ऊर्जा उपयोग के पर्यावरणीय प्रभाव: वायु प्रदूषक, ग्रीनहाउस गैसें, उत्सर्जन गुणांक और सूचियाँ
2. ग्रीनहाउस गैसें, स्रोत और CO₂-समतुल्य
ग्रीनहाउस गैसें बाहर जाने वाले अवरक्त विकिरण को अवशोषित कर निचले वायुमंडल को गरम करती हैं। मानवीय गतिविधि से मुख्य गैसें कार्बन डाइऑक्साइड (CO₂), मीथेन (CH₄), नाइट्रस ऑक्साइड (N₂O) और फ्लोरीनित गैसें (हाइड्रोफ्लोरोकार्बन, परफ्लोरोकार्बन, सल्फर हेक्साफ्लोराइड) हैं। जलवाष्प भी ग्रीनहाउस गैस है, पर उसकी मात्रा ताप के प्रति अनुक्रिया करती है और उत्सर्जन से सीधे तय नहीं होती।
- CO₂: कोयला, तेल व गैस का दहन (ऊर्जा प्रणालियों में सबसे बड़ा स्रोत), और सीमेंट-निर्माण में चूनापत्थर का निस्तापन, जो कच्चे माल से ही CO₂ छोड़ता है।
- CH₄: पशुधन, धान के खेत, भूभरण, कोयला खनन व तेल-गैस प्रणालियों में रिसाव व वातन, और अपूर्ण दहन।
- N₂O: उर्वरित मृदाएँ, नाइट्रिक अम्ल उत्पादन जैसी कुछ औद्योगिक प्रक्रियाएँ, और कुछ दहन प्रक्रम।
- फ्लोरीनित गैसें: प्रशीतक व फ़ोम-प्रवाहक, और विद्युत स्विचगियर में रोधी गैस के रूप में SF₆; अल्प मात्रा में, पर दीर्घजीवी व प्रबल अवशोषक।
गैसों को भूमंडलीय तापन क्षमता (GWP) से साझा पैमाने पर लाया जाता है: बताई समय-सीमा (सामान्यतः 100 वर्ष) में गैस के 1 kg से हुआ तापन, 1 kg CO₂ के सापेक्ष, अतः GWP(CO₂) = 1। किसी उत्सर्जन का CO₂-समतुल्य CO₂e = Σ mᵢ × GWPᵢ है। GWP मान चुनी समय-सीमा और उस वैज्ञानिक आकलन पर निर्भर हैं जिससे लिए गए हों, अतः प्रश्न में उन्हें बताना होता है। हल, GWP(CH₄) = 28 व GWP(N₂O) = 265 दिए होने पर: 1000 kg CH₄ और 10 kg N₂O 28 000 + 2650 = 30 650 kg CO₂e हैं।
3. स्टॉइकियोमेट्रिक उत्सर्जन गणनाएँ
परमाणु द्रव्यमान C = 12, H = 1, O = 16, S = 32 (kg/kmol) लें। प्रत्येक पूर्ण अभिक्रिया ईंधन-तत्त्व की प्रति इकाई उत्सर्जन तय करती है: C + O₂ → CO₂ से 44/12 = 3.667 kg CO₂ प्रति kg कार्बन; S + O₂ → SO₂ से 64/32 = 2 kg SO₂ प्रति kg गंधक (यदि सारा गंधक ऑक्सीकृत हो और राख में कुछ न रहे); CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O से 44/16 = 2.75 kg CO₂ प्रति kg मीथेन। 72 % कार्बन वाले कोयले के 200 kg/h जलाने पर 200 × 0.72 × 44/12 = 528 kg CO₂/h उत्सर्जित होती है।
फ़्लू-गैस संघटन। वायु को आयतन में 21 % O₂ व 79 % N₂ मानें (प्रति kmol O₂ पर 3.76 kmol N₂)। सैद्धांतिक वायु पर मीथेन हेतु: CH₄ + 2O₂ + 7.52N₂ → CO₂ + 2H₂O + 7.52N₂। शुष्क उत्पाद 1 + 7.52 = 8.52 kmol हैं, अतः शुष्क CO₂ = 1/8.52 = 11.74 %। 20 % अतिरिक्त वायु पर अतिरिक्त 0.4 kmol O₂ (और 1.504 kmol N₂) अप्रतिक्रियित दिखते हैं: शुष्क उत्पाद = 1 + 0.4 + 9.024 = 10.424 kmol, CO₂ = 9.59 % व O₂ = 3.84 %। अतिरिक्त वायु प्रत्येक प्रदूषक को तनु करती है, अतः मापे सांद्रण को समान ऑक्सीजन स्तर पर सुधारना पड़ता है।
