কিভাবে তাপ স্থানান্তর কাজ করে?

ঐতিহ্যগত শিল্পে তাপ স্থানান্তরের দুটি উদ্দেশ্য রয়েছে:

প্রথমত, তাপ স্থানান্তরকে উন্নীত করা, যেমন গরম বা শীতল করার উপকরণ, উদ্দেশ্য হল তাপ স্থানান্তর বাড়ানো, সরঞ্জামের তাপ স্থানান্তর দক্ষতা উন্নত করা, সরঞ্জামের আকার হ্রাস করা এবং সরঞ্জামের খরচ কমানো;
দ্বিতীয়ত, তাপ স্থানান্তরকে দুর্বল করতে এবং তাপের ক্ষতি কমাতে, যেমন উচ্চ-তাপমাত্রার সরঞ্জাম, নিম্ন-তাপমাত্রার সরঞ্জাম এবং তরল পরিবহন পাইপলাইনের নিরোধক, তাপ স্থানান্তর হার যত কম হবে, তত ভাল।

বিভিন্ন তাপ বিনিময় উদ্দেশ্য এবং উৎপাদন অবস্থার কারণে, তাপ বিনিময় পদ্ধতিও ভিন্ন। শিল্প উত্পাদন প্রক্রিয়াগুলিতে সাধারণত ব্যবহৃত তাপ বিনিময় পদ্ধতিগুলিকে তিন প্রকারে বিভক্ত করা যায়, যথা: ইন্টারলেয়ার তাপ বিনিময়, সরাসরি মিশ্র তাপ বিনিময় এবং তাপ সঞ্চয় তাপ বিনিময়।

(1) ইন্টারলেয়ার তাপ বিনিময়

একটি ইন্টারলেয়ার হিট এক্সচেঞ্জারে, ঠান্ডা এবং গরম তরলগুলি হিট এক্সচেঞ্জারের প্রাচীরের উভয় পাশে থাকে এবং গরম তরল ইন্টারলেয়ারের মাধ্যমে ঠান্ডা তরলে তাপ স্থানান্তর করে। পার্টিশন হিট এক্সচেঞ্জ রাসায়নিক উৎপাদনে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়। এই বিভাগের অন্তর্গত হিট এক্সচেঞ্জারগুলির মধ্যে রয়েছে: জ্যাকেটেড হিট এক্সচেঞ্জার, সার্পেন্টাইন হিট এক্সচেঞ্জার, শেল-এব-টিউব হিট এক্সচেঞ্জার, শেল-এব-টিউব হিট এক্সচেঞ্জার এবং প্লেট হিট এক্সচেঞ্জার।

(2) সরাসরি মিশ্রণ তাপ বিনিময়

সরাসরি মেশানো তাপ বিনিময় হল ঠান্ডা তরলের সাথে গরম তরলের সাথে সরাসরি যোগাযোগ করা এবং তরলের মিশ্রণ প্রক্রিয়ার সময় তাপ বিনিময় করা। তাপ বিনিময়ের এই ফর্মটি প্রধানত গ্যাস শীতলকরণ এবং বাষ্প ঘনীভবনের জন্য ব্যবহৃত হয়। উদাহরণস্বরূপ, একটি রাসায়নিক প্ল্যান্টের কুলিং টাওয়ারে, তাপ বিনিময়ের জন্য গরম জল এবং বায়ু সরাসরি মিশ্রিত হয়। বায়ু জলীয় বাষ্পীভবনের তাপ শোষণ করে এবং জলের তাপমাত্রা হ্রাস করে।

(3) তাপ সংরক্ষণ তাপ বিনিময়

থার্মাল স্টোরেজ হিট এক্সচেঞ্জ হল হিট এক্সচেঞ্জারে একটি থার্মাল স্টোরেজ বডি (সলিড ফিলার) ইনস্টল করা এবং ঠান্ডা এবং গরম তরলের মধ্যে তাপ বিনিময়ের উদ্দেশ্য অর্জনের জন্য তাপ জমা করতে এবং ছেড়ে দেওয়ার জন্য তাপ স্টোরেজ বডি ব্যবহার করা। অপারেশন চলাকালীন, গরম তরলকে প্রথমে তাপ স্টোরেজ বডিতে তাপ সঞ্চয় করার জন্য তাপীয় স্টোরেজ বডির মধ্য দিয়ে যাওয়ার অনুমতি দেওয়া হয় এবং তারপরে ঠান্ডা তরলকে তাপ স্টোরেজ বডির মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হতে দেওয়া হয় এবং তাপ স্টোরেজ বডি ঠান্ডায় তাপ স্থানান্তর করে। তরল

