Heat Exchanger MCQ Quiz in हिन्दी - Objective Question with Answer for Heat Exchanger - मुफ्त [PDF] डाउनलोड करें

सिद्धांत:

एक ऊष्मा विनिमायक में, गर्म द्रव द्वारा हारी हुई ऊष्मा = ठंडे द्रव द्वारा प्राप्त ऊष्मा।

दिया गया है:

• तेल: \( m_o = 10000 \, \text{kg/hr}, \, C_{p,o} = 2.09 \, \text{kJ/kg·K}, \, T_{in,o} = 80^\circ C, \, T_{out,o} = 50^\circ C \)
• पानी: \( m_w = 8000 \, \text{kg/hr}, \, C_{p,w} = 4.18 \, \text{kJ/kg·K}, \, T_{in,w} = 25^\circ C \)

चरण 1: तेल द्वारा हारी हुई ऊष्मा

\( Q = m_o \times C_{p,o} \times (T_{in} - T_{out}) = 10000 \times 2.09 \times 30 = 627000 \, \text{kJ/hr} \)

चरण 2: पानी द्वारा प्राप्त ऊष्मा

\( Q = m_w \times C_{p,w} \times (T_{out} - 25) = 8000 \times 4.18 \times (T_{out} - 25) \)

\( 627000 = 33440 \times (T_{out} - 25) \Rightarrow T_{out} - 25 = \frac{627000}{33440} = 18.75 \)

\( \Rightarrow T_{out} = 25 + 18.75 = {43.75^\circ C} \)

व्याख्या:

ऊष्मा विनिमयक की प्रभावशीलता को वास्तविक ऊष्मा स्थानांतरण का अधिकतम संभव ऊष्मा स्थानांतरण से अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है।

\(\epsilon = \frac{{{\rm{वास्तविक ऊष्मा स्थानांतरण}}}}{{{\rm{अधिकतम संभव ऊष्मा स्थानांतरण}}}} = \frac{Q}{{{Q_{max}}}}\)

\(NTU = \frac{{UA}}{{{C_{min}}}}\)

NTU ऊष्मा विनिमयक की प्रभावशीलता का एक माप है।

NTU ऊष्मा विनिमयक के ऊष्मा स्थानांतरण आकार का एक माप है; NTU का मान जितना बड़ा होगा, ऊष्मा विनिमयक अपनी थर्मोडायनामिक सीमा के उतना ही करीब पहुँचेगा।

क्षमता अनुपात:

\(R = \frac{{{C_{min}}}}{{{C_{max}}}}\)

समानांतर प्रवाह ऊष्मा विनिमयक की प्रभावशीलता:

\({\epsilon_{parallel}} = \frac{{1 - \exp \left[ { - NTU\left( {1 + R} \right)} \right]}}{{1 + R}}\)

प्रतिधारा ऊष्मा विनिमयक की प्रभावशीलता:

\({\epsilon_{counter}} = \frac{{1 - \exp \left[ { - NTU\left( {1 - R} \right)} \right]}}{{1 - R\exp \left[ { - NTU\left( {1 - R} \right)} \right]}}\)

इसलिए प्रभावशीलता NTU और क्षमता अनुपात दोनों का फलन है

महत्वपूर्ण बिंदु:

संघनित्र और वाष्पीकरण के लिए (R = 0)

संघनित्र और वाष्पीकरण में जिसमें एक द्रव पूरे विनिमयक में स्थिर तापमान पर रहता है। यहाँ Cmax = ∞ और इस प्रकार \(R = \frac{{{C_{min}}}}{{{C_{max}}}} = 0\)

ऊपर दिए गए मामले का उपयोग करके हम समानांतर प्रवाह के साथ-साथ प्रतिधारा ऊष्मा विनिमयकों के लिए निम्नलिखित सामान्य व्यंजक पर पहुँचते हैं।

\(\epsilon = 1 - {\rm{exp}}\left( { - NTU} \right)\)

व्याख्या:

लघुगणकीय माध्य तापमान अंतर (LMTD)

