মাধ্যম অনুযায়ী তাপ এক্সচেঞ্জারের শ্রেণীবিভাগঃ শিল্প প্রকৌশল গাইড

মাঝারি দ্বারা তাপ এক্সচেঞ্জারকে শ্রেণীবদ্ধ করা তাপ শক্তি বিনিময়কারী তরলগুলির শারীরিক অবস্থার (ফেজ) উপর ভিত্তি করে সরঞ্জামগুলিকে শ্রেণিবদ্ধ করে। মিডিয়ার নির্দিষ্ট তাপ ক্ষমতা (c_p) এবং তাপ পরিবাহিতা (k) সরাসরি সামগ্রিক তাপ স্থানান্তর সহগ (U) এবং সরঞ্জামের শারীরিক পদচিহ্ন নির্দেশ করে। চারটি প্রাথমিক শিল্প শ্রেণিবিন্যাস হল তরল-থেকে-তরল, গ্যাস-থেকে-তরল, গ্যাস-থেকে-গ্যাস, এবং ফেজ-চেঞ্জ (দুই-ফেজ) তাপ এক্সচেঞ্জার।

তরল থেকে তরল সিস্টেমগুলি প্রাকৃতিকভাবে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং তরল পদার্থের ঘনত্বের (যেমন জল, তেল এবং তরল রাসায়নিক) কারণে অত্যন্ত দক্ষ।

যেহেতু তরলগুলি চমৎকার পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগ প্রদান করে, এই এক্সচেঞ্জারগুলিকে গ্যাস সিস্টেমের তুলনায় একটি নির্দিষ্ট পরিমাণ তাপ (Q) স্থানান্তর করতে উল্লেখযোগ্যভাবে কম পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল (A) প্রয়োজন।

• কমন মিডিয়া: জল থেকে জল, তেল থেকে জল, রাসায়নিক থেকে জল।

• সাধারণ সরঞ্জাম: প্লেট এবং ফ্রেম হিট এক্সচেঞ্জার, শেল এবং টিউব হিট এক্সচেঞ্জার (পাখনা ছাড়া)।

• প্রাথমিক অ্যাপ্লিকেশন: ফার্মাসিউটিক্যাল প্রক্রিয়াকরণ, খাদ্য ও পানীয় পাস্তুরাইজেশন, রাসায়নিক মিশ্রণ, এবং ক্লোজড-লুপ মেশিনারি কুলিং।

ভারী শিল্প এবং বাণিজ্যিক অ্যাপ্লিকেশন উভয় ক্ষেত্রেই এটি সবচেয়ে সর্বব্যাপী শ্রেণীবিভাগ। এই সিস্টেমগুলি একটি উচ্চ-দক্ষ মাধ্যম (তরল) এবং একটি নিম্ন-দক্ষ মাধ্যম (গ্যাস/বায়ু) এর মধ্যে ব্যবধান পূরণ করে।

গ্যাসগুলি অত্যন্ত কম তাপ পরিবাহিতা ধারণ করে। গাণিতিকভাবে গ্যাসের দিকে দুর্বল তাপ স্থানান্তর সহগের জন্য ক্ষতিপূরণ দিতে, ইঞ্জিনিয়ারদের অবশ্যই কৃত্রিমভাবে গ্যাসের সংস্পর্শে থাকা পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল বৃদ্ধি করতে হবে। তরলযুক্ত টিউবের বাইরের দিকে প্রসারিত পৃষ্ঠ (পাখনা) যোগ করে এটি সর্বজনীনভাবে অর্জন করা হয়।

• কমন মিডিয়া: এয়ার থেকে ওয়াটার, এয়ার থেকে ফ্রিজ, ফ্লু গ্যাস থেকে ওয়াটার।

• সাধারণ সরঞ্জাম: এয়ার-কুলড হিট এক্সচেঞ্জার (ফিন-ফ্যান কুলার), অটোমোটিভ রেডিয়েটর, এইচভিএসি চিলার কয়েল।

• প্রাথমিক অ্যাপ্লিকেশন: পরিবেশগত এয়ার কন্ডিশনার, দূরবর্তী পাইপলাইন কুলিং, এবং ইঞ্জিন জ্যাকেট জল কুলিং।

গ্যাস-থেকে-গ্যাস হিট এক্সচেঞ্জারগুলি কাঠামোগতভাবে বিশাল কারণ উভয় তরলই দুর্বল তাপ স্থানান্তর বৈশিষ্ট্যযুক্ত। গ্রহণযোগ্য তাপ দক্ষতা অর্জনের জন্য তাদের প্রচুর ভলিউমেট্রিক পদচিহ্নের প্রয়োজন।

এই সিস্টেমগুলি প্রায় একচেটিয়াভাবে বর্জ্য তাপ পুনরুদ্ধার করে নিষ্কাশন স্ট্রীম থেকে প্রাক-তাপ আগত পরিবেষ্টিত বায়ুতে, সামগ্রিক উদ্ভিদ থার্মোডাইনামিক দক্ষতা উন্নত করে।

