शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर क्या हैं?

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर इंजीनियरिंग के क्षेत्र में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं और यह हीट एक्सचेंजर के दो प्रमुख प्रकारों में से एक हैं; दूसरा प्रमुख प्रकार प्लेट हीट एक्सचेंजर है।

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर का सरल डिज़ाइन, मजबूत विशेषताएँ, और अपेक्षाकृत कम खरीद और रखरखाव लागत होती है। इनकी हीट ट्रांसफर दर बहुत अधिक होती है, हालांकि इन्हें समान थर्मल एक्सचेंज क्षमता वाले प्लेट हीट एक्सचेंजर की तुलना में अधिक स्थान की आवश्यकता होती है।

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर

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शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर के घटक

एक शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर एक सिलेंडरनुमा कंटेनर में स्थित ट्यूबों की एक श्रृंखला से बना होता है जिसे 'शेल' कहा जाता है। शेल के भीतर सभी ट्यूबों को सामूहिक रूप से 'ट्यूब बंडल' या 'ट्यूब नेस्ट' कहा जाता है। प्रत्येक ट्यूब बैफल्स और ट्यूब शीट्स (जिन्हें 'ट्यूब स्टैक्स' भी कहा जाता है) की एक श्रृंखला से गुजरती है। एक ट्यूब शीट स्थिर होती है और एक को स्थानांतरित करने के लिए स्वतंत्र होती है, यह हीट एक्सचेंजर के गर्म होने पर थर्मल विस्तार की अनुमति देता है।

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर के घटक

ट्यूबों के भीतर बहने वाले माध्यम को 'ट्यूब साइड' माध्यम कहा जाता है। ट्यूबों के बाहर बहने वाले माध्यम को 'शेल साइड' माध्यम कहा जाता है। प्रत्येक माध्यम का एक प्रवेश और एक निर्वहन होता है।

ट्यूब साइड माध्यम आमतौर पर उच्च दबाव वाले तरल के लिए चुना जाता है क्योंकि प्रत्येक ट्यूब एक छोटे प्रेशर वेसल के रूप में कार्य कर सकती है; उच्च दबाव रेटेड ट्यूबों का उत्पादन करना उच्च दबाव रेटेड शेल का उत्पादन करने की तुलना में अधिक लागत प्रभावी होता है।

उदाहरण: हीट एक्सचेंजर्स

एक शेल हीट एक्सचेंजर तेल को ठंडा करने के लिए पानी का उपयोग करता है। तेल शेल साइड माध्यम है जबकि पानी ट्यूब साइड माध्यम है। तेल शीर्ष बाएँ इनलेट के माध्यम से प्रवेश करता है और निचले दाएँ निर्वहन तक हीट एक्सचेंजर के माध्यम से प्रवाहित होता है। पानी दाएँ इनलेट से बाएँ निर्वहन तक ट्यूबों के माध्यम से प्रवाहित होता है।

सिंगल पास हीट एक्सचेंजर

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर कैसे काम करते हैं?

नीचे दिया गया वीडियो हमारे हीट एक्सचेंजर्स ऑनलाइन वीडियो कोर्स से एक अंश है।

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर को दो मुख्य प्रणालियों में विभाजित किया गया है, जिन्हें शेल साइड और ट्यूब साइड कहा जाता है। प्रत्येक प्रणाली का एक संबंधित बहने वाला माध्यम होता है। हमारे उदाहरण में, हम मान लेंगे कि शेल साइड में गर्म खनिज तेल होता है जिसे ठंडा किया जाना चाहिए, जबकि ट्यूब साइड में ठंडा पानी होता है।

ठंडा पानी हीट एक्सचेंजर में प्रवेश करता है और ट्यूबों के माध्यम से प्रवाहित होता है। खनिज तेल हीट एक्सचेंजर में प्रवेश करता है और ट्यूबों के चारों ओर शेल में प्रवाहित होता है। दोनों तरल मिश्रित नहीं होते क्योंकि ट्यूबों की दीवारें इसे रोकती हैं। क्योंकि तरल सीधे मिश्रित नहीं होते, अप्रत्यक्ष शीतलन होता है (प्रत्यक्ष शीतलन नहीं)।

