다관원통형 (Shell & Tube Type) 열교환기의 종류

1. 다관원통형 (Shell & Tube Type) 열교환기의 종류

다관원통형 열교환기는 크기에 비해 열전달 성능이 다소 낮지만, 고온, 고압의 사용환경에서 신뢰도가 높고 대량의 유체를 취급할 수 있는 등의 많은 장점이 있어 특히 화공 플랜트용 열교환기로는 아직까지 가장 많이 사용되고 있다.

다관원통형 열교환기의 종류와 구조, 설계, 제작, 설치, 운전 및 보수에 이르기까지 거의 모든 범위에 걸쳐 TEMA(Tubular Exchanger Manufacturer Association) 표준에 자세히 설명되어 있으며 플랜트용 열교환기의 표준우로이용되고있다. TEMA는 다관식 열교환기 제작자들의 모임으로 1968년부터 자신들의 표준규격(TEMA Standard)을 발표하고 있다.

아래는 TEMA 표준에 따른 다관원통형 열교환기의 분류표이다.

< TEMA - Type designations for Shell & Tube Heat Exchangers >

다관원통형 열교환기의 형식은 Front Head / Shell / Rear Head의 형식 중에서 각각 하나씩 기호를 딴 3자리의 기호로 표시한다.

그리고 열교환기의 크기는 Shell의 내경과 Tube 길이로써 표현한다.

예) TEMA Type: Horizontal – AES

HE Size: 1200 x 6000 mm

아래는 대표적인 다관원통형 열교환기의 종류와 구성품에 대한 설명이다.

1) 유동두형 열교환기 (Floating Head Type)

여러 개의 전열관(tube)과 방해판(baffle)을 두 개의 관판(tube sheet)에 짜넣은 상태를 관 다발(tube bundle)이라고 하며, 한쪽 관판은 동체(shell)의 한쪽에 플랜지로 고정시키고(고정식 관판) 다른쪽 관판은 동체에 아무런 구속도 받지않는 구조(유동식 관판)로 되어있으므로 사용 온도에 따라 발생하는 동체 및 전열관의 열팽창에 대응할 수 있는 구조이다. 또한 tube bundle을 밖으로 빼내어 청소 및 점검이 가능하다.

이 형식의 특징은 다음과 같다.

㉮ 전열관 내외부 모두 청소가 가능하므로 오염이 생기기 쉬운 유체에도 적합하다.

㉯ 전열관과 동체가 서로 다르게 열팽창될 수 있으므로 두 유체의 온도차가 큰 경우에도 사용이 가능하다.

㉰ 어느 형식보다도 다양한 운전조건에 대응할 수 있는 구조이며 가장 융통성이 크다. 그러나 이에 따라 구조가 복잡하므로 제작비가 비싼 단점이 있다.

2) 고정관판형 열교환기 (Fixed Tube Sheet Type)

관판을 동체의 양측에 용접등의 방법으로 고정시킨 구조의 열교환기이다.

동체측 유체와 관측 유체의 온도차에 의해 전열관과 동체는 열팽창 길이의 차이가 생기고 그 때문에 발생한 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.

㉮ 구조가 간단하지만 동체측의 청소가 불가능하다.

㉯ 동체측 유체의 오염이 적고 발생 열팽창의 차아가 작을 때에는 최적의 구조이다.

㉰ 종형의 관식 반응기로서 용도가 넓다.

3) U자 관형 열교환기 (U Tube Type)

U자형의 전열관을 사용한 것이며 전열관은 동체와는 관계없이 유체의 온도에 따른 열팽창에 자유로우며, 또 tube bundle을 그대로 빼내서 청소 및 점검이 가능한 구조이다. 그러나 유동두형과 달리 U자관 내부의 청소가 곤란하다.

U자 관형의 특징은 다음과 같다.

㉮ 열팽창에 대해 자유롭다.

㉯ Tube bundle을 빼낼수가 있으므로 관 외면의 청소도 쉽게 할 수 있다.

㉰ Tube측 고압유체에 적합하다. Tube의 구경이 작으므로 고압 유체를 관내로 흘리면 열교환기의 중량을 경감시킬 수가 있다.

㉱ 구조가 간단하여 제작이 비교적 간단하다.

4) 케틀형 열교환기 (Kettle Type)

증기발생 전용 열교환기이다. 동체의 상부에 별도의 증기실이 있다. Tube bundle 후단에 일정한 액면의 높이를 유지하는 weir를 설치하는 경우도 있다.

특징은 다음과 같다.

㉮ 폐열보일러로서는 가장 구조가 간단하다.

㉯ Tube bundle은 유동두식, U자관 식으로 할 수가 있으므로 오염되기 쉬운 유체와 압력이 높은 유체에도 적용할 수 있다.