शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर

शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर हीटएक्सचेंजर डिज़ाइन का वर्ग है।  यह तेल रिफाइनरियों एवं अन्य बड़ी रासायनिक प्रक्रियाओं में हीट एक्सचेंजर का सबसे सामान्य प्रकार है, एवं उच्च दबाव अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। जैसा कि इसके नाम से ज्ञात होता है, इस प्रकार के हीट एक्सचेंजर में शेल ( बड़ा दबाव पोत) होता है जिसके अंदर ट्यूबों का बंडल होता है। तरल पदार्थ ट्यूबों के माध्यम से बहता है, एवं दूसरा तरल पदार्थ दोनों तरल पदार्थों के मध्य गर्मी स्थानांतरित करने के लिए ट्यूबों के ऊपर (शेल के माध्यम से) बहता है। ट्यूबों के सेट को ट्यूब बंडल कहा जाता है, एवं यह कई प्रकार की ट्यूबों से बना हो सकता है: सादा, अनुदैर्ध्य पंखदार, आदि।

सिद्धांत एवं अनुप्रयोग
अलग-अलग शुरुआती तापमान वाले दो तरल पदार्थ हीट एक्सचेंजर के माध्यम से प्रवाहित होते हैं। ट्यूबों (ट्यूब साइड) के माध्यम से बहती है एवं दूसरा ट्यूबों के बाहर लेकिन शेल के अंदर (शेल साइड) बहती है। गर्मी को ट्यूब की दीवारों के माध्यम से तरल पदार्थ से दूसरे तरल पदार्थ में स्थानांतरित किया जाता है, या तो ट्यूब की तरफ से शेल की तरफ या इसके विपरीत। शेल या ट्यूब की तरफ तरल पदार्थ या तो तरल पदार्थ या गैस हो सकते हैं। गर्मी को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने के लिए, बड़े गर्मी हस्तांतरण क्षेत्र का उपयोग किया जाना चाहिए, जिससे कई ट्यूबों का उपयोग किया जा सके। इस प्रकार, अपशिष्ट ऊष्मा का उपयोग किया जा सकता है। यह ऊर्जा संरक्षण का कारगर उपाय है।

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

इनका उपयोग तरल-ठंडा चिलर में बाष्पीकरणकर्ता एवं कंडेनसर (गर्मी हस्तांतरण) दोनों में शीतल  एवं पानी के मध्य गर्मी स्थानांतरित करने के लिए किया जाता है, एवं एयर-कूल्ड चिलर में केवल बाष्पीकरणकर्ता के लिए किया जाता है।

शेल एवं ट्यूब हीट एक्सचेंजर डिजाइन
शेल-एवं ट्यूब-डिज़ाइन पर कई भिन्नताएं हो सकती हैं। सामान्यतौर पर, प्रत्येक ट्यूब के सिरे ट्यूबशीट में छेद के माध्यम से प्लेनम चैम्बर  (कभी-कभी पानी के बक्से भी कहा जाता है) से जुड़े होते हैं। ट्यूब यू आकार में सीधी या मुड़ी हुई हो सकती हैं, जिन्हें यू-ट्यूब कहा जाता है। परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में जिन्हें दबावयुक्त जल रि्टर कहा जाता है, बड़े हीट एक्सचेंजर्स जिन्हें स्टीम जनरेटर (परमाणु ऊर्जा) कहा जाता है, दो-चरण, शेल-एवं-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स होते हैं जिनमें सामान्यतौर पर यू-ट्यूब होते हैं। इनका उपयोग बिजली पैदा करने के लिए वाष्प टरबाइन को चलाने के लिए सतह कंडेनसर से पुनर्नवीनीकरण किए गए पानी को भाप में उबालने के लिए किया जाता है। अधिकांश शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स ट्यूब की तरफ 1, 2, या 4 पास डिज़ाइन वाले होते हैं। यह संदर्भित करता है कि ट्यूबों में तरल पदार्थ खोल में तरल पदार्थ से कितनी बार गुजरता है। ल पास हीट एक्सचेंजर में, द्रव प्रत्येक ट्यूब के छोर से अंदर जाता है एवं दूसरे से बाहर जाता है। बिजली संयंत्रों में सतही कंडेनसर अक्सर 1-पास स्ट्रेट-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स होते हैं (आरेख के लिए सतही कंडेनसर देखें)। दो एवं चार पास डिज़ाइन सामान्य हैं क्योंकि द्रव ही तरफ से प्रवेश एवं निकास कर सकता है। इससे निर्माण कार्य बहुत सरल हो जाता है। अक्सर शैल पक्ष के माध्यम से प्रवाह को निर्देशित करने वाले बाफ़ल (हीट एक्सचेंजर) होते हैं, इसलिए तरल पदार्थ शैल पक्ष के माध्यम से शॉर्ट कट नहीं लेता है एवं अप्रभावी कम प्रवाह मात्रा छोड़ता है। ये सामान्यतःशेल के बजाय ट्यूब बंडल से जुड़े होते हैं ताकि रखरखाव के लिए बंडल अभी भी हटाने योग्य हो।

