열교환기
서로 온도가 다르고, 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하는 장치를 열교환기라 하며, 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수 등에 널리 이용된다.
열교환기의 종류
기하학적 형태에 따른 분류
1) 원통다관식 (Shell&Tube) 열교환기
가장널리 사용되고 있는 열교환기로 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있으므로 적용범위가 매우 넓고, 신뢰성과 효율이 높다.
2) 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기
외관 속에 전열관을 동심원상태로 삽입하여 전열관내 및 외관동체의 환상부에 각각 유체를 흘려서 열교환시키는 구조이다. 구조는 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결 시킬수가 있다. 그러나 전열면적이 증대됨에 따라 다관식에 비해 전열면적당의 소요용적이 커지며 가격도 비싸게 되므로 전열면적이 20m2 이하의 것에 많이 사용된다. 이중관식열교환기에서는 내관 및 외관의 청소점검을 위해 그랜드 이음으로 전열관을 떼낼수 있는 구조로 하는수가 많다. 이같은 구조에서는 열팽창·진동 기타의 원인으로 이음부분에서 동측유체가 누설되는수가 있으므로 동측유체는 냉각수와 같은 위험성이 없는 유체 혹은 저압유체를 흘린다. U자형전열관과 관상동체 및 동체커버로 이루어지며 전열관은 온도에 의한 신축이 자유롭고 관내를 빼낼 수 있는 이중관헤어핀형 열교환기기 있다. 또 전열효과를 증가시키기위해 전열관 외면에 핀(fin)을 부착시킨것도 있다.
3) 평판형 (Plate Type)열교환기
유로 및 강도를 고려하여 요철(凹凸)형으로 프레스성형된 전열판을 포개서 교대로 각기 유체가 흐르게 한 구조의 열교환기이다. 전열판은 분해할수 있으므로 청소가 완전히 되고 보존점검이 쉬울뿐만 아니라 전열판매수를 가감함으로써 용량을 조절할 수 있다. 전열면을 개방할 수 있는 형식의 것은 고무나 합성수지가스켓을 사용하고 있으므로 고온 또는 고압용으로서는 적당하지 않다. 액체와 액체와의 열교환에 많이 사용되며 한계사용압력 및 온도는 각각 약 5kg/cm2, 150℃이다. 주로 식품공정과 같이 자주세척하여 청결을 유지할 필요가 있는경우에 사용되며 아래와 같은 경우에는 적절하지 못하다.
- 0.5mm이상의 고체 입자를 함유한 액체
- 열전달 면적이 2500m2 이상
- 25 kg/cm2 및 250℃이상
- 상변화가 있는 경우
- 유체의 속도 0.1m/sec이하인 경우
가스켓을 사용하지 않고 용접 또는 납땜에 의해 일체로 제작된 것은 온도의 제한이 완화 되지만 전열면의 점검이나 청소를 할 수 없으므로 부식성 또는 오염이 심한 유체에는 사용할 수없다.
4) 공냉식 냉각기(Air Cooler)
냉각수 대신에 공기를 냉각유체로 하고 팬을 사용하여 전열관의 외면에 공기를 강제통풍시켜 내부유체를 냉각시키는 구조의 열교환기이다. 공기는 전열계수가 매우 작으므로 보통 전열관에는 원주핀이 달린 관이 사용된다. 공냉식열교환기에는 튜브 Bundle에 공기를 삽입하는 삽입통풍형과 공기를 흡입하는 유인통풍형이 있다. 냉각식열교환기는 냉각수가 필요없으므로 (수원보호의 필요가 없으므로)최근 그 이용이 급격히 증가되고 있다. 그러나 넓은 설치면적이 필요하며 건설비가 비싸고, 관에서의 누설을 발견하기 어렵고, 전열관의 교환이 곤란한 점등의 단점이 있다.
5) 가열로 (Fired Heater)
액체 혹은 기체연료를 버너를 이용하여 연소시키고 이 때 발생하는 연소열을 이용하여 투브내의 유체를 가열하는 방식이다. 가장 큰 열량을 얻을 수 있으며 열전달 메카니즘은 복사 및 대류를 포함하므로 설계하기가 매우 어렵다. 공해의 문제가 있으나 매우 큰 열량을 얻기 위한 공정에서 많이 쓰인다.
6) 코일식 (Coil Type) 열교환기
탱크나 기타 용기내의 유체를 가열하기 위하여 용기내에 전기 코일이나 스팀 라인을 넣어 감아둔 방식이다. 교반기를 사용하면 열전달 계수가 더욱 커지므로 큰 효과를 볼 수 있다.
4.1.2 기능에 따른 분류
1) 열교환기 (Heat Exchanger)
좁은 의미의 열교환기는 일반적으로 상변화가 없는, 두 공정 흐름사이에 열을 교환하는 장치를 말하고, 넓은 의미로는 냉각기, 응축기등을 포함한다.
2) 냉각기 (Cooler)
냉각수등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 냉각한다.
3) 응축기 (Condenser)
냉각수등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 부분응축 (Partial Conden- sation)또는 총응축 (Total Condensation)시키기 위한 열교환기로서 열전달의 메카니즘은 주로 응축에 의해 이루어 지며, Heat Duty또한 응축열이 주가 된다.
4) 재비기 (Reboiler)
스팀등의 가열매체를 이용하여 증류탑의 바닦에서 유입되는 공정유체를 Boiling시켜 증기를 발생시킴으로써 증류탑으로 공급되어야 할 열을 전달하는 열교환기로서 증기발생은 단일상 또는 2상 혼합물로 할 수 있다.
5) 증발기 (Evaporator)
용액의 질을 향상 시키기 위해, 스팀등을 이용하여 증발에 의해 용매를 제거 시키는 열교환기이다.
6) 예열기 (Preheater)
공정으로 유입되는 유체를 가열하는 열교환기이며, 이때 가열매체는 공정유체 또는 스팀등을 이용한다.
7) 2상 흐름 열교환기 (Two Phase Flow Heat Exchanger)
2상의 혼합물이 Shell측 또는 Tube측으로 흐르는 열교환기를 말하며, 응축기와 재비기 등으로 구별된다.
4.1.3 원통다관식 (Shell & Tube Type)열교환기의 종류
다음은 TEMA에 의한 열교환기의 분류표이다. TEMA(Tubular Exchanger Manufacturer Association)는 원통 다관식 열교환기 (Shell & Tube Heat Exchanger)제작자들이 결성한 모임으로 1968년부터 자신들의 표준규격 (TEMA Standard)을 발표하고 있다. 이 규격은 원통다관식 열교환기의 구조, 설계에서부터 제작, 설치에 이르기 까지 거의 모든 범위를 언급하고 있으며 플랜트 설계시 열교환기의 표준으로 이용되고 있다.
1) 유동두형열교환기 (Floating Head Type)
전열관이나 방해판을 양측의 관판(Tube Sheet)에 짜넣은 상태를 관속(Tube Bundle)이라고 하며 이 관속의 한쪽에 관판(고정측관판)은 동체(Shell)의 한쪽에 플랜지로 고정시키고 다른쪽 관판은 동체에 아무런 구속도 받지않는 구조로 되어있으므로 유체의 온도에 따라 동체 및 전열관이 열팽창하여도 거기에 대응할 수 있는 구조이며 또 관속을 동체에서 빼내서 청소 및 점검할 수 있는 구조의 열교환기이다. 이형식의 특징은 다음과 같다.
가) 전열관내외 모두 청소가 가능하므로 오염이 생기기 쉬운 유체에 대해서도 적합 하여 사용범위가 넓다.
나) 전열관이나 동체가 서로각기 열팽창될 수 있으므로 온도차가 큰 경우에도 사용 할 수 있다.
다) 가), 나)항의 이유로서 어느 형식보다도 설계조건 및 운전조건에 상응할 수 있는 기능을 가진 구조이며 가장 융통성이 크다. 그러나 이에 따라 구조가 복잡하므로 제작비가 비싸게 되는 단점이 있다.
1. Stationary Head - Channel 20. Slip-on Backing Flange
2. Stationary Head - Bonnet 21. Floating Head Cover - External
3. Stationary Head Flange - Channel or Bonnet 22. Floating Tubesheet Skirt
4. Channel Cover 23. Packing Box Flange
5. Stationary Head Nozzle 24. Packing
6. Stationary Tubesheet 25. Packing Gland
7. Tubes 26. Lantern Ring
8. Shell 27. Tie Rods and Spacers
9. Shell Cover 28. Transverse Baffles or Support Plates
10. Shell Flange - Stationary Head End 29. Impingement Plate
11. Shell Flange - Rear Head End 30. Longitudinal Baffle
12. Shell Nozzle 31. Pass Partition
13. Shell Cover Flange 32. Vent Connection
14. Expansion Joint 33. Drain Connection
15. Floating Tubesheet 34. Instrument Connection
16. Floating Head Cover 35. Support Saddle
17. Floating Head Flange 36. Lifting Lug
18. Floating Head Backing Device 37. Support Bracket
19. Split Shear Ring 38. Weir
39. Liquid Level Connection
2) 고정관판형 열교환기 (Fixed Tube Sheet Type)
관판을 동체의 양측에 용접등의 방법으로 고정시킨 구조의 열교환기이다. 동체측유체와 관측유체의 온도에 의해 전열관과 동체는 열팽창차가 생기고 그 때문에 열응력이 큰 경우에는 동체에 신축이음을 설치하여 열팽창을 흡수하는 구조가 필요하다. 이 형식은 동체측의 청소, 점검 및 보수가 곤란하므로 부식성과 오염이 적고 침전물이 생기지 않는 유체에 적당하다. 고정관판형의 특징은 다음과 같다.
가) 동체의 오염이적고 유체에의한 동체 및 전열관의 온도차가 작을 때 또는 열팽창 차가작을 때에는 최적의 구조이다.
나) 종형의 관식반응기로서 용도가 넓다.
3) U-자 관형 열교환기 (U-Tube Type)
U자관형의 전열관을 사용한 형식의 것이며 전열관은 동체와는 관계없이 유체의 온도에 따른 신축이 자유로우며, 또 관속을 그대로 빼내서 청소 및 점검할 수 있는 구조로서 유동두형의 경우와 같다. 그러나 유동두형의 경우 직관이기 때문에 청소가 쉬우나 U자형의 경우는 관내의 청소가 곤란하다. U자관형의 특징은 다음과 같다.
가) 열팽창에 대해 자유롭다.
나) 관속을 빼낼수가 있으므로 관외면의 청소도 쉽게 할 수 있다.
다) 고압유체에 적합하다. 고압유체를 관내에 흘리면 내압부분이 적어도 되므로 중 량을 경감시킬수가 있다.
