ऊष्मा विनिमायक
ऊष्मा विनिमायक (हीट इक्सचेंजर) एक माध्यम से दूसरे माध्यम में प्रभावी ऊष्मा अंतरण के लिए बनाया गया एक उपकरण है। माध्यम एक ठोस दीवार से अलग हो सकता है, ताकि वे कभी आपस में ना मिलें, या वे सीधे संपर्क में हो सकें. इनका उपयोग स्थान तापन, प्रशीतन, एयर कंडीशनिंग, बिजली संयंत्र, रसायन संयंत्र, पेट्रो रसायन संयंत्र, पेट्रोलियम रिफ़ाइनरी और प्राकृतिक गैस संसाधन में व्यापक रूप से होता है। ताप विनिमायक का एक सामान्य उदाहरण कार का रेडिएटर है, जिसमें ताप स्रोत, एक गर्म इंजन-शीतलन तरल पदार्थ, जल होने की वजह से रेडिएटर (अर्थात् ताप अंतरण माध्यम) के ज़रिए बह रही हवा में ताप अंतरित करता है।
ताप विनिमायकों को उनकी प्रवाह व्यवस्था के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है। "समानांतर-प्रवाह" वाले ताप विनिमायकों में, दो तरल पदार्थ एक ही छोर से विनियामक में प्रवेश करते हैं और दूसरे छोर पर एक दूसरे से समानांतर यात्रा करते हैं। "प्रतिकूल-प्रवाह" ताप विनिमायकों में तरल पदार्थ विपरीत छोर से विनिमायक में प्रवेश करते हैं। प्रतिकूल प्रवाह डिज़ाइन अत्यधिक कार्यक्षम हैं, जोकि ताप (अंतरण) माध्यम से अधिक ताप अंतरित कर सकते हैं। प्रतिकूल प्रवाह विनिमय देखें. "तिरछे-प्रवाह" ताप विनिमायक में, तरल पदार्थ विनिमय के ज़रिए मोटे तौर पर एक दूसरे से लंबतः यात्रा करते हैं।
दक्षता के लिए, ताप विनिमायकों की डिज़ाइन, विनिमायक के माध्यम से तरल पदार्थ के प्रवाह के विरुद्ध प्रतिरोध शक्ति को कम करते हुए, दो तरल पदार्थ के बीच दीवार के क्षेत्रफल को बढ़ाने के लिए तैयार की गई है। विनिमायक का कार्य-निष्पादन एक या दोनों दिशाओं में पंखों या नालियों को जोड़ने से भी प्रभावित हो सकता है, जो क्षेत्रफल को बढ़ाते हैं और तरल प्रवाह की नाली बना सकते हैं या खलबली पैदा कर सकते हैं।
ताप अंतरण सतह के आर-पार तापमान, स्थिति के साथ बदलता रहता है, लेकिन एक उपयुक्त औसत तापमान निरूपित किया जा सकता है। अधिक सरल प्रणालियों में यह लॉग औसत तापमान अंतर (LMTD) है। कभी-कभी LMTD की प्रत्यक्ष जानकारी उपलब्ध नहीं होती और NTU विधि का प्रयोग किया जाता है।
शेल और ट्यूब ताप विनिमायक, नलियों की एक श्रृंखला से मिलकर बनता है। इन नलियों के समूह में तरल पदार्थ होता है, जिसे गर्म या ठंडा करना पड़ता है। दूसरा तरल पदार्थ, गर्म या ठंडा की जा रही नलियों पर से गुज़रता है, ताकि वह ताप प्रदान करे या आवश्यक ताप अवशोषित कर सके। नलियों के सेट को ट्यूब बंडल कहा जाता है और यह कई प्रकार की नलियों से मिल कर बनाया जा सकता है: सादे, अनुलंबीय पंखों वाले आदि। शेल और ट्यूब ताप विनिमायक आम तौर पर उच्च दबाव वाले अनुप्रयोगों के साथ (जहां दबाव 30 बार से अधिक और तापमान 260 °C से अधिक हो) इस्तेमाल किए जाते हैं। इसका कारण है कि शेल और ट्यूब ताप विनिमायक अपने आकार के कारण मज़बूत हैं। शेल और ट्यूब विनिमायकों में ट्यूबों को डिज़ाइन करते समय ऐसे कई ऊष्मीय डिज़ाइन विशेषताएं हैं, जिनको हिसाब में लेना होगा। इनमें शामिल हैं:
ताप विनिमायक का एक अन्य प्रकार प्लेट ताप विनिमायक है। यह बना है कई, पतली, थोड़े-वियोजित प्लेटों से जिनका क्षेत्रफल बहुत अधिक हो और जिनमें ताप अंतरण के लिए तरल पदार्थ के प्रवाह मार्ग मौजूद हैं। शेल और ट्यूब ताप विनिमायक की तुलना में, किसी सीमित जगह पर, खड़ी प्लेटों की यह व्यवस्था और अधिक प्रभावी हो सकती है। गैस्केट और टांका लगाने की प्रौद्योगिकी में प्रगति ने प्लेट-टाइप ताप विनिमायकों को अधिक व्यावहारिक बना दिया है। HVAC अनुप्रयोगों में, इस प्रकार के बड़े ताप विनिमायकों को "प्लेट-एंड-फ़्रेम" कहते हैं; जब खुले लूपों में इस्तेमाल किए जाएं तो ये ताप विनिमायक, सामान्य रूप से गैस्केट टाइप के होते हैं, ताकि आवधिक तौर पर पुरजों को खोलना, सफाई और निरीक्षण संभव हो सके। कई प्रकार के स्थाई तौर पर जुडे प्लेट ताप विनिमायक मौजूद हैं, जैसे कि डिप-ब्रेज़ तथा वैक्यूम-ब्रेज़ किए हुए प्लेट प्रकार और अक्सर उन्हें बंद लूप अनुप्रयोगों के लिए निर्दिष्ट किया जाता है, जैसे कि प्रशीतन. प्लेट ताप विनिमायक, प्रयुक्त प्लेटों के प्रकार और उन प्लेटों के विन्यास के आधार पर भी अलग हो सकते हैं। कुछ प्लेटों को "फ़ीता" या अन्य पैटर्न में मुद्रांकित किया जा सकता है, जहां दूसरों में मशीनी पंख और/या खांचे हो सकते हैं।