• लघुगणकीय माध्य तापमान अंतर (LMTD) ऊष्मा विनिमयक के प्रत्येक छोर पर गर्म और ठंडे द्रवों के बीच तापमान अंतर का लघुगणकीय औसत है।
• इसका उपयोग प्रवाह प्रणालियों में ऊष्मा हस्तांतरण के लिए तापमान प्रेरक बल को निर्धारित करने के लिए किया जाता है, विशेष रूप से ऊष्मा विनिमयकों में।
• LMTD का उपयोग ऊष्मा विनिमयकों के डिजाइन और विश्लेषण में किया जाता है क्योंकि यह ऊष्मा हस्तांतरण गणना को सरल करता है।
• यह मानता है कि ऊष्मा विनिमयक की लंबाई के साथ गर्म और ठंडे द्रवों के बीच तापमान अंतर लघुगणकीय रूप से बदलता है।
• जब द्रवों का तापमान रैखिक रूप से बदलता है तो LMTD विधि औसत तापमान अंतर का एक सटीक माप प्रदान करती है।

लाभ:

• ऊष्मा विनिमयकों के लिए तापमान प्रेरक बल का अधिक सटीक प्रतिनिधित्व प्रदान करता है।
• शेल और ट्यूब, प्लेट और फिन वाले ट्यूब ऊष्मा विनिमयकों सहित विभिन्न प्रकार के ऊष्मा विनिमयकों के डिजाइन और विश्लेषण में उपयोगी है।

नुकसान:

• स्थिर-स्थिति की स्थिति मानता है, जो सभी व्यावहारिक परिदृश्यों में मान्य नहीं हो सकती है।
• गर्म और ठंडे दोनों द्रवों के इनलेट और आउटलेट तापमान के ज्ञान की आवश्यकता होती है, जो हमेशा उपलब्ध नहीं हो सकता है।

अनुप्रयोग: LMTD का व्यापक रूप से बिजली उत्पादन, रासायनिक प्रसंस्करण, HVAC और प्रशीतन सहित विभिन्न उद्योगों में ऊष्मा विनिमयकों के डिजाइन, विश्लेषण और प्रदर्शन मूल्यांकन में उपयोग किया जाता है।

अतिरिक्त जानकारीसमानांतर प्रवाह ऊष्मा विनिमयक के लिए LMTD गणना:

समानांतर प्रवाह ऊष्मा विनिमयक के लिए LMTD (लघुगणकीय माध्य तापमान अंतर) की गणना का सूत्र इस प्रकार दिया गया है-

\(LMTD_{parallel}=\frac{{{θ _1} - {θ _2}}}{{\ln \left( {\frac{{{θ _1}}}{{{θ _2}}}} \right)}}=\frac{{{θ _2} - {θ _1}}}{{\ln \left( {\frac{{{θ _2}}}{{{θ _1}}}} \right)}}\)

जहाँ θ1 = Th1 - Tc1 और θ2 = Th2 - Tc2
प्रतिधारा ऊष्मा विनिमयक के लिए LMTD गणना:

\(LMTD_{counter}=\frac{{{θ _1} - {θ _2}}}{{\ln \left( {\frac{{{θ _1}}}{{{θ _2}}}} \right)}}=\frac{{{θ _2} - {θ _1}}}{{\ln \left( {\frac{{{θ _2}}}{{{θ _1}}}} \right)}}\)

जहाँ θ1 = Th1 - Tc2 और θ2 = Th2 - Tc1

व्याख्या:

प्रतिधारा प्रवाह ऊष्मा विनिमयक

परिभाषा: एक प्रतिधारा प्रवाह ऊष्मा विनिमयक एक प्रकार का ऊष्मा विनिमयक है जहाँ दो तरल पदार्थ विपरीत दिशाओं में प्रवाहित होते हैं। यह डिज़ाइन ऊष्मा विनिमयक की लंबाई के प्रत्येक बिंदु पर तरल पदार्थों के बीच अधिकतम तापमान अंतर की अनुमति देता है, जिससे अन्य विन्यासों की तुलना में अधिक दक्ष ऊष्मा स्थानांतरण होता है।