अशांत प्रवाह हीट एक्सचेंजर की हीट ट्रांसफर दर को बढ़ाता है और घुले हुए ठोस पदार्थों के ट्यूब और शेल की दीवारों पर जमा होने की संभावना को भी कम करता है (अशांत प्रवाह का एक आत्म-सफाई प्रभाव होता है)।

ट्यूबों के भीतर अशांत प्रवाह ट्यूबों में ट्यूब इंसर्ट्स (जिन्हें 'टर्बुलेटर्स' भी कहा जाता है) डालकर बनाया जाता है। शेल के भीतर अशांत प्रवाह बैफल्स द्वारा बनाया जाता है, जो हीट एक्सचेंजर के माध्यम से यात्रा करते समय पानी को कई बार ट्यूबों के पार निर्देशित करने के लिए उपयोग किए जाते हैं।

ट्यूब इंसर्ट्स (ट्यूब के बीच में काली रेखा)

दोनों तरल के बीच हीट का आदान-प्रदान होता है क्योंकि वे एक-दूसरे के साथ थर्मल संपर्क में होते हैं। तेल हीट एक्सचेंजर को ठंडा छोड़ता है और पानी हीट एक्सचेंजर को गर्म छोड़ता है।

समानांतर, विपरीत और क्रॉस फ्लो

समानांतर, विपरीत और क्रॉस फ्लो

हीट एक्सचेंजर कई आकार और आकारों में उपलब्ध होते हैं। हीट एक्सचेंजर के वर्गीकरण को आसान बनाने के लिए, उन्हें अक्सर डिज़ाइन और संचालन विशेषताओं के आधार पर समूहों में विभाजित किया जाता है। एक ऐसी विशेषता प्रवाह प्रकार है।

तीन मुख्य प्रवाह प्रकार हैं, ये हैं समानांतर, विपरीत और क्रॉस फ्लो। डिज़ाइन विचारों और हीट एक्सचेंजर के अनुप्रयोगों के कारण, यह दुर्लभ है कि एक हीट एक्सचेंजर केवल इन प्रवाह प्रकारों में से एक हो, आमतौर पर वे कई प्रवाह प्रकारों का संयोजन होते हैं जैसे कि विपरीत क्रॉस फ्लो।

समानांतर प्रवाह

समानांतर प्रवाह तब होता है जब दोनों शेल साइड और ट्यूब साइड माध्यम हीट एक्सचेंजर के एक ही छोर से प्रवेश करते हैं और हीट एक्सचेंजर के विपरीत छोर तक प्रवाहित होते हैं। दोनों माध्यमों के बीच तापमान परिवर्तन (डेल्टा T/ΔT) समान होता है, यानी वे दोनों एक निश्चित मात्रा में बढ़ते या घटते हैं। ध्यान दें कि दोनों माध्यमों के लिए आउटपुट तापमान एक साथ मिल जाता है और इसे ठंडा करना संभव नहीं है, भले ही ठंडे तरल का इनलेट तापमान मिलन तापमान से कम हो (नीचे दिए गए ग्राफ पर मिलन तापमान लगभग 80°C है)।

समानांतर प्रवाह हीट एक्सचेंजर

विपरीत प्रवाह

विपरीत प्रवाह (जिसे कॉन्ट्रा-फ्लो भी कहा जाता है) हीट एक्सचेंजर में दो बहने वाले माध्यम होते हैं जो एक-दूसरे के विपरीत दिशा (180° अलग) में प्रवाहित होते हैं। प्रत्येक बहने वाला माध्यम हीट एक्सचेंजर के विपरीत छोरों पर प्रवेश करता है और विपरीत छोरों पर निर्वहन होता है। क्योंकि ठंडा माध्यम उस छोर पर विपरीत प्रवाह हीट एक्सचेंजर से बाहर निकलता है जहाँ गर्म माध्यम हीट एक्सचेंजर में प्रवेश करता है, ठंडा तरल गर्म तरल के इनलेट तापमान के करीब पहुँच जाएगा; यह संभावित डेल्टा T को समानांतर प्रवाह हीट एक्सचेंजर की तुलना में कहीं अधिक बनाता है। विपरीत प्रवाह हीट एक्सचेंजर सबसे कुशल प्रकार के हीट एक्सचेंजर होते हैं।