라) 구조가 간단하여 관판이나 동체측플랜지가 적어도 되므로 제작이 비교적 간단하 다.
4) 케틀형 열교환기 (Kettle Type)
동체의 상부측은 증발이 잘되도록 빈공간의 증기실이 있다. 액면의 높이는 최상부관보다 적어도 50mm높게 하는 것이 보통이다. 특징은 다음과 같다.
가) 폐열보일로러서는 가장 구조가 간단하다.
나) 따라서 손쉽게 값싼 증기를 얻는데 널리 사용된다.
다) 관속은 유동두식, U자관식으로 할 수가 있으므로 오염되기 쉬운 유체, 압력이 높은 유체에도 적용할 수 있다.
원통다관식 열교환기 구조
Shell & Shell Side
1) Shell의 종류 (앞페이지 TEMA Type열교환기 참조)
가) "E" Type은 우선 가격이 저렴하고 전열효과도 커서 가장 널리 이용되고 있는 형태이다. 압력손실이 커서 응축기로 사용하게 되면 응축물이나 비응축가스가 누적될 수 있으므로 방해판이나 노즐설계시 주의해야 한다.
나) "F" Shell은 Shell side에 Longitudinal baffle이 있어서 실제로 Shell이 2 Pass 되는 것으로, 주로 가열유체의 출구온도 보다 수열유체의 출구온도가 더 높을[ Overlap(Cross)되었다고 함] 경우 "F" Shell을 사용한다. 양 유체의 온도가 Overlap되면, 완전 향류(Counter flow)로 흐르는 1-1 Pass의 경우(Double pipe) 는 문제가 없지만 Mulit-pass인 경우는 병류가 존재하므로 온도 보정계수(F)가 0.75∼0.8까지 떨어지게 된다. 이 경우 Shell 수를 증가시켜 Series로 설계하여 온도의 Cross를 없애던가, "F" Shell로 설계하여 병류를 없애고 향류와 십자류만 존재하게 설계한다.
다) "G"와 "H" Shell은 Longitudinal baffle이 있는 Split flow type이라고 부르며 압력손실은 "E" Shell과 같으나, 전열효과는 더 좋다. 주로 Horizontal thermosiphon reboiler에 사용되는 Shell형태이지만, 때로 헌열(Sensible)열교환기에도 사용된다.
라) "J" Shell은 Shell side유량을 두 개의 Nozzle로 나누어 유동시키는 Divided flow이기 때문에 허용 압력손실이 작은 열교환기 설계할 때 적합하다. 이때 성능은 감소하지만 제한된 압력손실은 "E" Shell 보다 약 1/8 정도 감소한다. 또 Shell side상부에서 증기가 들어와 응축되는 경우, 2개의 Nozzle로 들어와 응축수는 1개의 Nozzle로 나가는 2J1-Shell을 사용하여 반대로 하부에서 유체가 들어와 비승되는 경우는 1J2-Shell을 사용한다.
마) "K" Shell은 Shell side에서 풀 비등이 일어날 때 사용하며, 비등이 잘 일어나고 액체와 증기가 잘 분리될수 있도록 증기실을 설치한 형태이다. 증기실의 크기는 Bundle 직경의 1.5∼2배 크기로 하지만 Bundle직경이 작은 경우는 Splashing과 거품(Foamming)을 방지하기 위하여, 액면에서 증기출구까지 거리는 최소한 10"이상의 간극을 둔다. 그리고 Tube 길이는 가능한 5m이하로 설계하고 이 보다 클 경우에는 증기의 출구를 2개 이상 설치한다.
바) "X" Shell은 십자류(Cross flow)만 존재하기 때문에 Shell Type중에서 전열효과가 떨어지나, 압력손실이 가장 작기 때문에 평균 온도차(Mean Temperature Difference)에 큰 영향을 받는 Condenser와, 입구에서 많은 증기가 들어와서 진동문제를 유발시키는 경우에 적합한 형태이다. 또 단일성분의 전응축이나 응축범위가 좁은 유체에서도 효과적이다. 특히 이형태는 압력손실이 낮기 때문에 진공(Vacuum)상태일 때 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 낮은 유체속도로 인하여 비응축 가스가 축척되는 경우가 있으므로 비응축가스가 있는 Partial 응축의 경우 좋은 선택이 못되며, 입구증기의 분배문제 때문에 Tube길이를 결정할 때 Shell직경의 5배를 넘지 않도록 설계한다.
2) Shell side의 유체
Shell side는 구조에 따라 전열효과가 크게 변하는데, "E" Shell을 기준으로 설명하면 Tube를 가로질러 유체가 흐를 때 십자류(Cross flow)라 하며 Baffle이 Cut된 부위를 Window라 하는데 이곳을 통과할 때 처럼 Longitudinal 방향으로 흐르는 유체의 유동을 평행류(Window flow또는, Longitudinal flow)라 한다. Shell side는 구조적으로 열전달 계수의 함수인 Reynolds number를 크게 할수 있는 구조로 되어 있기 때문에 가능한 두 유체중 점도가 큰 유체를 넣는 것이 유리하다. 또한 부식성이 큰 유체를 Shell side에 넣으면 Shell뿐만아니라 Tube, Baffle 등을 부식하기 때문에 가능한 이러한 유체는 Tube side로 고려하고, 압력과 온도가 높은 유체도 Shell두께를 증가시키기 때문에 가능한 제한하고 있다.
구조적으로 Shell side는 복잡하여 열전달 계수, 압력손실 계산에 어려움이 많고 부정확하여 정확한 계산 결과를 요구하는 공정유체는 Tube side로 넣는다. 그리고 Baffle 간극 및 압력손실의 범위에서 유속을 빠르게 하면 열전달계수를 크게 설계할 수 있만, 유속을 너무 빠르게 하면 Erosion때문에 부식의 진행속도를 촉진시킨다. 일반적으로 Shell side유속은 유체와 접촉하는 재질과 온도에 차이는 있지만 CS의 경우, 액체일때는 0.2∼1.5m/sec, 기체일때는 2.0∼15m/sec가 적당하다. 반대로 유속이 너무 느리면 Tube외부에 오염이 누적되기 때문에, 바닷물이나 물의경우 0.5m/sec이상으로 한다. 그리고 직교류(Cross flow)와 평행류(Window flow)유속은 가능한 평행류를 약간 빠르게 설계하는 것이 바람직하다. Bundle 형태와 Baffle간극은 유체의 점도와 예상하는 유동형태에 큰 영향을 준다. 일반적으로 층류유동에서 십자류에 대한 유동저항은 Baffle과 Shell, Tube와 Baffle, Passpartition Channel부 유동, Bundle주위로의 누수저항보다는 작아야 한다. 클 경우 누수와 Bypass유체가 커지는 경향이 있어 십자류의 유속을 떨어 뜨린다. 이러한 경향은 Baffle의 간극을 감소시키므로써 더욱 악화되어 점도성유체의 열전달을 오히려 감소시킨다. 또, 층류유동에서 혼합효과가 나쁘면 온도차는 감소하고 결과적으로 열적 성능이 떨어진다. 그러므로 Shell side가 층류유동일때는 Baffle과 Shell간극을 좁게하고 Passpartition에 Dummy pipe를 넣고, Bundle과 Shell간극에 Seal strips을 넣어 유동을 촉진시킨다. Shell side가 난류유동일 때 운동량의 변화가 크면(즉, Baffle간격을 줄이면)십자류에 관계되는 Bypass와 누수를 줄이는 효과가 있다. 그리고 더 좋은 혼합효과가 있어 평균 온도차에서 더 좋은 결과를 얻을 수 있다.
3) Shell 내경
Shell ID는 Kettle형태를 제외하고는 일반적으로 350mm부터 최대 1500mm까지 사용되며 50mm간격으로 증가 또는 감소시키며 Shell ID를 결정하고, Shell에서 꺼낼 필요가 있는 Tube Bundle은 15∼20ton을 초과하지 않아야 한다. 350mm미만일 경우에는 표준배관을 사용하는 것이 유리하여 이때 14", 12", 10", 8"등을 사용한다.
4) Vapor Belts
Shell side입구로 유입되는 증기를 가능한 균등하게 Tube bundle로 유입할수 있도록 하는 장치인데 주로 이 Belts는 입구의
rho V^2
이 커서 Impingement Plate가 요구되는 경우에, Shell의 직경이 필요이상 커지는 것을 방지하고, Vapor가 한곳으로 유입하여 Tube에 충격은 물론 진동문제를 발생시키는 것을 방지하고, 또 Nozzle내경이 Shell내경의 1/2보다 클 경우와 Nozzle내경에 비해 Inlet space가 작을 경우 사용된다.
증기가 들어가는 Slot hole의 전체면적은 특별한 요구가 없으면 입구 Nozzle단면적의 2∼2.5배 정도로 하고 이곳의
rho V^2
은 1500(
lb/ft" " s^2
)혹은 2230(
Kg/m " "s^2
)보다 작게한다. 그리고 최상단과 하단부에서 Vent와 Drain을 설치한다.
4.2.2 Tube & Tube side
1) Tube의 종류와 선정
Tube는 열교환기에서 가열유체와 수열유체간에 열을 수수하는 가장 중요한 부품으로서 Shell side와 Tube side 양 유체에도 견디는 재질을 선정하여야 하며 성능(Performance)를 위하여 가능한 열전도도가 좋은 재질은 물론이고 Tube두께도 얇은 것을 사용하는 것이 유리하다. 단, Tube에서의 부식허용(Corrosion Allowance)은 고려하지 않는다.
