शैल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स के डिजाइन में विचार किए जाने वाले कारक

हीट एक्सचेंज उपकरण कई प्रकार के होते हैं, और प्रत्येक विशिष्ट हीट ट्रांसफर स्थिति के लिए, अनुकूलन चयन के माध्यम से सबसे उपयुक्त उपकरण मॉडल प्राप्त किया जा सकता है। यदि उपकरण के इस मॉडल का उपयोग अन्य स्थितियों में किया जाता है, तो हीट ट्रांसफर प्रभाव में बहुत बदलाव हो सकता है। इसलिए, विशिष्ट परिचालन स्थितियों के लिए हीट एक्सचेंजर के प्रकार का चयन करना एक महत्वपूर्ण और जटिल कार्य है। शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स के डिजाइन में निम्नलिखित कारकों पर विचार करने लायक है।
1. प्रवाह वेग का चयन
प्रवाह दर हीट एक्सचेंजर डिज़ाइन में एक महत्वपूर्ण चर है। प्रवाह दर बढ़ाने से हीट ट्रांसफर गुणांक बढ़ता है, जबकि दबाव ड्रॉप और बिजली की खपत भी उसी हिसाब से बढ़ती है। यदि पंपिंग द्रव का उपयोग किया जाता है, तो विनियमन वाल्व के बजाय हीट एक्सचेंजर पर जितना संभव हो सके दबाव ड्रॉप का उपभोग करने पर विचार किया जाना चाहिए। यह हीट ट्रांसफर दक्षता में सुधार करने के लिए प्रवाह दर बढ़ाने पर निर्भर हो सकता है।
उच्च प्रवाह दर का उपयोग करने के दो लाभ हैं: सबसे पहले, यह समग्र ताप अंतरण गुणांक को बढ़ाता है, जिससे ताप अंतरण क्षेत्र कम हो जाता है; दूसरा पाइप की सतह पर गंदगी उत्पन्न होने की संभावना को कम करना है। लेकिन यह तदनुसार प्रतिरोध और बिजली की खपत भी बढ़ाता है, इसलिए अंततः उचित प्रवाह दर निर्धारित करने के लिए एक आर्थिक तुलना की आवश्यकता होती है।
इसके अलावा, प्रवाह वेग का चयन करते समय, संरचनात्मक आवश्यकताओं पर भी विचार किया जाना चाहिए। उपकरण के गंभीर टूट-फूट से बचने के लिए, गणना की गई प्रवाह दर अधिकतम स्वीकार्य अनुभवजन्य प्रवाह दर से अधिक नहीं होनी चाहिए।
2. दबाव में कमी की अनुमति देने का विकल्प
एक बड़ा दबाव ड्रॉप चुनने से प्रवाह दर बढ़ सकती है, जिससे गर्मी हस्तांतरण दक्षता में वृद्धि हो सकती है और गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र कम हो सकता है। हालांकि, महत्वपूर्ण दबाव ड्रॉप पंप की परिचालन लागत को भी बढ़ाता है। उपकरण के आकार को बार-बार समायोजित करके और हीट एक्सचेंजर की वार्षिक कुल लागत के आधार पर गणनाओं को अनुकूलित करके उचित दबाव ड्रॉप मूल्य निर्धारित करने की आवश्यकता है।
अधिकांश उपकरणों में, यह पाया जा सकता है कि एक तरफ का थर्मल प्रतिरोध दूसरी तरफ के थर्मल प्रतिरोध से काफी अधिक है, और इस तरफ का थर्मल प्रतिरोध नियंत्रण थर्मल प्रतिरोध बन जाता है। शेल साइड के थर्मल प्रतिरोध को बैफल प्लेटों की संख्या बढ़ाकर या शेल व्यास को कम करके नियंत्रित किया जा सकता है ताकि शेल साइड पर द्रव प्रवाह वेग को बढ़ाया जा सके और गर्मी हस्तांतरण थर्मल प्रतिरोध को कम किया जा सके। हालांकि, बैफल प्लेटों के बीच की दूरी को कम करना सीमित है और आम तौर पर शेल व्यास के 1/5 या 50 मिमी से कम नहीं हो सकता है। जब ट्यूब साइड का थर्मल प्रतिरोध नियंत्रण पक्ष होता है, तो ट्यूब की परिपक्वता को बढ़ाने पर द्रव प्रवाह वेग को बढ़ाने के लिए भरोसा किया जाता है।
चिपचिपे पदार्थों से निपटने के दौरान, यदि द्रव लामिनार प्रवाह में है, तो सामग्री को शेल साइड के माध्यम से ले जाया जाएगा। शेल साइड में अशांत द्रव प्रवाह की प्रवृत्ति के कारण, उच्च ताप हस्तांतरण दर प्राप्त की जा सकती है, और दबाव ड्रॉप के नियंत्रण में भी सुधार किया जा सकता है।
3. शैल और ट्यूब प्रक्रिया में द्रव का निर्धारण