तीसरे प्रकार के ताप विनिमायक हैं पुनर्योजक ताप विनिमायक. इसमें, एक प्रक्रिया से ताप (ताप माध्यम) को तरल पदार्थ गर्म करने के लिए इस्तेमाल किया जाता है और उसी प्रकार का तरल पदार्थ ताप विनिमायक के दोनों ओर प्रयुक्त होता है (ये ताप विनिमायक या तो प्लेट-एंड-फ़्रेम निर्माण हो सकते हैं या शेल-एंड-ट्यूब)। इन विनिमायकों का उपयोग केवल गैसों के लिए किया जाता है और तरल पदार्थ के लिए नहीं। इसका प्रमुख कारक ताप अंतरण मैट्रिक्स की ताप क्षमता है। यह भी देखें: प्रतिधारा-विनिमय, पुनर्योजित्र, मितउपयोजित्र
एक चौथे प्रकार का ताप विनिमायक, ताप को रोक रखने के लिए एक मध्यवर्ती द्रव या ठोस भंडार का उपयोग करता है, जिसे बाद में निर्मोचन के लिए ताप विनिमायक के दूसरे छोर पर खिसकाया जाता है। इसके दो उदाहरण हैं रुद्धोष्म चक्र, जिसमें पतले धागों सहित एक बड़ा पहिया गर्म और ठंडे तरल पदार्थ और तरल ताप विनिमायकों के माध्यम से घूमता रहता है।
इस प्रकार का ताप विनिमायक एकक की प्रभावशीलता को बढ़ाने के लिए पंखों वाले "सैंडविच्ड" (बीच में रखे) पथ का इस्तेमाल करता है। इसकी डिजाइन में, तिरछे प्रवाह और प्रतिप्रवाह सहित सीधे पंख, ऑफ़सेट पंख और लहरदार पंख जैसे विभिन्न पंख विन्यास भी साथ शामिल हैं।
प्लेट और फ़िन ताप विनिमायक आम तौर पर एल्यूमीनियम मिश्र धातु के बने होते है, जो उच्च ताप अंतरण दक्षता उपलब्ध कराते हैं। सामग्री, प्रणाली को कम तापमान पर काम करने में सक्षम बनाती है और उपकरण का भार कम करती है। प्लेट और फ़िन ताप विनिमायकों का ज्यादातर उपयोग, प्राकृतिक गैस, हीलियम और ऑक्सीजन द्रवीकरण संयत्र, वायु अलगाव संयंत्र और मोटर और विमान इंजन जैसे परिवहन उद्योगों के समान कम तापमान वाली सेवाओं के लिए किया जाता है।
प्लेट और फ़िन ताप विनिमायकों के लाभ:
प्लेट और फ़िन ताप विनिमायकों के नुकसान:
यह एक ऐसा ताप विनिमायक है जिसमें तरल पदार्थ (अक्सर पानी) की बौछार के माध्यम से ऊपर की तरफ गैस बहता है और फिर तरल पदार्थ को ठंडा करने से पहले कहीं और ले जाया जाता है। आम तौर पर इसका इस्तेमाल गैसों को ठंडा करने के लिए और साथ ही कुछ अशुद्धियों को दूर करने के लिए किया जाता है, ताकि एक साथ दो समस्याएं सुलझ सकें. इसका व्यापक रूप से उपयोग एस्प्रेसो मशीन में एस्प्रेसो के निष्कर्षण के लिए प्रयुक्त बहुत अधिक गर्म पानी को ठंडा करने में ऊर्जा बचाने की पद्धति के रूप में किया जाता है।
वेस्ट हीट रिकवरी यूनिट (WHRU) एक ताप विनिमायक है जो गर्म गैस धारा से ताप को कार्यकारी माध्यम में अंतरित करते समय, आम तौर पर पानी या तेल से, उसे पुनःप्राप्त करता है। गर्म गैस धारा, गैस टरबाइन या डीजल इंजन या उद्योग या रिफाइनरी से अपशिष्ट गैस से निकसित गैस हो सकती है।
एक अन्य प्रकार के ताप विनिमायक को "(डायनमिक) स्क्रेप्ड सर्फ़ेस हीट एक्सचेंजर" कहा जाता है। इसका उपयोग मुख्यतः उच्च-श्यानता वाले उत्पादों के तापन या शीतलन, क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया, वाष्पीकरण तथा अधिक अवरुद्ध होने वाले अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है। सतह के अपघर्षण के कारण दीर्घ परिचालन समय हासिल किया जाता है, जिससे प्रक्रिया के दौरान अवरोध का परिहार और धारणीय ताप अंतरण दर प्राप्त किया जा सकता है।
इसके लिए प्रयुक्त सूत्र होगा Q=A*U*LMTD, जिससे Q=ताप अंतरण दर.
