दोन द्रव पदार्थांमध्ये उष्णतेचा विनिमय करण्यासाठी वापरण्यात येणाऱ्या उपकरणाला उष्णता विनिमयक असे म्हटले जाते. ज्यावेळी एका पदार्थाचे तापमान वाढविले जाते त्यावेळी आपोआपच दुसऱ्या पदार्थातील उष्णता कमी होते. अधिक उष्णता असलेल्या (गरम) पदार्थाकडून कमी उष्णता असलेल्या (थंड) पदार्थाकडे होणाऱ्या उष्णतेच्या प्रवाहाला ‘उष्णता विनिमय’ असे म्‍हणतात. हिवाळ्यामध्ये थंडी वाजू नये म्हणून शेकोटीजवळ बसतात. त्यावेळी शेकोटीकडून शरीराकडे उष्णतेचा प्रवाह येतो. शीतपेयाच्या बाटलीला हात लावल्यास ती थंड जाणवते. त्यावेळी शरीरातून त्या बाटलीकडे उष्णतेचा प्रवाह जातो. ही झाली रोजच्या जीवनातील उदाहरणे. परंतु अनेक प्रक्रिया उद्योगांमध्ये एखाद्या रसायनाची प्रक्रिया होण्यासाठी ते रसायन ठराविक तापमानाला असणे आवश्यक असते. अशा वेळी ते तापमान साध्य करण्यासाठी उष्णता विनिमयकाचा उपयोग केला जातो.
उष्णता विनिमयकामध्ये साधारणपणे दोन द्रव पदार्थ असतात. त्यातील ज्याचे तापमान अधिक असते असे ‘गरम द्रव्य’ उष्णता देण्याचे काम करते, तर ज्याचे तापमान कमी असते अशा ‘थंड द्रव्याचे’ त्या उष्णतेच्या मदतीने तापमान वाढविले जाते. उद्योगधंद्यांमध्ये लागणाऱ्या विविध प्रक्रियांच्या गरजा पूर्ण करण्यासाठी वेगवेगळ्या प्रकारचे उष्णता विनिमयक तयार केले जातात.
विविध मुद्द्यांच्या आधारे उष्णता विनिमयकाचे वर्गीकरण केले जाते. ते खालीलप्रमाणे :
प्रवाह व्यवस्था : उष्णता विनिमयकाचे प्राथमिक वर्गीकरण त्यामध्ये असलेल्या द्रव पदार्थांच्या प्रवाह व्यवस्थेवरून केले जाते.
समांतर प्रवाह : या प्रकारात दोन्ही द्रव्ये उष्णता विनिमयकाच्या एकाच टोकाला प्रवेश करतात आणि दुसऱ्या टोकाला दोन्ही द्रव्ये बाहेर पडतात. मधल्या भागात दोन्ही द्रव्यांचा प्रवाह एकमेकांना समांतर असतो. म्हणून अशा उष्णता विनिमयकाला ‘समांतर प्रवाह उष्णता विनिमयक’ असे म्हटले जाते.
विरूद्ध प्रवाह : या प्रकारच्या उष्णता विनिमयकात एका टोकाला गरम द्रव्य प्रवेश करते, तर विरुद्ध टोकाला थंड द्रव्य प्रवेश करते. मधल्या भागात या दोन्ही द्रव्यांचा प्रवाह एकमेकांच्या विरुद्ध दिशेला असतो. म्हणूनअशा उष्णता विनिमयकाला ‘विरुद्ध प्रवाह उष्णता विनिमयक’ असे म्हटले जाते.
आडवा / ओलांडणारा प्रवाह : या प्रकारच्या उष्णता विनिमयकात थंड व गरम द्रव पदार्थांचे प्रवाह एकमेकांना काटकोनात असतात. अर्थात जर थंड प्रवाह एका नळीतून जात असेल तर गरम द्रव्याचा प्रवाह त्याच्या काटकोनात नळीला ओलांडून जातो.
उष्णता विनिमयाची पद्धत : उष्णता विनिमयाच्या पद्धतीनुसार उष्णता विनिमयकाचे दोन प्रकार पडतात.
थेट संपर्क उष्णता विनिमयक : या प्रकारच्या उष्णता विनिमयकात गरम द्रव पदार्थ आणि थंड द्रव पदार्थ यांचा एकमेकांशी थेट संपर्क येतो. ते एकमेकांच्या भौतिक संपर्कात आल्याने गरम कणाकडून थंड कणाकडे उष्णतेचा प्रवाह होतो.परिणामी, थंड पदार्थाचे तापमान वाढते आणि गरम पदार्थाचे तापमान कमी होते. उदा., वीज प्रकल्पातील कुलिंग टॉवर.