- ppm से द्रव्यमान: मोलर द्रव्यमान M की गैस हेतु C (mg/Nm³) = ppm × M/22.414, जहाँ 22.414 L/mol 0 °C व 1 atm (“सामान्य” स्थितियाँ) पर मोलर आयतन है। 500 ppm SO₂ (M = 64) = 500 × 64/22.414 = 1428 mg/Nm³ है।
- ऑक्सीजन सुधार: C_ref = C_meas × (21 − O₂,ref)/(21 − O₂,meas), ऑक्सीजन आयतन-% में समान (शुष्क) आधार पर। 6 % O₂ पर मापा 300 mg/Nm³ NOx, 3 % O₂ संदर्भ पर 300 × 18/15 = 360 mg/Nm³ है, क्योंकि अतिरिक्त वायु का तनुकरण हटा दिया जाता है।
4. उत्सर्जन गुणांक और सूचियाँ
उत्सर्जन गुणांक (EF) किसी गतिविधि की प्रति इकाई मुक्त प्रदूषक का द्रव्यमान है: kg CO₂ प्रति GJ ईंधन, g NOx प्रति kWh बिजली, kg SO₂ प्रति टन कोयला। सूची प्रत्येक गतिविधि (जलाया ईंधन, खरीदी बिजली, बना उत्पाद) को उसके EF से गुणा कर जोड़ती है: E = Σ Aᵢ × EFᵢ। यदि निष्कासन-दक्षता η का नियंत्रण यंत्र लगा हो तो E = A × EF × (1 − η)।
किसी संगठन की ग्रीनहाउस-गैस सूची में उत्सर्जन को व्यापक प्रचलित स्कोप परिपाटी से वर्गीकृत किया जाता है: स्कोप 1 संगठन के अपने स्रोतों (बॉयलर, भट्टियाँ, वाहन, प्रक्रम उत्सर्जन) से प्रत्यक्ष उत्सर्जन; स्कोप 2 खरीदी गई बिजली, भाप या ऊष्मा के उत्पादन से अप्रत्यक्ष उत्सर्जन; स्कोप 3 मूल्य-शृंखला में अन्य सभी अप्रत्यक्ष उत्सर्जन (खरीदी सामग्री, परिवहन, उत्पादों का उपयोग)। खरीदी गई प्रत्येक kWh पर ग्रिड उत्सर्जन गुणांक, यानी आपूर्ति के प्रति kWh औसत kg CO₂, लगता है, अतः खरीदी बिजली घटाने से स्कोप 2 प्रति kWh उसी गुणांक से घटता है।
| स्रोत | गतिविधि × गुणांक | उत्सर्जन |
|---|---|---|
| स्कोप 1: गैस बॉयलर | 10 000 GJ गुणा 56 kg/GJ | 560 t CO₂ |
| स्कोप 2: ग्रिड बिजली | 2.0 × 10⁶ kWh गुणा 0.82 kg/kWh | 1640 t CO₂ |
| कुल | 560 जमा 1640 | 2200 t CO₂ |
| ग्रिड बिजली का 10 % बचाने पर | 0.10 गुणा 1640 | 164 t की बचत |
5. नियंत्रण दक्षता और अवक्षेपित्र
किसी नियंत्रण यंत्र की निष्कासन दक्षता η = (C_in − C_out)/C_in = 1 − C_out/C_in है, या समतुल्यतः द्रव्यमान-प्रवाह से। श्रेणी के यंत्र अपने प्रवेशन से संयोजित होते हैं: निकलने वाला अंश व्यक्तिगत (1 − η) का गुणनफल है, अतः η_total = 1 − (1 − η₁)(1 − η₂)। 70 % का साइक्लोन और उसके बाद 99 % का कपड़ा फ़िल्टर 0.30 × 0.01 = 0.003 निकलने देता है, अतः η_total = 99.7 %। 12 t/h SO₂ का 90 % लेने वाला स्क्रबर चिमनी तक 12 × 0.10 = 1.2 t/h पहुँचने देता है।