গরম এবং ঠান্ডা তরলের মধ্যে তাপমাত্রার পার্থক্য স্বতঃস্ফূর্ত তাপ স্থানান্তরের জন্য একটি প্রয়োজনীয় শর্ত। হিট এক্সচেঞ্জারের তাপ স্থানান্তর প্রাচীরের উভয় পাশে তাপমাত্রার পার্থক্য থাকলেই তাপ স্থানান্তর করা যেতে পারে। তাপ এক্সচেঞ্জারের প্রতিটি অবস্থানে তাপমাত্রার পার্থক্য অপরিহার্যভাবে স্থিতিশীল নয়। তাপমাত্রার পার্থক্য স্থিতিশীল কিনা তা নির্ভর করে উৎপাদন প্রক্রিয়ার স্থায়িত্বের উপর।

1) স্থিতিশীল তাপ স্থানান্তর

হিট এক্সচেঞ্জার সিস্টেমে, প্রতিটি তাপ স্থানান্তর অবস্থানের তাপমাত্রা সময়ের সাথে পরিবর্তিত না হলে, সিস্টেমের তাপ স্থানান্তরকে স্থিতিশীল তাপ স্থানান্তর বলা হয়। স্থিতিশীল তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়ায়, প্রতিটি গরম বিন্দুর তাপ স্থানান্তর হার সময়ের সাথে পরিবর্তিত হয় না। এই ধরনের তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়া অবিচ্ছিন্ন উত্পাদন প্রক্রিয়ায় ঘটে। উদাহরণস্বরূপ: উত্পাদন প্রক্রিয়ার ক্রমাগত এবং স্থিতিশীল পর্যায়ে, কাঁচামালের সরবরাহ বা পণ্য পুনরুদ্ধার স্থিতিশীল থাকে, তাহলে তাপ বিনিময় প্রক্রিয়ার প্রতিটি অবস্থানের তাপমাত্রাকে স্থির বলে বিবেচনা করা যেতে পারে, যা স্থিতিশীল তাপের অন্তর্গত। স্থানান্তর

2) অস্থির তাপ স্থানান্তর

হিট এক্সচেঞ্জার সিস্টেমে, প্রতিটি তাপ স্থানান্তর অবস্থানের তাপমাত্রা সময়ের সাথে পরিবর্তিত হলে, সিস্টেমের তাপ স্থানান্তরকে অস্থির তাপ স্থানান্তর বলা হয়। অস্থির তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়ায়, প্রতিটি গরম বিন্দুর তাপ স্থানান্তর হার সময়ের সাথে পরিবর্তিত হয়। এই ধরনের তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়া বিরতিমূলক উত্পাদন প্রক্রিয়া বা অবিচ্ছিন্ন উত্পাদনের স্টার্ট-আপ এবং শাটডাউন পর্যায়ে ঘটে। উদাহরণস্বরূপ: একটি উত্পাদন প্রক্রিয়ার স্টার্ট-আপ বা বন্ধের সময়, তাপ বিনিময় প্রক্রিয়ার প্রতিটি অবস্থানের তাপমাত্রা ধীরে ধীরে বৃদ্ধি বা হ্রাসের কারণে উত্পাদন লোডের ক্রমশ বৃদ্ধি বা হ্রাস পায়, যা একটি অস্থিতিশীল তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়া।