विपरीत प्रवाह हीट एक्सचेंजर

क्रॉस फ्लो

क्रॉस फ्लो हीट एक्सचेंजर में एक माध्यम होता है जो दूसरे के लंबवत (90° पर) प्रवाहित होता है। क्रॉस फ्लो हीट एक्सचेंजर आमतौर पर उन अनुप्रयोगों में पाए जाते हैं जहाँ एक तरल अवस्था बदलता है (2-फेज फ्लो)। उदाहरण के लिए, एक स्टीम सिस्टम का कंडेंसर, जिसमें टरबाइन से निकलने वाली भाप कंडेंसर शेल साइड में प्रवेश करती है, और ट्यूबों में प्रवाहित ठंडा पानी भाप से गर्मी को अवशोषित करता है, इसे पानी में संघनित करता है। इस प्रकार के हीट एक्सचेंजर फ्लो का उपयोग करके बड़ी मात्रा में वाष्प को संघनित किया जा सकता है।

क्रॉस फ्लो हीट एक्सचेंजर

सिंगल और मल्टी-पास

हीट एक्सचेंजर की दक्षता बढ़ाने का एक आर्थिक और कुशल तरीका यह है कि बहने वाले माध्यमों को कई बार एक-दूसरे के संपर्क में लाया जाए। प्रत्येक बार जब एक माध्यम दूसरे के ऊपर से गुजरता है, तो गर्मी का आदान-प्रदान होता है।

जब एक बहने वाला माध्यम दूसरे के ऊपर से केवल एक बार गुजरता है, तो इसे 'सिंगल पास' हीट एक्सचेंजर कहा जाता है।

सिंगल पास हीट एक्सचेंजर डिज़ाइन

जब एक बहने वाला माध्यम दूसरे के ऊपर से एक से अधिक बार गुजरता है, तो इसे 'मल्टी-पास' हीट एक्सचेंजर कहा जाता है।

मल्टी-पास हीट एक्सचेंजर डिज़ाइन

ट्यूबों में मल्टी-पास

आम तौर पर, मल्टी-पास हीट एक्सचेंजर ट्यूबों में प्रवाह को एक या अधिक सेट "यू" मोड़ों का उपयोग करके उलट देता है। "यू" मोड़ तरल को हीट एक्सचेंजर की लंबाई के पार आगे और पीछे प्रवाहित करने की अनुमति देते हैं। इस प्रकार के हीट एक्सचेंजर को यू-ट्यूब शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर कहा जाता है।

यू-शेप हीट एक्सचेंजर

यह ट्यूबों के माध्यम से प्रवाह को उलटने के लिए ट्यूब बंडल के निचले या ऊपरी हिस्से का उपयोग करके एक पास के लिए और अगले पास के लिए विपरीत पक्ष का उपयोग करके भी संभव है। इस प्रकार ट्यूब बंडल का प्रत्येक आधा एक पास के बराबर होता है।

शेल में मल्टी-पास

मल्टीपल पास प्राप्त करने का दूसरा तरीका हीट एक्सचेंजर के शेल साइड में बैफल्स डालना है। ये शेल साइड तरल को ट्यूबों के पार आगे और पीछे निर्देशित करते हैं ताकि मल्टी-पास प्रभाव प्राप्त किया जा सके।

मल्टी-पास हीट एक्सचेंजर

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर के लाभ और हानियाँ

लाभ

• प्लेट हीट एक्सचेंजर की तुलना में सस्ते।
• अपेक्षाकृत सरल डिज़ाइन और बनाए रखने में आसान।
• प्लेट हीट एक्सचेंजर की तुलना में उच्च दबाव और तापमान के लिए उपयुक्त।
• दबाव ड्रॉप (डेल्टा P/ΔP) प्लेट हीट एक्सचेंजर की तुलना में कम है।
• लीकिंग ट्यूबों को ढूंढना और अलग करना आसान।
• ट्यूबों को 'डबल वॉल्ड' किया जा सकता है ताकि शेल साइड तरल के ट्यूब साइड तरल में लीक होने की संभावना कम हो (या इसके विपरीत)।
• बलिदान एनोड्स स्थापित करना आसान।
• प्लेट हीट एक्सचेंजर की तुलना में आसानी से गंदे नहीं होते।

