판형 열교환기 단점 - panhyeong yeolgyohwangi danjeom

4. 열교환기

서로 온도가 다르고, 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하는 장치를 열교환기라 하며, 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수 등에 널리 이용된다.

열교환기의 종류

1.1 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.

그림 a. 단일셀 통로와 단일관 통로를 가진 셀-앤드-튜브 열교환기

         (직교유동-대향유동 조작 양식)

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 20

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 증가시키기

위해 전열관 외면에 핀(fin)을 부착시킨것도 있다.

그림 b. 동심 열교환기. (a)평행유동, (b)대향유동.

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

청결을 유지할 필요가 있는경우에 사용되며 아래와 같은 경우에는

적절하지 못하다.

        - 0.5mm이상의 고체 입자를 함유한 액체

        - 열전달 면적이 2500

        - 25

        - 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.

       (a) Forced Type                            (b) Induced Type

​

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

​

a) 소용돌이형 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.

b) 코일형 열교환기

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.

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 적합하여 사용범위가 넓다.

나) 전열관이나 동체가 서로각기 열팽창될 수 있으므로 온도차가 큰 경우에도 사용할 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.

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

a) Floating Head Type

b) Fixed Tube Sheet

c) U - Tube Type

d) Kettle Type

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 중량을 경감시킬수가 있다.

라) 구조가 간단하여 관판이나 동체측플랜지가 적어도 되므로 제작이 비교적 간단하다.

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.