केवल एकल प्रावस्था में तरल पदार्थों के तापन या शीतलन के अलावा, ताप विनिमायकों का उपयोग द्रव को गरम करते हुए उसके वाष्पीकरण (या उबालने) के लिए या वाष्प को ठंडा करने या द्रवित करने के लिए संघनित्र के रूप में किया जा सकता है। रासायनिक संयंत्रों और परिष्करण शालाओं में, आसवन टावरों के लिए आवक पोषकों को गर्म करने के लिए प्रयुक्त पुनर्वाष्पित्र अक्सर ताप विनिमायक होते हैं।
आसवन ढांचे आम तौर पर आसुत वाष्प को पुनः द्रव में संघनित करने के लिए संघनित्रों का उपयोग करते हैं।
बिजली संयंत्र जिनमें वाष्प संचालित टरबाइन होते हैं, सामान्यतः पानी को उबाल कर वाष्प में परिवर्तित करने के लिए ताप विनिमायकों का उपयोग करते हैं। पानी से भाप बनाने के लिए ताप विनिमायक या उसके समान इकाइयों को अक्सर बॉयलर या वाष्पित्र कहा जाता है।
दाबानुकूलित जल रिएक्टर नामक परमाणु ऊर्जा संयंत्रों में, प्राथमिक (रिएक्टर संयंत्र) प्रणाली से माध्यमिक (वाष्प संयंत्र) प्रणाली में ताप गुज़ारने वाले विशेष बड़े ताप विनिमायकों को वाष्प जनित्र कहा जाता है, जो इस प्रक्रिया में जल से वाष्प का उत्पादन करते हैं। वाष्प-संचालित टर्बाइनों का उपयोग करने वाले सभी जीवाश्म ईंधन झोंकने वाले और परमाणु विद्युत संयंत्रों में, पुनः उपयोग के लिए टर्बाइनों से निकसित वाष्प के संघनन (जल में परिवर्तित करने) के लिए सतह संघनित्र होते हैं।
रासायनिक और अन्य संयंत्रों में ऊर्जा और शीतलन क्षमता के संरक्षण के लिए, ठंडा करने की ज़रूरत वाली धारा से गरम करने की आवश्यकता वाली अन्य धारा में ताप को अंतरित करने के लिए पुनर्योजी ताप विनिमायकों का उपयोग किया जा सकता है, जैसे कि आसुत शीतलन और पुनर्वाष्पित्र पोषक पूर्व-तापन.
इस शब्द का उपयोग ऐसे ताप विनिमायकों के लिए भी किया जा सकता है जो अपनी संरचना के भीतर ऐसी सामग्री रखते हैं जिसकी प्रावस्था में परिवर्तन होता है। यह आम तौर पर ठोस से द्रव प्रावस्था है, जिसका कारण इन दो अवस्थाओं के बीच केवल न्यून मात्रा अंतर है। प्रावस्थाओं का यह परिवर्तन प्रभावी ढंग से एक बफ़र के रूप में कार्य करता है क्योंकि यह एक स्थिर तापमान पर होता है, लेकिन तब भी ताप विनिमायक को अतिरिक्त ताप स्वीकार करने की अनुमति देता है। एक उदाहरण जहां इसकी जांच की गई है, वह है उच्च शक्ति विमान इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोगार्थ.