हानियाँ

• प्लेट हीट एक्सचेंजर की तुलना में कम कुशल।
• ट्यूबों को खोलने और हटाने के लिए अधिक स्थान की आवश्यकता होती है।
• कूलिंग क्षमता को बढ़ाया नहीं जा सकता, लेकिन प्लेट हीट एक्सचेंजर की जा सकती है।

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर के भाग

पार्टिशन प्लेट

पार्टिशन प्लेट हीट एक्सचेंजर के निचले और ऊपरी हिस्सों को अलग करती है। पार्टिशन ट्यूबों के माध्यम से बहने वाले माध्यम को मोड़ देती है। इनलेट / डिस्चार्ज वह इनलेट या डिस्चार्ज है जिसके माध्यम से तरल माध्यम ट्यूबों या हीट एक्सचेंजर के शेल के माध्यम से बहता है।

हाउसिंग/शेल

हाउसिंग/शेल का उपयोग बहने वाले माध्यम को समाहित करने और आंतरिक भागों को रखने के लिए किया जाता है। यह एक मजबूत संरचनात्मक टुकड़े के रूप में भी कार्य करता है जिस पर अन्य टुकड़े संलग्न किए जा सकते हैं। कवर प्लेट कवर प्लेट का उपयोग शेल के एक छोर को सील करने और रिसाव को रोकने के लिए किया जाता है।

गैस्केट

गैस्केट दो धातु सतहों के बीच रखा जाता है। गैस्केट आमतौर पर कागज या रबर से बना होता है और धातुओं के बीच 'दबाया' जाता है ताकि एक सील बनाई जा सके। सील रिसाव को रोकती है।

गैस्केट का आकार भी पार्टिशन प्लेट के चारों ओर रिसाव को रोकता है।

स्थिर ट्यूबशीट

ट्यूबशीट शेल के भीतर बैठता है और ट्यूबों के सिरों का समर्थन करता है। ट्यूबों का वजन फिर बैफल्स द्वारा और अधिक समर्थित होता है (डिज़ाइन के आधार पर)।

बैफल्स

बैफल्स का उपयोग तरल माध्यम के दिशात्मक प्रवाह को बदलने के लिए किया जाता है। दिशा बदलने से हीट एक्सचेंजर में समान गर्मी वितरण सुनिश्चित होता है। जब हीट एक्सचेंजर के माध्यम से प्रवाह समान रूप से वितरित नहीं होता है तो दक्षता घट जाती है।

बोल्ट

हीट एक्सचेंजर के भागों को सुरक्षित करने के लिए नट और बोल्ट का उपयोग किया जाता है। चुने गए बोल्टों में उपयुक्त तन्यता शक्ति और संक्षारण प्रतिरोध विशेषताएँ होनी चाहिए। बोल्ट नट और बोल्ट असेंबली का 'पुरुष' भाग होते हैं।

नट

हीट एक्सचेंजर के भागों को सुरक्षित करने के लिए नट और बोल्ट का उपयोग किया जाता है। चुने गए नटों में उपयुक्त तन्यता शक्ति और संक्षारण प्रतिरोध विशेषताएँ होनी चाहिए।

नट नट और बोल्ट असेंबली का 'महिला' भाग होते हैं।

टाई बार्स

टाई बार्स का उपयोग बैफल्स के लिए गाइड के रूप में किया जाता है ताकि बैफल्स का कोई घूर्णन या अक्षीय आंदोलन न हो।

ट्यूब्स

एक तरल माध्यम सीधे ट्यूबों के माध्यम से प्रवाहित होता है जबकि दूसरा बाहर की ओर अशांत रूप से प्रवाहित होता है। दोनों माध्यमों के बीच गर्मी का आदान-प्रदान निकटता के कारण होता है (गर्मी का आदान-प्रदान ट्यूब की दीवारों के माध्यम से संचरण द्वारा और फिर बाहरी माध्यम तक होता है)।

शेल

ट्यूब्स, बैफल्स और टाई बार्स सभी शेल (हाउसिंग) के भीतर स्थित होते हैं। यह शेल और ट्यूब संरचना है जो इस प्रकार के हीट एक्सचेंजर को इसका नाम देती है।

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अतिरिक्त संसाधन

http://www.mcraeeng.com/how-shell-and-tube-heat-exchangers-work/page-2/blog.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger

https://www.explainthatstuff.com/how-heat-exchangers-work.html