मुख्य रूप से द्रव के ऑपरेटिंग दबाव और तापमान, उपलब्ध दबाव ड्रॉप, संरचना और संक्षारण विशेषताओं के साथ-साथ आवश्यक उपकरण सामग्री के चयन के आधार पर, द्रव के लिए उपयुक्त पथ पर विचार किया जाता है। चुनते समय निम्नलिखित कारकों पर विचार किया जा सकता है:
पाइपिंग प्रक्रिया के लिए उपयुक्त तरल पदार्थों में पानी, जल वाष्प या अत्यधिक संक्षारक तरल पदार्थ; विषाक्त तरल पदार्थ; संरचना में आसान तरल पदार्थ; उच्च तापमान या उच्च दबाव वाले ऑपरेटिंग तरल पदार्थ आदि शामिल हैं।
शैल प्रक्रिया के लिए उपयुक्त तरल पदार्थ है शीर्ष आसवन का संघनन; हाइड्रोकार्बन का संघनन और पुनः उबालना; पाइप फिटिंग में दबाव ड्रॉप द्वारा नियंत्रित तरल पदार्थ; उच्च चिपचिपापन वाला तरल पदार्थ, आदि।
उपरोक्त स्थिति समाप्त होने के बाद, माध्यम को किस पथ पर ले जाना चाहिए, इसका चयन ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक में सुधार करने और दबाव में गिरावट का अधिकतम लाभ उठाने पर केंद्रित होना चाहिए। इस तथ्य के कारण कि शेल साइड में माध्यम का प्रवाह अशांति (100 से अधिक या बराबर) के लिए प्रवण है, उच्च चिपचिपाहट या कम प्रवाह दर वाले तरल पदार्थ, यानी कम रेनॉल्ड्स संख्या वाले तरल पदार्थ, शेल साइड के माध्यम से पारित करना आम तौर पर फायदेमंद होता है।
इसके विपरीत, यदि द्रव ट्यूब की तरफ अशांति तक पहुंच सकता है, तो ट्यूब की तरफ व्यवस्था करना अधिक उचित है। यदि दबाव ड्रॉप के परिप्रेक्ष्य से विचार किया जाए, तो शेल पास के लिए कम रेनॉल्ड्स संख्या रखना आम तौर पर उचित है।
4. अंतिम ऊष्मा विनिमय तापमान का निर्धारण
ऊष्मा विनिमय का अंतिम तापमान आम तौर पर प्रक्रिया की ज़रूरतों के हिसाब से तय होता है। जब ऊष्मा विनिमय का अंतिम तापमान चुना जा सकता है, तो इसका मूल्य ऊष्मा एक्सचेंजर की आर्थिक तर्कसंगतता पर महत्वपूर्ण प्रभाव डालता है। जब गर्म तरल पदार्थ का आउटलेट तापमान ठंडे तरल पदार्थ के बराबर होता है, तो ऊष्मा उपयोग दक्षता सबसे अधिक होती है, लेकिन प्रभावी ऊष्मा हस्तांतरण तापमान अंतर सबसे छोटा होता है और ऊष्मा हस्तांतरण क्षेत्र सबसे बड़ा होता है।
इसके अलावा, लॉजिस्टिक्स आउटलेट के तापमान का निर्धारण करते समय, तापमान क्रॉसओवर होना वांछनीय नहीं है, जहां गर्म तरल आउटलेट का तापमान ठंडे तरल आउटलेट की तुलना में कम होता है।
5. उपकरण संरचना का चयन
कुछ प्रक्रिया स्थितियों के लिए, पहला कदम उपकरण का स्वरूप निर्धारित करना है, जैसे कि एक निश्चित ट्यूब शीट स्वरूप या एक फ़्लोटिंग हेड स्वरूप चुनना। नीचे दी गई तालिका 1-7 देखें
हीट एक्सचेंजर्स की डिजाइन प्रक्रिया में, गर्मी हस्तांतरण को बढ़ाने का समग्र लक्ष्य संक्षेप में प्रस्तुत किया जा सकता है: किसी दिए गए गर्मी हस्तांतरण क्षमता के तहत हीट एक्सचेंजर के आकार को कम करना; मौजूदा हीट एक्सचेंजर्स के प्रदर्शन में सुधार करना; बहने वाले कार्यशील तरल पदार्थ के तापमान अंतर को कम करना; या पंप की शक्ति को कम करना।
ऊष्मा स्थानांतरण प्रक्रिया दो तरल पदार्थों द्वारा एक कठोर उपकरण की दीवार के माध्यम से ऊष्मा का आदान-प्रदान करने की प्रक्रिया को संदर्भित करती है। तरल पदार्थ के ऊष्मा स्थानांतरण मोड के अनुसार, इसे मूल रूप से दो प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: गैर चरण परिवर्तन और चरण परिवर्तन। चरण परिवर्तन प्रक्रिया के बिना ऊष्मा स्थानांतरण प्रौद्योगिकी को बढ़ाने पर शोध आम तौर पर थर्मल प्रतिरोध पक्ष को नियंत्रित करने के आधार पर संबंधित उपायों को अपनाता है:
यदि ट्यूब की आंतरिक या बाहरी सतह का विस्तार किया जाता है; ट्यूब में डाली गई विदेशी वस्तुओं का उपयोग करना; बंडल के लिए समर्थन घटकों के रूप को बदलना; गर्मी हस्तांतरण दक्षता को बढ़ाने के लिए अमिश्रणीय कम उबलते बिंदु योजक और अन्य तरीकों को जोड़ना।