प्रत्यक्ष संपर्क ताप विनिमायकों में, एक विभाजित करने वाली दीवार के अभाव में दो प्रावस्थाओं की गर्म और ठंडी धाराओं के बीच अंतरण शामिल है। इस प्रकार इन ताप विनिमायकों को निम्नतः वर्गीकृत किया जा सकता है:
अधिकांश प्रत्यक्ष संपर्क ताप विनिमायक, गैस - द्रव श्रेणी के तहत आते हैं, जहां गैस और द्रव के बीच ताप का अंतरण बूंदें, झिल्ली या फुहारे के रूप में होता है। [2]
इस प्रकार के ताप विनिमायकों का मुख्य रूप से उपयोग एयर कंडीशनिंग, आर्द्रीकरण, जल शीतलन और संघनन संयंत्रों में होता है।
ताप विनिमायकों के व्यापक उपयोगों में से एक है इमारतों और वाहनों का वातानुकूलन. ताप विनिमायकों के इस वर्ग को आम तौर पर "एयर कॉयल" या केवल "कॉयल" कहा जाता है, जो उनके अक्सर-सर्पिल आंतरिक नलिका के कारण है। द्रव से वायु, या वायु से द्रव HVAC कॉयल आम तौर पर संशोधित प्रतिप्रवाह व्यवस्था है। वाहनों में, ताप कॉयलों को अक्सर हीटर कोर कहा जाता है।
इन ताप विनिमायकों के द्रव की ओर, सामान्य तरल पदार्थ हैं, जल, जल-ग्लाइकॉल घोल, वाष्प, या प्रशीतक. "तापन कॉयल" के लिए, गर्म पानी और भाप सबसे आम हैं और उदाहरणतः इस गर्म द्रव की बॉयलर द्वारा आपूर्ति की जाती है। "शीतलन कॉयल" के लिए, सबसे आम हैं ठंडा पानी और प्रशीतक. ठंडे पानी की आपूर्ति शीतलक से की जाती है जो संभवतः बहुत दूर स्थित हो, लेकिन प्रशीतक निकटतम संघनक इकाई से आनी चाहिए। जब प्रशीतक का उपयोग किया जाता है, वाष्प-संपीडन प्रशीतन चक्र में शीतलन कॉयल वाष्पक है। HVAC कॉयल जो प्रशीतकों के इस प्रत्यक्ष-विस्तारण का उपयोग करते हैं, उन्हें सामान्यतः "DX कॉयल" कहा जाता है।
HVAC कॉयलों के वायु की ओर, तापन और प्रशीतन के लिए प्रयुक्त के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर मौजूद रहता है। मनोमिति की वजह से, वायु जिसे ठंडा किया जाता है उससे नमी बाहर संघनित होती है, सिवाय अत्यधिक शुष्क वायु प्रवाह के. कुछ हवा के तापन से उस वायु प्रवाह द्वारा जल धारण करने की क्षमता बढ़ जाती है। अतः हीटिंग कॉयल को अपनी वायु की दिशा में नमी संघनन पर ध्यान देने की ज़रूरत नहीं है, लेकिन कूलिंग कॉयल को अपने विशिष्ट "अंतर्निहित" (नमी) और साथ ही "पर्याप्त" (शीतलन) भार धारित करने के लिए समुचित रूप से डिज़ाइन और चयन किया जाना चाहिए। पानी जिसे निकाल दिया जाता है "संघनक" कहलाता है।
कई जलवायु के लिए, जल या वाष्प HVAC कॉयलों को हिमीकरण दशाओं में खुला छोड़ा जा सकता है। क्योंकि पानी जमने पर फैलता है, केवल एक प्रशीतन से ही, ये कुछ महंगे और प्रतिस्थापित करने में मुश्किल, पतली-दीवार वाले ताप विनिमायक आसानी से क्षतिग्रस्त या नष्ट हो सकते हैं। अतः HVAC डिज़ाइनर, संस्थापक और प्रचालकों की प्रमुख चिंता का विषय है, कॉयलों की प्रशीतन से सुरक्षा.
ताप विनिमायकों के पंखों में दंतुरण की स्थापना से संघनन को नियंत्रित किया जा सका, जो ठंडी हवा में जल के अणुओं को रहने देते हैं। इस आविष्कार ने शीतलन प्रक्रिया के पाग के बिना प्रशीतन को अनुमत किया।
कई घरों में विशिष्टतः मौजूद प्रत्यक्ष-दहन भट्टियों में ताप विनिमायक, 'कॉयल' नहीं हैं। बजाय इसके वे गैस से हवा ताप विनिमायक हैं, जो आम तौर पर कटे स्टील शीट धातु के बने होते हैं। दहन उत्पाद इन ताप विनिमायकों के एक ओर से गुज़रते हैं और वातानुकूलित की जाने वाली हवा दूसरी ओर से. इसलिए "दरारयुक्त ताप विनिमायक" ख़तरनाक स्थिति है, जिस पर तत्काल ध्यान देने की आवश्यकता है, क्योंकि इससे दहन उत्पादों के भवन में प्रवेश की संभावना रहती है।
एक सर्पिल ताप विनिमायक (SHE) से तात्पर्य एक चक्करदार (कुंडलाकार) नलिका विन्यास से है, अधिकतर यह शब्द सपाट सतहों की जोड़ी को सन्दर्भित करता है जिन्हें एक प्रति-प्रवाह व्यवस्था में दो नालियां बनाने के लिए कुंडलाकार लपेटा जाता है। दो नालियों में से प्रत्येक में एक लंबां घुमावदार मार्ग होता है। तरल प्रवेशद्वारों की जोड़ी स्पर्शरेखीय तौर पर सर्पिल बाहरी भुजाओं से जुड़ी रहती हैं और अक्षीय द्वार आम हैं, पर वैकल्पिक.