अप्रत्यक्ष संपर्क उष्णता विनिमयक : या प्रकारच्या उष्णता विनिमयकात थंड व गरम द्रव पदार्थांचा एकमेकांशी थेट भौतिक संपर्क येत नाही, तर उष्णतेचा विनिमय तिसऱ्याच माध्यमामार्फत होतो. अप्रत्यक्ष संपर्क उष्णता विनिमायकाचे दोन प्रकार पडतात, ते खालीलप्रमाणे:
- पुनर्निर्मिती करणारा अप्रत्यक्ष संपर्क उष्णता विनिमयक : या प्रकारच्या उष्णता विनिमयकात गरम द्रव पदार्थ व थंड द्रव पदार्थ यांचे आळीपाळीने वहन होते. सर्वप्रथम गरम पदार्थाचे वहन होताना त्यातील उष्णता औष्णिक ऊर्जा संचय होईल अशा माध्यमात साठविली जाते आणि नंतर ज्यावेळी थंड पदार्थाचे वहन होते त्यावेळी साठविलेली उष्णता त्याला दिली जाते. अशा प्रकारे उष्णतेची पुनर्निर्मिती होत असते.
- पुनर्प्राप्ती करणारा अप्रत्यक्ष संपर्क उष्णता विनिमयक : या प्रकारच्या उष्णता विनिमयकात दोन वेगवेगळ्या मार्गांतून एकाच वेळी गरम व थंड पदार्थांचे अभिसरण केले जाते. पण या दोन द्रव्यांच्या प्रवाहांमध्ये एक धातूचे माध्यम असते, त्याच्यामार्फत उष्णतेचा विनिमय होतो. या धातूच्या माध्यमासाठी जास्तीत जास्त औष्णिक वहनक्षमता असणारा धातू निवडला जातो.
उष्णता विनिमयाकाची बांधणी आणि रचना : काही प्रक्रियांसाठी कमी उष्णतेची गरज असते, तर काही ठिकाणी अधिक उष्णता विनिमय आवश्यक असतो. बऱ्याचदा विनिमयकाची बांधणी करताना जागेची अडचणही असते. अशा वेळी गरजेनुसार विनिमयकाच्या बांधणीत बदल करणे आवश्यक असते. त्यामुळे विनिमयकाच्या बांधणी आणि रचनेनुसार त्याचे खालीलप्रमाणे काही प्रकार पडतात.
नळी आणि कवच प्रकारचा उष्णता विनिमयक : या प्रकारामध्ये एक धातूच्या नळ्यांचा गठ्ठा असतो व त्याला बाहेरून एक कवच असते. एक द्रव्य नळ्यांमधून अभिसरित केले जाते तर दुसरे द्रव्य वरील कवचामधून अभिसरित केले जाते. हा उष्णता विनिमयक अत्यंत मजबूत असल्याने उच्च दाब (३० बारपेक्षा अधिक) व उच्च तापमानाच्या (२६० अंश सेल्सिअस) अनुप्रयोगांसाठी वापरला जातो.यामध्ये नळी व कवचाच्या रचनेवरून अनेक नवीन प्रकार पडू शकतात.
संक्षिप्त उष्णता विनिमयक : यांमध्ये उष्णता विनिमयाचे क्षेत्रफळ व एकूण घनफळ यांचे गुणोत्तर अधिक असते. ज्यावेळी एका द्रव्याचा उष्णता विनिमय गुणांक हा दुसऱ्या द्रव्यापेक्षा खूप कमी असतो त्यावेळी या विशेष प्रकाराचा उपयोग केला जातो.
- प्लेट उष्णता विनिमयक : या प्रकारच्या विनिमयकात धातूचे पत्रे दोन द्रव्यांमध्ये उष्णता विनिमयासाठी वापरले जातात. यामध्ये अत्यंत जवळजवळ असे अनेक पातळ धातूचे पत्रे असतात. यापत्र्यांचे क्षेत्रफळ खूप जास्त असून त्यावर द्रव्याच्या वहनासाठी छोटा मार्ग केलेला असतो. उपलब्ध असलेल्या मोठ्या क्षेत्राफळामुळे अधिक उष्णता विनिमय होऊ शकतो.
- प्लेट आणि कवच प्रकारचा उष्णता विनिमयक : यामध्ये प्लेट विनिमयक आणि नळी-कवच विनिमयक यांचे एकत्रीकरण असते.
समीक्षक – पी. आर. धामणगावकर