कार्य सिद्धांत: एक प्रतिधारा प्रवाह ऊष्मा विनिमयक में, गर्म तरल पदार्थ एक छोर पर प्रवेश करता है और दूसरे छोर की ओर प्रवाहित होता है, जबकि ठंडा तरल पदार्थ विपरीत छोर पर प्रवेश करता है और विपरीत दिशा में प्रवाहित होता है। यह प्रतिधारा प्रवाह व्यवस्था सुनिश्चित करती है कि ऊष्मा विनिमयक की लंबाई के साथ दो तरल पदार्थों के बीच तापमान प्रवणता अपेक्षाकृत एक समान रहती है।

लाभ:

• समान तापमान प्रवणता के कारण समानांतर प्रवाह ऊष्मा विनिमयकों की तुलना में उच्च तापीय दक्षता।
• तरल पदार्थों में अधिक तापमान परिवर्तन प्राप्त करने की क्षमता।
• जब तरल पदार्थों के बीच बड़े तापमान अंतर होते हैं तो ऊष्मा को स्थानांतरित करने में अधिक प्रभावी।

नुकसान:

• समानांतर प्रवाह ऊष्मा विनिमयकों की तुलना में अधिक जटिल डिजाइन और निर्माण।
• लंबे प्रवाह पथों के कारण उच्च दाब पात की संभावना।

अनुप्रयोग: प्रतिधारा प्रवाह ऊष्मा विनिमयकों का उपयोग आमतौर पर उन अनुप्रयोगों में किया जाता है जहाँ दक्ष ऊष्मा स्थानांतरण महत्वपूर्ण है, जैसे कि बिजली संयंत्रों, प्रशीतन प्रणालियों और रासायनिक प्रसंस्करण उद्योगों में।

अवधारणा:

वाष्पित्र की क्षमता सीधे तौर पर ऊष्मा स्थानांतरण दर से संबंधित होती है, जो समग्र ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक, तापमान अंतर और वाष्पित्र के सतह क्षेत्र पर निर्भर करती है।

ऊष्मा स्थानांतरण समीकरण:

एक बाष्पित्र में ऊष्मा स्थानांतरण दर (Q) को समीकरण द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

\( Q = U \cdot A \cdot \Delta T \)

जहाँ:

\( U \) = समग्र ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक

\( A \) = बाष्पित्र सतह का क्षेत्रफल

\( \Delta T \) = गर्म और ठंडे तरल पदार्थों के बीच तापमान का अंतर

दी गई शर्तें:

दिए गए समग्र ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक और तापमान अंतर के लिए, यदि बाष्पित्र सतह का क्षेत्रफल बढ़ता है, तो ऊष्मा स्थानांतरण दर Q आनुपातिक रूप से बढ़ेगी क्योंकि Q क्षेत्रफल A के अनुक्रमानुपातिक होता है।

निष्कर्ष:

यदि वाष्पित्र सतह का क्षेत्रफल बढ़ता है, तो वाष्पित्र की क्षमता:

3) बढ़ती है

ऐसा इसलिए है क्योंकि बड़ा सतह क्षेत्रफल अधिक ऊष्मा को स्थानांतरित करने की अनुमति देता है, जिससे वाष्पित्र की ऊष्मा अवशोषित करने की क्षमता बढ़ जाती है।

स्पष्टीकरण:

एक विरोधी प्रवाह ऊष्मा विनियामक के मामले में जब दोनों तरल पदार्थों की ऊष्मा क्षमता समान होती है

यानी ṁhch = ṁccc

Q = ṁhch(Th1 – Th2) = ṁccc(Tc2 – Tc1)

⇒ (Th1 – Th2) = (Tc2 – Tc1)

⇒ (Th1 – Tc2) = (Th2 – Tc1)

⇒ ΔT1 = ΔT2

समानांतर प्रवाह ऊष्मा विनियामक के लिए ΔT1 हमेशा ΔT2 से अधिक होगा।

समानांतर प्रवाह ऊष्मा विनियामक के लिए:

अधिकतम तापमान के लिए शीत तरल पदार्थ का आउटलेट तापमान तप्त पानी के आउटलेट तापमान के बराबर होना चाहिए।

