S & T 열교환기 종류

 

금번은 열교환기 중에서 대표적으로 사용하고 있는 S & T 열교환기 종류에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

원통다관식 (Shell & Tube Type)열교환기의 종류

 

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.

 

열교환기에 대한 TEMA 분류

 

다음은 TEMA에 의한 열교환기의 분류표이다.

 

<그림 1> TEMA - Type designations for Shell & Tube Heat Exchangers 

 

 

- “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.

- “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.

- “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.

- “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.

- “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 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.

 

 

 

 

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 적합하여 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.

<그림 2> Floating Head Type

 

 

 

 

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.

 

<그림 3> Fixed Tube Sheet

 

 

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.

 

<그림 4> U - Tube Type

 

 

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.

 

 

<그림 5> Kettle Type