स्थिरवैद्युत अवक्षेपित्र में कणों को आवेशित कर संग्राहक प्लेटों की ओर खींचा जाता है। आदर्श प्लग-प्रवाह हेतु, जिसमें प्लेटों की ओर प्रवास-वेग w, संग्रहण क्षेत्रफल A और गैस-प्रवाह Q हो, डॉयच–एंडरसन समीकरण η = 1 − exp(−wA/Q) देता है। घातांक wA/Q = 4 पर η = 1 − e⁻⁴ = 98.2 %; प्लेट-क्षेत्रफल दोगुना कर wA/Q = 8 करने पर 99.97 %। दक्षता क्षेत्रफल से बढ़ती व गैस-प्रवाह से घटती है, और निम्न w वाले महीन कणों को बड़ा प्लेट-क्षेत्रफल चाहिए।
मुख्य बिंदु
- SOx ईंधन-बद्ध है (S + O₂ → SO₂, प्रति kg S पर 2 kg SO₂); NOx मुख्यतः तापीय है और निम्न ज्वाला ताप से घटता है; CO अपूर्ण दहन का संकेत है; कणिकीय पदार्थ राख व कज्जल से आते हैं।
- ग्रीनहाउस गैसें CO₂, CH₄, N₂O व फ्लोरीनित गैसें हैं; GWP उन्हें प्रति किलोग्राम CO₂ पैमाने पर लाता है, और CO₂e = Σ m × GWP, GWP मान दिए होने पर।
- स्टॉइकियोमेट्री CO₂ को 44/12 kg प्रति kg कार्बन पर तय करती है; अतिरिक्त वायु बढ़ने पर फ़्लू-गैस में शुष्क CO₂ घटती है, और सांद्रण संदर्भ O₂ पर (21 − O₂,ref)/(21 − O₂,meas) से सुधारा जाता है।
- सूची E = Σ गतिविधि × उत्सर्जन गुणांक है, नियंत्रण हेतु (1 − η) के साथ; CO₂ गुणांक दृढ़ हैं, NOx व CO गुणांक दहन-स्थितियों पर निर्भर हैं।
- स्कोप 1 प्रत्यक्ष है, स्कोप 2 खरीदी बिजली, भाप या ऊष्मा है, और स्कोप 3 मूल्य-शृंखला का शेष है।
- श्रेणी की नियंत्रण दक्षताएँ प्रवेशन से संयोजित होती हैं; अवक्षेपित्र η = 1 − exp(−wA/Q) का पालन करता है; प्रत्येक यंत्र केवल वही प्रदूषक-वर्ग हटाता है जिसके लिए बना है।
अभ्यास प्रश्न (16)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
एक गैस-चालित भट्टी में फ़्लू-गैस का कुछ भाग दहन-वायु में पुनःसंचरित किया जाता है, जिससे शिखर ज्वाला ताप घटता है। सर्वाधिक प्रत्यक्ष रूप से घटने वाला प्रदूषक है
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उत्तर: D — तापीय NOx, क्योंकि N₂ का ऑक्सीकरण ज्वाला ताप के साथ तीव्रता से बढ़ता है
तापीय NOx वायुमंडलीय N₂ व O से उच्च ताप पर बनता है और ताप पर तीव्र निर्भर है, अतः ज्वाला ठंडी करने से घटता है। SO₂ ईंधन के गंधक से और CO₂ ईंधन के कार्बन से तय है, ज्वाला ताप चाहे जो हो; गैस ईंधन में घटाने योग्य खनिज राख नहीं होती।बॉयलर पर, अतिरिक्त वायु एक निश्चित स्तर से नीचे घटाने पर फ़्लू-गैस में CO तेज़ी से बढ़ती है। सर्वाधिक प्रत्यक्ष स्पष्टीकरण यह है कि