तप्त पानी से ऊष्मा हानि = शीत पानी से ऊष्मा \({m_n}{C_{ph}}\left( {{f_{{n_1}}} - {f_{{n_2}}}} \right) = {M_c}{C_{pc}}\left( {{t_{{c_1}}} - {t_{{c_2}}}} \right)\)

\(\because {t_{{n_2}}} = {t_{{c_2}}}\;\& \;{C_{ph}} = {C_{pc}}\)

\(\therefore \;Let\;{t_{{n_2}}} = {t_{{c_2}}} = t\)

\(\therefore 10 \times {C_{ph}} \cdot \left( {80 - t} \right) = 20 \times {C_{pc}} \times \left( {t - 20} \right)\)

80 - t = 2t - 40

⇒ 3t = 120

∴ t = 40°C

प्रति प्रवाह ऊष्मा विनियामक के लिए:

अधिकतम तापमान के लिए प्रति प्रवाह ऊष्मा विनियामक में तप्त पानी के दो आउटलेट तापमान के बराबर

शीत पानी का इनलेट तापमान

\(\therefore {t_{{n_2}}} = {t_{{c_1}}} = 20^\circ C\)

∴तप्त पानी से ऊष्मा हानि = शीत पानी से ऊष्मा वृद्धि 

\({m_h}{C_{ph}} \times \left( {{t_{{n_1}}} - {t_{{n_2}}}} \right) = {m_c} \times {C_{pc}} \times \left( {{t_{{c_2}}} - {t_{{c_1}}}} \right)\)

\(10\;\left( {80 - 20} \right) = 20 \times \left( {{t_{{c_2}}} - 20^\circ } \right)\)

\(\frac{{60}}{2} = {t_{{c_2}}} - 20\)

\(\therefore {t_{{c_2}}} = 50^\circ C\)

Concept:

In a heat exchanger, the maximum possible heat transfer is given by:

Q_max = (ṁ × C_p)_min × (ΔT)_max

And, (ΔT)_max = (T_hi - T_ci )

Thi  = Hot air entering temperature, Tci = Cold water entering temperature 

Calculation:

Given:

For water, ṁ_c = 1.2 kg/s, C_p for water = 4.18 kJ/kgK,

for air, ṁ_h =  2.5 kg/s, C_p = 1.2 kJ/kgK

ṁ_c × C_c = 1.2 × 4.18 = 5.06 kW/K

ṁ_h × C_h = 2.5 × 1.005 = 2.5125 kW/K

C_min = ṁ_h × C_h

Maximum heat transfer rate = \({\dot{m}}_h~×~C_h~×~(T_{h_i} ~-~T_{c_i})\) = 2.5125 × (90 - 12) =  2.5125 × 78 = 195.975 kW

वर्णन:

विपरीत-प्रवाह वाले ऊष्मा विनियमकों में गर्म और ठंडे तरल पदार्थ विपरीत छोर पर ऊष्मा विनियमक में प्रवेश करते हैं और विपरीत दिशाओं में प्रवाहित होते हैं।

विपरीत-प्रवाह वाले ऊष्मा विनियमकों में व्यवस्था को चित्रात्मक रूप से देखा जा सकता है।

In a counterflow heat exchanger:

• The fluid entering at one end is in its hottest state (for the hot fluid) or coldest state (for the cold fluid) compared to its state at the exit.
• This leads to a situation where one fluid enters the heat exchanger at its hottest while the opposite fluid enters at its coldest.
• The temperature gradients facilitate heat transfer from the hot to the cold fluid as they flow in opposite directions.
• By the time the fluids reach the exit, the initially hot fluid has transferred some of its heat to the initially cold fluid, cooling down in the process, while the initially cold fluid has warmed up.
• This leads to an effective heat exchange process, often making counterflow heat exchangers more efficient than parallel flow designs where both fluids move in the same direction.

