क्रायोजेनिक पदार्थ, कूलिंग चैंबर में जाकर शुद्ध किए गए प्राकृतिक गैस के साथ ऊष्मा-आदान-प्रदान करता है; इस प्रक्रिया में क्रायोजेनिक पदार्थ, प्राकृतिक गैस में मौजूद ऊष्मा को अपने अंदर सोख लेता है। इसके बाद यह पुनः क्रायोजेनिक कंप्रेसर में जाकर संपीडित हो जाता है, एवं इसकी अवस्था पुनः मूल अवस्था में आ जाती है। ऊर्जा-दक्षता अनुपात = अवशोषित प्राकृतिक गैस की ऊष्मा Q_अवशोषण / कंप्रेसर द्वारा की गई कार्य-ऊर्जा W। अवशोषित प्राकृतिक गैस की ऊष्मा Q_अवशोषण, प्राकृतिक गैस के तरलीकरण की प्रक्रिया में उत्पन्न होने वाली स्पष्ट ऊष्मा, एवं चरण-परिवर्तन की प्रक्रिया में उत्पन्न होने वाली गुप्त ऊष्मा का योग है; अर्थात् यह ही कूलिंग बॉक्स पर लगने वाला वास्तविक ऊष्मा-भार है कंप्रेसर द्वारा किया गया कार्य W, वास्तव में कूलेंट कंप्रेसर की वास्तविक शक्ति है। यदि 3 लाख घन मीटर/दिन की क्षमता वाले LNG संयंत्र में कूलिंग यूनिट का ऊष्मा भार 3171 KW है, एवं कंप्रेसर की शक्ति 1000 KW है, तो LNG शीतलन प्रणाली का ऊर्जा-दक्षता अनुपात 3.171 होगा। यदि कंप्रेसर की शक्ति 2000 KW है, तो ऊर्जा-दक्षता अनुपात 1.58 होगा। यदि एयर-कंडीशनिंग उपकरणों के ऊर्जा-दक्षता मानकों के अनुसार यह मान 5वें स्तर के न्यूनतम मान 2.6 से कम है, तो ऐसे उत्पादों को बाजार में बेचने की अनुमति नहीं है। 2. LNG शीतलन प्रणाली में कूलिंग टैंक के लोड की गणना: कूलिंग टैंक, LNG शीतलन प्रणाली के महत्वपूर्ण घटकों में से एक है; कूलिंग टैंक की क्षमता ही LNG के बड़े पैमाने पर उत्पादन हेतु सबसे महत्वपूर्ण कारक है। ऊपर दिए गए उदाहरण में, प्रति समय शीतकरण बॉक्स द्वारा अवशोषित की जाने वाली प्राकृतिक गैस की ऊष्मा ही, शीतकरण बॉक्स की क्षमता है; इसे KW में व्यक्त किया जा सकता है। प्रति इकाई समय में कूलिंग बॉक्स द्वारा अवशोषित ऊष्मा की मात्रा, निर्धारित दैनिक प्राकृतिक गैस उपयोग मात्रा के आधार पर निकाली जा सकती है। इसकी गणना, प्राकृतिक गैस के तरलीकरण की प्रक्रिया में कूलिंग बॉक्स में उत्पन्न होने वाली ऊष्मा, अर्थात् विशिष्ट ऊष्मा Q_v, एवं गैस के गैसीय अवस्था से तरल अवस्था में परिवर्तन की प्रक्रिया में उत्पन्न होने वाली छिपी हुई ऊष्मा Q_s के योग से की जाती है। उदाहरण के लिए, जो LNG संयंत्र प्रतिदिन 3 लाख मीट्रिक घन मीटर प्राकृतिक गैस को संसाधित करता है, वहाँ प्राकृतिक गैस का घनत्व 0.72 किग्रा/नैनोमीटर³ है, इसकी ऊष्मा क्षमता 2156 जूल/(किग्रा•केल्विन) है, एवं गैस के तरलीकरण हेतु आवश्यक तापमान अंतर 260 डिग्री है। इन मानों के आधार पर ऊष्मा मान निकालने पर प्राप्त मान है:
Q = 30×10000×0.72×2.156×260/(24×3600) = 1401 किलोवाट।
प्राकृतिक गैस की वाष्पीकरण हेतु आवश्यक ऊष्मा मान 510.25 किलोजूल/मीट्रिक घन मीटर है; इसके आधार पर 3 लाख मीट्रिक घन मीटर गैस के लिए आवश्यक ऊष्मा मान है:
Q डुबकी = 30×10000×510.25/(24×3600) = 1771.7 किलोवाट।
अतः, 3 लाख मीट्रिक घन मीटर प्राकृतिक गैस को प्रतिदिन संसाधित करने हेतु LNG शीतलन प्रणाली का कुल प्रभावी ऊष्मा भार 3171.7 किलोवाट है।

3. LNG शीतलन प्रणाली का ऊर्जा-संबंधी डिज़ाइन:
ऊपर दिए गए चक्र से पता चलता है कि कूलिंग चेम्बर द्वारा अवशोषित प्रभावी ऊर्जा Q खींचें। कंप्रेसर द्वारा आपूर्ति की गई प्रभावी ऊर्जा W – ये सभी ऊर्जाएँ कूलेंट कंडेंसर द्वारा ही शीतलित की जाती हैं। ऐसा करने से कूलेंट की ऊर्जा मूल स्थिति में वापस आ जाती है, ताकि अगला शीतलन चक्र शुरू हो सके। अतः, कूलेंट कंडेनसर से निकलने वाली ऊर्जा Q_डिस्चार्ज, कूलिंग चेम्बर के प्रभावी ताप-भार Q_इनलेट के बराबर होनी चाहिए; साथ ही इसमें कूलेंट कंप्रेसर द्वारा उत्पन्न ऊर्जा W भी शामिल होनी चाहिए। अर्थात्, Q_डिस्चार्ज = Q_इनलेट + W। यदि कूलेंट कंडेनसर की ऊर्जा-क्षमता पर्याप्त न हो, तो परिणामस्वरूप रेफ्रिजरेशन सिस्टम की शीतलन-क्षमता कम हो जाती है, और तरल रूप में उत्पन्न होने वाले उत्पादों की मात्रा भी कम हो जाती है।