शेल और ट्यूब हीट एक्सचेंजर डिजाइन में सही हीट ट्रांसफर एरिया की गणना करना सबसे महत्वपूर्ण कदम है। एक छोटा एक्सचेंजर थर्मल ड्यूटी को पूरा करने में विफल रहता है, जबकि एक बड़ा यूनिट पूंजी बर्बाद करता है और कम ट्यूब-साइड वेग का कारण बन सकता है जिससे फॉलिंग हो सकती है। यह गाइड एक हल किए गए उदाहरण के साथ पूर्ण गणना पद्धति के माध्यम से चलता है।
सभी हीट एक्सचेंजर साइजिंग यहीं से शुरू होती है:
Q = U × A × LMTD
एरिया के लिए हल करने के लिए पुनर्व्यवस्थित करना:
A = Q / (U × LMTD)
प्रक्रिया द्रव ऊर्जा संतुलन से Q की गणना करें:
Q = ṁ × cp × ΔT
जहां ṁ द्रव्यमान प्रवाह दर (kg/s) है, cp विशिष्ट ऊष्मा (J/kg·K) है, और ΔT द्रव तापमान परिवर्तन है।
उदाहरण: 10 kg/s प्रक्रिया जल को 80°C से 40°C तक ठंडा करना (cp ≈ 4,180 J/kg·K):
Q = 10 × 4,180 × (80 - 40) = 1,672 kW
लॉग मीन टेम्परेचर डिफरेंस एक्सचेंजर की लंबाई के साथ तापमान भिन्नता को ध्यान में रखता है। काउंटर-फ्लो कॉन्फ़िगरेशन के लिए:
LMTD = (ΔT₁ - ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)
जहां ΔT₁ और ΔT₂ प्रत्येक एक्सचेंजर छोर पर तापमान अंतर हैं:
| छोर | गर्म साइड | ठंडा साइड | ΔT |
|---|---|---|---|
| इनलेट (ΔT₁) | 120°C (गर्म इन) | 35°C (ठंडा आउट) | 85°C |
| आउटलेट (ΔT₂) | 80°C (गर्म आउट) | 20°C (ठंडा इन) | 60°C |
LMTD = (85 - 60) / ln(85/60) = 25 / 0.3483 = 71.8°C
मल्टी-पास या क्रॉस-फ्लो कॉन्फ़िगरेशन के लिए, TEMA मानकों के प्रति करेक्शन फैक्टर F (0.8–1.0) से गुणा करें।
समग्र हीट ट्रांसफर गुणांक U ट्यूब दीवार चालन, दोनों तरफ फॉलिंग, और संवहन फिल्म गुणांक के संयुक्त थर्मल प्रतिरोध का प्रतिनिधित्व करता है। विशिष्ट रेंज:
| सेवा | द्रव जोड़ी | U (W/m²·K) |
|---|---|---|
| जल / जल | प्रक्रिया जल / शीतलन जल | 800–1,500 |
| तेल / जल | हल्का तेल / शीतलन जल | 300–500 |
| गैस / जल | फ्लू गैस / बॉयलर फीड वाटर | 30–60 |
| भाप / जल | संघनित भाप / शीतलन जल | 1,500–4,000 |
| रासायनिक / जल | कार्बनिक विलायक / शीतलन जल | 250–600 |
हमारे उदाहरण के लिए, जल-से-जल सेवा के लिए U = 1,200 W/m²·K का चयन करना।
पुनर्व्यवस्थित समीकरण में मान प्लग करें:
A = Q / (U × LMTD) = 1,672,000 / (1,200 × 71.8) = 19.4 m²
फॉलिंग और परिचालन परिवर्तनशीलता के लिए 10–15% डिजाइन मार्जिन जोड़ें:
Aडिजाइन = 19.4 × 1.15 = 22.3 m²
आवश्यक एरिया भौतिक रूप से ट्यूब बंडल द्वारा प्रदान किया जाता है:
A = n × π × do × L
जहां n ट्यूबों की संख्या है, do ट्यूब का बाहरी व्यास है, और L प्रभावी ट्यूब लंबाई है।
19.05 मिमी OD ट्यूबों का उपयोग 3,000 मिमी प्रभावी लंबाई के साथ:
प्रति ट्यूब एरिया = π × 0.01905 × 3.0 = 0.1795 m²
आवश्यक ट्यूब = 22.3 / 0.1795 = 125 ट्यूब
| कारक | प्रभाव | मार्गदर्शन |
|---|---|---|
| फॉलिंग | समय के साथ U कम हो जाता है | TEMA फॉलिंग प्रतिरोधों को शामिल करें; 10–25% सुरक्षा मार्जिन जोड़ें |
| प्रवाह व्यवस्था | काउंटर-फ्लो LMTD को अधिकतम करता है | जब संभव हो काउंटर-फ्लो का उपयोग करें; मल्टी-पास के लिए F-फैक्टर लागू करें |
| ट्यूब लेआउट | शेल-साइड प्रवाह और U को प्रभावित करता है | एकल-चरण के लिए त्रिकोणीय पिच; फॉलिंग सेवा के लिए घुमाया हुआ वर्ग |
| बैफल रिक्ति | शेल-साइड वेग को नियंत्रित करता है | कट: 25%; रिक्ति: 0.2–1.0 × शेल आईडी |
| वेग सीमाएं | बहुत कम → फॉलिंग; बहुत अधिक → क्षरण | तरल: 1–3 m/s; गैस: 15–30 m/s |
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