Tubular열교환기에서 Tube는 Plain tube와 Low fin tube로 나눌 수 있으며 Low fin tube의 Fin은 Tube의 전열면적을 증가시켜주기 때문에 열교환기를 더 작게 설계할 수 있는 장점은 있으나 고가이기 때문에 거의 사용이 안되고 있다. 또 이 Tube선정시에는 오염계수(Fouling factor)가 0.003(
Ft^2 hr ℉ / Btu
)이상이거나 부식률(Corrosion rate)이 2(Miles/year)이상일때는 사용을 제한한다.
|
Service |
Material |
직경 |
Wall Thickness |
|
|
Water |
Non-Ferrous Ferrous |
3/4" 3/4" or 1" |
0.065" 14 or 12 DWG |
|
|
Oil Service Non-Fouling or Fouling (<0.003) Mildy Corrosive Non-Fouling or Fouling (<0.003) Corrosive Extremely Fouling (>0.003) Mildy Corrosive Extremely Fouling (>0.003) Corrosive |
Ferrous |
3/4" 3/4" 1" 1" |
14 BWG Heavy Wall Tube required Heavy Wall Tube required Heavy Wall Tube required |
|
|
General Service Non-Fouling or Fouling(<0.003) Extremely Fouling (>0.003) |
Alloy Tube |
3/4" 1" |
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< Tube 직경과 두께 > |
Tube의 사양(직경, 두께, 길이)은 기본적으로 전열조건, 강도조건, 유체의 오염정도와 경제성등에 따라 최적의 치수를 선정하여야 한다. 외경이 작은 Tube는 동일 Shell에 외경이 큰 Tube보다 더 많은 본수를 배열 할 수 있고 또 유체의 유속이 같다고 한다면 Tube외경이 작은 쪽이 열전달계수가 커지므로 열효율을 고려하여 가능한 직경이 작은 Tube가 사용하도록 요구되는데 실제적인 제한은 물리적인 청소에 있다. 물리적인 청소를 위하여 최소한 3/4"이상이 되어야 한다. 그러나 청결한 유체이거나, 화학적인 청소만 요구되고 Tube side에 압력손실이 고려사항이 아니라면 Tube의 직경이 작은 것을 사용하여 성능을 개선한다. 그리고 설계할 때 길이 제한조건이나 압력손실에 대한 제한조건이 없다면 가능한 Tube본수를 줄이고 Tube길이를 길게하면 압력손실과 열전달 계수가 커지기 때문에 Shell의 직경과 Flange, Tube sheet가 작아져서 경제적인 설계를 할 수 있다. 반면에 Tube의 길이가 커지면 Bundle을 제거할 때 Tube 길이와 동일한 공간이 필요하므로 공간에 대한 제한이 따른다. 그리고 인발강관 최대 길이가 9m이므로 설계시 구매에 따른 문제도 고려하여야 한다.
|
OD |
|
Wall Thickness |
|
|
ID |
|
Outside Surface |
|
|
|
in |
mm |
BWG |
in |
mm |
in |
mm |
ft^2 / ft |
m^2 / m |
|
|
0.250 |
6.350 |
22 24 |
0.028 0.022 |
0.711 0.559 |
0.194 0.206 |
4.928 5.232 |
0.066 |
0.020 |
|
|
0.375 |
9.525 |
18 20 22 |
0.049 0.035 0.028 |
1.245 0.889 0.711 |
0.277 0.305 0.319 |
7.036 7.747 8.103 |
0.098 |
0.030 |
|
|
0.500 |
12.700 |
18 20 |
0.045 0.035 |
1.245 0.889 |
0.402 0.430 |
10.211 10.922 |
0.131 |
0.040 |
|
|
0.625 |
15.875 |
16 18 20 |
0.065 0.049 0.035 |
1.651 1.245 0.889 |
0.455 0.527 0.555 |
12.573 13.386 14.097 |
0.164 |
0.050 |
|
|
0.750 |
19.050 |
12 14 16 18 20 |
0.109 0.083 0.065 0.049 0.035 |
2.769 2.108 1.651 1.245 0.889 |
0.530 0.584 0.620 0.652 0.680 |
13.462 14.834 15.748 16.561 17.272 |
0.196 |
0.060 |
|
|
0.875 |
22.225 |
14 16 18 20 |
0.083 0.065 0.049 0.035 |
2.108 1.651 1.245 0.889 |
0.709 0.745 0.777 0.805 |
18.008 18.923 19.736 20.447 |
0.230 |
0.070 |
|
|
1.000 |
25.400 |
12 14 16 18 |
0.109 0.083 0.065 0.049 |
2.769 2.108 1.651 1.245 |
0.782 0.834 0.870 0.902 |
19.863 21.184 22.098 22.911 |
0.262 |
0.080 |
|
|
1.250 |
31.750 |
10 12 14 16 |
0.134 0.109 0.083 0.065 |
3.404 2.769 2.108 1.651 |
0.982 1.032 1.084 1.120 |
24.943 26.213 27.534 28.448 |
0.327 |
0.100 |
|
|
1.500 |
38.100 |
10 12 14 16 |
0.134 0.109 0.083 0.065 |
3.404 2.769 2.108 1.651 |
1.232 1.282 1.334 1.370 |
31.293 32.563 33.884 34.798 |
0.393 |
0.120 |
|
|
2.000 |
50.800 |
11 13 |
0.120 0.095 |
3.048 2.413 |
1.760 1.810 |
44.704 45.974 |
0.524 |
0.160 |
|
|
2.500 |
63.500 |
9 |
0.148 |
3.759 |
2.200 |
55.880 |
0.654 |
0.199 |
< Plain Tube Dimension > |
2) 튜브측 유체
Tube side의 유체는 일반적으로 냉각수(Cooling water), 부식성 유체 혹은 침전물이 있는 유체, Fouling유체, 점도가 작은 유체를 넣으며, 압력이 높아도 직경이 작아서 거의 영향을 안받기 때문에 고압의 유체를 넣는다. 그 외에도 누수나 Bypass가 없으며 압력손실 및 열전달 계수의 계산이 쉽고 정확한 장점도 있다. Tube side유량은 Shell side에 비해서 차이가 커도 Pass수로 조절이 가능하기 때문에 탄력성이 있으며 열전달계수를 증가시키기 위하여 유속을 증가 시켜야되는데 이 경우는 Pass수를 증가시키면 된다. 물론 유속이 증가하면 압력의 손실도 커진다. 항상 허용압력 범위에서 재질과 온도에 따른 제한속도 미만으로 선정한다. 이때 관내 열전달 계수는 유속과 다음과 같은 관계를 가진다.
층류영역 :
Re" " <=" " 2,100 " " h_t" " PROPTO" " U^0.23
천이영역 :
2,100 <= " "Re" "<=" " 10,000 " " h_t" " PROPTO" " U^0.23∼0.8
난류영역 :
Re" " >=" " 10,000 " " h_t" " PROPTO" " U^0.8
또한 압력손실과 유속의 관계는 다음과 같다.
층류 및 천이영역 :
Delta P" " PROPTO" " U^1.0
난류영역 :
Delta P" " PROPTO" " U^1.8
유속은 앞에서 설명되었지만 필요이상 빠르게 설계하면 Erosion의 원인을 초래하여 부식의 진행속도를 촉진하는 결과가 되므로 주의를 요한다. 일반적으로 Tube재질과 관계가 있지만 강관의 경우, 액체일 때 0.5∼3.0m/s, 기체일 때 5.0∼30m/s가 적합하다. 같은 액체라도 밀도차이가 있으므로
rho V^2
을 기준으로 계산하면 된다. 또, 온도와 유속과의 관계를 보면 유체의 온도가 고온일수록 허용속도는 낮아진다. 반대로 유속을 너무 느리게 설계하면 오염물들이 침전되어 누적되고 나중에는 Tube가 막히는 경우도 발생할 수 있다. 그러므로 물의 경우 최소유속을 1m/s이상으로 설계하는 것을 추천한다.
|
Tube 재료 |
Aramco Spec |
General |
|
|
탄소강 |
1.8 |
2.0 |
|
|
Admiralty |
1.5 |
2.5 |
|
|
Aluminum brass or bronze |
2.4 |
3.5 |
|
|
70 Cu - 30 Ni |
3.0 |
3.5 |
|
|
90 Cu - 10 Ni |
3.0 |
3.5 |
|
|
Monel |
3.7 |
3.5 |
|
|
SUS 강 |
4.6 |
3.5 |
|
|
Copper |
2.1 |
- |
< 튜브측 최대 허용온도 , m/s > |
다음은 튜브측의 유체를 선정하는 순위이다.
① 냉각수(Cooling Water)
② 부식성유체 혹은 침전물이 있는 유체
③ 오염이 큰 유체
④ 두 유체중 점도가 작은 유체
⑤ 압력이 높은 유체
⑥ 온도가 높은 유체
⑦ 정확한 압력손실이 요구되는 유체
⑧ 제한된 압력손실이 요구되는 유체
상기 조건외에도 응축할 증기와 입출구에서 온도변화가 큰 유체(300∼350℉이상)는 열팽창과 열응역 문제를 최소화하기 위하여 Shell side로 통과시킨다. 유체의 Side선정이 끝나면 경제성(Fixed Type < U-Type < Floating Type)과 유지 및 보수를 기본 배경으로 하기의 사항을 참고하여 선정한다.
① Tube side유체의 오염이 심각하다면 Straight tube를 이용한다.
② Tube side유체의 오염이 경미하고 Chemical cleaning을 할수 있다면 Straight 나 U-Tube를 선정한다.
③ Shell side유체의 오염이 다소있다면, Bundle을 분리가능한 형태로 선정하고 4 5°나 90°Layout을 선정한다.
④ Shell side유체의 오염이 경미하거나 오염이 없는 경우는 Fixed type혹은 U-tube type에 30°Layout을 선정한다.
⑤ 양 Side유체의 오염이 경미하면 U-Tube type이나 Fixed type으로 선정한다.
⑥ Shell side유체의 오염은 경미하나 Tube side는 오염이 큰 경우 30°Layout과 Fixed type을 선정한다.
⑦ Shell side유체는 오염이 크고 Tube side는 오염이 작으면 U-Tube type혹은 Floating head type에 45°나 90°Layout으로 선정한다.
⑧ 양 Side모두 오염이 크면 Floating head type 과 45°나 90°Layout으로 선정한 다.
⑨ Tube side유체의 오염이 많아 정기보수시 마다 청소가 필요한 경우 'A' Type을 선정한다.
⑩ Tube side의 설계압력이 고압이면 'D' Type을 선정한다.
⑪ 수직형 열교환기는 'B' Type을 선정한다.
⑫ 유체가 고압이거나 독극물인 경우는 Bundle과 Channel이 일체형인 'C' Type을 선정한다.
⑬ Shell & Tube side 두 유체의 접촉으로 피해가 있는 경우는 Double tube sheet 를 고려해 본다.
3) Tube의 배열
Tube의 배열방법에는 30°, 60°의 삼각배열과 45°, 90°의 사각배열이 있다. Shell side에 오염이 적은 유체는 삼각배열로 하고, 오염이 많은 유체는 사각배열로 하여 청소가 가능하도록 한다. 또 Reboiler와 같이 Shell side에서 Vapor를 발생시키는 경우에는 유효 전열면적을 감소시키는 침전물, Air pocket을 최소화시키기 위하여 90°배열을 사용한다. Tube배열에 대한 각도별 특성을 알아보면 다음과 같다.
- 30°: Staggered layout은 Shell side오염계수(Fouling factor)가 0.002(
ft^2 hr ℉ / Btu
) 보다작은 경우에 사용하며 주어진 Shell 안에서 가장 큰 전열면적을 얻을 수 있기 때문에 전열효과는 좋으나 압력손실이 크다. Reboiler에서 30°Layout 을 사용할 경우 열유속(Heat flux)이 6000(
Btu / hr ft^2
)을 초과하지 않는 경우에 사용할 것을 추천한다.