So, at the inlet of a counterflow heat exchanger, we would not find both fluids in their hottest states or both in their coldest states. The design ensures that heat transfer occurs from the hot to the cold fluid effectively, leveraging the temperature difference along the entire length of the heat exchanger

संकल्पना:

ऊष्मा विनियमक प्रभावशीलता को वास्तविक ऊष्मा स्थानांतरण और अधिकतम संभव ऊष्मा स्थानांतरण के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है। 

\(\epsilon = \frac{{{\rm{Actual\;heat\;transfer}}}}{{{\rm{Maximum\;possible\;heat\;transfer}}}} = \frac{Q}{{{Q_{max}}}}\)

\(NTU = \frac{{UA}}{{{C_{min}}}}\)

NTU ऊष्मा विनियमक की प्रभावशीलता का माप है।

NTU विनियमक के ऊष्मा स्थानांतरण आकार का माप होता है; NTU का मान जितना अधिक होता है, उतना ही निकट ऊष्मा विनियमक इसके ऊष्मागतिक सीमा तक पहुँचता है।

क्षमता अनुपात:

\(C_r = \frac{{{C_{min}}}}{{{C_{max}}}}\)

एक समानांतर प्रभाव वाले ऊष्मा विनियमक की प्रभावशीलता:

\({\epsilon_{parallel}} = \frac{{1 - \exp \left[ { - NTU\left( {1 + C_r} \right)} \right]}}{{1 + C_r}}\)

एक विपरीत-प्रवाह वाले ऊष्मा विनियमक की प्रभावशीलता:

\({\epsilon_{counter}} = \frac{{1 - \exp \left[ { - NTU\left( {1 - C_r} \right)} \right]}}{{1 ~-~ C_r\exp \left[ { - NTU\left( {1 - C_r} \right)} \right]}}\)

संघनित्र और उद्वाष्पक (Cr = 0) के लिए

संघनित्र और उद्वाष्पक जिसमें एक तरल पदार्थ पूरे विनियमक में स्थिर तापमान पर रहता है। यहाँ Cmax = ∞ है और इसलिए \(C_r = \frac{{{C_{min}}}}{{{C_{max}}}} = 0\) है।

उपरोक्त स्थिति का प्रयोग करके हम समान प्रवाह व विपरीत-प्रवाह वाले ऊष्मा विनियमकों के लिए निम्नलिखित सामान्य समीकरण पर पहुंचते हैं।

\(\epsilon = 1 - {\rm{exp}}\left( { - NTU} \right)\)

वर्णन:

ऊष्मा विनियमक प्रभावशीलता को वास्तविक ऊष्मा स्थानांतरण और अधिकतम संभव ऊष्मा स्थानांतरण के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है। 

\(ϵ = \frac{{{\rm{Actual\;heat\;transfer}}}}{{{\rm{Maximum\;possible\;heat\;transfer}}}} = \frac{Q}{{{Q_{max}}}}\)

\(NTU = \frac{{UA}}{{{C_{min}}}}\)

NTU ऊष्मा विनियमक की प्रभावशीलता का माप है।

NTU विनियमक के ऊष्मा स्थानांतरण आकार का माप होता है; NTU का मान जितना अधिक होता है, उतना ही निकट ऊष्मा विनियमक इसके ऊष्मागतिक सीमा तक पहुँचता है।

क्षमता अनुपात:

\(C_r = \frac{{{C_{min}}}}{{{C_{max}}}}\)

एक समानांतर प्रभाव वाले ऊष्मा विनियमक की प्रभावशीलता:

\({ϵ_{parallel}} = \frac{{1 - \exp \left[ { - NTU\left( {1 + C_r} \right)} \right]}}{{1 + C_r}}\)

एक विपरीत-प्रवाह वाले ऊष्मा विनियमक की प्रभावशीलता:

\({ϵ_{counter}} = \frac{{1 - \exp \left[ { - NTU\left( {1 - C_r} \right)} \right]}}{{1 ~-~ C_r\exp \left[ { - NTU\left( {1 - C_r} \right)} \right]}}\)

संघनित्र और उद्वाष्पक (Cr = 0) के लिए

संघनित्र और उद्वाष्पक जिसमें एक तरल पदार्थ पूरे विनियमक में स्थिर तापमान पर रहता है। यहाँ Cmax = ∞ है और इसलिए \(C_r = \frac{{{C_{min}}}}{{{C_{max}}}} = 0\) है।

उपरोक्त स्थिति का प्रयोग करके हम समान प्रवाह व विपरीत-प्रवाह वाले ऊष्मा विनियमकों के लिए निम्नलिखित सामान्य समीकरण पर पहुंचते हैं।