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उत्तर: A — उपलब्ध ऑक्सीजन व मिश्रण CO को CO₂ में पूर्ण ऑक्सीकृत करने हेतु अब पर्याप्त नहीं रहते
आवश्यक वायु से कम में सारा कार्बन CO₂ तक नहीं पहुँच पाता, अतः CO (और कज्जल) दिखते हैं; इसीलिए ऑक्सीजन-ट्रिम शून्य अतिरिक्त वायु से पहले रुक जाता है। अन्य क्रियाविधियाँ नहीं होतीं: गंधक SO₂ देता है, और N₂ CO नहीं बनाती।एक कोयले में द्रव्यमान से 2.0 % गंधक है, जो सारा SO₂ में ऑक्सीकृत होता है और राख में कुछ नहीं रहता। परमाणु द्रव्यमान: S = 32, O = 16। प्रति टन जले कोयले से मुक्त SO₂ है
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उत्तर: B — 40 kg, क्योंकि SO₂ अपने गंधक से दोगुनी भारी है
1 t में गंधक 20 kg है। S + O₂ → SO₂ से 64/32 = 2 kg SO₂ प्रति kg S, अतः 40 kg। गंधक का द्रव्यमान ही बताना जुड़ी ऑक्सीजन भूल जाना है।एक विश्लेषक आयतन में 6 % O₂ वाली शुष्क फ़्लू-गैस में 300 mg/Nm³ NOx पढ़ता है। एक विनियमन NOx को 3 % O₂ संदर्भ पर बताता है, C_ref = C_meas × (21 − O₂,ref)/(21 − O₂,meas) से। संदर्भ-आधार सांद्रण है
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उत्तर: B — 360 mg/Nm³, 300 × 18/15 से
(21 − 3)/(21 − 6) = 18/15 = 1.2, अतः 300 × 1.2 = 360 mg/Nm³। नमूना अतिरिक्त वायु से तनुकृत था (6 % O₂ बनाम 3 %), अतः तनुकरण हटाने से संख्या बढ़ती है; उलटा अनुपात इसे घटाता, और सरल ऑक्सीजन अनुपातों का सुधार में कोई आधार नहीं।किसी ग्रीनहाउस-गैस उत्सर्जन का CO₂-समतुल्य प्राप्त होता है
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उत्तर: A — प्रत्येक गैस के उत्सर्जित द्रव्यमान को उसकी भूमंडलीय तापन क्षमता से गुणा कर जोड़कर
CO₂e = Σ m × GWP प्रत्येक गैस को CO₂ के उस द्रव्यमान के रूप में व्यक्त करता है जो बताई समय-सीमा में समान तापन दे। बिना भार का योग प्रति kg तापन के बड़े अंतर की उपेक्षा करता है, और मोलर या कार्बन अंश संघटन मापते हैं, तापन नहीं।ग्रीनहाउस-गैस सूचियों की स्कोप परिपाटी में, कारख़ाने द्वारा ग्रिड से खरीदी बिजली के कारण विद्युत-स्टेशन पर होने वाले उत्सर्जन कारख़ाने की सूची में गिने जाते हैं
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उत्तर: B — स्कोप 2 के रूप में, खरीदी बिजली के अप्रत्यक्ष उत्सर्जन की भाँति
खरीदी बिजली, भाप व ऊष्मा स्कोप 2 बनाती हैं; अपने बॉयलर व वाहनों के प्रत्यक्ष उत्सर्जन स्कोप 1 हैं, और कारख़ाना अपनी खपत से स्कोप 2 का उत्तरदायी है चाहे उसकी चिमनी न हो।नियंत्रण प्रौद्योगिकी और उस प्रदूषक की निम्नलिखित जोड़ियों में से कौन-सी सही है जिसे हटाने हेतु वह मुख्यतः बनी है?
