지난 번 열교환기 글을 쓰는데 생각보다 내용이 길이졌다.
2탄에서는 Tube에 대한 정의와 type, Baffle에 대한 정의와 type을 다뤘다.
각각의 Tube와 Baffle들이 어떤 상황에서 어떻게 type이 결정되는지 참고해 보길 바라며
이번에는 나머지 부분도 추가로 3탄에서 다뤄보고자 한다.
1. Impingement Protection
내가 교육을 받을 때 "Shell side nozzle은 erosion velocity외에 tube bundle에 충격을 주는 high velocity문제가 추가로 존재한다"라는 말을 들었다.
이게 무슨 말이냐..
앞선 포스트에서 열교환기의 원리를 설명할 때, 그림처럼 Shell side쪽으로 들어오는 유체과 Tube쪽으로 들어오는 유체가 서로 열교환을 하는 원리라고 설명을 했다.
다시 말해서 Shell side(빨간색 화살표 방향)으로 유체가 들어오게 되면서 유체들이 그림의 Tube들에 닿으면서(초록색 네모칸) 열교환이 되는데 이 때 발간색 화살표로 들어오는 유체의 속도가 너무 빠르게 되면 그 유체에 닿는 Tube들에 손상이 생길 수 있다. 그래서 열교환기는 이러한 현상을 방지 하기 위한 Accesory가 설치 되는데 그게 바로 Impingement Protection이라 한다.
위의 두 이미지에서 보듯이 Shell side의 노즐(N01) 바로 밑에 Impingement Rods라는 것이 바로 Tube를 보호하기 위한 도구들이다.
Shell side의 유체가 빠르게 들어 올때 Impingement Protection이라는 Accesory에 부딪히면서 속도를 늦춰주는 완충 역할을 하는 것이다.
그렇다면 Impingement Protection이 필요한 조건은 무엇일까?
1) ρv^2이 2,250 kg/m*s^2을 초과할때 설치한다.
여기서 ρ는 밀도
v는 유체의 속도 / v^2는 속도의 제곱을 의미한다.
한 마디로 속도가 너무 빠를때 설치한다는 말이다.
이 기준은 일반적인 Engineering Practice, 즉 설계 업무를 하면서 엔지니어들이 특별한 요구사항이 없으면 적용하는 기준이라 할 수 있다.
다만 프로젝트를 하면서 발주처의 spec.에 따라 달라 질 수는 있다.
2) 부식성이 있거나 마모를 일으킬 수 있는 gas인 경우 설치해야 한다.
3) 유체가 Saturated vapor인 경우나 two phase 유체인경우 항상 필요하다.
2. Expansion Joint
Fixed tubesheet type의 열교환기에서 Shell 또는 Tube의 길이방향 응력이 허용응력을 넘는 경우 Shell에 설치해서 응력을 완화하기 위해 사용한다. Expansion Joint의 설치여부는 Normal Operation, Start-up, Shut-down등모든 조건에서 검토된다. 따라서 운전되는 모든 경우의 수를 고려해야한다.
또한 Shell의 재질이 탄소강, Tube 재질이 Stainless Steel인 경우는 두 재질의 팽창계수가 다르므로 크게 주의 해야 한다.
열교환기 Data sheet를 작성할 때 MMT(Mean Metal Temerature)를 유심히 살펴볼 필요가 있다.
위의 열교환기는 공정 상 Shell과 Tube사이에 특별히 Process condition의 Expansion Joint가 특별히 설치될 정도의 큰 갭이 있진 않아 Expansion Joint항목에 N/A, 특 필요 없는 것으로 표기가 되어 있다.
그러나 아래의 다른 열교환기는
Quick depressurization시 shell과 Tube간의 온도차이가굉장히 크다
그러다보니 Expansion joint항목에 Yes, 즉 필요한 것으로 체크가 되어 있다.
이처럼 기계와 공정사항을 함께 고려해야 한다.
지금 까지 열교환기에 대해 대략적인 설명을 해보았다.
사실 열교환기 포스트는 대부분 공정사항이라기 보다는 Mechanic적인 부분이 대부분이다.
하지만 앞에 첫 포스트에서 설명을 했듯이 공정은 모든 분야를 다 다룰 수 있는 시야를 갖춰야 한다.
일을 하다보면 다뤄야 하는 문서가 수십, 수백가지가 되고 그걸 일일이 다 확인할 수 없다.
내가 놓친 데이터를 누군가 잡아 줄 수 있어야 하고 반대로 누군가가 놓친 데이터를 내가 잡아 줄 수 있어야 한다.
만약 내가 공정 담당 이라고 해서 공정만 보겠다면 다른 장치 사항에서 누가 잘못 된 수치를 기입을 해도 왜 그값이 잘못 되었는지 모를 것이고 봐주는 사람이 없을 것이다. 결국 잘못 된 item을 구매하는 것은 물론이고 공장이 돌아갈 시 큰 문제를 일으킬 수 있기 때문이다.
혹은 규모가 큰 회사에서는 공정/장치 팀의 분업화가 잘 이루어져 있지만 소규모 회사에서는 공정 엔지니어가 직접 Thermal rating을 수행하면서 공정/장치 관련 모든 사항을 일당백으로 다뤄야 하기 때문이다.
그렇기 공정 설계 엔지니어라면 자기 분야는 기본이고 타 설계분야에 대해서도 깊이 있는 공부가 필요하다.
따라서 이 포스트가 처음 혹은 경력이 얼마 되지 않는 공정 / 장치 엔지니어에게 절대적인 바이블은 될 순 없지만(그렇기엔 내용도 뭐 허접하긴 하지만..) 최소한의 참고자료가 되었으면 한다.