- 60°: Staggered layout은 상변화가 없는 유체에 사용한다. 압력손실 대 전열효과 가 낮기 때문에 일반적으로 추천하지 않는다.
- 45°: Staggered layout은 난류를 유도할수 있기 때문에 층류유동에 좋다. 그리고 전열효과대 압력손실의 효과는 크지만 주어진 Shell에서 30°와 비교할 때 약 85%정도 효과가 있다. 그러나 정확한 이유는 확인이 안되고 있지만 이 배열에서 소음진동이 자주 발생되는데 이때는 90°로 변경하면 문제를 해결 할 수 있다.
- 90°: Inline layout은 가능한 층류(Laminar flow)에서 피하여야 한다. 그러나 난 류에서는 효과적이며 특히 허용 압력손실이 작을 때 바람직하다.
그리고 Tube배열시 Baffle의 Cut방향에 따라 유체의 유동방향이 30°와 60°가 종종바뀌는 경우가 있어 성능차이가 생기는 것을 볼 수 있다. 항상 유체의 유동기준은 Mid-space에서 유체의 유동 방향을 가지고 Tube배열을 한다.
4) Tube pitch
Tube의 Pitch란 위 그림 a와 같이 Tube의 중심(Center)에서 중심까지의 거리를 의미하며 TEMA에서는 Shell side의 물리적인 청소(Mechanical cleaning)를 위하여 Cleaning lane을 최소한 0.25"를 주도록 되어있고, 또 Tube외경의 1.25배 이상 거리를 두도록 되어 있다. 성능향상을 위해 보통 Shell내경을 줄이고 가장 작은 Pitch를 사용하지만 부득이 Shell side에서 응축수(Condensate)가 많아 Bridge형상이 생기는 경우와 진동문제 때문에 Shell직경을 크게 하여야 하는 경우, Tube를 Shell내경전체에 균등하게 배열하기 위하여 Pitch를 크게해주는 경우가 있다.
Tube pitch는 Tube외경이 1½"보다 클 경우는 항상 Tube외경의 1.25배로 하고, 압력이 50Psig보다 작은 Kettle type reboiler그리고 열유속이 16,000(
Btu/ft^2 hr
)보다 큰 경우 Tube간 간극을 3/8"로 한다.
|
Tube O.D |
|
Pitch (Pt) |
|
Pitch Ratio |
|
|
Inch |
mm |
Inch |
mm |
|
|
|
0.250 |
6.350 |
0.312 0.375 |
7.938 9.525 |
0.250 1.500 |
|
|
0.375 |
9.525 |
0.500 0.531 |
12.700 13.494 |
1.330 1.420 |
|
|
0.500 |
12.700 |
0.625 0.656 0.688 |
15.875 16.669 17.462 |
1.250 1.310 1.380 |
|
|
0.625 |
15.875 |
0.781 0.812 0.875 |
19.844 20.638 22.225 |
1.250 1.300 1.400 |
|
|
0.750 |
19.050 |
0.938 1.000 1.062 1.125 |
23.813 25.400 26.988 28.575 |
1.250 1.330 1.420 1.500 |
|
|
1.000 |
25.400 |
1.250 1.312 1.375 |
31.750 33.338 34.925 |
1.250 1.312 1.375 |
|
|
1.250 |
31.750 |
1.562 |
39.688 |
1.250 |
|
|
1.500 |
38.100 |
1.875 |
47.625 |
1.250 |
|
|
2.000 |
50.800 |
2.500 |
63.500 |
1.250 |
< Standard Pitch Size > |
5) Tube Pass와 Partition Lane
Tube side의 유속을 증가시기 위해 Tube Pass수를 증가시키게 되는데 Shell내경이 작으면 제작상 Tube Pass수를 어느이상 증가시킬수는 없다.
|
Shell의 내경 |
Max. Pass 수 |
Shell의 내경 |
Max. Pass수 |
|
< 10" |
4 |
30" ∼ 40" |
10 |
|
10" ∼ 20" |
6 |
40" ∼ 50" |
12 |
|
20" ∼ 30" |
8 |
50" ∼ 60" |
14 |
2 Pass이상이 되면 Channel에 Pass partition plate가 있으므로 Shell side에서 이 부분에 Tube를 넣을수가 없게된다. 이 부분을 Pass partition lane이라고 한다. Pass partition lane폭(Tube center에서 Center까지의 거리)은 ¾" Tube의 경우 38∼40mm정도 간격을 두지만 U-Tube의 경우 Min. bending radius가 28.6mm이므로 Lane 폭은 최소한 58mm(19.05mm×3배)가 요구된다. Tube layout시에 조심하여야 할 사항중에 하나이다.
4.2.3 Baffle & Support Plate
1) Baffle의 개요
Baffle은 Shell side유체를 강제로 좌우 혹은 상하로 흐르게 하여 유체와 Tube간 점촉시간을 증가시키고, 난류효과를 일으키며, Baffle간극을 조정하여 유속을 높여주므로써 전열효과를 높이고, 또 Tube bundle을지지(Support)하고 진동(Vibration)을 방지하는데 목적이 있다.
유체의 성질에 따라 Baffle cut방향을 조정하는데 주로 단상유체의 경우는 유체가 상부에서 하부로, 하부에서 상부로 흐르도록 Horizontal cut을 하며, Fouling이 크거나 2상 (Two phase)유체가 존재하는 응축 및 비등의 경우는 좌우로 유체가 유동하도록 Vertical cut을 한다.
일반적으로 Shell side에 순수성분(단일성분)이 응축될때는 기전력(Driving force)이 작용하기 때문에 Baffle의 영향을 거의 받지 않으며, 또 Kettle type 에서도 Pool boiling이 일어나기 때문에 Baffle의 영향을 받지 않는다. 그러므로 이러한 경우 Baffle간극은 TEMA Max. Span을 사용하고 응축시는 최대 Cut(45%)을 하며, Kettle type에서는 비등시킬때는 Full circle을 사용하며 이때는 Baffle이라 하지 않고 Support Plate라 부른다. 산업용 열교환기에서는 주로 Segmental baffle, Double segmental baffle, NTIW(No Tubes in Windows)가 사용되고 있으며, NTIW는 주로 화력발전소(Power plant)용 대형 Cooling water cooler와 같이 Shell side에 유량이 많을 때, 그리고 기상과 액상이 존재하는 2상류에서 기상의 유체가 많아 Vibration이 우려될 때 사용한다. 즉, 이 Type은 Window에 Tube가 없기 때문에 Segmental baffle보다 Unsupport spans길이는 1/2로 줄어서 고유 진동수(Natural frequency)가 4배로 증가되므로 진동문제 해결에 효과적이다. 또 Baffle과 Baffle사이에 Support plate를 넣어주면 더욱 큰 고유 진동수를 얻을 수 있어 공진현상을 조정할 수 있다. NTIW에서 Baffle Cut율은 Tube본수에 아주 큰 영향을 주게되는데 무리하게 Tube의 본수를 많이 넣기위해 Cut율을 줄이면 Cut line부위 Tube에 손상을 유발할 수 있기 때문에 Window의
rho V^2
가 4000(
lb/ft s^2
)을 넘지 않도록 한다. Baffle cut율은 길이나 면적비로 표시하는데, 일반적으로 언급이 없으면 Shell 내경대 Cut길이의 비를 의미한다.
"Baffle cut (%)" = h over D_s times 100
이때 Cut율이 너무 작거나 크면 Segmental baffle에서는 Reciculation eddies가 발생되기 때문에 오히려 열효율은 감소한다. 가장 좋은 Cut율은 보통 20%이다.
2) Baffle간극
Baffle의 간극은 Shell side유체가 통과되기 때문에 제한속도와 허용 압력손실을 고려한 간극으로 설정되어야 한다. Baffle간극이 너무 크면 전열효과가 떨어지는 것은 물론이고 Fouling문제, 진동문제에 제한을 받기 때문에 TEMA에서는 최대Unsupported spans을 규정하고 있다. Unsupport span은 한Baffle에서 다음 Baffle까지의 거리를 말하고 다음과 같이 튜브길이에 따라 최대 허용값이 다르다.
|
Tube O.D |
Tube Materials Temperature Limits(℉) |
|
|
|
|
Carbon Steel & High Alloy(750) Low Alloy Steel(850) Nickel-Copper(600) Nickel(850) Nickel-Chromium(1000) |
Aluminum & Aluminum Alloys Copper & Coppler Alloys Titanium Alloys at Code Max. Allowable Temperature |
|
|
1/4" 3/8" 1/2" 5/8" 3/4" 7/8" 1" 1¼" 1½" 2" |
26"(660.4) 35"(889) 44"(1117.6) 52"(1320.8) 60"(1524) 69"(1752.6) 74"(1879.6) 88"(2235.2) 100"(2540) 125"(3175) |
22"(558.8) 30"(762) 38"(965.2) 45"(1143) 52"(1320.8) 60"(1524) 64"(1625.4) 76"(1879.6) 87"(2209.8) 110"(2794) |
< Max. Unsupported Straight Tube Spans (단위. in) > |
반대로 Baffle간극이 너무 작으면 제작에 문제가 있기 때문에 TEMA에서는 Shell내경의 1/5, 또는 2"(50mm)보다는 커야 한다고 규정하고 있다. 이후 설명이 되겠지만 Baffle간극이 유량에 비해 너무 작으면 'A','E' Stream등이 상대적으로 커지기 때문에 전열효과가 감소한다. 그러므로 설계자는 Baffle간극을 조금씩 줄여 가면서 전열효과가 가장 좋은 간극을 찾아야 한다.
3) Longitudinal Baffle
앞 'F' Shell에서 설명된 바와같이 양 유체간에 온도가 Overlap(Cross)되어 온도 보정계수 'F' Factor가 0.7이하로 낮아질 때 Series(2개의 Shell)로 설계하여야 하나, Heat duty가 작을 경우는 경제성을 고려하여 2개의 Shell 대신에 1개의 Shell가운데 Longitudinal baffle을 사용하여, 유체의 흐름을 향류로 하므로서 이 문제를 해결할 수 있다.
이러한 Longitudinal baffle은 열누수(Thermal leakage, Reheat)는 물론이고 누수가 발생되기 때문에 Shell과 Longitudinal baffle사이에 용접하는 방법도 있으나 Shell내경이 작으면 작업이 어렵기 때문에 얇은 판막으로 Seal plate를 만들어 넣는다. 이 경우 설계자는 Seal plate를 고정할 Bolts/Nuts위치에 Tube가 간섭이 생기지 않도록 특별한 주의가 필요하며 Tie rod설치방법도 사전에 위치 선정이 되어야 한다. 그리고 이 Longitudinal baffle은 반조각이 되기 때문에 유체상태와 관계없이 대부분 Vertical cut로 설계되고 있다.
