उष्णता विनिमयक

दोन द्रायू (द्रव किंवा वायू) एकमेकांपासून अलिप्त ठेवून अधिक तपमानाच्या द्रायूतील उष्णतेने कमी तपमानाच्या द्रायूला तापविणारे साधन. वाफ एंजिनातून निष्कासित झालेली

आ. १. उष्णता विनिमयक - सामान्य रचना (१) नलिकांच्या आतून जाणारा द्रायू आत घेण्याचे तोंड, (२) नलिकांच्या आतून जाणारा द्रायू बाहेर नेण्याचे तोंड, (३) नलिकांच्या बाहेरून जाणारा द्रायू आत घेण्याचे तोंड, (४) नलिकांच्या बाहेरून जाणारा द्रायू बाहेर नेण्याचे तोंड.

(काम संपवून बाहेर पडणारी) वाफ थंड करणारा संघनक (वाफेचे पाण्यात रूपांतर करणारे उपकरण), बॉयलरमध्ये जाणारे पाणी बॉयलरच्या भट्टीतून बाहेर पडणार्‍या धुराने तापविण्याचा एकॉनॉमायझर (पाणी तापविण्यासाठी लागणार्‍या इंधनाची बचत करणारा) व अणुकेंद्रीय विक्रियकातील (अणुभट्टीतील) उष्णतेचा उपयोग करून पाण्याची वाफ तयार करणारा बॉयलर ही तिन्ही साधने उष्णता विनिमयकाची उदाहरणे आहेत. परंतु उष्णता विनिमयक हे नाव रासायनिक कारखान्यात वापरीत असलेल्या या जातीच्या साधनांना सर्वसाधारणपणे लावण्यात येते. या साधनांचा प्रकार आ. १ मध्ये दाखविला आहे. अशा साधनात उष्णतेचे संक्रमण करण्याकरिता (उष्णता वाहून नेण्याकरिता) अनेक नलिकांचा उपयोग करतात. नलिकांच्या आतल्या बाजूने एक द्रायू सोडतात व बाहेरच्या बाजूवरून दुसरा द्रायू जातो. अधिक तपमानाच्या द्रायूतील उष्णतेने नलिकांचा पत्रा तापतो व तापलेल्या पत्र्यातून उष्णता पलीकडे जाऊन दुसरा द्रायू तापतो. नलिकांच्या आतून जाणार्‍या द्रायूचा वेग व तपमान नियंत्रित करण्यासाठी एकूण नलिका दोन किंवा चार संचात विभागलेल्या असतात. संचांची संख्या सम ठेवली म्हणजे विनिमयकाच्या ज्या बाजूने नलिकांच्या आतून जाणारा द्रायू आत येतो त्याच बाजूकडून त्याला बाहेर नेता येते.

नलिका बनविण्याकरिता वापरलेली धातू व विनिमयकाच्या टाकीची धातू यांच्या ऊष्मीय प्रसरण गुणांकामध्ये (तपमान एका अंशाने वाढविल्यास पदार्थाच्या एकक लांबीत, क्षेत्रफळात या घनफळात होणार्‍या वाढीमध्ये) फरक असला म्हणजे उच्च तपमानात बाहेरच्या टाकीवर जादा ताण पडण्याची भीती असते. याकरिता आ. १ मधील विनिमयकात नलिका अडकविलेली डाव्या बाजूची तबकडी टाकीपासून अलग ठेवलेली असून नलिकांच्या प्रसरणाप्रमाणे ती मूळ जागेच्या पुढे-मागे सरकू शकते.

आ. २. पाण्याच्या प्रवाहाची उष्णता विनिमय क्षमता

उष्णता विनिमयकातील नलिकांचा आकार जितका लहान असेल तितकी उष्णता विनिमयक्षमता वाढत जाते. परंतु नलिका सहज साफ करता याव्यात म्हणून त्यांचा व्यास ६ मिमी. पेक्षा कमी ठेवीत नाहीत. अशा साधनात उष्णतेचे संक्रमण करणे हे नलिकांचे मुख्य कार्य असते पण त्या बरोबरच नलिका गंजून किंवा खड्डे पडून निकामी होऊ नयेत अशी अपेक्षा असते. याकरिता नलिका बनविण्यासाठी कार्बन पोलाद, मॉलिब्डेनम पोलाद, तांबे, पितळ, निकेल, मोनेल व अ‍ॅल्युमिनियम यांपैकी जरूरीप्रमाणे एखादी सुयोग्य धातू व मिश्रधातू वापरतात. नलिकांच्या पृष्ठभागात द्रायूतील घटक द्रव्यांची पुटे चढतात ती यांत्रिक उपायांनी किंवा जरूर पडल्यास रासायनिक प्रक्रियेने वारंवार काढून टाकावी लागतात.

स्थूलमानाने उष्णता विनिमयाचे मान द्रायूंचे तपमान, नलिकांच्या पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळ व जाडी आणि त्यांच्या धातूंची ऊष्मीय संवाहकता यांवर अवलंबून असते. त्याचप्रमाणे नलिकांचा व्यास, लांबी, द्रायूंचा वेग, श्यानता (द्रायू पदार्थांतील अंतर्गत घर्षण, चिकटपणा) व घनता या गोष्टींवरही विनिमयाचे मान अवलंबून असते. त्यामुळे त्याचे दिलेल्या परिस्थितीतील मूल्य प्रत्यक्ष अनुभवानेच मिळते. प्रयोगसिद्ध अनुभवाचा सर्वत्र उपयोग व्हावा म्हणून वरील राशींचे तीन भाग केलेले असतात. पहिल्या भागात द्रायूचा वेग, श्यानता, घनता आणि नलिकेचा व्यास यांचा समावेश असून त्यांचा संकलित परिणाम ‘रेनॉल्ट अंक’ या परिमाणरहित अंकाने दर्शवितात. या अंकाच्या महत्तेवरून द्रायूतील क्षोभाची (खळबळाटाची) तीव्रता समजते. दुसर्‍या भागात द्रायूच्या श्यानतेचा उष्णता संक्रमणाशी असलेला संबंध ‘प्रांट्ल अंक’ या राशीने दर्शविला जातो. तिसर्‍या भागात विनिमयक्षमतेचे ऊष्मीय संवाहकतेबरोबर असलेले नाते दाखविण्याकरिता ‘नुसेल्ट अंक’ वापरतात. प्रांट्ल व नुसेल्ट अंकही परिमाणविरहितच आहेत. विविध प्रयोगांचे अनुभव या तीन अंकांत रूपांतरित करून त्यांचे परस्परांशी असलेले संबंध आलेखरूपात दाखविलेले असतात, त्यावरून अभिकल्पकाला (नवीन विनिमयकाचा आराखडा बनवणार्‍याला) विनिमयकास लागणार्‍या सर्व भागांच्या आकारमानांची चांगली कल्पना करता येते.

नलिकांमधून जाणारे गरम पाणी व त्यांच्या बाहेरून जाणारा थंड वायू यामधील उष्णता विनिमय कसा होतो याचे एक उदाहरण आ. २ मध्ये निरनिराळे वक्र काढून दाखविले आहे.

संदर्भ : Brown, G. G. and Associates, Unit Operations. Bombay, 1962.

लेखक : वा.रा.ओक

स्त्रोत : मराठी विश्वकोश