다관원통형 (Shell & Tube Type) 열교환기의 구조 (1)

1. 원통다관형 열교환기의 구조

1) Shell 구조 (앞페이지 TEMA Type열교환기 참조)

㉮ E”shell은 가장 일반적인 shell 형태로써 전열효과도 크기 때문에 가장 널리 이용되고 있는 형태이다. 그러나 압력손실이 다소 크기 때문에 응축기로 사용하면 응축물이나 비응축가스가 누적될 수 있으므로 방해판이나 노즐설계시 주의해야 한다.

 

㉯ “F” shell은 shell side에 Longitudinal baffle이 있어 실제는 shell이 2 pass 로 흐르는 형태로써, 주로 고온유체의 출구온도 보다 저온유체의 출구온도가 더 높은[온도가 Overlap(Cross)되었다고 함.] 경우에 사용한다. 즉, counter flow 형식을 만들고, 열전달 길이를 실질적으로 길게 해주는 효과가 있다. 두 유체의 온도가 overlap되면, counter flow)로 흐르는 1-1 Pass의 경우(double pipe)는 별 문제가 없지만 muliti pass인 경우는 열교환기 내에서 parallel flow가 존재하므로 LMTD 보정계수(F)가 0.75～0.8까지 떨어지게 된다. 이 경우는 shell 수를 증가시켜 series로 설계하여 온도 overlap을 없애거나, “F”shell을 적용하여 병류를 없애고 향류와 십자류만 존재하게 설계한다.

 

㉰ G”와 “H”shell은 Longitudinal baffle이 있는 split flow type이라고 부르며 “E” shell에 비해 shell측 유체는 분리되어 흐르게 되는어 압력손실이 낮아진다. 주로 Horizontal thermosiphon reboiler에 사용되는 Shell형태이지만, 때로 헌열(Sensible)열교환기에도 사용된다.

 

㉱ “J”shell은 shell side유량을 두 개의 Nozzle로 나누어 유동시키는 divided flow이기 때문에 허용 압력손실이 작은 열교환기에 적합하다. 주로 상태변화로 인해 입출구의 체적유량이 크게 변하는 경우에 적합하다.

Shell side상부에서 증기가 들어와 응축되는 경우, 2개의 Nozzle로 들어와 응축액은 1개의 Nozzle로 나가는 2J1-Shell을 사용하며, 반대로 하부에서 액체가 들어와 비등하는 경우는 1J2-Shell을 사용한다.

 

㉲ “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.

 

㉳ “X” Shell은 십자류(Cross flow)만 존재하기 때문에 전열효과는 다소 낮지만, 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 이 형태는 압력손실이 낮기 때문에 진공(Vacuum) 상태에서 운전하는 경우에 가장 널리 사용되고 있다. 그러나 낮은 유체속도로 인하여 비응축 가스가 축척되는 경우가 있으므로 비응축가스가 있는 Partial 응축의 경우 좋은 선택이 못되며, 입구증기의 분배문제 때문에 Tube길이는 Shell직경의 5배를 넘지 않도록 설계한다.

 

2) Shell Side의 열전달

Shell side는 구조에 따라 전열효과가 크게 변하는데, “E” Shell을 기준으로 설명하면 tube를 가로질러 유체가 흐를 때는 십자류(cross flow)가 형성되고, baffle이 잘린 부위(window)를 흐를 때는 tube와 평행하게 흐르는 평행류(Window flow또는, Longitudinal flow)가 형성된다. Shell side는 구조적으로 복잡하기 때문에 열전달 계수의 함수인 Reynolds number를 크게 할수 있으므로 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 복잡하므로 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.