열교환기의 개요와 구분 기준

열교환기는 플랜트 산업에서 가장 흔하게 볼 수 있는 Stationary equipment 의 하나로 공정및 기기에서 특정 유체의 열전달을 목적으로 제작된 장치를 총칭하는 단어 입니다. 열교환기의 주요 형식에는 어떠한 것들이 있을까요?

- Shell & Tube type Heat exchanger

- Plate type heat exchanger

- Air-cooled heat exchanger

<Shell & Tube Heat exchanger - 출처 위키미디어>

 

<Air Cooled Heat Exchanger - 출처 Bing 상업적으로 무료 사용 및 공유>

 

<Plate type heat exchanger - 출처 Bing 상업적으로 무료 사용 및 공유>

앞선 사진과 그림을 통해 열교환기의 형식을 확인할 수 있습니다. 간략히 특징과 장단점을 살펴보면 Shell & Tube 는 책으로 치면 밀리언셀러 입니다. 열교환기 하면 Shell & Tube type heat exchanger 를 가장 먼저 떠올리게 됩니다. 거의 모든 플랜트 산업에 쓰인다고 보면 될 가장 보편화 되어 있는 열교환기 형식의 하나입니다. Air cooled condenser 는 Cold source (냉각매개체)를 공기를 사용한다는 방식에서 다른 두 가지 형식과는 차이점을 갖고 있습니다. 특징적으로 볼 수 있는 것은 공기를 사용한다는 점으로 인해 냉각 Source로 물을 사용하기 어려운 내륙지방이나 열 낙차가 크지 않은 곳에 사용합니다. 대기 온도에 따라 성능 (Performance) 에 차이가 있습니다. 판형 열교환기는 상대적으로 가격이 저렴하고 크기가 작고 여러 이점을 갖고 있으나 뻘이나 진흙 같은 무기물이 포함되어 있는 유체를 Cold source로 사용하는 공정에서 막히는 현상이 발생할 수 있고 이로 인해 전열면적의 저하로 인해 Maintance period (정비주기) 가 짧고 소모품을 항시 보유하고 있어야 하는 단점이 있습니다.

열교환기의 주요 Code & Standard

열교환기를 대표하는 Code & Standards 는 무엇일까요? 바로 테마(TEMA) 코드입니다.

- TEMA-Tubular Exchanger Manufacturer Association

열교환기를 입문하는 분이라면 반드시 거쳐가야 하는 코스 입니다. 테마 코드는 크게 3가지 Class 로 나뉩니다.

• TEMA Class R - Refinery Severe service environments 
• TEMA Class C - Generally moderate service environments 
• TEMA Class B - Chemical process industry

Class를 세 단어로 구분하면 엄격한, 일반적인, 화학공정 으로 나뉠 수 있습니다. 예를 들어서 화학공장에서는 TEMA Class B 가 적용되는 것이지요. Class 별 특징적인 차이점은 Corrosion allowance, Shell Thickness, Bolt size 등이 다릅니다. R 클래스의 경우 부식 허용률이 1/8 inch 인 반면에 C,B 클래스는 1/16inch 를 기준으로 하고 있습니다. (Carbon steel 의 경우) 이러한 내용을 기초적으로 업무에 참조하시면 될 것 같고요. TEMA 외에도 HEI (Heat Exchanger Institute)란 Code 가 있습니다. 이는 주로 발전분야에서 플랜트 프로젝트에서 사용되며 프로젝트의 열교환 장치 기본 스펙으로 적용하는 곳이 많습니다. TEMA 에서 다루지 못하는 기술적인 부분, Condenser나 Air Cooled Heat exchanger 에 대한 Performance 에 대한 설계 기준을 기술하고 있습니다. 열교환기를 공부하고 싶거나 현업에서 열교환기 설계 직무를 막 시작했거나 열교환기에 대해서 궁금하면 무엇? TEMA Code 가 시작점 이라는 것 기억해야 합니다. 여기까지가 열교환기에 대한 개요였습니다.




열교환기 구분 기준

플랜트 현업에서 자주 사용되는 장치류들 중에 열교환기 관련 장치를 구분하는 호칭들이 많습니다. Condenser(콘덴서), Cooler(쿨러), Chiller(칠러-냉각기), Evaporator (증발기), Reboiler (리보일러), Steam Generator(증기발생기) 어디선가 한번쯤은 들어본 장치류 일수 있습니다. 이러한 장치류를 분류하고 호칭하는 기준은 무엇일까요? 다 똑같은 열교환기 아닌가요? 이에 대한 해답을 찾기 위해서는 열교환기의 주요 기능을 살펴볼 필요가 있습니다. 주요 기능 몇가지를 정리하면 다음과 같습니다.

