Shell and tube 열교환기 - 개념, Fouling(파울링)확인, 성능확인, LMTD와 CLMTD의 계산, U값(총괄열전달계수)

이번 포스팅은 저번 판형 열교환기 포스팅에 이어서 Shell and Tube 열교환기의 개념과 파울링 확인(성능확인), 총괄 열전달 계수 계산 시 LMTD와 보정된 CLMTD를 산출하는 공식 등 세세하고 알기 쉽게 알아보겠습니다.

 

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1. Shell and Tube Heat Exchanger개념 및 종류

우선 Shell And Tube열교환기는 석유정제, 석유화학, 무기화합물 제조공정, 시멘트, 자동차 제조공정 등 산업 전반에 가장 많이 사용되고 있는 열교환기로, 온도와 압력에 크게 영향을 받지 않으며 재료의 허용 온/압 범위 내에서 가열, 증발, 냉각, 응축 등의 모든 용도에 적합한 열교환기입니다. 다른 용어로는 원통 다관형이라고 부르는데 일반적으로는 쉘 앤 튜브라고 많이들 합니다.

 

▶열교환기 종류

• Kettle Type Heat Exchanger : Shell Side에서 Boiling이 일어나는 경우 주로 사용하며 주로 Reboiler에 사용됩니다. Bundle부분은 U-Type Tube, Fixed Type 등이 있으며 Shell Side 위쪽으로 증기 구역이 있습니다. 이 구역은 보통 Bundle직경의 1.5~2.0배 크기로 설정합니다. 고순도의 증기를 얻기 위해서는 Demister 또는 옆쪽에 별도의 Separater용으로 작은 Kettle Type 열교환기를 추가로 설치하기도 합니다.

Kettle Type Heat Exchanger

• Fixed Tube Sheet Type :  Shell And Tube 열교환기 중에서 가장 간단하고 저렴한 반면 Shell Side의 청소가 어려운 단점이 있습니다. 때문에 오염이 심하거나 중합이 쉬운 유체, 부식성이 있는 유체는 Shell Side에 사용해서는 안됩니다. 저온 Reboiler나 공정 용수 Sample시 Cooler 등으로 사용됩니다.

Fixed Tube Sheet Type Heat Exchanger

• Floating Head Type : Fixed Tube Type의 경우 열팽창 문제와 Shell Side Cleaning 이 불가능하다. 이 경우 U-Type Tube를 사용하게 되는데 Floating Cover가 없을 경우 U자로 휘어진 Tube부분에 Cleaning이 어렵다. 때문에 Floating Head Type 열교환기를 사용하게 되는데, 구조를 보면 알 수 있듯이 Bundle분해가 가능하여 Shell Side 청소가 가능하며 Tube Side 또한 Water Jet으로 청소가 용이하다. 다만, 가격이 타 열교환기에 비해 20%가량 비싸다.

Floating Head Type Heat Exchanger

• 이중관형 : 이것 역시 Shell And Tube라고 할 수 있겠으나, 공정 유체 Sampling전 예열을 위한 열교환기 또는 Heat duty가 낮을 경우 사용하며 필자의 경우에는 거의 공정유체 pH 측정을 위한 Cooling 용이나 예열용으로 사용되는 것을 많이 보았다.

이중관형 열교환기 예

• 그 외 플랜트용 Shell And Tube 열교환기는 TEMA(Tubular Exchanger Manufacturers Association Standard) 표준을 따라 분류되고 제작됩니다. 관련 표준 및 분류는 TEMA 공식 사이트(tema.org)에서 확인하실 수 있으나, 유료이므로 아래 무료로 간략하게 TEMA표준을 설명한 사이트를 링크 걸어 두었으니 참고하시기 바랍니다. (영문)
• https://www.iqsdirectory.com

OEM Manufacturers | OEM Manufacturing Companies | IQS Directory

TEMA Standard

2. 성능 확인, 총괄 열전달계수 계산을 위한 LMTD, CLMTD계산방법

화공 엔지니어 분들은 종종 열교환기의 Data Sheet의 유체 온도와 실제 온도에 차이가 있어 문제를 해결하고자 U값(총괄열전달계수)를 계산하는 경우가 많을 겁니다.

 

먼저 총괄 열전달 계수를 계산하기 위해서는

• Tube Side 나 Shell Side 중 유량, 온도 측정이 가능한 부분의 열량을 먼저 구합니다.
• 열량이 구해지면 Q = U값 * 총 전열면적 * LMTD(또는 CLMTD) 공식을 이용하여 U값을 계산합니다. 
• CLMTD는 보통 사용하는 LMTD(Log mean temperature difference)에 Shell Pass 개수까지 고려한 보정된 LMTD로 정확도가 더 높다고 보시면 됩니다.
• 아래 그림은 CLMTD계산 공식이며, 아래쪽에 In/Out유체의 정보와 Data Sheet상 정보를 입력하여 쉽게 U값을 구하는 파일을 첨부하였으니 일부 수정하셔서 사용하셔도 되고, 그대로 사용하셔도 됩니다. (첨부는 Shell side의 유량을 모르는 경우입니다.)
• 첨부 엑셀 파일에서 계산된 C-U값이 Vendor Print Data Sheet의 계수와 차이가 날 경우 직접 열교환기 설계 업체에 U값 계산방법을 문의하셔야 합니다. (업체별로 계산 프로그램이 있어 아래 CLMTD계산식과 차이가 있을 수 있음)

CLMTD계산방법

 

 

첨부 파일!

계산 시트.xlsx

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3. U값 저하 원인 

일반적인 U값 저하 원인은 다음과 같습니다.

• Data Sheet상의 운전 유량보다 낮게 운전하는 경우 : Q값 자체가 낮아지므로, Out유체가 설계 온도 수준으로 운전이 된다면 이상이 없는 것입니다. (Data Sheet상의 운전 온도, 유량을 먼저 확인하세요!)
• Shell Side 나 Tube Side에 차압이 걸릴 수 있는 요소가 존재 : U값은 무엇보다도 Q값에 비례하므로, Q(유량) 이 저하되는 원인을 찾으셔야 합니다. 일반적으로 Tube Side의 Fouling이 원인이 됩니다. Shell Side 의 Fouling 역시 고려하셔야 합니다. 간혹 잘못된 설계로 인해 Out유체 배관에 배압이 걸리는 경우도 원인이 될 수 있고, Out 배관이 Siphon이 걸리는 구조라면 siphon구간의 Drain Nozzle의 Leak로 인해 Sipon Break 되어 유체가 원활히 흐르지 않을 가능성이 있습니다.

Fouling사진

오늘은 많은 화공 엔지니어 분들이 잘 알고 계실 Shell And Tube 열교환기의 종류 및 성능확인, U값 계산 방법을 알아보았습니다. 신입 엔지니어 분들이나 화공업계 사회초년생분들이라면 꼭 알아두시면 유용할 정보이니 보시고 많은 도움 되시길 바랍니다.