काउंटरकरंट हीट एक्सचेंजर्स सबसे कुशल हैं क्योंकि वे गर्म एवं ठंडी धाराओं के मध्य उच्चतम लॉग औसत तापमान अंतर की अनुमति देते हैं। हालाँकि कई कंपनियाँ यू-ट्यूब के साथ दो पास हीट एक्सचेंजर्स का उपयोग नहीं करती हैं क्योंकि वे बनाने में अधिक महंगे होने के अलावा आसानी से टूट सकते हैं। अक्सर ही बड़े एक्सचेंजर के प्रतिधारा प्रवाह को अनुकरण करने के लिए कई हीट एक्सचेंजर्स 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 में अंतर होता है। विभिन्न तापमानों पर ट्यूब सामग्री की थर्मल रूप से अलग-अलग विस्तार करने की प्रवृत्ति के कारण, ऑपरेशन के दौरान थर्मल तनाव उत्पन्न होता है। यह स्वयं तरल पदार्थों के उच्च दबाव से होने वाले किसी भी तनाव (भौतिकी) के अतिरिक्त है। जंग जैसी गिरावट को कम करने के लिए ट्यूब सामग्री को परिचालन स्थितियों (ऑपरेटिंग तापमान, दबाव, पीएच, आदि) के तहत लंबे समय तक शेल एवं ट्यूब दोनों तरफ के तरल पदार्थों के साथ संगत होना चाहिए। इन सभी आवश्यकताओं के लिए मजबूत, तापीय-प्रवाहकीय, संक्षारण-प्रतिरोधी, उच्च गुणवत्ता वाली ट्यूब सामग्री, विशेष रूप से अल्युमीनियम, तांबा मिश्र धातु, स्टेनलेस स्टील, कार्बन स्टील, अलौह तांबा मिश्र धातु,  Inconel , निकल,  hastelloy  सहित धातुओं के सावधानीपूर्वक चयन की आवश्यकता होती है। एवं टाइटेनियम. अत्यधिक तापमान के प्रति उच्च प्रतिरोध के कारण टयूबिंग सामग्री का उत्पादन करने के लिए पेरफ्लुओरोअल्कोक्सी एल्केन (पीएफए) एवं फ्लोरिनेटेड एथिलीन प्रोपलीन (एफईपी) जैसे फ्लोरोपॉलिमर का भी उपयोग किया जाता है। ट्यूब सामग्री के खराब चयन के परिणामस्वरूप शेल-एवं-ट्यूब पक्षों के मध्य ट्यूब के माध्यम से रिसाव हो सकता है जिससे द्रव क्रॉस-संदूषण हो सकता है एवं संभवतः दबाव का नुकसान हो सकता है।

अनुप्रयोग एवं उपयोग
शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर का सरल डिज़ाइन इसे विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों के लिए आदर्श शीतलन समाधान बनाता है। सबसे सामान्य अनुप्रयोगों में से  इंजन, ट्रांसमिशन एवं द्रवचालित शक्ति संग्रह में हाइड्रोलिक तरल पदार्थ एवं तेल को ठंडा करना है। सामग्री के सही चयन के साथ उनका उपयोग अन्य माध्यमों, जैसे स्विमिंग पूल के पानी या चार्ज हवा को ठंडा या गर्म करने के लिए भी किया जा सकता है। प्लेटों की तुलना में शेल-एंड-ट्यूब तकनीक के कई फायदे हैं


 * शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर का उपयोग करने का बड़ा फायदा यह है कि उनकी सेवा करना अक्सर आसान होता है, खासकर उन मॉडलों के साथ जहां फ्लोटिंग ट्यूब बंडल उपलब्ध है। (जहां ट्यूब प्लेटों को बाहरी आवरण में वेल्ड नहीं किया जाता है)।
 * आवास का बेलनाकार डिज़ाइन दबाव के प्रति बेहद प्रतिरोधी है एवं सभी प्रकार के दबाव अनुप्रयोगों की अनुमति देता है

अधिक दबाव से सुरक्षा
शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स में ट्यूब के फटने एवं उच्च दबाव (एचपी) द्रव के प्रवेश करने एवं हीट एक्सचेंजर के कम दबाव (एलपी) पक्ष पर अधिक दबाव डालने की संभावना होती है। एक्सचेंजर्स का सामान्य विन्यास एचपी तरल पदार्थ को ट्यूबों में रखने एवं एलपी पानी, कूलिंग या हीटिंग मीडिया को शेल की तरफ रखने के लिए होता है।  जोखिम है कि ट्यूब के फटने से शेल की अखंडता से समझौता हो सकता है एवं ज्वलनशील गैस या तरल निकल सकता है, जिससे लोगों को खतरा हो सकता है एवं वित्तीय नुकसान हो सकता है। एक्सचेंजर के खोल को टूटने वाली डिस्क या रिलीफ वाल्व द्वारा अत्यधिक दबाव से संरक्षित किया जाना चाहिए। एक्सचेंजर सुरक्षा के लिए सुरक्षा उपकरणों के खुलने का समय महत्वपूर्ण पाया गया है। ऐसे उपकरण सीधे एक्सचेंजर के खोल पर फिट किए जाते हैं एवं  राहत प्रणाली में छोड़े जाते हैं।

डिजाइन एवं निर्माण मानक

 * ट्यूबलर एक्सचेंजर मैन्युफैक्चरर्स एसोसिएशन के मानक|ट्यूबलर एक्सचेंजर मैन्युफैक्चरर्स एसोसिएशन (टीईएमए), 10वां संस्करण, 2019
 * EN 13445-3 बिना दागे दबाव वाले जहाज़ - भाग 3: डिज़ाइन, धारा 13 (2012)
 * एएसएमई बॉयलर एवं प्रेशर वेसल कोड (बीपीवीसी), खंड VIII, डिवीजन 1, भाग यूएच्स

यह भी देखें

 * बॉयलर या पुनःबॉयलर
 * ईजेएमए
 * औद्योगिक भट्ठी
 * 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
 * सतह संघनित्र

बाहरी संबंध

 * 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
 * Glass Shell and Tube Heat Exchanger India USA