 

<열교환기 주요 기능-장치 분류>

 

기능이 결국에는 호칭이고 열교환기의 주요 기능을 뜻합는 것이지요.

• 컨덴서 - Condenser : 한글로는 응축기라고 호칭합니다. 특정 유체를 응축하기 위한 공정에서 사용하는데 대표적으로 발전소에서 발전기를 통과한 스팀을 응축시킬 때 사용하는 Surface condenser 를 예로 들 수 있습니다. 엄청난 양의 스팀을 차가운 유체가 갖고 있는 온도에 의해서 체적 변화를 통해 회수 합니다. 

 

• 냉각기 - Chiller : 열교환 Source 로 냉매를 사용해서 유체의 온도를 낮추는 기능을 갖고 있습니다. 구성 및 목적에 따라 냉매를 공급하기 위한 Compressor 와 Condenser, 증발기, 압축기 등이 시스템의 한 부분으로 포함될 수 있습니다. 아래 링크되어 있는 영상에 자세하게 설명 되어 있습니다. Chilled water(냉수) 가 필요한 공정이나 기기에 사용하기 위한 설비 입니다. 

 

• 리보일러 - Reboiler : 리보일러에 대한 설명은 "홈에서 검색 - P&ID 해독하기 Kettle Reboiler"를 참조 해주세요. 
• 스팀 발생기 - Steam Generator : 물의 끓는 점을 이용해서 스팀을 발생.

이러한 주요 기능 외 히터, 증발기 또한 열교환기의 주요 기능안에 포함되어 있습니다. 이들은 각기 다른 개별 장치류로 구분하지만 그에 앞서 열교환기라는 범주안에 주요 기능으로 분류된다는 점 기억하시기 바랍니다.

열교환기 파트 명칭

<열교환기 형식 구분 - 출처 위키미디어>

 

<열교환기 파트 - 출처 ayoqq>

열교환기 파트별 명칭 <그림 열교환기 파트 기준>

1. Stationary Head-Channel
2. Stationary Head-Bonnet
3. Stationary Head Flange-Channel or Bonnet
4. Channel Cover
5. Stationary Head Nozzle
6. Stationary Tubesheet
7. Tubes
8. Shell
9. Shell cover
10. Shell flange-Stationary Head End
11. Shell Flange-Rear Head End
12. Shell Nozzle
13. Shell Cover flange
14. Expansion Joint
15. Floating Tubesheet
16. Floating Head Cover
17. Floating Head Cover Flange
18. Floating Head Backing Device
19. Split Shear Ring
20. Slip-on Backing Flange
21. Floating Head Cover-External
22. Floating Tubesheet Skirt
23. Packing Box
24. Packing
25. Packing Gland
26. Lantern Ring
27. Tie-rods and Spacers
28. Transverse Baffles or Support Plates
29. Impingement Plate
30. Longitudinal Baffle
31. Pass Partition
32. Vent Connection
33. Drain Connection
34. Instrument Connection
35. Support Saddle
36. Lifting Lug
37. Support Bracket
38. Weir
39. Liquid Level Connection

Heat Exchanger Engineering Rules

1. 열교환기 방정식의 경우, Q = UAF(LMTD)는 LMTD 보정 계수에 대한 차트를 사용할 수 없을 때 F = 0.9를 사용한다.

2. 가장 일반적으로 사용되는 튜브는 길이가 16 ft(4.9 m)인 삼각형 간격 1에서 외경 3/4 인치(1.9 cm)이다.

3. 1 ft(30 cm) 쉘은 약 100 ft2(9.3 m2)를 함유한다.
     2 ft(60 cm) 쉘은 약 400 ft2(37.2 m2)를 포함함
     3 ft(90 cm) 쉘은 약 1100 ft2(102 m2)를 함유한다.

4. 관내 대표적인 속도는 액체의 경우 3-10ft/s(1-3m/s)이고 가스의 경우 30-100ft/s(9-30m/s)여야 한다.

5. 부식, 파울링, 스케일링 또는 고압 상태에서 흐르는 흐름은 대개 튜브에 위치한다.

6. 압력강하는 기화시 약 1.5psi(0.1bar), 기타 서비스의 경우 3-10psi(0.2-0.68bar)

7. 쉘 및 튜브 교환기의 최소 접근 온도는 유체의 경우 약 20 0F(10 0C), 냉매의 경우 약 10 0F(5 0C)이다.

8. 냉각탑 물은 일반적으로 최대 온도 90 0F(30 0C)에서 사용 가능하며, 115 0F(45 0C) 이하의 주탑으로 돌려보내야 한다.

9. 이중관 열교환기는 100 - 200 ft2(9.3-18.6 m2) 범위의 경우 적합할 수 있다.


Inside Insight 였습니다.

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