তাপগতিবিদ্যার দ্বিতীয় সূত্র অনুসারে, তাপ সর্বদা স্বয়ংক্রিয়ভাবে উচ্চ তাপমাত্রার বস্তু থেকে নিম্ন তাপমাত্রার বস্তুতে স্থানান্তরিত হয়। শুধুমাত্র যান্ত্রিক কাজ করার শর্তে নিম্ন তাপমাত্রার বস্তু থেকে উচ্চ তাপমাত্রার বস্তুতে তাপ স্থানান্তর করা যায়।
তাপ স্থানান্তরের মৌলিক পদ্ধতি হল তাপ পরিবাহী, তাপ পরিবাহী এবং তাপ বিকিরণ। একটি তাপ স্থানান্তর প্রক্রিয়া প্রায়শই একটি নির্দিষ্ট তাপ স্থানান্তর পদ্ধতিতে একা থাকে না, তবে দুটি বা তিনটি তাপ স্থানান্তর পদ্ধতির সংমিশ্রণ। তাপ স্থানান্তর পদ্ধতি ভিন্ন হয় যদি তাপ বিনিময় মাধ্যমের গঠন এবং তাপ গতির অবস্থা ভিন্ন হয়।

1) তাপ সঞ্চালন

কোনো পদার্থের অণু, পরমাণু বা মুক্ত ইলেকট্রন চলাচলের কারণে কোনো বস্তুর উচ্চ তাপমাত্রার অংশ থেকে নিম্ন তাপমাত্রার অংশে তাপ স্থানান্তরিত করার প্রক্রিয়াকে তাপ সঞ্চালন বলে। তাপ সঞ্চালন একটি স্থির বস্তুতে তাপ স্থানান্তর পদ্ধতি, যা পদার্থের মধ্যে ম্যাক্রোস্কোপিক স্থানচ্যুতির অনুপস্থিতি দ্বারা চিহ্নিত করা হয়। সমস্ত বস্তু, তাদের ভিতরে কণার আপেক্ষিক স্থানচ্যুতি আছে কিনা তা নির্বিশেষে, যতক্ষণ এই তাপমাত্রার পার্থক্য থাকবে ততক্ষণ অবধারিতভাবে তাপ সঞ্চালনের মধ্য দিয়ে যাবে। অণুবীক্ষণিক দৃষ্টিকোণ থেকে, তাপ সঞ্চালন একটি তাপ স্থানান্তর ঘটনা যা অণু, পরমাণু এবং পদার্থের মুক্ত ইলেক্ট্রনের মতো অণুবীক্ষণিক কণার তাপীয় গতির কারণে ঘটে। একটি গ্যাস বা তরলে, উচ্চ তাপমাত্রা অঞ্চলে অণুর গতিশক্তি নিম্ন তাপমাত্রা অঞ্চলের অণুর চেয়ে বেশি। বিভিন্ন গতিশক্তি সম্পন্ন অণু একে অপরের সাথে সংঘর্ষে লিপ্ত হয়, যার ফলে তাপ উচ্চ তাপমাত্রা অঞ্চল থেকে নিম্ন তাপমাত্রা অঞ্চলে প্রবাহিত হয়। ধাতব কঠিন পদার্থে, তাপ প্রধানত তাপীয় কম্পন এবং সংলগ্ন অণুর সংঘর্ষের মাধ্যমে স্থানান্তরিত হয়; ধাতুগুলিতে, তাপ সঞ্চালন প্রধানত মুক্ত ইলেকট্রনের চলাচলের মাধ্যমে অর্জন করা হয়।

2) তাপীয় পরিচলন

তাপীয় পরিচলন বলতে বোঝায় তরলের প্রতিটি অংশে কণার আপেক্ষিক স্থানচ্যুতির কারণে তাপ স্থানান্তর। পরিচলন প্রক্রিয়া প্রায়শই তাপ সঞ্চালনের সাথে থাকে। রাসায়নিক উত্পাদনে, তরল এবং কঠিন প্রাচীরের মধ্যে তাপ স্থানান্তরকে সাধারণত পরিচলন তাপ স্থানান্তর বলা হয়। পরিচলন তাপ স্থানান্তর জোরপূর্বক পরিচলন এবং প্রাকৃতিক পরিচলন বিভক্ত করা হয়. যদি তরলের চলাচল বাহ্যিক শক্তির কারণে হয় তবে তাকে জোরপূর্বক পরিচলন বলা হয়, যেমন: পাম্প, পাখা, নাড়াচাড়া ইত্যাদি ব্যবহার করে তরলকে সংবহন ও তাপ স্থানান্তর করা হয়। তরলের অভ্যন্তরে ঠাণ্ডা ও গরম অংশের বিভিন্ন ঘনত্বের কারণে যদি তরলের নড়াচড়া হয় তবে তাকে প্রাকৃতিক পরিচলন বলে। জোরপূর্বক পরিচলন তাপ স্থানান্তর প্রাকৃতিক পরিচলনের চেয়ে ভাল।