SHE का मुख्य लाभ उसके स्थान का अत्यधिक कुशल उपयोग है। इस विशेषता को अक्सर उभारा जाता है और आंशिक रूप से पुनःनिर्धारित किया जाता है ताकि ताप विनिमायक डिज़ाइन में विख्यात तालमेल के अनुसार निष्पादन में अन्य सुधार लाने के अन्य लाभ उठा सकें. (एक उल्लेखनीय तालमेल पूंजी लागत बनाम प्रचालन लागत है।) एक छोटे पदचिह्न को पाने के लिए सुसंबद्ध SHE का इस्तेमाल किया जा सकता है और इस प्रकार कम दाब गिरावट, कम पंपिंग ऊर्जा, उच्च तापीय क्षमता और कम ऊर्जा लागत पाने के लिए, समग्रतः कम पूंजी लागत, या अधिक बड़े SHE का इस्तेमाल किया जा सकता है।
रोलिंग से पहले झलाई किए गए अंतर-मेखों का उपयोग करते हुए, सर्पिल नालियों में पत्रकों के बीच दूरी बनाए रखी जाती है। जब मुख्य सर्पिल पैक रोल किया जाता है, तो वैकल्पिक ऊपर और नीचे के किनारों की झलाई की जाती है और प्रत्येक सिरे को मुख्य ढांचे के गैसकिट लगे चपटे या शंक्वाकार आवरण से बंद किया जाता है। यह सुनिश्चित करता है कि दोनों द्रवों में कोई मिश्रण नहीं होगा। यदि रिसाव होता है, वह परिधि से वातावरण में या उसी तरल पदार्थ युक्त किसी मार्ग में होगा।
SHE का उपयोग अक्सर तरल पदार्थ के तापन में होता है जिसमें ठोस पदार्थ शामिल होते हैं और इस प्रकार ताप विनिमायक के अंदरूनी भाग को अवरुद्ध करने की उनमें प्रवृत्ति होती है।  न्यून दाब गिरावट SHE को आसानी से अवरुद्धता को संभालने की क्षमता देती है। SHE एक "स्वतः सफाई" व्यवस्था का उपयोग करती है, जिसके तहत अवरुद्ध सतह स्थानीय तौर पर द्रव वेग बढ़ाते हैं, जिससे अवरुद्ध सतह पर तलकर्षण (या द्रव घर्षण) बढ़ जाता है, इस प्रकार अवरोधक को हटाने में मदद मिलती है और ताप विनिमायक साफ़ रखा जा सकता है। "ताप अंतरण की सतह बनाने वाली आंतरिक दीवार अक्सर मोटी होती है, जो SHE को काफ़ी मज़बूत बनाती है और प्रतिकूल परिवेशों में लंबे समय तक टिकी रहती हैं।" इन्हें भट्टी की भांति खोल कर, आसानी से साफ किया जा सकता है, जहां जमा किसी अवरोधक को दाब धुलाई से हटाया जा सकता है।
सर्पिल ताप विनिमायकों में तीन प्रमुख प्रकार के प्रवाह हैं:
SHE पास्तुरीकरण, पाचक तापन, ताप पुनःप्राप्ति, पूर्व-तापन (देखें: प्रतिप्रापक) और बहिःप्रवाही शीतलन जैसे अनुप्रयोगों के लिए उत्तम है। अवमल के उपचार के लिए, आम तौर पर SHE ताप विनिमायकों के अन्य प्रकारों से छोटे हैं।
आवेष्टित अनेक विसंगतियों के कारण, इष्टतम ताप विनिमायकों का चयन चुनौतीपूर्ण है। हस्त गणना संभव है, लेकिन कई पुनरावृत्तियों की विशिष्ट ज़रूरत है। इसलिए, ताप विनिमायकों का चुनाव, सिस्टम डिज़ाइनरों द्वारा, जो आम तौर पर इंजीनियर होते हैं, या उपकरण विक्रेताओं द्वारा अक्सर कंप्यूटर प्रोग्रामों के माध्यम से किया जाता है।
एक उपयुक्त ताप विनिमायक के चयन के लिए, सिस्टम डिज़ाइनर (या उपकरण विक्रेता) सबसे पहले प्रत्येक ताप विनिमायक के प्रकार के लिए डिज़ाइन की सीमाओं पर विचार करेंगे।  