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 प्रेशर अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। जैसा कि इसके नाम से ज्ञात होता है, इस प्रकार के हीट एक्सचेंजर में शेल ( बड़ा प्रेशर 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 ऊष्मा 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: साधारण, अनुदैर्ध्य पंखदार, आदि।

सिद्धांत एवं अनुप्रयोग
भिन्न-भिन्न प्रारंभिक 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 किन्तु शेल के अंदर (शेल साइड) बहती है। ऊष्मा को ट्यूब की दीवारों के माध्यम से एक तरल पदार्थ से दूसरे तरल पदार्थ में स्थानांतरित किया जाता है, या तो ट्यूब की ओर से शेल की ओर या इसके विपरीत किया जाता है। शेल या ट्यूब की ओर तरल पदार्थ या गैस हो सकते हैं। ऊष्मा को कुशलतापूर्वक स्थानांतरित करने के लिए, बड़े ऊष्मा हस्तांतरण क्षेत्र का उपयोग किया जाना चाहिए, जिससे कई ट्यूबों का उपयोग किया जा सकता है। इस प्रकार, अपशिष्ट ऊष्मा का उपयोग किया जा सकता है। यह ऊर्जा संरक्षण का कारगर उपाय है।

प्रत्येक ओर चरण (तरल या गैस) वाले हीट एक्सचेंजर्स को एकल-चरण हीट एक्सचेंजर्स कहा जा सकता है। दो-चरण वाले हीट एक्सचेंजर्स का उपयोग किसी तरल पदार्थ को गर्म करके उसे गैस (वाष्प) में परिवर्तित करने के लिए किया जा सकता है, जिसे कभी-कभी बायलर भी कहा जाता है, या वाष्प को ठंडा करने एवं इसे तरल (जिसे कंडेनसर कहा जाता है) में संघनित करने के लिए किया जा सकता है जिसमें परिवर्तन सामान्यतः शेल की ओर होता है। भाप इंजन लोकोमोटिव में बॉयलर सामान्यतः बड़े होते हैं, सामान्यतः बेलनाकार आकार के शेल-एवं-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स होते हैं। भाप से चलने वाले टर्बाइन वाले बड़े विद्युत संयंत्रों में, शेल-एवं-ट्यूब सतह कंडेनसर का उपयोग टरबाइन से निकलने वाली निकास भाप को जल में संघनित करने के लिए किया जाता है जिसे भाप जनरेटर में भाप में परिवर्तित करने के लिए वापस पुनर्नवीनीकरण किया जाता है।

इनका उपयोग तरल-कूल्ड चिलर में बाष्पीकरणकर्ता एवं कंडेनसर (ऊष्मा हस्तांतरण) दोनों में रेफ्रिजरेंट एवं जल के मध्य ऊष्मा 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। सामान्यतः, प्रत्येक ट्यूब के सिरे ट्यूबशीट में छेद के माध्यम से प्लेनम चैम्बर 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 प्रेशरयुक्त जल रिएक्टर कहा जाता है, बड़े हीट एक्सचेंजर्स जिन्हें स्टीम जनरेटर कहा जाता है, दो-चरण, शेल-एवं-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स होते हैं जिनमें सामान्यतः यू-ट्यूब होते हैं। इनका उपयोग विद्युत उत्पन करने के लिए टरबाइन को चलाने के लिए सतह कंडेनसर से पुनर्नवीनीकरण किए गए जल को भाप में बदलने के लिए किया जाता है। अधिकांश शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स ट्यूब की ओर 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 निकलता है। पास हीट एक्सचेंजर में, द्रव प्रत्येक ट्यूब के छोर से अंदर जाता है एवं दूसरे से बाहर जाता है। विद्युत संयंत्रों में सतही कंडेनसर प्रायः 1-पास स्ट्रेट-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स होते हैं (आरेख के लिए सतही कंडेनसर देखें)। दो एवं चार पास डिज़ाइन सामान्य हैं क्योंकि द्रव ही ओर से प्रवेश एवं निकास कर सकता है। इससे निर्माण कार्य बहुत सरल हो जाता है। प्रायः शैल पक्ष के माध्यम से प्रवाह को निर्देशित करने वाले बाधक (हीट एक्सचेंजर) होते हैं, इसलिए तरल पदार्थ शैल पक्ष के माध्यम से शॉर्ट कट नहीं लेता है एवं जिससे प्रवाह की मात्रा अप्रभावी हो जाती है। ये सामान्यतः शेल के अतिरिक्त ट्यूब बंडल से जुड़े होते हैं जिससे सुरक्षा के लिए बंडल अभी भी निकालने योग्य है।