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उत्तर: D — NOx हेतु अमोनिया सहित चयनात्मक उत्प्रेरक अपचयन
SCR उत्प्रेरक पर अमोनिया से NOx को N₂ व जल में अपचयित करता है। अवक्षेपित्र, कपड़ा फ़िल्टर व साइक्लोन कण एकत्र करते हैं और SO₂, NOx या CO जैसी गैसों हेतु कुछ नहीं करते।एक संयंत्र प्रबंधक देखता है कि ईंधन का प्रकाशित CO₂ उत्सर्जन गुणांक किसी भी बॉयलर पर लगाया जा सकता है, पर प्रकाशित NOx गुणांक किसी विशेष बॉयलर हेतु खराब आकलन देता है। कारण यह है कि
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उत्तर: C — CO₂ ईंधन की कार्बन-मात्रा से निकलती है, जबकि NOx बर्नर-अभिकल्प, भार, अतिरिक्त वायु व ज्वाला ताप पर निर्भर है
पूर्ण दहन प्रति इकाई ईंधन-कार्बन CO₂ तय करता है; NOx दहन-स्थितियों से तय होता है, अतः सामान्य गुणांक बहुत दूर हो सकता है। NOx ईंधन-नाइट्रोजन व वायु-नाइट्रोजन दोनों से बनता है, और CO₂ सभी हाइड्रोकार्बन दहन में बनती है।कणिकीय पदार्थ के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — PM₂.₅ 2.5 µm तक के वायुगतिकीय व्यास के कणों को कहते हैं; B — महीन कण मोटे कणों से अधिक गहराई तक फेफड़ों में प्रवेश करते हैं; D — साइक्लोन विभाजक महीन कणों पर मोटे कणों की तुलना में कम प्रभावी है
PM आकार वायुगतिकीय व्यास से परिभाषित हैं, महीन कण गहरे जाते हैं, और साइक्लोन जड़त्व पर निर्भर है, जो छोटे कणों हेतु दुर्बल है। तेल, गैस व जैव-ईंधन के अपूर्ण दहन का कज्जल भी कणिकीय पदार्थ है।ग्रीनहाउस-गैस स्रोतों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — मीथेन भूभरण, धान के खेतों और पशुधन से उत्सर्जित होती है; B — नाइट्रस ऑक्साइड उर्वरित मृदाओं से उत्सर्जित होती है; D — सीमेंट निर्माण में चूनापत्थर से भी CO₂ निकलती है, ईंधन से भी
भूभरण, धान के खेत व पशुधन मानक मीथेन स्रोत हैं, उर्वरित मृदाएँ N₂O देती हैं, और चूनापत्थर का निस्तापन सीमेंट में प्रक्रम CO₂ जोड़ता है। CO₂ ऐसे प्रक्रम स्रोतों से भी उत्पन्न होती है, अतः केवल ईंधन से आने का दावा गलत है।दहन उत्सर्जनों के बारे में निम्नलिखित में से कौन-से कथन सही हैं?
