ऊष्मा एक्सचेंजरों में प्रतिधारा प्रवाह (काउंटरफ्लो) समानांतर प्रवाह की तुलना में अधिक कुशल होता है क्योंकि यह एक्सचेंजर में दो तरल पदार्थों के बीच एक बड़ा और अधिक सुसंगत तापमान अंतर (ΔT) बनाए रखता है, जिससे ऊष्मा स्थानांतरण अधिकतम होता है। यहाँ एक विस्तृत व्याख्या दी गई है:
1. तापमान प्रवणता और ऊष्मा स्थानांतरण
- प्रतिप्रवाह:
- प्रतिप्रवाह में, तरल पदार्थ विपरीत दिशाओं में प्रवाहित होते हैं (उदाहरण के लिए, एक छोर से गर्म तरल पदार्थ प्रवेश करता है, और दूसरे छोर से ठंडा तरल पदार्थ)। इससे एक्सचेंजर की पूरी लंबाई में लगभग स्थिर तापमान अंतर (ΔT) उत्पन्न होता है।
- गर्म तरल का उच्चतम तापमान (प्रवेश द्वार) ठंडे तरल के निकास द्वार से मिलता है, और ठंडे तरल का निम्नतम तापमान (प्रवेश द्वार) गर्म तरल के निकास द्वार से मिलता है। इससे ठंडे तरल को गर्म तरल के प्रवेश द्वार के तापमान के करीब पहुँचने में मदद मिलती है, जिससे ऊष्मा स्थानांतरण अधिकतम हो जाता है।
- उदाहरण: यदि गर्म तरल पदार्थ 100°C पर प्रवेश करता है और 40°C पर बाहर निकलता है, और ठंडा तरल पदार्थ 20°C पर प्रवेश करता है, तो यह 90°C के करीब बाहर निकल सकता है, जिससे उच्च ताप स्थानांतरण दर प्राप्त होती है।
- समानांतर प्रवाह:
- समानांतर प्रवाह में, दोनों तरल पदार्थ एक ही दिशा में बहते हैं, इसलिए सबसे बड़ा ΔT इनलेट पर होता है, लेकिन जैसे ही दोनों तरल पदार्थ एक्सचेंजर के साथ समान तापमान पर पहुंचते हैं, यह तेजी से घटता है।
- ठंडे तरल पदार्थ का निकास तापमान गर्म तरल पदार्थ के निकास तापमान से अधिक नहीं हो सकता, जिससे कुल स्थानांतरित ऊष्मा सीमित हो जाती है।
- उदाहरण: यदि गर्म तरल पदार्थ 100°C पर प्रवेश करता है और 60°C पर बाहर निकलता है, तो 20°C पर प्रवेश करने वाला ठंडा तरल पदार्थ केवल ~50°C तक ही पहुंच सकता है, जिसके परिणामस्वरूप कम ऊष्मा स्थानांतरण होता है।
यह क्यों मायने रखती हैऊष्मा स्थानांतरण दर (Q) ΔT के समानुपाती होती है (Q = U × A × ΔT, जहाँ U ऊष्मा स्थानांतरण गुणांक है और A पृष्ठीय क्षेत्रफल है)। प्रतिप्रवाह का बड़ा और अधिक सुसंगत ΔT, औसत ऊष्मा स्थानांतरण दर को ऊँचा करता है, जिससे यह अधिक कुशल हो जाता है।
2. लॉग माध्य तापमान अंतर (LMTD)
- हीट एक्सचेंजर की दक्षता को अक्सर लॉग मीन तापमान अंतर (LMTD) का उपयोग करके मापा जाता है, जो ताप हस्तांतरण को संचालित करने वाले औसत तापमान अंतर का प्रतिनिधित्व करता है।
- प्रतिप्रवाह: इसका LMTD अधिक होता है क्योंकि एक्सचेंजर के साथ तापमान का अंतर अपेक्षाकृत स्थिर रहता है। इससे समान सतह क्षेत्र के लिए अधिक ऊष्मा का स्थानांतरण संभव होता है।
- समानांतर प्रवाह: इसका LMTD कम होता है, क्योंकि आउटलेट की ओर तापमान का अंतर काफी कम हो जाता है, जिससे ऊष्मा स्थानांतरण के लिए चालक बल कम हो जाता है।