(3) তাপ বিকিরণ

তাপীয় বিকিরণ বলতে বোঝায় যে প্রক্রিয়ায় একটি বস্তু তাপের কারণে ইলেক্ট্রোম্যাগনেটিক তরঙ্গ তৈরি করে এবং বাইরের জগতে শক্তি স্থানান্তর করে। যে কোনো বস্তু, যতক্ষণ না তার তাপমাত্রা শূন্যের তাপগতিগত তাপমাত্রার চেয়ে বেশি থাকে, ততক্ষণ কোনো মাধ্যমের প্রয়োজন ছাড়াই ক্রমাগত শক্তি বহির্বিশ্বে বিকিরণ করবে। একই সময়ে, এটি ক্রমাগত বাইরের বিশ্বের অন্যান্য বস্তু থেকে বিকিরণ শক্তি শোষণ করে এবং তাপ শক্তিতে রূপান্তর করে। অতএব, বিকিরণ তাপ স্থানান্তর শুধুমাত্র শক্তি স্থানান্তর একটি প্রক্রিয়া নয়, কিন্তু শক্তি রূপান্তর দ্বারা অনুষঙ্গী. বস্তুর তাপমাত্রা যত বেশি, বিকিরণের আকারে তত বেশি শক্তি স্থানান্তরিত হয়।

শিল্প উৎপাদনে, দুটি প্রক্রিয়া তরলের মধ্যে তাপ বিনিময় প্রায়শই তাপ বিনিময় প্রক্রিয়ায় ব্যবহৃত হয়। উপরন্তু, তাপ সরবরাহ বা অপসারণের জন্য তাপ বিনিময়ে অংশগ্রহণের জন্য অন্য একটি হিটিং এজেন্ট (হিটিং মাধ্যম) বা কুল্যান্ট (কুলিং মিডিয়াম) প্রয়োজন।

1. সাধারণত ব্যবহৃত হিটিং এজেন্ট
শিল্পে সাধারণত ব্যবহৃত হিটিং এজেন্টগুলির মধ্যে রয়েছে স্যাচুরেটেড এবং জলীয় বাষ্প, গরম জল, খনিজ তেল, বাইফেনাইল মিশ্রণ, গলিত লবণ এবং ফ্লু গ্যাস। গরম করার তাপমাত্রা খুব বেশি হলে, বৈদ্যুতিক গরম ব্যবহার করা যেতে পারে।

1) স্যাচুরেটেড জলীয় বাষ্প

স্যাচুরেটেড জলীয় বাষ্প হল সর্বাধিক ব্যবহৃত হিটিং এজেন্ট। যেহেতু ঘনীভূত হওয়ার সময় স্যাচুরেটেড জলীয় বাষ্পের পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগ খুব বেশি হয়, তাই উত্তাপের তাপমাত্রা সঠিকভাবে সামঞ্জস্য করতে বাষ্পের চাপ পরিবর্তন করা যেতে পারে। যাইহোক, যখন স্যাচুরেটেড জলীয় বাষ্পের তাপমাত্রা 180 ডিগ্রি ছাড়িয়ে যায়, তখন খুব উচ্চ চাপের প্রয়োজন হয়। অতএব, স্যাচুরেটেড স্টিম হিটিং সাধারণত শুধুমাত্র সেই অনুষ্ঠানে ব্যবহৃত হয় যেখানে গরম করার তাপমাত্রা 100 থেকে 180 ডিগ্রির মধ্যে থাকে।

2) ফ্লু গ্যাস

জ্বালানী দহন দ্বারা প্রাপ্ত ফ্লু গ্যাসের তাপমাত্রা খুব বেশি থাকে, যা 500 থেকে 1000 ডিগ্রি পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে। এটি গরম করার জন্য উপযুক্ত যার জন্য উচ্চ তাপমাত্রা প্রয়োজন। ফ্লু গ্যাস দিয়ে গরম করার অসুবিধা হল এর কম নির্দিষ্ট তাপ ক্ষমতা, নিয়ন্ত্রণে অসুবিধা এবং কম পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগ।

