प्लेट हीट एक्सचेंजर और शेल एंड ट्यूब हीट एक्सचेंजर का तुलनात्मक विश्लेषण

प्लेट हीट एक्सचेंजर्स और शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स का तुलनात्मक विश्लेषण

1. संरचनात्मक डिजाइन और हीट ट्रांसफर तंत्र

1.1 प्लेट हीट एक्सचेंजर्स

एक प्लेट हीट एक्सचेंजर में नालीदार धातु प्लेटों का एक ढेर होता है, जिसमें आसन्न प्लेटों के बीच के अंतराल को सील करने के लिए गैसकेट होते हैं ताकि अलग-अलग प्रवाह चैनल बन सकें। दो कार्यशील तरल पदार्थ विपरीत दिशा में या क्रॉसकरंट में वैकल्पिक चैनलों के माध्यम से बहते हैं, धातु प्लेटों के माध्यम से गर्मी का आदान-प्रदान करते हैं।

गर्मी हस्तांतरण तंत्र:

• गर्म तरल पदार्थ से गर्मी पहले संवहन के माध्यम से प्लेट में स्थानांतरित होती है, फिर उच्च-थर्मल-कंडक्टिविटी प्लेट (जैसे, स्टेनलेस स्टील, जिसकी थर्मल चालकता 45 W/(m·K) है) के माध्यम से संचालित होती है, और अंत में ठंडे तरल पदार्थ में संवहन होता है।

• नालीदार प्लेट की सतह कम रेनॉल्ड्स संख्या (Re = 50–200) पर अशांति को प्रेरित करती है, जिससे गर्मी हस्तांतरण दक्षता में काफी वृद्धि होती है। हालांकि, यह अशांति अधिक तरल प्रतिरोध के कारण दबाव में भी वृद्धि करती है।

1.2 शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स

एक शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर में एक बेलनाकार शेल, एक ट्यूब बंडल (ट्यूब शीट के माध्यम से तय या तैरता हुआ), और हेडर शामिल होते हैं। एक तरल पदार्थ ट्यूबों (ट्यूब साइड) के माध्यम से बहता है, जबकि दूसरा शेल के अंदर ट्यूबों के चारों ओर बहता है (शेल साइड), ट्यूब दीवारों के माध्यम से गर्मी का आदान-प्रदान होता है। सामान्य विन्यास में फिक्स्ड-ट्यूब-शीट, फ्लोटिंग-हेड और यू-ट्यूब डिजाइन शामिल हैं।

गर्मी हस्तांतरण तंत्र:

• गर्म तरल पदार्थ (ट्यूब या शेल साइड) से गर्मी ट्यूब की दीवार में संवहन होती है, ट्यूब के माध्यम से संचालित होती है (जैसे, 375 W/(m·K) की थर्मल चालकता वाली तांबे की ट्यूब), और फिर विपरीत दिशा में ठंडे तरल पदार्थ में संवहन होता है।

• शेल-साइड तरल पदार्थ को पुनर्निर्देशित करने के लिए शेल में बाफ़ल स्थापित किए जाते हैं, जिससे प्रवाह पथ का विस्तार होता है और अशांति बढ़ती है, जिससे गर्मी हस्तांतरण दक्षता में सुधार होता है।

2. प्रदर्शन विशेषताएं

3. लाभ, नुकसान और अनुप्रयोग

3.1 प्लेट हीट एक्सचेंजर्स

लाभ:

• उच्च दक्षता: कम रेनॉल्ड्स संख्या पर अशांत प्रवाह और काउंटरकरंट ऑपरेशन ~0.95 का लॉगरिदमिक माध्य तापमान अंतर (LMTD) सुधार कारक उत्पन्न करते हैं, जिसमें अंत-तापमान अंतर कम होता है<1°C (बनाम शेल-एंड-ट्यूब डिजाइनों के लिए ~5°C)।