ϵ =  1 -  exp(-NTU)

exp(-NTU) = 1 - ϵ

-NTU = ln (1 - ϵ)

NTU = -ln (1 - ϵ)

Explanation:

Recuperator type heat exchanger:

• A recuperator is a specialized counter-flow energy recovery heat exchanger that is used to recover waste heat and is installed in the supply and exhaust air streams of an air handling system or in the exhaust gases of an industrial operation.
• In most cases, they are utilized to draw heat from the exhaust and transfer it to the combustion system's incoming air. By using waste energy in this way to heat the air, they are able to balance part of the fuel used and raise the system's overall energy efficiency.
• The recuperator is used to recover, or reclaim, this heat in order to reuse, or recycle, it in a variety of processes that employ combustion to generate heat.
• Recuperators are often used in Gas turbines, Automobile radiators, and condensers.

यह एक क्रॉस-प्रवाह का प्रकार है। चूंकि इस प्रकार के अभिविन्यास में हवा पानी के प्रवाह के लंबवत प्रवाहित होती है और ऑटोमोबाइल रेडिएटर में समान तंत्र प्राप्त होता है।

समानांतर प्रवाह

जब तरल पदार्थ एक ही सिरे से प्रवेश करता है और उसी सिरे से बाहर निकलता हैं,जब यह संकेंद्रित नलिका व्यवस्था में होता है तब प्रवाह को समानांतर-प्रवाह के रूप में जाना जाता है।

प्रति प्रवाह

प्रतिप्रवाह अभिविन्यास में,तरल पदार्थ विपरीत सिरे से प्रवेश करता है और बाहर निकलता है।

वर्णन:-

दोहरे पाइप प्रकार का ऊष्मा विनियमक:

• यह ऊष्मा विनियमक का सबसे साधारण रूप है। 
• इसमें सबसे बड़े पाइप या ट्यूब के अंदर संकेंद्रित रूप से निर्दिष्ट एक ट्यूब या पाइप शामिल होता है। 
• इसका प्रयोग तब किया जाता है जब तरल पदार्थ का प्रवाह दर कम होता है और ऊष्मा कार्य छोटा होता है। 
• बेहतर ऊष्मा स्थानांतर दर के लिए पंखों को स्थापित किया जाता है क्योंकि यह ऊष्मा स्थानांतरण क्षेत्रफल को बढ़ाता है।

∵ \(\varepsilon \; =\sqrt {\frac{{kp}}{{hA}}} \)

⇒ \(\varepsilon \; \propto \frac{1}{\sqrt{h}}\)

∵ h_भाप > h_वायु

∴ वायु को वायु पक्ष पर पंखों के साथ दोहरे पाइप प्रकार के साथ गर्म किया जाना चाहिए। 

Important Points

प्लेट प्रकार का ऊष्मा विनियमक:

• वे द्रव्य - द्रव्य ऊष्मा स्थानांतरण के लिए सबसे उपयुक्त होते हैं। 
• गर्म और ठंडा तरल पदार्थ वैकल्पिक मार्ग में प्रवाहित होता है और इसलिए ठंडे तरल पदार्थ कि धारा दो गर्म तरल पदार्थ की धारा द्वारा घिरी होती है। 
• ऊष्मा स्थानांतरण क्षमता को श्रृंखला में अधिक प्लेटों को जोड़कर बढ़ाया जाता है। 

आवरण और ट्यूब प्रकार का ऊष्मा विनियमक:

• यह अन्य द्रव्य अर्थात् द्रव्य - द्रव्य ऊष्मा स्थानांतरण द्वारा द्रव्य के शीतलन के लिए भी उपयुक्त होता है। 
• ट्यूब सापेक्षिक रूप से आवरण निकाय की तुलना में निर्माण में सस्ते होते हैं, इसलिए इसे ट्यूब पक्ष पर संक्षारक या अशुद्ध तरल पदार्थ के कार्य के उपयोग के लिए वरीयता दी जाती है। 
• चिपचिपे तरल पदार्थ को सामान्यतौर पर आवरण पक्ष में रखा जाता है।