हालांकि अक्सर लागत पहली मूल्यांकन कसौटी है, तथापि कई अन्य महत्वपूर्ण चयन मानदंड मौजूद हैं, जिनमें शामिल हैं: सही ताप विनिमायक (HX) के चयन के लिए, ताप विनिमायकों के विभिन्न प्रकार और जिस परिवेश में इकाई के परिचालन की अपेक्षा है, उसके बारे में कुछ जानकारी आवश्यक है। आम तौर पर विनिर्माण उद्योग में, अंतिम उत्पाद हासिल करने के लिए केवल एक प्रक्रिया या प्रणाली के लिए कई अलग ताप विनिमायकों का इस्तेमाल किया जाता है। उदाहरण के लिए, पूर्व-तापन के लिए, एक केतली HX, 'संवाहक' तरल पदार्थ के लिए दोहरी नली वाला HX और अंतिम शीतलन के लिए प्लेट और फ़्रेम HX. ताप विनिमायकों के प्रकार और परिचालन अपेक्षाओं के बारे में समुचित जानकारी के साथ, प्रक्रिया को इष्टतम करने के लिए उचित चयन किया जा सकता है।
प्लेट और नलिकाकार ताप विनिमायक की सुस्वस्थता निरीक्षण का स्वस्थानी परीक्षण चालकता या हीलियम गैस तरीके से कर सकते हैं। ये तरीक़े प्रति संक्रमण को रोकने के लिए प्लेटों या ट्यूबों की अखंडता और गैस्केटों की दशा की पुष्टि करते हैं।
ताप विनिमायक नलियों की दशा की निगरानी एडी धारा परीक्षण जैसे अविध्वंसक तरीक़ों के माध्यम से आयोजित की जा सकती है।
जल प्रवाह और निक्षेपों की क्रियाविधि अक्सर संगणनात्मक तरल गतिकी या CFD से प्रेरित होती है। कुछ ताप विनिमायकों में अवरोधन एक गंभीर समस्या है। नदी के पानी का अक्सर शीतलक जल जैसा इस्तेमाल होता है, जिसकी वजह से ताप विनिमायकों में जैविक मलबे का प्रवेश और परतों का निर्माण तथा ताप अंतरण गुणांक में कमी होती है। एक अन्य आम समस्या है पपड़ी जमना, जो कैल्शियम कार्बोनेट या मैग्नीशियम कार्बोनेट जैसे रसायनों की जमा परतों से बनी होती है।
अवरोधन तब होता है जब तरल पदार्थ ताप विनिमायक के माध्यम से गुज़रता है और तरल पदार्थ से मैल नलियों की सतह पर अवक्षिप्त होती हैं। इन अशुद्धियों का अवक्षेपण निम्न द्वारा संभव है:
अवरोधन का प्रभाव गरम नलियों की अपेक्षा ताप विनिमायक की ठंडी नलियों में प्रचुर मात्रा में होता है। इसका कारण है अशुद्धि के ठंडे तरल पदार्थ में घुलने की कम संभावना. यह इस वजह से है कि अधिकांश पदार्थों में तापमान वृद्धि के साथ-साथ विलेयता में वृद्धि होती है। एक उल्लेखनीय अपवाद है खारा जल, जहां इसकी ठीक विपरीत स्थिति है।
अवरोधन ताप के अंतरण के लिए अनुप्रस्थ क्षेत्र को कम करता है और ताप विनिमायक के आर-पार ताप अंतरण के विपरीत प्रतिरोध को बढ़ाता है। इसका कारण है अवरोधक परत की तापीय चालकता का कम होना. यह समग्र ताप अंतरण गुणांक और ताप विनिमायक की क्षमता को कम करता है। बदले में इससे पंपिंग और रखरखाव लागत में वृद्धि हो सकती है।
अवरोधन नियंत्रण के परंपरागत अभिगम में आवधिक प्रयोगशाला परीक्षण के साथ, जीव-नाशी और पपड़ी-रोधी रसायनों का "अंधाधुंध" उपयोग है। यह अक्सर रसायनों के अत्यधिक उपयोग में परिणत होता है, जो प्रणाली में ज़ंग लगने और विषाक्त अपशिष्ट को बढ़ाने जैसे अंतर्निहित दुष्प्रभाव साथ ले आते हैं - जिनमें अनावश्यक उपचार की वृद्धिशील लागत भी शामिल है। लेकिन तरल वातावरण में अवरोधन की सतत निगरानी के लिए समाधान भी मौजूद हैं, जैसे नियोसेन्स FS सेंसर, जो अवरोधन की मोटाई और तापमान दोनों को मापते हैं, जिसमें रसायनों के उपयोग का अनुकूलन और सफ़ाई की कार्यक्षमता पर नियंत्रण अनुमत है।
प्लेट ताप विनिमायकों को आवधिक तौर पर खोल कर साफ़ करना चाहिए। नलिकाकार ताप विनिमायकों की एसिड से सफ़ाई, बालू-क्षेपण, उच्च-दाब युक्त जल फ़व्वारा, बुलेट सफ़ाई या ड्रिल छड़ों जैसी पद्धतियों से साफ़ किया जा सकता है।