4) Full Support Plate
다른 형태와 달리 유동두(Floating head type)열교환기는 Floating head의 하중을 지지하기 위하여 Full support plate가 필요한데 이 Support plate는 Floating tubesheet내면에 100∼150mm안 쪽으로 Rear head end flange위에 위치시킨다. 그리고 이 plate는 원형이나 사각형으로 Hole을 뚫어 100∼150mm Tube길이가 사장되는 일이 없도록 한다.
4.2.4 Channel
TEMA Standard에서 Front end에서는 'A', 'B', 'C', 'N' 및 'D' Type이 있다. 이러한 Type은 유체의 성질 및 제작비용, 그리고 사용자의 편리성등에 깊은 관련이 있다. 먼저 'A' Type은 'B' Type보다 가격은 고가이지만 Shell과 Channel을 분리시킬 수 있고, 또 Channel cover만 제거할수도 있기 때문에 Tube side에 자주 청소가 요구되는 경우에 바람직하다.
'B' Type은 Bonnet type으로 Channel과 Cover가 일체형으로 되어있어 청소시 배관과 연결을 풀어야 하는 어려움이있다. 고압유체나 오염이 적은 유체에 적합하다.
'C' Type은 Bundle과 Channel이 일체형으로 되어있어 유체의 누수를 최소로 줄이기 위하여 Gasket을 사용하지 않고 전 용접구조로 한 경우이며, 주로 고압용이나 독극물을 취급하는 경우 사용된다.
'N' Type은 Shell과 Channel이 일체형으로 되어있어 Shell side를 청소할 수 없으나 제작비는 가장 적게 든다.
'D' Type은 고압의 열교환기에 사용하는 것으로서 Flange연결이 아니고 용접연결을 하고 있다. Passpartition plate가 다른 일반 형태와 다른 것은 고온에대한 열변형을 방지하기 위함이다.
4.2.5 기타
1) Pass partition Plate
Channel내부에서 Tube pass수에 따라 Channel side유체를 유도해주는 Plate이다. Channel side유체의 온도차가 큰 경우에는 Tube sheet와 Flange가 고온과 저온의 영향을 동시에 받아 열응력을 받게된다. 열응력이 커지면 누수의 원인이 되기 때문에 온도차가 클 경우는 Channel type선정에 주의가 필요하다. 그리고 Pass partition plate가 비압력부분으로 취급하여 왔으나 열교환기가 대형화되므로서 차압에 의한 영향이 커지기 때문에 강도계산이 요구되고 있다.
2) Impingement Baffle
Shell side로 유입되는 유체가 Tube에 직접 충돌하는 것을 피하고 Tube에 급격한 부식 및 마모 그리고 진동을 방지하기 위하여 설치되는 Baffle로 Plate형태와 Rod형태가 널리 사용되고 있다.
설치기준은 단일상으로 부식성, 침식성이 없는 유체는
rho V^2
이 1500(
lb/ft" " s^2
)혹은 2250(
kg/m " "s^2
)이상인 경우와 그외에 유체는
rho V^2
이 500(
lb/ft" " s^2
)혹은 740(
kg/m" " s^2
)이상인 액체의 경우 또는
rho V^2
에 관계없이 기체인 경우 설치한다.
3) Tube Sheet
Tube Sheet(관판)는 Tube를 견고하게 그리고 일정한 배열이 유지되도록 지지하며 또, Shell side유체와 Tube side유체간에 혼합되는 것을 방지해 주는 역할을 한다. 이러한 Tube sheet는 고정형(Fixed tubesheet)과 유동두형(Floating tubesheet)이 있다. 고정형은 Fixed type, U-type, Floating type에 사용되며, 유동두형은 Floating type에만 사용된다.
4) Seal Strips & Seal Pipe
열교환기를 제작하고, Bundle을 분리하는데 있어 설계자가 요구하지 않는 곳에 간극(Clearance)이 생기기 마련이다. 여기서는 주로 Tube Bundle과 Shell사이의 유로 즉 'C' Stream의 방지를 위하여 Flat bar등으로 양쪽 유로를 막아주는데 이를 Seal Strips이라 부른다. Seal Strips은 최외각 Tube와 Shell의 간극이 Tube pitch의 ½을 초과시 설치한다고 하나 원칙적으로는 기본 설계시 Strips수에 의한 영향이 전부 반영되기 때문에 기본설계의 결과에 따라 설치한다. 특히 기본설계 결과에서 아무런 요청이 없는 곳에 임의로 Seal Strips를 설치하면 오히려 전열효과가 감소하거나 압력손실이 증대될수도 있으므로 삼간다.
그리고 Seal strips은 항상 Pairs(2개)로 설치가 되며, 비효과적인 유체의 유동을 방해하는 것이므로 적합한 위치에 설치 하여야지 전혀 관계 없는곳에 무조건 설치 해서도 안된다. 즉, Central spacing에서 Baffle은 Vertical cut일때 유체가 좌우로 흐르므로 Seal strips은 상부와 하부에 설치되어야 한다. 이때 입축구의 Baffle간격에서는 Strips을 설치하지 않는다. 그리고 순수응축하는 Condenser나 Reboiler에서도 Seal strips은 전열에 거의 영향을 주지 못하므로 설치하지 않는다.
Dummy pipe는 Passpartition lane에 Bypass흐름이 형성 ('F' Stream)되는데 이 Stream양을 줄여주기 위하여 Pipe나 Flate bar가 사용된다. 특히 U-Tube의 경우는 최소의 Bending 직경 때문에 Dummy pipe를 자주 사용하게 된다.
5) Tie Rod & Spacer
Tube가 다발로 묶여진 Bundle의 유지를 위하여 Tie rod가 필요하고, 또 Tube의 일정한 간격과 Shell side의 열전달을 촉진 시키기 위한 Baffle의 간격을 유지하는데 Spacer가 요구된다. Tie rod는 Tube sheet에 Tap을 내고 Baffle에 구멍을 뚫어 Rod를 끼운다. 또, Baffle과 Baffle사이에는 Rod외부에 Rod보다 큰 Pipe(Spacer)를 끼워 유체의 유동에 대한 Baffle간격을 유지시켜준다. Tube sheet반대편의 마지막 Baffle뒤에는 Tie rod에 Double nut로 고정한다.
6) Sliding Bar
열교환기를 조립하거나 청소하기 위하여 Bundle을 분리하는 경우가 일년에 1∼2회 있게 된다. 그러나, Bundle이 너무 무겁거나 크면 작업하기가 어려워 진다. 그래서 일부 공장에서는 자체 보유하고 있는 크래인의 최대용량에 맞추어 Bundle의 직경과 중량을 제한하기도 한다.
그 외에도 Bundle의 중량이 크면 분리하기에 어려움이 있다. 그래서 Sliding Bar를 설치해 주도록 요청하고 있다. API 660의 규정에 의하면 20,000 lb(9080kg)이상인 Bundle에는 반드시 설치하도록 규정하고 있다. 그러나 Kettle형 열교환기는 Bundle이 작고 중량이 작아도 Shell 직경이 크기 때문에 고정시켜 줄 필요가 있어 Sliding bar를 설치하고 또 Bundle을 Band로 묶어 비등되는 기포에 의한 유동을 막아준다. Sliding bar는 Bundle에 보통 20∼30°각도로 19∼25mm Round bar나 Flat bar를 사용하여 축방향으로 설치한다.
7) Vent & Drain
모든 열교환기는 어떤 다른 방법으로 Vent와 Drain이 되지 않으면 Shell side와 Tube side에 각각 가장 높은 위치와 가장 낮은 위치에 최소 ¾"의 Vent 와 Drain을 설치하여야 한다. 통상 설치는 Drain과 Vent를 위하여 경사구배를 1/200정도준다.
8) Pressure Gauge 연결구
'R' Class에서는 2" Flanged Nozzle이나 그 이상의 Nozzle에 최소 ¾"압력계용 연결구를 설치하여야 한다. 'C' Class에서는 구매자의 요구에 따라 취부하며 'B' Class에서는 'R' Class와 같은 조건일 때 최소 ½" 연결구를 설치한다. 그러나 열교환기의 인접 Pipe line에 압력계가 부착되어 있다면 생략할 수도 있다.
9) Expansion Joint
Expansion Joint는 Fixed Tubesheet Type Heat Exchanger에서 Shell또는 Tube의 길이방향 응력이 허용응력을 넘는 경우 Shell에 설치해서 응력을 완화하기 위해 사용한다. Expansion Joint의 설치여부는 Normal Operation, Start-up, Shut-down등 모든 조건에서 검토한다. 이를 위해서는 Process상의 운전조건에 대한 정확한 예상이 아주 중요하다. 운전시 검토되지 않은 운전조건이 발생될 경우 사고가 일어날 수 있기 때문이다. Shell 재질이 탄소강, Tube재질이 Stainless Steel인 경우에는 두 재질의 선팽창계수가 크게 다르므로 특히 주의해야 할 필요가 있다. 횡형의 경우는 가능한 한 Expansion Joint를 사용하지 않는 편이 바람직하지만 사용해야 할 경우에는 Expansion Joint 부의 Drain, Vent를 고려해야 한다.
10) Inlet and Outlet Nozzle Spacing
Nozzle Size Factor
alpha
|
Nozzle Size (in.) |
2 |
3 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
14 |
16 |
18 |
20 |
24 |
|
alpha (mm) |
120 |
155 |
195 |
250 |
325 |
395 |
470 |
525 |
605 |
680 |
765 |
910 |
11) 유동두형 열교환기 튜브의 유효길이
열교환기 이론
유체유동
1) 수평유동에서는 중력이 반경방향으로 작용하므로 유동이 중심축에 대하여 반대칭 형태를 가지며 상대적으로 밀도가 큰 액체는 아래쪽으로 쳐져 흐르는 경향이 있다. 그리고 과열상태로 흘러들어온 증기는 Tube 입구에서 전단력에의해서 유동형태가 지배된다. 그러므로 전단력의 지배를 받는 유동형태는 분무류(Mist. Flow), 환상류(Annular Flow), 기포류(Bubble Flow)가 있고 중력의 지배를 받는 유동형태는 파형류(Wavy Flow), 성층류(Strarified), 플러그류(Plug Flow), 슬러그류(Slug Flow), Semi-Annular Flow가 있다.
가) 분무류(Mist Flow)
안개류라고도 하며 대부분이 과열의 증기가 유입될때 이러한 양상을 관찰할 수 있다. 열전달 관점에서는 제일 나쁜 유동이다.