3) গরম জল

গরম জল হিটিং এজেন্ট হিসাবে ব্যবহৃত হয়। এর প্রযোজ্য তাপমাত্রা পরিসীমা 40 থেকে 100 ডিগ্রি। গরম জল জলীয় বাষ্পের ঘনীভূত জল বা বর্জ্য গরম জলের বর্জ্য তাপ থেকে আসে।

(4) খনিজ তেল

খনিজ তেল 250 ডিগ্রির নিচে গরম করার জন্য উপযুক্ত। এর অসুবিধাগুলি হল উচ্চ সান্দ্রতা, কম পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগ, এবং 250 ডিগ্রির উপরে সহজ পচন এবং জ্বলন।

5) গলিত লবণ

গলিত লবণের সংমিশ্রণ হল 7% NaNO3, 40% NaNO2, 53% KNO3। এর প্রযোজ্য তাপমাত্রা পরিসীমা হল 142-530 ডিগ্রী, গরম করার তাপমাত্রা বেশি, এবং উত্তাপটি অভিন্ন।

6) বাইফেনাইল মিশ্রণ

বাইফেনাইল মিশ্রণের তরলের প্রযোজ্য তাপমাত্রা পরিসীমা হল 15-255 ডিগ্রী, এবং এর বাষ্প 255-3800 ডিগ্রী পরিসরে প্রযোজ্য। প্রযোজ্য তাপমাত্রা পরিসীমা প্রশস্ত, এবং বাষ্প দিয়ে উত্তপ্ত হলে তাপমাত্রা সামঞ্জস্য করা সহজ।

2. সাধারণত ব্যবহৃত কুল্যান্ট
শিল্পে সাধারণত ব্যবহৃত কুল্যান্টগুলির মধ্যে রয়েছে জল, বায়ু এবং বিভিন্ন রেফ্রিজারেন্ট।

1) জল

জল সবচেয়ে বেশি ব্যবহৃত কুল্যান্ট। এটি প্রকৃতি থেকে আসতে পারে এবং বিশেষ প্রক্রিয়াকরণের প্রয়োজন নেই। সাধারণত ব্যবহৃত প্রযোজ্য তাপমাত্রা পরিসীমা হল 10-35 ডিগ্রি। জল একটি উচ্চ নির্দিষ্ট তাপ ক্ষমতা এবং একটি উচ্চ পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগ আছে. এটির একটি ভাল শীতল প্রভাব রয়েছে এবং এটি সামঞ্জস্য করা সহজ। স্কেলিং প্রতিরোধ করতে, তাপমাত্রা 35 ডিগ্রির বেশি হওয়া উচিত নয়।

2) বায়ু

যেসব এলাকায় পানির সম্পদের অভাব রয়েছে, সেখানে বাতাসকে কুল্যান্ট হিসেবে ব্যবহার করা যেতে পারে। বায়ুর পরিবাহী তাপ স্থানান্তর সহগ ছোট এবং তাপ স্থানান্তর কর্মক্ষমতা খারাপ। এটি 0-35 ডিগ্রির শীতল তাপমাত্রায় তাপ বিনিময়ের জন্য উপযুক্ত।

3) হিমায়িত ব্রাইন

যদি তরল তাপমাত্রা কম তাপমাত্রায় ঠাণ্ডা করার প্রয়োজন হয়, তাহলে একটি কম-তাপমাত্রার কুল্যান্ট ব্যবহার করতে হবে। সাধারণত ব্যবহৃত নিম্ন-তাপমাত্রার কুল্যান্টগুলির মধ্যে রয়েছে হিমায়িত ব্রাইন (CaCl₂, NaCl সমাধান), যা উপাদানটিকে মাইনাস দশ ডিগ্রি সেলসিয়াস বা এমনকি মাইনাস ডজন ডজন ডিগ্রি সেলসিয়াস তাপমাত্রায় ঠান্ডা করতে পারে। সাধারণত ব্যবহৃত তাপমাত্রা পরিসীমা হল {{0}} থেকে 0 ডিগ্রি। যদি গভীর শীতলকরণের প্রয়োজন হয়, তবে নির্দিষ্ট নিম্ন-ফুটন্ত বিন্দুর তরলগুলির বাষ্পীভবন উদ্দেশ্য অর্জনের জন্য ব্যবহার করা যেতে পারে।