बड़े पैमाने पर प्रशीतन जल प्रणालियों के लिए ताप विनिमायकों में, शुद्धिकरण, रसायन का संयोजन और परीक्षण जैसे जल उपचार का उपयोग, ताप विनिमय उपकरण को बाधित होने से रोकने के लिए किया जाता है। विद्युत संयंत्र आदि के लिए वाष्प प्रणालियों में अन्य जल उपचार का भी इस्तेमाल किया जाता है, ताकि ताप विनिमायक व अन्य उपकरणों में अवरुद्धता और ज़ंग लगने को कम किया जा सके।
कई क़िस्म की कंपनियों ने जैव-अवरुद्धता को रोकने के लिए जलवाहित दोलन प्रौद्योगिकी का इस्तेमाल शुरू कर दिया है। रसायनों के उपयोग के बिना, इस प्रकार की प्रौद्योगिकी ने ताप विनिमायकों में न्यून-दाब ह्रास उपलब्ध कराने में मदद की है।
मानव के फेफड़े भी अपने अधिक क्षेत्रफल व मात्रा के अनुपात के कारण अत्यंत कुशल ताप विनिमायक के रूप में सेवा देते हैं।
बाह्य वृषण वाली प्रजातियों में (जैसे कि मनुष्य), वृषण प्रतानाकार स्नायुजाल कहलाने वाले नसों के जाल से घिरा होता है। यह वृषण तक पहुंचने वाले रक्त को ठंडा करता है, जबकि वापस लौटने वाले रक्त का पुनर्तापन करता है।
मछली और व्हेल के परिसंचरण तंत्र में स्वाभाविक रूप से "प्रतिधारा" ताप विनिमायकों की मौजूदगी होती है। त्वचा तक गर्म खून ले जाने वाली धमनियां, त्वचा से ठंडा खून ले जाने वाली नसों के साथ गुंथी होती हैं, जिससे गर्म रक्त धमनियां, ठंडे शिरापरक खून के साथ गर्मी का आदान-प्रदान कर सके। यह ठंडे जल में समग्र ऊष्मा के नुकसान को कम कर देता है। ताप विनिमायक बलीन व्हेल की जिह्वा में भी मौजूद हैं, जहां बड़ी मात्रा में उनके मुंह के माध्यम से पानी प्रवहित होती रहती है। जलग पक्षी, जल में अपने पैरों के माध्यम से, शरीर से होने वाले ऊष्मा के ह्रास को सीमित करने के लिए, ऐसी ही प्रणाली का उपयोग करते हैं।
बड़े पैमाने पर औद्योगिक प्रक्रियाओं के शीतलन या तापन के लिए उद्योग में ताप विनिमायकों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। प्रयुक्त ताप विनिमायकों के प्रकार और आकार, तरल पदार्थ के प्रकार, उसकी प्रावस्था, तापमान, घनत्व, श्यानता, दबाव, रासायनिक संरचना और विभिन्न अन्य ऊष्मा-गतिकी गुणधर्मों के आधार पर प्रक्रिया के अनुरूप बनाया जा सकता है।
कई औद्योगिक प्रक्रियाओं में निकसित ऊर्जा या ताप धारा का अपव्यय होता है, जिस ऊष्मा को पुनःप्राप्त करने के लिए ताप विनिमायकों का प्रयोग किया जा सकता है और प्रक्रिया में एक अलग धारा के तापन द्वारा उसका इस्तेमाल किया जा सकता है। इस अभ्यास से उद्योग में काफ़ी पैसों की बचत हो सकती है, चूंकि ताप विनिमायकों से अन्य धाराओं को आपूरित ताप अन्यथा किसी बाह्य स्रोत से लाई जाती, जोकि अधिक महंगी और पर्यावरण के लिए ज़्यादा हानिकारक है।
कई उद्योगों में ताप विनिमायकों का उपयोग होता है, जिनमें शामिल कुछ हैं:
अपशिष्ट जल उपचार उद्योग में वातनिरपेक्ष पाचित्र के भीतर अधिकतम तापमान बनाए रखने में ताप विनिमायक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, ताकि जीवाणुओं के विकास को बढ़ावा दे सकें जो बेकार पानी से प्रदूषकों को हटाते हैं। इस अनुप्रयोग में प्रयुक्त सामान्य प्रकार के ताप विनिमायक हैं दोहरी नली वाले ताप विनिमायक और साथ ही प्लेट और फ़्रेम के ताप विनिमायक.