나) 환상류(Annular Flow)
환상류에서는 빠른 속도의 기체가 Tube중심 부분을 흐르고, Tube벽에서 응축되어 상대적으로 느린 액체는 Tube벽을 따라서 액막의 형태를 가지고 같은 방향으로 흐른다. 기체의 속도가 아주 빠르게 되면 액막으로부터 액체 일부가 이탈하여 액적의 상태로 기체 유동에 유입되는 환상 분무류(Annular-Mist Flow)가 나타나게 된다.
다) 기포류(Bubble Flow)
이 유동은 연속적인 액체상에 작은 기포가 분산된 형태이다. 부력의 영향에 의해서 기포들은 수평관 상부에 더 많이 분포한 상태로 흐르게 되는데, 액체의 유량이 증가할수록 Tube 단면 전체에 균일하게 분포하는 경향을 보인다.
라) 파형류(Wavy Flow)
이 유동은 성층류에서 기체속도의 증가에 따라서 액체와의 상대 속도가 커지게 되면 경계면이 교란을 받아서 표면파(Surface Wave)가 발생하는 유동이며, 이 표면파는 유동방향으로 흐르게 된다.
마) 성층류(Stratified Flow)
이 유동은 기체와 액체가 모두 느린 속도로 수평관 내를 유동할 때 나타나며, 특히 기체와 액체 간의 상대속도가 작기 때문에 두 유체의 경계면은 부드러운(Smooth)형태를 가진다.
사) 슬러그류(Slug Flow)
이 유동은 외형상 플러그류와 유사하나 빠른 속도의 기체에 의해서 발생한다는 점에서 그 특성이 다르다. 파형류에서 기체의 속도가 증가하면 경계면 파동의 진폭이 커지면서, 기포가 섞인 파기 Tube상부를 간헐적으로 접촉하면서 빠른 속도로 하류로 흐른다. 액체 슬러그가 접촉하고 난 뒤의 Tube상부에는 액체가 액막의 형태로 얼마간 남아있게 되며, 이 상태에서 기체의 속도가 조금 더 빨라지게 되면 파형 환상류가 나타나고, 궁극적으로 환상유동으로 천이하게 된다.
아) 플러그류(Plug Flow)
플러그류는 수직유동의 슬러그류(또는 플러그류)와 유사하다. 기포류가 느려지게 되면 기포들간의 합착에 의해서 긴 형태의 플러그 기포가 형성되며, 이 기포는 Tube 상부를 따라서 흐르게 된다.
2) 비등시 수평관에의 유동
수평유동의 경우에도 Tube외부에서 열이 가해지게 되면 유동양식이 유동방향에 따라서 변해가게 된다. 그림 b를 보면 과냉상태의 액체가 흘러 들어와서 기포류-슬러그류-파형류-환상류-액적류의 과정을 거쳐서 결국 과열 증기상태로 흘러들어가게 된다. 그림b.의 유동양식 변화과정은 질량유속과 열유속이 낮은 상태에서 나타나는 현상으로 질량유속과 열유속이 증가하면 유동양식의 변화과정도 달라지게 된다.
3) 응축시 수평관내의 유동
수평응축관내에서 유동양식의 천이과정은 그림c.와 같다. 이 그림에서 보면 주위 Tube벽에 의한 냉각이 어느정도 빨리 이루어 지는가에 따라서 유동형태가 다르게 나타난다. 주위 벽면에 의한 냉각이 급속히 이루어지는 경우(즉 높은 열유속의 경우)에는 과열상태로 흘러들어온 증기는 응축되면서 환상 분무류-환상류-슬러그류-플러그류의 상태를 거쳐서 과냉상태의 액체로 되어 흘러가게 된다. 이 경우는 Tube입구에서 증기의 유동에 따른 전단력에 의해서 유동형태가 지배되고, 하류로 내려 갈수록 유체가 Tube단면을 채워가면서 액체유동에 따른 전단력이 유동양식 변화의 주된 지배요인이 된다. 반면에 낮은 열유속에서는 과열상태로 흘러 들어온 증기는 환상 분무류 및 환상류를 거친후에 파형류와 성층류의 유동양식을 보여주면서 출입구를 통해서 포화증기와 함께 빠져나간다. 이 경우에는 Tube출구로 갈수록 중력에 의한 유동형태의 변화가 지배적이다.
4) 수직관내에서의 유체흐름
수직유동에는 중력의 작용방향과 같거나 정반대이므로 유동의 형태가 축대칭이다. 수직유동의 양식은 기본적으로 기포류(Bubble Flow), 슬러그류(Slug Flow), 천류(Churn Flow), 환상류(Annular Flow), 그리고 액적류(Drop Flow)등이 있다. 이러한 각 유동양식의 경계는 확연히 구분되는 것이 아니며, 한 유동양식에서 다른 유동양식으로 변천해갈때는 2개의 유동양식이 섞여서 나타난다. 각 유동양식의 특징들을 살펴보면 다음과 같다.
가) 기포류(Bubble Flow)
이 유동양식에는 기체상(Gas Phase)이 분산된 작은 기포들의 형태로 연속적인 액체상(Liquid Phase)내에 축대칭의 형태로 분포한다. 이때 기포의 크기는 Tube직경에 비하여 대단히 작으며, 유동의 형태는 Tube벽의 직접적인 영향을 받지 않는다. 그러나 Tube벽면과 항상 접촉하고 있는 액체상의 유동에 의하여 기포의 유동이 영향을 받으므로 Tube벽면의 영향을 간접적으로 받게되며 유동조건에 따라서 단면에 따른 분포상태가 변하게 된다. 이 유동양식은 기공율(Void fraction, 2상 유체의 단위체적당 기체가 차지하는 체적의 비)이 0.3 이하에서 주로 나타나나 적절한 첨가제(Additive surfactant)를 섞어 주면 훨씬 높은 기공율(거의 1에 가까운 값)에서도 기포류가 가능하다. 작은 기포의 형태는 대체로 구형을 이루나 기포의 양이 많을 경우 기포간의 충돌 및 합착에 의하여 더 큰 기포가 형성되면 큰 기포들의 주위유동에 의해서 변형되어 타원형이나 캡 형태를 보이기도 한다.
나) 슬러그류(Slug Flow)
슬러그류에서는 Tube직경과 거의 같은 직경을 가지는 테이러 기포(Taylor Bubble)가 상향으로 흐르며 이 기포와 Tube벽 사이에서는 액체가 얇은 막(Film)의 형태로 하향 유동한다. 이 유동을 Whalley(1987)등은 프러그류(Plug Flow)라고 부른다. 이 기포의 길이는 Tube직경 정도로부터 직경의 100여배에 이르기 까지 유동조건에 따라서 다르게 나타나며 각 테일러 기포 사이에는 작은 기포들이 섞인 액체 슬러그가 존재한다. 이 유동은 대체로 작은 질량유속(Mass Flux)을 가진 2상 유동에서 작은 기포들 간의 합착에 의해서 형성되는 경우가 많다.
다) 천류(Churn Flow)
천류는 슬러그류와 어느정도 유사하나 앞 부분이 둥근 탄환형태의 슬러그 기포와는 달리 기포의 형태가 많이 변형되어 불규칙적인 형태를 이루며 기포와 기소사이의 액체 슬러그가 과다한 양의 기체유동에 의해 일시적으로 파괴되었다가 다시 복원되는둥 유동 전체가 진동(Oscillation)을 한다. 따라서 액체도 계속 상하로 진동하며 흐르게 된다.
라) 환상류(Annular Flow)
환상류란 액체가 Tube벽을 따라서 액막의 형태로 흐르고 기체는 Tube중심 부분을 따라서 흐르는 유동을 말한다. 이 유동은 기체의 흐름이 클 때 나타나는 것이 보통이며 유속이 느린 액막과의 큰 상대속도에 의해서 액막의 형태가 파형을 이루거나 액막으로부터 액체가 작은 액적들의 형태로 떨어져 나와 기체유동에 유입(Entrainment)되는 경우가 많다. 작은 액적(또는 분무)등이 관 중심부분의 기체와 함께 유동하는 환상류를 특히 환상 분무류(Annular-Mist Flow)라고 한다.
4) 수직상승 비등(Vertical Upflow Boiling)
수직 2상 유동에서 응축은 하향유동(Down flow)으로, 비등은 상향유동(UP flow)으로 이루어지는 것이 가장 효과적이다. 열전달이 수반되지 않는 유동의 경우, 좀더 정확히는 2성분 유동(Two component flow)에는 Tube내부를 따라서 하류로 흘러가도 대체로 유동양식이 그대로 유지되는 것이 보통이다. (물론 엄밀히 말해서는 기체 및 액체의 재배치에 의해 유동양식은 항상 바뀐다.) 열전달이 수반되는 증기유동( Evaporat- ive flow)이나 응축유동(Condensing flow)의 경우에는 유동방향에 따라서 유동양식이 크게 변하는 것을 볼 수 있다. 그림 e. 에서는 수직 가열관내의 전형적인 2상 유동양식을 보여주고 있다. 균일 열유속을 받는 관의 하부를 통해서 유체가 흘러들어오게 되면 Tube벽으로부터의 대류 열전달에 의하여 액체의 온도는 점차 상승하게되고 비등점가까이에 이르면 벽면에서부터 기포의 생성이 시작되어 기포류가 형성된다. 유체가 계속 가열되면 기포의 양은 점점 증가하고 기포간의 합착에 의해서 슬러그 기포가 형성되어 슬러그류로 천이한다. 계속되는 기체량의 증가에 따라 기체의 속도는 점점 빨라지고 슬러그류의 액체 슬러그가 파괴되면서 점차 환상류의 형태를 띄게 된다. 환상류에서는 벽면과 접촉하는 액막이 얇아서 열저항이 작기 때문에 기포 생성에 필요한 벽면 과열(Wall superheat)상태가 이루어지지 않으므로 열은 액막을 통해서 대류 및 전도 현상에 의해 전달되며 액막과 Tube중심부의 기체와의 경계면에서는 지속적인 증발이 나타난다. 이때에도 지속적인 증발로 인하여 기체의 속도는 증가하며 이에 따라 액적이 액막으로부터 Tube중심부의 기체로 유입되어 분무 환상류의 형태를 띄었다가 결국 벽면에 접한 액막이 완전히 증발하고 Tube중심부의 액적이 증기와 함께 흐르는 액적류 형태가 된다. 이 액적들은 하류로 흘러 가면서 증발하게 되고 종국적으로 단상기체(증기) 유동(Single phase vapor flow)이 된다.
5) 수직하향류의 응축
수직하향유동의 응축에서 유동양식(Flow pattern)은 항상 Annular가 된다. 그러나 비응축 가스가 없는 순수성분의 경우는 주로 Slug pattern이며 액체의 양이 많은 경우 액체로 꽉찬 형태도 될 수 있다. 그림 f. 는 이러한 두 형태를 보여주고 있다. 열전달의 차이는 중력의 지배를 받는가, 전단력의 지배를 받는가, 그리고 액체가 층류인가 난류인가등은 유동형태의 지표(Cgt)와 액체의 Reynold수에 의해 결정한다.