काउंटरकरंट हीट एक्सचेंजर्स सबसे कुशल हैं क्योंकि वे गर्म एवं ठंडी धाराओं के मध्य उच्चतम लॉग औसत तापमान अंतर की अनुमति देते हैं। चूँकि कई कंपनियाँ यू-ट्यूब के साथ दो पास हीट एक्सचेंजर्स का उपयोग नहीं करती हैं क्योंकि वे बनाने में अधिक मूल्यवान होने के अतिरिक्त सरलता से खंडित हो सकते हैं। प्रायः बड़े एक्सचेंजर के प्रतिधारा प्रवाह को अनुकरण करने के लिए कई हीट एक्सचेंजर्स का उपयोग किया जा सकता है।

ट्यूब सामग्री का चयन
ऊष्मा को उचित प्रकार से स्थानांतरित करने में सक्षम होने के लिए, ट्यूब सामग्री में उचित तापीय चालकता होनी चाहिए। क्योंकि ट्यूबों के माध्यम से ऊष्मा 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 भिन्न-भिन्न विस्तार करने की प्रवृत्ति के कारण, ऑपरेशन के समय थर्मल तनाव उत्पन्न होता है। यह स्वयं तरल पदार्थों के उच्च प्रेशर से होने वाले किसी भी तनाव (भौतिकी) के अतिरिक्त है। जंग को कम करने के लिए ट्यूब सामग्री को परिचालन स्थितियों (ऑपरेटिंग तापमान, प्रेशर, पीएच, आदि) के अंतर्गत लंबे समय तक शेल एवं ट्यूब दोनों ओर के तरल पदार्थों के साथ संगत होना चाहिए। इन सभी आवश्यकताओं के लिए शक्तिशाली, तापीय-प्रवाहकीय, संक्षारण-प्रतिरोधी, उच्च गुणवत्ता वाली ट्यूब सामग्री, विशेष रूप से एल्यूमीनियम, तांबा मिश्र धातु, स्टेनलेस स्टील, कार्बन स्टील, अलौह तांबा मिश्र धातु, इनकोनेल, निकल, हेस्टेलॉय एवं टाइटेनियम सहित धातुओं के सावधानीपूर्वक चयन की आवश्यकता होती है। 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 व्यर्थ 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 प्रेशर की हानि हो सकती 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 पावर पैक में हाइड्रोलिक तरल पदार्थ एवं तेल को ठंडा करना है। सामग्री के उचित चयन के साथ उनका उपयोग अन्य माध्यमों, जैसे स्विमिंग पूल के जल को ठंडा या गर्म करने के लिए भी किया जा सकता है। प्लेटों की अपेक्षा में शेल-एंड-ट्यूब प्रौद्योगिकी के कई लाभ हैं


 * शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर का उपयोग करने का बड़ा लाभ यह है कि उनकी सेवा करना प्रायः सरल होता है, विशेषकर 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 प्रेशर के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी है एवं सभी प्रकार के प्रेशर अनुप्रयोगों की अनुमति देता है।

अधिक प्रेशर से सुरक्षा
शेल-एंड-ट्यूब हीट एक्सचेंजर्स में ट्यूब के फटने एवं उच्च प्रेशर (एचपी) द्रव के प्रवेश करने एवं हीट एक्सचेंजर के कम प्रेशर (एलपी) पक्ष पर अधिक प्रेशर डालने की संभावना होती है। एक्सचेंजर्स का सामान्य विन्यास एचपी तरल पदार्थ को ट्यूबों में रखने एवं एलपी जल, कूलिंग या हीटिंग मीडिया को शेल की ओर रखने के लिए होता है। समस्या 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 संकट का सामना करना पड़ सकता है एवं वित्तीय हानि हो सकती है। एक्सचेंजर के खोल को खंडित होने वाली डिस्क या रिलीफ वाल्व द्वारा अत्यधिक प्रेशर से संरक्षित किया जाना चाहिए। एक्सचेंजर सुरक्षा के लिए सुरक्षा उपकरणों के खुलने का समय महत्वपूर्ण है। ऐसे उपकरण सीधे एक्सचेंजर के खोल पर निश्चित किए जाते हैं एवं राहत प्रणाली में छोड़े जाते हैं।

डिजाइन एवं निर्माण मानक

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

यह भी देखें

 * बॉयलर या रीबॉयलर
 * ईजेएमए
 * ज्वलित हीटर
 * फाउलिंग या स्केलिंग
 * हीट एक्सचेंजर्स
 * एलएमटीडी शोध के विकल्प के रूप में एनटीयू विधि
 * प्लेट हीट एक्सचेंजर
 * प्लेट फिन हीट एक्सचेंजर
 * प्रेशर 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