शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर

शेल और ट्यूब उष्मा का आदान प्रदान करने वाला हीट एक्सचेंजर डिजाइनों का वर्ग है। यह तेल रिफाइनरियों और अन्य बड़ी रासायनिक प्रक्रियाओं में सबसे आम प्रकार का हीट एक्सचेंजर है, और उच्च दबाव वाले अनुप्रयोगों के लिए अनुकूल है। जैसा कि इसके नाम से पता चलता है, इस प्रकार के हीट एक्सचेंजर में शेल (एक बड़ा दबाव पोत ) होता है जिसके अंदर ट्यूबों का बंडल होता है। तरल ट्यूबों के माध्यम से चलता है, और दूसरा तरल पदार्थ दो तरल पदार्थों के बीच गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए ट्यूबों ( शेल के माध्यम से) पर बहता है। ट्यूबों के सेट को ट्यूब बंडल कहा जाता है, और यह कई प्रकार के ट्यूबों से बना हो सकता है: सादे, अनुदैर्ध्य रूप से पंख वाले, आदि।

सिद्धांत और अनुप्रयोग
अलग-अलग प्रारंभिक तापमान वाले दो तरल पदार्थ, हीट एक्सचेंजर से होकर बहते हैं। ट्यूब (ट्यूब की तरफ) से होकर बहती है और दूसरी ट्यूब के बाहर किंतु शेल के अंदर (शेल की तरफ) बहती है। गर्मी एक द्रव से दूसरे में ट्यूब की दीवारों के माध्यम से स्थानांतरित की जाती है, या तो ट्यूब की तरफ से शेल की तरफ या इसके विपरीत। तरल पदार्थ या तो शेल या ट्यूब की तरफ तरल या गैस हो सकते हैं। गर्मी को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने के लिए, बड़े ताप हस्तांतरण क्षेत्र का उपयोग किया जाना चाहिए, जिससे कई ट्यूबों का उपयोग किया जा सके। इस प्रकार, व्यर्थ ऊष्मा का उपयोग किया जा सकता है। यह ऊर्जा संरक्षण का कारगर विधि है।

प्रत्येक तरफ केवल एक चरण (पदार्थ) (तरल या गैस) वयर्थ ऊष्मा एक्सचेंजर्स को एक-चरण या एकल-चरण ताप विनिमायक कहा जा सकता है। दो-चरण ताप विनिमायकों का उपयोग किसी तरल को गर्म करने के लिए उसे गैस (वाष्प) में उबालने के लिए किया जा सकता है, जिसे कभी-कभी बायलर कहा जाता है, या वाष्प को ठंडा करने और इसे तरल में संघनित करने के लिए (जिसे कंडेनसर (गर्मी हस्तांतरण) कहा जाता है), चरण के साथ परिवर्तन सामान्यतः शेल पक्ष पर होता है। भाप इंजन लोकोमोटिव में बॉयलर सामान्यतः बड़े होते हैं, सामान्यतः बेलनाकार आकार के शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स होते हैं। भाप से चलने वाले टर्बाइन वाले बड़े बिजली संयंत्र में, शेल-एंड-ट्यूब सतह कंडेनसर का उपयोग टर्बाइन से निकलने वाली निकास भाप को घनीभूत पानी में संघनित करने के लिए किया जाता है जिसे भाप जनरेटर में भाप में बदलने के लिए वापस पुनर्नवीनीकरण किया जाता है।

वाष्पीकरणकर्ता और कंडेनसर (गर्मी हस्तांतरण) दोनों में शीतलक और पानी के बीच गर्मी को स्थानांतरित करने के लिए तरल-ठंडा चिलर में और केवल वाष्पीकरणकर्ता के लिए एयर-कूल्ड चिलर में भी उपयोग किया जाता है।

शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर डिजाइन
शेल और ट्यूब डिजाइन पर कई भिन्नताएं हो सकती हैं। सामान्यतः, ट्यूबशीट में छेद के माध्यम से प्रत्येक ट्यूब के सिरों को प्लेनम कक्ष (कभी-कभी वाटर बॉक्सेस कहा जाता है) से जोड़ा जाता है। ट्यूब सीधे या यू के आकार में मुड़े हुए हो सकते हैं, जिन्हें यू-ट्यूब कहा जाता है। दबावयुक्त जल रिएक्टर कहे जाने वाले परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में, भाप जनरेटर (परमाणु ऊर्जा) नामक बड़े ताप विनिमायक दो-चरण, शेल-और-ट्यूब ताप विनिमायक होते हैं जिनमें सामान्यतः यू-ट्यूब होते हैं। बिजली उत्पादन के लिए वाष्प टरबाइन चलाने के लिए सतह कंडेनसर से भाप में पुनर्नवीनीकरण पानी को उबालने के लिए उनका उपयोग किया जाता है। अधिकांश शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स या तो ट्यूब की तरफ 1, 2, या 4 पास डिजाइन के होते हैं। यह संदर्भित करता है कि ट्यूबों में तरल पदार्थ शेल में तरल पदार्थ के माध्यम से कितनी बार निकलता है। पास ताप विनिमायक में, द्रव प्रत्येक ट्यूब के एक सिरे में जाता है और दूसरे सिरे से बाहर निकल जाता है। बिजली संयंत्रों में सतह कंडेनसर प्रायः 1-पास स्ट्रेट-ट्यूब ताप विनिमायक होते हैं (आरेख के लिए सतह कंडेनसर देखें)। दो और चार पास डिजाइन आम हैं क्योंकि द्रव एक ही तरफ प्रवेश कर सकता है और बाहर निकल सकता है। यह निर्माण को बहुत आसान बनाता है। शेल साइड के माध्यम से प्रवाह को निर्देशित करने के लिए प्रायः बाफ़ल (हीट एक्सचेंजर) होता है, इसलिए तरल पदार्थ शेल साइड के माध्यम से शॉर्ट कट नहीं लेता है जिससे अप्रभावी कम प्रवाह मात्रा निकलती है। ये सामान्यतः शेल के अतिरिक्त ट्यूब बंडल से जुड़े होते हैं जिससे कि रखरखाव के लिए बंडल अभी भी हटाने योग्य हो।

प्रतिधारा ताप विनिमायक सबसे कुशल होते हैं क्योंकि वे गर्म और ठंडी धाराओं के बीच उच्चतम लॉग औसत तापमान अंतर की अनुमति देते हैं। चूंकि कई कंपनियां एक यू-ट्यूब के साथ दो पास हीट एक्सचेंजर्स का उपयोग नहीं करती हैं क्योंकि वे निर्माण करने के लिए अधिक महंगे होने के अतिरिक्त आसानी से टूट सकते हैं। एक बड़े एक्सचेंजर के प्रतिधारा प्रवाह को अनुकरण करने के लिए प्रायः कई ताप विनिमायकों का उपयोग किया जा सकता है।

ट्यूब सामग्री का चयन
गर्मी को अच्छी तरह से स्थानांतरित करने में सक्षम होने के लिए, ट्यूब सामग्री में अच्छी तापीय चालकता होनी चाहिए। क्योंकि ट्यूबों के माध्यम से गर्मी को गर्म से ठंडे पक्ष में स्थानांतरित किया जाता है, ट्यूबों की चौड़ाई के माध्यम से तापमान अंतर होता है। ट्यूब सामग्री की विभिन्न तापमानों पर थर्मल रूप से अलग-अलग विस्तार करने की प्रवृत्ति के कारण, ऑपरेशन के दौरान थर्मल तनाव होता है। यह किसी भी तनाव (भौतिकी) के अतिरिक्त स्वयं तरल पदार्थों से उच्च दबाव से होता है। जंग जैसी गिरावट को कम करने के लिए ट्यूब सामग्री भी ऑपरेटिंग परिस्थितियों (ऑपरेटिंग तापमान, दबाव, पीएच, आदि) के अनुसार लंबी अवधि के लिए शेल और ट्यूब साइड तरल पदार्थ दोनों के साथ संगत होनी चाहिए। इन सभी आवश्यकताओं के लिए मजबूत, तापीय-प्रवाहकीय, संक्षारण प्रतिरोधी, उच्च गुणवत्ता वाली ट्यूब सामग्री, सामान्यतः धातु ओं, अल्युमीनियम , तांबा मिश्र धातु, स्टेनलेस स्टील , कार्बन स्टील , गैर-लौह तांबा मिश्र धातु, इंकोनेल , निकल , हस्तेल्लोय सहित सावधानीपूर्वक चयन की आवश्यकता होती है। और टाइटेनियम । पेर्फ़्लुओरोअल्कोक्सी अल्काने (पीऍफ़ए) और फ़्लुओरिनतेड एथिलीन प्रोपलीन (ऍफ़ईपी) जैसे फ्लोरोपॉलीमर का उपयोग अत्यधिक तापमान के लिए उनके उच्च प्रतिरोध के कारण ट्यूबिंग सामग्री के उत्पादन के लिए भी किया जाता है। ट्यूब सामग्री की खराब पसंद के परिणामस्वरूप शेल और ट्यूब पक्षों के बीच एक ट्यूब के माध्यम से रिसाव हो सकता है जिससे द्रव क्रॉस-संदूषण और संभवतः दबाव की हानी हो सकती है।

