열교환기를 주제로 글을 올린김에 추가로 더 기술해 볼까 한다.
오늘은 shell & tube열교환기에 대해 조금 더 자세하게 설명해보려고 한다.
제일 먼저 설명할 부분은 Tubes.
아! 먼저 Shell & Tube는 앞서 설명한바와 같이 Shell과 Tube side로 구분 되어 있다.
다시 한 번 Shell & Tube구조에 대해 간단히 복습하자면 다음 그림을 기억해 보자
Tube와 Shell쪽 각각 유체가 흐르는데 여기서 Tube는 그림에서 보는바와 같이 얇은 관을 의미한다.
그리고 shell은 열교환기 몸통을 의미하는데 아래와 같이 작동 된다.
그림 상 Header로 들어온 유체가(Tube inlet) tube를 타고 반대쪽 header로 (Tube outlet)나가게 된다.
그리고 Shell은 Shell inlet으로 들어온 유체가 Shell 몸통을 타고 Baffle을 지그재그로 왔다갔다 하면서 이동하며 열전달을 한다.
말로는 설명이 좀 이해가 안갈텐데...
https://youtu.be/8aDBArZa1hI?si=GB81Wo7r43KoEZ4k
https://youtu.be/kXUeBTvpa94?si=T4VTsdvkKboPioyS
짧은 영상을 보면서 참고해보자
영상을 보면 이해하기 쉬울거라 생각한다.
일단 원리는 이정도로 설명해두고
다시 내부 파트 Tube 대해 설명을 해보겠다.
1. Tube
1) 90 ° Pattern
90° 패턴을 보면 무슨 생각이 드는가?
딱 봐도 초록색 선처럼 Shell fluid가 Tube에 닳지도 않고 열교환 없이 줄줄 흐르는 것이 보이지 않는가?
30 ° Pattern에 비해 열교환 효율은 떨어진다.
따라서 오염이 많은 유체가 사용될 경우 적용된다.
또한 다른 특징으로는 다음과 같다.
- 낮은pressure drop을 원할 때 바람직한 pattern이다.
- Shell side flow가 난laminar)일 경우는 피한다.
- Tube bundle을 분해하여 기계적으로 청소를 할 수 있다.(Shell side cleaning이 가능하다)
2) 30 ° Pattern
30 ° Pattern은 90 ° Pattern과 비교해서 shell fluid가 흐를때 Tube에 충분이 닿는 것을 볼 수 있다.
따라서 Tube pattern type들 중 가장 큰 열전달 효율을 낼 수 있다.
특징으로는 다음과 같다
- 구조상 주어진 Shell diameter에 가장 많은tube를 꽂을 수 있다.
- 일정한 pitch에 대해 가장 pressure drop이 크다
- 일반적으로 특별한 고려사항이 없으면 가장 우선적으로 선택한다.
3) 45 ° Pattern
45° Pattern은 90 ° Pattern과 비교해서 shell 유체의 흐름이 tube와 접촉 면적이 많은 걸 볼 수 있다.
따라서 열 전달이 잘 되는 것을 볼 수 있다.
특징으로는 다음과 같다.
- 90 ° Pattern과 같이 Shell side cleaning이 가능하다.
- 90 ° Pattern에 비해 열교환 효율은 좋으나 30 ° Pattern에 비해서는 떨어진다.
- 30 ° Pattern에 비해 이론 상 85%정도의 tube를 꽂을 수 있다.
사실 개인적인 경험으로는 딱히 많이 쓰는 type은 아닌거 같다. 45 ° Pattern를 쓸바엔 30 ° Pattern을 쓰는게 더 효율적이다 보니...
(이건 내 개인 적인 경험과 생각입니다. 다른 분들의 경험은 아닐 수 있습니다. )
이 외에도 60 ° Pattern이 있는데 사실상 거의 안쓴다고 보면 되겠다.
2. Baffle
Baffle은 Shell side를 흐르는 유체가 요리조리(?) 위아래로 혹은 좌우로 왔다갔다 할 수 있게 해주는 Shell side에 설치 된 격벽이다.
또한 Tube bundle을 지지하고 진동을 방지하기도 한다.
Shell side 내에서 유체가 머무는 시간이 충분해야 열교환이 충분히 이뤄지기 때문에 일직선으로 흐르지 않고 Baffle을 넘어서 지그재그가 되어야 한다.
1) Baffle spacing
Baffle끼리의 간격은 멀어도, 가까워도 안 된다.
Baffle 간격이 너무 크면 전열효과가 떨어지고 fouling, 진동 등의 문제가 발생할 수 있다.
반대로 간격이 너무 작으면 제작의 어려움이 있어 TEMA에서는 Shell side의 Diameter의 최소 20%정도는 되도록 하고 있다.
2) Baffle cut 비율
위의 그림에서 보듯이 Baffle의 cut이 너무 작으면(Baffle 길이가 크면) 혹은 cut이 너무 크면(Baffle의 길이가 작으면) 와류현상으로 인해 열전달율이 감소되는 것을 볼 수 있다.
이론 상, Baffle cut의 비율은 20~30%가 일반적이며 25~30%가 권장 된다.
물론 무조건 딱 그래야 되는건 아니고 Thermal rating을 수행하면서 최적의 간격을 찾아야 한다.
3) Baffle type
- Horizontal Cut
단일 유체에 적합하며, 액체와 기체가 공존할 경우 Baffle 밑이 뚫려 있는 경우 기체가 위로 빠져나가지 못한다.
Shell side가 깨끗하지 못하면 침적이 생길 수도 있다.
- Vertical Cut
Single phase 혹은 two phase유체에 적합하다. Condenser, Reboiler, Vaporizer 및 현탁물이나 fouling을 잘 일으키는 물질을 취급하는 열교환기에 적합하다.
쓰다보니 내용이 길어지네....
간단하게 쓸 내용이 아니었어...
열교환기 3탄으로 다시 오겠습니다.
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