वाणिज्यिक विमान में, ताप विनिमायकों का इस्तेमाल ठंडे ईंधन को गर्म करने के लिए इंजन की तेल प्रणाली से गर्मी निकालने के लिए किया जाता है। इससे ईंधन दक्षता में सुधार होता है और साथ ही, घटकों में ईंधन के हिमीकरण में जल के फंसने को कम करते हैं।
2008 की शुरूआत में, ब्रिटिश एयरवेज की उड़ान 38 के रूप में एक बोइंग 777 हवाई पट्टी के नज़दीक दुर्घटनाग्रस्त हो गया। 2009 के आरंभ में विमान ऑपरेटरों को भेजे गए बोइंग-अपडेट में समस्या को रोल्स-रॉयस इंजन के तेल-ईंधन प्रवाह ताप विनिमायकों से विशिष्ट रूप से जुड़ा पाया गया। अन्य ताप विनिमायक, या बोइंग 777, जो GE या Pratt और Whitney इंजन द्वारा संचालित हैं, इस समस्या से प्रभावित नहीं हैं।
एक साधारण ताप विनिमायक की कल्पना द्रव प्रवाह के साथ दो सीधी नलियों के रूप में की जा सकती है, जो ऊष्मीय तौर पर जुड़ी हैं। नलियां समान लंबाई "L" की हों, जो ताप क्षमता formula_1 (ऊर्जा प्रति इकाई द्रव्यमान प्रति इकाई ताप परिवर्तन) सहित हों और नलियों के माध्यम से तरल पदार्थ का द्रव्यमान प्रवाह दर formula_2 (द्रव्यमान प्रति इकाई समय) हो, जहां अधोलिखित "i" नली 1 या नली 2 पर लागू होता है।
नलियों के लिए तापमान रूपरेखा formula_3 और formula_4 है, जहां "x" नलियों की समानांतर दूरी है। एक स्थिर स्थिति की कल्पना करें, ताकि तापमान रूपरेखा, समय के प्रकार्य ना हों. यह भी मान लें कि केवल एक नली से तरल पदार्थ की छोटी मात्रा से ताप का अंतरण, उसी स्थिति में दूसरी नली के तरल पदार्थ तत्व में हो रहा है। उस नली में तापमान के अंतर के कारण नली से ताप का अंतरण नहीं होगा। न्यूटन के शीतलन सिद्धांत के अनुसार छोटी मात्रा में तरल पदार्थ की ऊर्जा में परिवर्तन दर, उनके तथा दूसरी नली के समनुरूप तत्व के बीच तापमान के अंतर के समानुपाती होता है:
जहां formula_7 तापीय ऊर्जा की प्रति इकाई लंबाई और γ दो नलियों के बीच तापीय संयोजन स्थिरांक प्रति लंबाई है। आंतरिक ऊर्जा में इस परिवर्तन से तरल पदार्थ तत्व के तापमान में परिवर्तन होता है। प्रवाह द्वारा साथ लिए जा रहे तरल पदार्थ तत्व प्रवाह के लिए परिवर्तन की समय दर है:
जहां formula_10 "तापीय द्रव्यमान प्रवाह दर" है। ताप विनिमायक को संचालित करने वाला विभेदक समीकरण अब इस प्रकार लिखा जा सकता है:
ध्यान दें कि प्रणाली स्थिर अवस्था में रहने के कारण, समय के संबंध में तापमान के कोई आंशिक अवकलज नहीं हैं और चूंकि नली में कोई ताप अंतरण नहीं है, "x" में कोई द्वितीय अवकलज नहीं हैं, जैसा कि ताप समीकरण में पाया जाता है। ये दो संयोजित प्रथम दर्जे के विभेदक समीकरण के हल से यह फल प्राप्त हो सकता है:
जहां formula_15, formula_16, formula_17 और "A" तथा "B" दो समाकलन के अभी तक अनिर्धारित स्थिरांक हैं। मान लें x=0 पर formula_18 और formula_19 तापमान हैं और नली के छोर पर x=L पर formula_20 और formula_21 तापमान हैं। प्रत्येक नली में निम्नतः औसत तापमान परिभाषित करें:
उपर्युक्त समाधान का उपयोग करते हुए ये तापमान हैं:
उपर्युक्त किन्हीं दो तापमान के चयन से समाकलन के स्थिरांकों का परिहार हो सकता है और इससे अन्य चार तापमानों को पाया जा सकता है। कुल अंतरित ऊर्जा को प्रति इकाई लंबाई आंतरिक ऊर्जा के परिवर्तन के समय दर के व्यंजकों से पाया जा सकता है:
ऊर्जा के संरक्षण द्वारा, दो ऊर्जाओं का योग शून्य है। मात्रा formula_26 लॉग औसत तापमान अंतर के रूप में जाना जाता है और ताप ऊर्जा के अंतरण में ताप विनिमायक की प्रभावशीलता का मापदंड है।