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उत्तर: A — चरणबद्धता या फ़्लू-गैस पुनःसंचरण से शिखर ज्वाला ताप घटाना तापीय NOx घटाता है; C — कम गंधक-मात्रा का ईंधन जलाना SO₂ उत्सर्जन को अनुपात में घटाता है; D — पूर्ण दहन में प्रति इकाई द्रव्यमान ईंधन-कार्बन मुक्त CO₂ स्टॉइकियोमेट्री से तय है
तापीय NOx ज्वाला ताप के साथ घटता है, SO₂ ईंधन-गंधक के अनुपात में है, और पूर्ण दहन में CO₂ प्रति इकाई कार्बन 44/12 है। अधिक वायु CO घटाती है पर जहाँ जुड़ी ऑक्सीजन शीतलन से भारी पड़े वहाँ NOx बढ़ा सकती है, अतः दोनों को सदैव घटाने का दावा गलत है।एक कारख़ाना वर्ष में 2.0 × 10⁶ kWh ग्रिड बिजली खरीदता और 10 000 GJ प्राकृतिक गैस जलाता है। ग्रिड उत्सर्जन गुणांक 0.82 kg CO₂ प्रति kWh और प्राकृतिक गैस गुणांक 56 kg CO₂ प्रति GJ लें। इसकी सूची में गिना कुल वार्षिक CO₂ उत्सर्जन ____ टन है (निकटतम पूर्णांक)।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
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उत्तर: 2200
बिजली: 2.0 × 10⁶ × 0.82 = 1.64 × 10⁶ kg = 1640 t। गैस: 10 000 × 56 = 5.6 × 10⁵ kg = 560 t। कुल = 2200 t CO₂। kg को टन में बदलने हेतु 1000 से भाग भूलना सामान्य चूक है।एक कोयला-चालित बॉयलर प्रति घंटे 500 t कोयला जलाता है जिसमें द्रव्यमान से 1.2 % गंधक है। सारा गंधक SO₂ में ऑक्सीकृत होता है (S = 32, O = 16), और फ़्लू-गैस विगंधकीकरण इकाई SO₂ का 90 % हटाती है। वायुमंडल में मुक्त SO₂ ____ t/h है (एक दशमलव स्थान)।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 1.2
गंधक = 500 × 0.012 = 6 t/h। बना SO₂ = 6 × 64/32 = 12 t/h। मुक्त = 12 × (1 − 0.90) = 1.2 t/h। 12 t/h पर रुकना स्क्रबर छोड़ना है, और 6 t/h लेना ऑक्सीजन भूलना है।मीथेन 20 % अतिरिक्त वायु के साथ पूर्णतः जलती है: CH₄ + 2(1.2)(O₂ + 3.76N₂) → उत्पाद। वायु को आयतन में 21 % O₂ व 79 % N₂ मानें। शुष्क फ़्लू-गैस में CO₂ का आयतन-प्रतिशत ____ % है (एक दशमलव स्थान)।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 9.6
आपूर्त वायु: 2.4 kmol O₂ और 9.024 kmol N₂। शुष्क उत्पाद: CO₂ 1; शेष O₂ 2.4 − 2 = 0.4; N₂ 9.024; कुल 10.424 kmol। CO₂ = 1/10.424 = 9.59 %, अतः 9.6। सैद्धांतिक वायु पर मान 11.7 % है, जिसे यह अतिरिक्त वायु तनु करती है।एक स्थल वर्ष में 1000 kg CH₄, 10 kg N₂O व 5000 kg CO₂ उत्सर्जित करता है। चुनी समय-सीमा हेतु GWP मान CH₄ का 28 और N₂O का 265 (व CO₂ का 1) लेने पर कुल उत्सर्जन ____ kg CO₂-समतुल्य है (निकटतम पूर्णांक)।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 35650
CO₂e = 5000 × 1 + 1000 × 28 + 10 × 265 = 5000 + 28 000 + 2650 = 35 650 kg। कच्चे द्रव्यमान जोड़ने पर केवल 6010 kg आता है, जो भारण की उपेक्षा करता है।एक स्थिरवैद्युत अवक्षेपित्र 60 m³/s गैस-प्रवाह उपचारित करता है। इसका कुल संग्राहक प्लेट क्षेत्रफल 3000 m² और प्रभावी प्रवास-वेग 0.08 m/s है। डॉयच–एंडरसन समीकरण η = 1 − exp(−wA/Q) से संग्रहण दक्षता ____ % है (एक दशमलव स्थान)।
संख्यात्मक उत्तर — मान टाइप करें।
उत्तर देखें
उत्तर: 98.2
wA/Q = 0.08 × 3000/60 = 4.0। η = 1 − e⁻⁴ = 1 − 0.018316 = 0.98168 = 98.2 %। wA/Q को सीधे अंश मानना यहाँ संभव नहीं, क्योंकि वह 1 से अधिक है।