- परिणामसमान ताप एक्सचेंजर आकार के लिए, काउंटरफ्लो अपने उच्च LMTD के कारण अधिक ताप स्थानांतरित करता है, या समान ताप स्थानांतरण प्राप्त करने के लिए इसे छोटे सतह क्षेत्र की आवश्यकता होती है, जिससे यह अधिक कॉम्पैक्ट और कुशल हो जाता है।
3. अधिकतम ऊष्मा पुनर्प्राप्ति
- प्रतिप्रवाह में, ठंडा तरल पदार्थ सैद्धांतिक रूप से गर्म तरल पदार्थ के इनलेट तापमान तक पहुंच सकता है (एक असीम रूप से लंबे एक्सचेंजर में), जिससे लगभग पूर्ण ताप पुनर्प्राप्ति संभव हो जाती है (उदाहरण के लिए, होलटॉप के 3D क्रॉस-काउंटरफ्लो एक्सचेंजर्स जैसे आधुनिक डिजाइनों में 90-95% दक्षता)।
- समानांतर प्रवाह में, ठंडे तरल पदार्थ का निकास तापमान गर्म तरल पदार्थ के निकास तापमान द्वारा सीमित होता है, जिससे दक्षता (आमतौर पर 60–80%) सीमित हो जाती है। यह प्रतिप्रवाह को ऊर्जा पुनर्प्राप्ति वेंटिलेशन या औद्योगिक प्रक्रियाओं जैसे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाता है जहाँ अधिकतम ऊष्मा पुनर्प्राप्ति महत्वपूर्ण होती है।
4. व्यावहारिक निहितार्थ
- प्रतिप्रवाह: सुसंगत ΔT आवश्यक ऊष्मा स्थानांतरण क्षेत्र को कम करता है, जिससे उच्च-प्रदर्शन अनुप्रयोगों के लिए छोटे, अधिक लागत-प्रभावी डिज़ाइन प्राप्त होते हैं। इसका व्यापक रूप से HVAC, औद्योगिक शीतलन और ऊर्जा पुनर्प्राप्ति प्रणालियों में उपयोग किया जाता है।
- समानांतर प्रवाहΔT में तेज़ी से कमी के कारण, तुलनीय ऊष्मा स्थानांतरण प्राप्त करने के लिए एक बड़े ऊष्मा स्थानांतरण क्षेत्र की आवश्यकता होती है, जिससे सामग्री और स्थान की आवश्यकता बढ़ जाती है। इसका उपयोग बुनियादी रेडिएटर या शैक्षिक प्रतिष्ठानों जैसे सरल, कम दक्षता-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में किया जाता है।
दृश्य स्पष्टीकरण (सरलीकृत)
- प्रतिप्रवाहएक गर्म तरल (100°C से 40°C) और एक ठंडे तरल (20°C से 90°C) की कल्पना करें। एक्सचेंजर में तापमान का अंतर अपेक्षाकृत अधिक (जैसे, लगभग 20-60°C) रहता है, जिससे कुशल ऊष्मा स्थानांतरण होता है।
- समानांतर प्रवाह: वही तरल पदार्थ बड़े ΔT (100°C – 20°C = 80°C) से शुरू होते हैं, लेकिन जल्दी ही अभिसरित हो जाते हैं (उदाहरण के लिए, 60°C – 50°C = 10°C), जिससे चालक बल कम हो जाता है और दक्षता सीमित हो जाती है।
निष्कर्ष
प्रतिधारा प्रवाह अधिक कुशल होता है क्योंकि यह एक्सचेंजर के साथ-साथ एक बड़े और अधिक सुसंगत तापमान अंतर (ΔT) को बनाए रखता है, जिसके परिणामस्वरूप समान सतह क्षेत्र के लिए उच्च LMTD और अधिक ऊष्मा स्थानांतरण होता है। यह इसे ऊर्जा पुनर्प्राप्ति या औद्योगिक प्रक्रियाओं जैसे उच्च दक्षता की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए पसंदीदा विकल्प बनाता है, जबकि समानांतर प्रवाह सरल लेकिन कम प्रभावी होता है, जो कम मांग वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है।