4.4.2 비등(Boiling)
1) 정의
고체-액체계면에서 증발이 일어날 때 이를 비등이라 한다. 비등은 여러 가지 조건하에서 일어날 수 있다. 예를들면 풀비등(Pool boiling)에서는 액체는 정지해 있고 표면 근처에서의 유체의 운동은 자유대류 그리고 기포의 성장과 이탈에 의한 혼합에 기인한다. 반면, 강제대류비등(Forced-convection boiling)에서는 유체유동은 자유대류와 기포에 의하여 유도된 혼합뿐만 아니라 외적인 수단에 의하여도 유발된다. 비등은 또한 그것이 과냉(Subcooled)상태인가 또는 포화(Saturated)상태인가에 따라 분류되기도 한다. 과냉비등에서는 액체의 온도가 포화온도보다 낮으며, 표면에서 형성된 기포는 액체속에서 응축될 수 있다. 반면, 포화비등(Saturated boiling)에서는 액체온도가 포화온도보다 약간 높다. 고체표면에서 형성된 기포들은 부력에 의하여 액체를 통해 움직이고, 궁극적으로 자유표면(Free surface)으로부터 빠져나간다.
풀보일링(Pool Boiling) : 정체된 유체의 비등 현상으로 케틀타입의 리보일러에 응용 된다. Saturated, Subcooled Boiling으로 나눌 수 있다.
대류 보일링(Convection Boiling) : 유동하는 유체의 비등현상으로 써모사이폰 타입 의 리보일러에 응용된다.
Forced Covective, Free Convective Boiling
2) 풀비등(Pool boiling) 선도
열전달 계수와 온도차(벽 온도와 Bulk 유체의 온도차
Delta T_b
)를 연관한 일반적인 곡선의
형태에서 온도차 ( Delta T_b )는 비등을 합리적으로 잘 이해하는데 연관된 몇 개의 지표중에 하나이다. 그림 g는 현재 잘 알려진 Nukiyama의 실험에 의해 소개된 전형적인 비등 선도이다. 이 비등 선도의 형태는 System에서 열전달율을 논의하는데 기본이 되며 6개의 전열에 대한 주요 형태이고 유동형태는 Tube표면온도와 포화온도 차가 점점 커지는 것으로 설명될 수 있다. 다음은 온도차( Delta T_b )가 증가되면 다음의 현상들이 한 개의 Tube외부에서 관찰된다.
가) A - B 영역 : 자연대류 영역
어떤 Delta T_b 아래에서 Tube 표면에 유체는 핵을 만들만큼 충분히 과열되지 않아 기포가 생성되지 않으나 열은 순수한 자연대류로 전달된다. 이 영역에서 열전단 계수는 Delta T_b 의 ¼승에 비례한다.
나) B - C 영역 : 초기 비등 영역
이 영역은 약간의 기포가 발생되는 초기 비등 영역으로 전열은 단상의 자여대류와 핵 비등과의 합으로 이루어진다.
h_b = h_nc + h_nb
여기서
h_b " : 유효 비등 열전달 계수 " (Kcal / hr m^2 ℃)
다) C - D 영역 : 핵비등 영역이 영역의 열전달은 Delta T_b 의 함수로서 열전달에 가장 큰 영향을 주는 계수로, 발생되는 증기의 기포가 Tube 표면에서 떨어져 나가는 속도와 기포수등에 영향을 준다. 그 결과 핵비등의 열전달 계수(
h_nc
)는 1 보다 큰 지수승을 한
Delta T_b
에 비례한다.
라) D - E 영역 : 천이영역
저압이며 온도차(
Delta T_b
)가 22∼50℃일 경우 막비등이 시작된다. 온도차가 증가되면 열유속(Heat flux)도 증가하다가 최대점에서 감소하기 시작한다. 즉, 천이영역은 불안정한 핵비등과 불안정한 막비등으로 구성된다. 또
Delta T_b
가 증가하면 안정된 증기막이 상당기간 유지되므로 평균 열전달율은 감소한다.
마) E - F - G 영역 : 안정된 막비등 영역
어떤 온도차(
Delta T_b
)이상에서 액체는 Metal표면에 접촉되지 않는다. 즉, Tube는 핵 비등에서 보다 낮은 열전달 계수를 갖는 안정된 증기막으로 둘러 쌓여지기 때문이다. 열교환기는 때로 고정된 높은 온도의 유체로 인하여 막비등 영역에서 설계 하지만 가능하다면 열전달율이 좋은 핵비등 영역에서 설계되어야 한다.
바) 최대 열유속(Maximum heat flux)
핵비등의 상한 값인 최대 열유속 값이 비등장치의 설계에서 중요시 되지만 최대열유속은 물성치, 압력, 구조의 함수로 이루어 진다.
4.4.3 열교환기 Shell 측 Stream분석
Shell side로 유체가 지날 때 우리가 요구하는('B' Stream)유로로만 유체가 유동하는 것이 아니다. 유체의 유동을 유도하는 단면적이 좁으면 상대적으로 전열에 비효율적인 유로로 많이 흐르게 된다.
1947년 Tinker에 의해 Shell side의 성능을 좀더 정확하게 접근할 수 있는 이론이 제시되었다. 이 이론은 그림 a. 에서 정의한 5개의 Stream으로 분류하며 비효과적인 누수와 우회(Bypass), 그리고 효과가 있는 십자류(Cross flow)로 분리한다. 먼저 5개의 Stream을 정의하기 전에 각 Stream의 저항과 Sream간의 관계가 확립되어야 한다. 이러한 저항은 각 Stream에 대하여 아직까지 알려지지 않은 무변화의 함수라 할 수 있다.
'A' Stream : Tube와 Baffle간의 틈새로 유동하는 유체
'B' Stream : Tube와 Baffle을 횡단하여 유동하는 유체
'C' Stream : Tube와 Baffle과 Shell사이로 유동하는 유체
'E' Stream : Baffle 과 Shell간의 틈새로 유동하는 유체
'F' Stream : Tube Bundle중심부(Tube Passpartition혹은 U-Tube로 인하여 생긴 공간)로 유동하는 유체
가) 'B' Crossflow stream : 이 Stream은 연속적으로 Tube와 접촉하게 되며 Bundle사이로 통과한다. 압력손실도 크지만 열전달율도 크다. 이 Stream이 단위속도당 열전달에는 가장 효과적이다.
나) 'A' Tube-Baffle Leakage Stream : 이 Stream은 Bundle내에서 길이방향으로 유동한다. 주어진 속도에 대하여 직접 십자류로 흐르는 Stream만큼 효과적이지는 못하다. 그렇지만 항상 Tube와 접촉하며 흐르고 Tube와 Baffle간극에서 높은 유속을 내고 있기 때문에 Baffle-Shell누수나 우회류보다 효과적이다.
다) 'F' Pass Partition Flow Stream : 이 Stream은 Pass partition channel의 어느 한쪽과 접촉한다. 그러나 Channel폭은 전형적인 Tube간극보다는 넓어서 단위 속도당 열전달효과는 십자류보다 다소 떨어지나 거의 'A' Stream수준 과정이다.
라) 'C' Bypass Stream : Bypass stream의 효과는 Bypass간극과 Seal strip수와 깊은 관계를 가지고 있다. 매우 넓은 Bypass channel간극에서 Seal strip을 사용하여 강제로 Tube와 접촉할 수도 있다.
마) 'E' Crossflow steam : 이 Stream은 전열에 가장 비효과적이며, 대부분의 압력손실은 거의 전열효과를 얻지 못하는 압력손실이 된다. 이 Stream은 Shell에 밀접하게 흐르기 때문에 Tube와 접촉이 작다. 그래서 유일한 수단으로 난류화를 추진시켜 'C' Stream과 혼합하게 한다 그러나 난류인 경우는 전열효과는 거의 볼수가 없다.
4.4.4 진동
1) 열교환기에서 발생되는 진동과 역학적 파괴현상
일반적으로 열교환기에서 발생되는 진동은 다음과 같다. Shell side에서 유동에 의해 여기된 진동, Tube side 유동에 의해 여기된 진동, Shell side와 Tube side유량에 서의 요동(Osillation)또는 맥동(Pulsation), 외부적으로 발생된 진동의 전달이 있으나 Shell side 유동에 의해 발생된 진동이 가장크고, 열교환기를 파괴하는 주 요인이 된다. 큰 진폭과 함계 오랜시간 단속되는 Tube의 진동은 역학적 파괴를 일으켜서 결국 누출이 생기게 된다. 이러한 Tube의 역학적 파괴는 아래와 같이 몇가지 Mechanism에 의해 생긴다.
가) 충돌파괴 - 진동폭이 클 때 인접한 Tube간의 계속적인 충돌 또는 Shell과 Tube와의 충돌(Collision damage)로 Tube벽이 얇게 달아 궁극적으로 쪼개져서 Tube간 충돌이 있으면 한가운데 다이아몬드 형상이 나타난다.
나) Baffle에 의한 손상 - Baffle의 Tube hole은 Tube보다 1/64" ∼1/32"정도커서 Tube는 운동이 자류롭다. 그러므로 Baffle이 얇고 Tube재질보다 강한 재질일 때, 진동하는 Tube가 Baffle에 의해 절단되는 형상 또는 Baffle의 손상
다) Fatigue - 응력이 크고 장시간 진동이 연속된다면 Tube의 반복되는 굽힘에 의해 재질성분이 변형되어 생기는 피로(Farigue)에 의한 Tube 손상 또는 Tube 마멸현상(Fretting)으로 부식과 Erosion을 촉진시킬 수도 있고 실제로 Tube를 부러지게 하여 조각을 내는 결과가 된다.
라) Tube joint - Tube와 Tube sheet 접합부에서 생기는 손상으로 진동은 확관된것을 벌어지게 하고 Tube sheet내에 Grooves가 끊어지게 한다.