• সাধারণ মিডিয়া: গরম নিষ্কাশন গ্যাস থেকে পরিবেষ্টিত বায়ু।

• সাধারণ সরঞ্জাম: রোটারি থার্মাল হুইলস (রিজেনারেটর), প্লেট ফিন হিট এক্সচেঞ্জার, টিউবুলার এয়ার প্রিহিটার।

• প্রাথমিক অ্যাপ্লিকেশন: পাওয়ার প্লান্টে বয়লার এয়ার প্রিহিটিং, ক্রায়োজেনিক এয়ার সেপারেশন এবং ইন্ডাস্ট্রিয়াল ফার্নেস তাপ পুনরুদ্ধার।

ফেজ-চেঞ্জ সিস্টেমে, তাপ বিনিময়ের সময় এক বা উভয় তরল অবস্থার পরিবর্তন (ফুটন্ত বা ঘনীভূত) হয়।

পর্যায়-পরিবর্তন তাপ স্থানান্তর সংবেদনশীল তাপের পরিবর্তে সুপ্ত তাপ ব্যবহার করে। যেহেতু সুপ্ত তাপ মান (h_{fg}) নির্দিষ্ট তাপ ক্ষমতার (c_p) তুলনায় বিশাল, এই এক্সচেঞ্জারগুলি সর্বনিম্ন তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট এবং কম ভর প্রবাহ হারের সাথে প্রচুর পরিমাণে শক্তি স্থানান্তর করতে পারে।

• সাধারণ মাধ্যম: বাষ্প-থেকে-পানি (ঘনকরণ), রেফ্রিজারেন্ট থেকে-এয়ার (বাষ্পীভবন), রাসায়নিক বাষ্পীকরণ।

• সাধারণ সরঞ্জাম: কনডেনসার, ইভাপোরেটর, রিবয়লার এবং স্টিম জেনারেটর।

• প্রাথমিক অ্যাপ্লিকেশন: স্টিম পাওয়ার প্লান্ট র‌্যাঙ্কাইন চক্র, রেফ্রিজারেশন লুপ এবং রাসায়নিক পাতন কলাম।

এই এক্সচেঞ্জারগুলির নকশা নির্দেশ করে অন্তর্নিহিত পদার্থবিদ্যা মাধ্যমটির অবস্থার উপর নির্ভর করে।

একক-ফেজ (বোধগম্য তাপ) স্থানান্তরের জন্য (তরল-তরল, গ্যাস-গ্যাস, গ্যাস-তরল)

কেন সরঞ্জামের আকার এত ব্যাপকভাবে পরিবর্তিত হয় তা বোঝার জন্য, প্রকৌশলীরা সামগ্রিক তাপ স্থানান্তর সহগ (U) উল্লেখ করেন। উচ্চতর U-মান মানে ছোট, আরও দক্ষ সরঞ্জাম।

প্রশ্ন: তরল থেকে তরল হিট এক্সচেঞ্জারগুলিতে কেন পাখনা প্রায় ব্যবহার করা হয় না?

উত্তর: তরল প্রাকৃতিকভাবে উচ্চ তাপ পরিবাহিতা এবং উচ্চ পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগ ধারণ করে। পাখনা যোগ করলে পৃষ্ঠের ক্ষেত্রফল সামান্য বৃদ্ধি পাবে কিন্তু একই সাথে ব্যাপক অভ্যন্তরীণ ঘর্ষণ সৃষ্টি করবে, যার ফলে একটি অগ্রহণযোগ্য চাপ ড্রপ (ডেল্টা পি) হবে যা অর্থপূর্ণ তাপীয় সুবিধা প্রদান না করেই পাম্পিং সিস্টেমকে অভিভূত করবে।

প্রশ্ন: একটি "সংবেদনশীল তাপ" বনাম "সুপ্ত তাপ" এক্সচেঞ্জার কি?

উত্তর: একটি সংবেদনশীল তাপ এক্সচেঞ্জার তাদের শারীরিক অবস্থা পরিবর্তন না করেই মাধ্যমের তাপমাত্রা পরিবর্তন করে (যেমন, ঠান্ডা জল দিয়ে গরম তেল ঠান্ডা করা)। একটি সুপ্ত তাপ এক্সচেঞ্জার একটি ধ্রুবক তাপমাত্রায় মাধ্যমের অবস্থা পরিবর্তন করে শক্তি স্থানান্তর করে (যেমন, ফুটন্ত তরল জলকে বাষ্পে পরিণত করা)।

প্রশ্ন: কোন মাধ্যমের শ্রেণীবিভাগ বজায় রাখা সবচেয়ে কঠিন?

উত্তর: দুই-ফেজ (ফেজ-পরিবর্তন) সিস্টেম, বিশেষ করে বয়লার এবং বাষ্পীভবন, সাধারণত সবচেয়ে রক্ষণাবেক্ষণ-নিবিড়। তরল ফুটানোর প্রক্রিয়া প্রায়শই ঘনীভূত দ্রবীভূত কঠিন পদার্থ এবং খনিজগুলিকে পিছনে ফেলে দেয়, যার ফলে তাপ স্থানান্তর পৃষ্ঠে দ্রুত স্কেলিং এবং ফাউলিং হয়, যা সময়ের সাথে সাথে U-মানকে মারাত্মকভাবে হ্রাস করে।