• कॉम्पैक्ट डिज़ाइन: प्रति यूनिट वॉल्यूम में 2–5 गुना अधिक गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र; समान क्षमता के लिए शेल-एंड-ट्यूब इकाइयों के 1/5–1/8 स्थान पर कब्जा करता है।

• लचीलापन: प्लेटों को जोड़कर/हटाकर स्केल करना आसान है; प्रक्रिया परिवर्तनों के लिए अनुकूलनीय (जैसे, प्रवाह पथों का पुन: कॉन्फ़िगरेशन)।

• लागत-प्रभावशीलता: हल्का (प्लेट की मोटाई: 0.4–0.8 मिमी बनाम ट्यूबों के लिए 2.0–2.5 मिमी), समान सामग्री और क्षेत्र की शेल-एंड-ट्यूब इकाइयों की तुलना में 40–60% कम लागत; स्टैम्पिंग के माध्यम से बड़े पैमाने पर उत्पादन योग्य।

• कम गर्मी का नुकसान: न्यूनतम उजागर सतह क्षेत्र गर्मी अपव्यय को कम करता है, जिससे इन्सुलेशन की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।

नुकसान:

• सीमित दबाव और तापमान सहनशीलता (3 MPa से अधिक या अत्यधिक तापमान के लिए अनुपयुक्त)।

• संक्षारक या उच्च तापमान वाले वातावरण में गैसकेट खराब होने की संभावना होती है।

• उच्च दबाव में गिरावट के लिए मजबूत पंपों की आवश्यकता हो सकती है।

अनुप्रयोग:

कम से मध्यम दबाव के लिए आदर्श, 中小换热面积场景 (जैसे, HVAC, खाद्य प्रसंस्करण, घरेलू गर्म पानी की प्रणालियाँ, और फार्मास्यूटिकल्स जैसे बार-बार सफाई की आवश्यकता वाले उद्योग)।

3.2 शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स

लाभ:

• उच्च दबाव/तापमान प्रतिरोध: कठोर परिस्थितियों (30 MPa तक, 400°C) के लिए उपयुक्त, जो इसे उच्च-दबाव औद्योगिक प्रक्रियाओं के लिए आदर्श बनाता है।

• मजबूती: बेलनाकार शेल और कठोर ट्यूब बंडल उच्च स्पंदन और बड़े प्रवाह दरों का सामना करते हैं; उच्च-चिपचिपाहट या कण-युक्त तरल पदार्थों के साथ संगत (उचित बाफ़ल डिज़ाइन के साथ)।

• लंबा सेवा जीवन: ऑल-स्टेनलेस-स्टील निर्माण (या तांबे की ट्यूब) संक्षारक वातावरण में स्थायित्व प्रदान करता है (20 साल तक)।

नुकसान:

• कम गर्मी हस्तांतरण दक्षता: क्रॉस-फ्लो पैटर्न के कारण LMTD सुधार कारक अक्सर होते हैं<0.9; बड़ा पदचिह्न और उच्च वजन।

• अपरिवर्तनीयता: स्थापना के बाद गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र को संशोधित करना मुश्किल है; समान क्षमता के लिए उच्च प्रारंभिक लागत।

अनुप्रयोग:

उच्च-दबाव/उच्च-तापमान औद्योगिक प्रक्रियाओं (जैसे, पेट्रोकेमिकल्स, बिजली उत्पादन, खनन) और बड़े पैमाने पर गर्मी विनिमय (जैसे, केंद्रीकृत हीटिंग, भारी-शुल्क शीतलन प्रणालियाँ) के लिए पसंदीदा।

सारांश

प्लेट हीट एक्सचेंजर्स कम से मध्यम दबाव अनुप्रयोगों के लिए दक्षता, कॉम्पैक्टनेस और लचीलेपन में उत्कृष्ट हैं, जबकि शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स उच्च-दबाव, उच्च-तापमान और बड़े पैमाने पर औद्योगिक परिदृश्यों में हावी हैं। चयन परिचालन स्थितियों, रखरखाव आवश्यकताओं और मापनीयता आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।