2) Flow Induced Vibration현상
계에서 제시된 진동은 탄성 구조물과 함께 몇가지 여기력(Exiting Force)에 의한 우력(Coupling force)를 내포하고 있다. Flow Induced Vibration의 경우 여기력은 보통 Shell side유체의 유동으로부터 생기며 탄성계는 Tube Bundle이 된다. 이 여기력은 유량이 증가함에 따라 연속적으로 증가되는 특성 진동수(Charateristic frequency)에서 파동하나 Tube의 고유진동수라 부르는 특별한 응답 진동수 및 Tube진동 결과와 상응할 때 생긴다. 유동으로 여기된 Mechanism과 두 범주 즉, Tube에 평행한 평행유동에 의해 여기된 Mechanism과 Tube에 수직한 십자류(Cross flow)에 의해 여기된 Mechanism으로 다시 구분할 수 있다. 그러나 이들 평행유동은 진폭이 작던지, 속도가 크기 때문에 열교환기에서는 거의 문제가 되지 않는다. 그러나 십자류 유동은 일반적인 열교환기 Shell side속도에서 상당히 큰 진폭을 여기 시킬수 있다. 이 십자류 유동에 의해 관찰된 유동으로는 주기성을 가진 유동분리(Flow Separation)에 따라 생기는 Vortex shedding과 Random특성을 가진 난류와 결합된 Turbulent buffeting 및 Fluidelastic whirling가 있다.
가) 고유진동수
진동의 방지를 위하여 고유진동수는 높은 것이 좋다. 고유진동수는 다음과 같이 표현된다.
f_n = 0.04944 C_n sqrt { {E I g_c} over {W_a L^4} }
여기서,
f_n " : Straight tube의 고유진동수"(Hz)
C_n " : 무차원 진동상수"
E " : Modulus of Elasticity "(kg/m^2 )
I " : Sectional moment of interia "(m^4 ) " "=pi (D_0^4 -D_i^4 ) /64
L " : Tube span의 길이 "(m)
W_a " : 단위 길이당 유효하중 "(kg/m^2 ) " "=W_n + W_t + W_s
W_n " : 단위길이당 Tube 하중 "(kg/m)
W_t " : 단위길이당 Tube 내부의 유체 하중 "(kg/m)
W_s " : 단위길이당 Tube에 의해 대체된 Shell side유체의 하중 "
= k rho ( pi / 4 ) D_0^2" "(kg/m)
나) Vortex Shedding (V.S)
Tube를 가로질러 흐르는 십자류 유동은 위의 그림에서와 같이 Tube의 양쪽 경계면으로부터 교대로 유동이 분리될 때 형성되는 하류(Down stream)Wake의해 일련의 Vortex를 형성한다. 이 반복되는 V.S는 유동속도가 증가함에 따라 더욱 빈번히 발생하여 반복적인 힘을 발생시킨다. 이V.S는 본질상 유체의 Mechanism으로써 Tube의 움직임에는 무관하고 주어진 Tube배열과 크기에 대해서만 변하면, 속도가 증가함에 따라 V.S진동수는 증가한다. V.S진동수는 Tube의 고유진동수 및 진동결과와 일치할 때 여기진동수일 수 있으며, Tube사이의 유동면적은 Tube의 움직임에 따라 진동수와 일치하며 맥동 또는 수축되고, 이것이 교대로 V.S진동수를 조절하는 유동속도를 바뀌게 한다. Tube는 오직 특별한 진동수에만 진동하기 때문에 V.S진동수는 고유진동수와 함계 Lock in 될 수 있다.
다) Turbulent Buffeting(T.B)
Turbulent Buffeting은 극단적인 Shell side 난류유동에 기인해 작용하는 맥동(Fluctuating force)이 Tube를 타격하는 현상으로 십자류 속도가 증가함에 따라 증가하는 중심 지배적 진동수(Central dominant frequency)주위에 넓게 포함된 진동수 Spectrum을가진다. 진동수 Spectrum이 나타났을 때 Tube는 그들의 고유 진동수 혹은 가까이에서 선택적으로 에너지가 추출된다고 알려져 있다. 그래서 T.B에서 지배적인 진동수가 고유 진동수와 일치되었을 때 에너지의 전달이 상당한 진폭을 유도할 수 있다.
라) Fluidelastic Whirling(F.W)
Fluidelastic whirling은 궤도운동(Orbital movement)을 하며 진동하는 Tube에 의해 입증된 현상을 기술하는 것으로, 고유 진동수에서 Tube 들이 장력과 항력 단변위(Lift and drag displacement)의 조합을 일으키는 십자류 유동에 의해 생성된다. 전형적으로 일단 F.W가 생기면, 이것은 Tube에 공급된 에너지가 감리(Damping)에 의해 소산(Dissipartion)될수 있는 에너지를 초과하는 경우 궤도를 이탈하게 된다. 이러한 F.W가 생길 수 있는 임계 십자류 유동속도를 예측하는 방법은 Tube의 고유 진동수, Tube의 layout 및 계의 감리특성에 의존한다.
지금까지, 간략하게 언급한 V.S, T.B 및 F.W는 각기 독립적으로 존재하지 않고 서로 결합되어 유동력을 증폭 또는 감폭할 것으로 예측되고 있으나 아직 명확히 알려져 있지 않다.
3) 진동방지 설계
열교환기에서 진동예측을 위한 다음과 같은 설계지침이 제시되어 있다. 먼저 액체에 대해 Reynolds수는 아마도 300∼50,000구간에 있다. 이때는 V.S Mechanism이 가장 지배적일 것으로 가정하는 것이 합당하다. 만약 속도두가 높다면 (
P_s V_c^2 / 9266 > 0.5 kg/cm^2
), 유동방향의 힘이 Tube를 손상시키기에 충분할 것이다. 이런 조건하에서 설계는 십자류 V.S Mechnism를 적용해야 한다.
액체나 기체에 대해서 만약 Reynolds수가 300,000이하일때는 액체에서와 똑같은 지침을 따라야 한다. 그러나 Reynolds수가 300,000보다 더 크면 설계는 F.W Mechanism을 적용해야 한다. 만약 Pitch율이 1.5보다 크면, T.B Mechanism을 설계에 적용시켜야 한다.
위에서 제시한 설계지침은 여러 문헌과 경험으로부터 얻어진 정보에 기반을 두었으나 어떠한 보증도 될 수는 없다. 또한 진동이 일어난다고 해서 Tube에 손상이 항상 생긴다고 할 수는 없다. 많은 열교환기들이 진동을 일으키나 Tube의 파괴는 일으키지 않는다. Tube의 손상은 피로, Tube와 Tube간의 충돌 및 Baffle에 의한 절단으로부터 생긴다고 알려져 있다.
4) 진동이 예상되는 열교환기의 설계시방
진동분석결과 진동이 예상되면 설계요소는 진동관점에서 제고될 수 있다. 보통 Shell side에 기체가 흐르고 낮은 허용압력을 가진 거대한 열교환기에서 진동문제가 크게 예상된다. 이와 같이 진동이 예상되는 열교환기를 설계할 때 다음과 같은 설계
시방이 추천된다.
가) 유동형태를 예측할 수 있도록 Shell side를 설계한다. 35%보다 크던지, 15%보다 작은 Baffle Cut는 두 조건 모두 좋지 않은 속도분포를 제공하므로 피한다.
나) Pass lane을 통과하는 Bypass는 물론 Tube들과 Shell사이에 어떤 Bypass유동로도 차단한다. 즉, 이들 구역에서 높은 국부속도가 생겨 국소손상을 야기시킬 수 있다. 때때로 평행유동 Baffle들 (Window Baffle과 Triple Segmental Baffle로도 불리워짐)을 사용하는 것이 가능하다. 이것은 Tube에 근본적으로 평행한 유동을 제공하며, 속도는 더 낮아지고 낮은 십자류 유동 속도성분은 낮은V.S진동수를 만들 것이다.
다) 다만 문제되는 속도가 입구 또는 출구 Nozzle근처에 있을 경우에 이 속도가 하류쪽의 더 유연한 Span에 손상을 입힐 수 있는가 하는 의문이 생긴다. 그러나 이 국소구역에 대한 진동기준을 맞추기 위해 전체 설계를 변형하는 것은 비용이 많이 든다. 이러한 경우 아래 셋방법 중 하나로 좋은 결과가 얻어진다.
- Nozzle속도 감속장치(Velocity Reducing Device)를 설치한다. Impingement Plate와 함께 설치된 표준 Pipe Reducer라면 충분하나 더욱 심한 경우에는 분포 Belt(Distribute Belts)가 요구된다.
- Nozzle밑에 직접 Tube를 지지하는 Baffle을 설치한다. 이것은 Nozzle 에 여기력을놓고 다른 Span에서 발생할 수 있는 진동진폭을 상당히 절감시킨다.
- Tube를 Nozzle근처에 있는 첫 번째 Baffle에 압연시킨다. 이러한 압연은부분적 으로 Tube의 나머지 부분으로부터 여기력을 고립시키고 진동진폭을 작게한다.
위에서 언급한 3가지 설계시방중 Nozzle속도 감속장치가 가장 바람직하다.
라) Shell side유체의 속도가 높을때는 Pitch를 증가시키던지 TEMA의 'X', 'J'Shell을 사용함으로서 속도를 줄일 수 있다. 이것은 압력손실의 제한으로 설계에 문제가 될 때 바람직하나, 더 큰 Shell의 직경이 요구될 수 있다.
마) 음향진동이 문제가 될 때는 특성길이(Shell의 직경)를 줄이기 위하여 Detuning baffle을 사용하면 쉽게 해결할 수도 있다.
바) 매우 두꺼운 Baffle은 Tube가 Baffle에 의해 절단되는 것을 줄이고 계(System)의 Damping을 증가시킨다. 그러나 Baffle hole이 매우 밀착된 공차로 정밀 가공되지 않으면 고유 진동수는 Baffle hole이 두꺼워 져도 증가하지 않는다. 이러한 기게이 가공은 비용이 많이 들고 정밀 가공된 hole은 결합을 어렵게 만든다.
사) Tube의 고유 진동수가 낮을 때 고유 진동수를 증가시키는 가장 효과적인 방법은 가장 Unsupported span길이를 줄이는 것이다. Span길이를 80%로 줄일 때 고유 진동수는 50%이상 증가한다. 또한 Tube의 고유 진동수는 Tube의 운동을 방지하기 위하여 Tube사이에 쐐기로 고정시킨다던가, Tube들을 묶음으로써 증가 될 수 있다. 이 방법은 U-Tube bend구역에서의 진동을 제어하는데 특히 유용하다. 이상의 설계시방에 추가하여 진동의 손상에 가장 잘 견딜 수 있는 열교환기의 설계는 Baffle Cut부에 Tube가없는 Segmental baffle형태로 이러한 설계는 두가지의 잇점이 있다. 첫째는 가장 문제가 되는 Tube들(즉, 하나씩 건너 뛰어서 Baffle에 지지되는 Tube들)이 제거되고, 둘째는 중간지지대가 Segmental baffle사이에 놓일 수 있다. 따라서 설계자는 여기 진동수 보다 높게 고유 진동수를 증가시키기 위해 필요한 만큼 이들 지지대를 설치해야 한다. 또한 이 설계화 함께 입구에서 Nozzle속도 감속장치가 필요하다.