अनुप्रयोग और उपयोग
शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर का सरल डिजाइन इसे विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श शीतलन समाधान बनाता है। सबसे आम अनुप्रयोगों में से इंजन, ट्रांसमिशन और द्रवचालित शक्ति संग्रह में हाइड्रोलिक द्रव और तेल का ठंडा होना है। सामग्री के सही विकल्प के साथ उनका उपयोग अन्य माध्यमों को ठंडा या गर्म करने के लिए भी किया जा सकता है, जैसे कि स्विमिंग पूल का पानी या चार्ज हवा। प्लेटों की तुलना में शेल और ट्यूब प्रौद्योगिकी के अनेक लाभ हैं


 * शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर का उपयोग करने के बड़े लाभों में से एक यह है कि वे प्रायः सेवा के लिए आसान होते हैं, विशेष रूप से उन मॉडलों के साथ जहां फ्लोटिंग ट्यूब बंडल उपलब्ध होता है। (जहां ट्यूब प्लेट्स को बाहरी शेल में वेल्डेड नहीं किया जाता है)।
 * आवास का बेलनाकार डिजाइन दबाव के लिए अत्यंत प्रतिरोधी है और सभी प्रकार के दबाव अनुप्रयोगों की अनुमति देता है

अधिक दबाव से सुरक्षा
शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स में एक ट्यूब के फटने और उच्च दबाव (एचपी) तरल पदार्थ के प्रवेश करने और हीट एक्सचेंजर के कम दबाव (एलपी) पक्ष पर अधिक दबाव डालने की संभावना होती है। एक्सचेंजर्स का सामान्य विन्यास एचपी तरल पदार्थ ट्यूबों में और एलपी पानी, शीतलन या हीटिंग मीडिया के शेल पक्ष में होने के लिए है। खतरा है कि एक ट्यूब टूटना शेल की अखंडता से समझौता कर सकता है और लोगों और वित्तीय हानी के खतरा के साथ ज्वलनशील गैस या तरल जारी कर सकता है। एक्सचेंजर के शेल को टूटने वाली डिस्क या राहत वाल्व द्वारा अधिक दबाव के विरुद्ध संरक्षित किया जाना चाहिए। एक्सचेंजर सुरक्षा के लिए सुरक्षा उपकरणों के खुलने का समय महत्वपूर्ण पाया गया है। इस तरह के उपकरणों को सीधे एक्सचेंजर के शेल पर लगाया जाता है और राहत प्रणाली में उतारा जाता है।

डिजाइन और निर्माण मानक

 * ट्यूबलर एक्सचेंजर मैन्युफैक्चरर्स एसोसिएशन के मानक | ट्यूबलर एक्सचेंजर मैन्युफैक्चरर्स एसोसिएशन (टेमा), 10वां संस्करण, 2019
 * EN 13445-3 बिना दागे हुए दाब पात्र - भाग 3: डिज़ाइन, खंड 13 (2012)
 * ASME बॉयलर और प्रेशर वेसल कोड (BPVC), सेक्शन VIII, डिवीजन 1, पार्ट UHX

यह भी देखें

 * बॉयलर या रिबॉयलर
 * ईजेएमए
 * औद्योगिक भट्टी
 * दूषण या दूषण
 * उष्मा का आदान प्रदान करने वाला
 * एलएमटीडी खोजने के विकल्प के रूप में एनटीयू विधि
 * प्लेट हीट एक्सचेंजर
 * प्लेट फिन हीट एक्सचेंजर
 * दबाव पोत
 * भूतल संघनित्र

बाहरी कड़ियाँ

 * Shell-and-Tube Heat Exchangers Construction Details
 * Basics of Shell and Tube Exchanger Design
 * Basics of Industrial Heat Transfer
 * Specifying a Liquid_Liquid Heat Exchanger
 * A Free Book - Thermal Design of Shell & Tube Heat Exchangers
 * Shell and tube heat exchanger calculator for shellside
 * Self-Cleaning Heat Exchangers