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오늘은 열교환기 일반에 대해서 알아보겠습니다.
설비 중에 열교환기에 대해서 궁금하신 사항이 있었다면 도움이 되었으면 좋겠습니다.
1. 열교환기
(1) 개론
열교환기란 유체간에 열에너지를 유효하게 전도와 대류로서 이동시키는 기기로서 오늘날과 같이 발달한 석유화학공업, 일반화학공업 및 발전 설비 등에서 널리 이용되고 있는 장치입니다.
열이동에는 액체와 액체, 기체와 기체, 혹은 기체와 액체 상호의 열교환에 있어서 가열되거나 혹은 냉각됨으로써 단순히 현열 (Sensible heat)의 흡수만이 행하여져서 온도의 상승 또는 하강이 생기는 경우와 온도의 변화, 혹은 압력의 변화와 동시에 비등, 응축과 같이 상(Phase) 변화를 동반하는 경우가 있습니다. (잠열: Latent heat)
그러므로, 열교환기 기본 선정 시에는 이와같은 유체의 상태변화를 고려한 후 장치의 형식에 의해, 혹은 흐름의 상황에 따라서 각각의 경우에 대응하는 계산식을 찾아서 총괄전열개수를 계산하여 필요한 전열면적을 결정하고 공정조건에 적합한가를 확인하여야 합니다.
(2) 선정방법
여러 종류의 열교환기가 있기 때문에 설계자가 공정자료를 받으면 우선은 "어떤 종류의 열교환기를 선택하여야 가장 효과적인 설계를 할수 있는가?" 망설이게 됩니다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 설계자는 각 종류별로 특성을 비교하고 있어야 함은 물로인고 공정상의 많은 설계인자를 정리하여 단순화할 필요가 있습니다.
열교환기를 사용하는 목적에 따라 나누면 Heater와 Cooler로 나눌 수 있지만 여기서는 장치내에서 열에너지로 전환한 후 가열 또는 냉각하는 것, 즉 전기로, 가열로등과 두 물질이 직접 접촉혼합 함으로써 가열, 또는 냉각하는 것은 제외합니다.
열교환기는 사용목적에 따라 Type이 결정되면 구성재료를 선택하고 목적에 따라 설계하지만 현재에 와서는 열이동의 이론적 해명이 어느 정도 되어있어 신뢰도가 높아졌기 때문에 표준화되어 가고 있는 실정입니다.
또한 열교횐기의 효율향상과 제품가격의 절감을 목표로 새로운 형태의 열교환기가 속속 개발되고 있습니다.
선정방법은 먼저 아래와 같은 기본적인 가이드라인을 보고 논리를 해석한 후 선정되어야 합니다.
1) 가이드라인 첫번째 : 액 - 액
우선 주어진 유체를 가지고 재질을 선정하였을 때 연강이 아닌 다른 재질이 선정되었다면 특별한 경우를 제외하고는 Shell & Tube 열교환기가 경제성이 없다고 할 수 있습니다. 어느 한 경우를 가지고 평판형으로 선정하면 요구되는 전열면적은 Shell & Tube 열교환기의 30~94% (평균 60%) 이기 때문에 평균 40% 정도 작게 설계할 수 있습니다. 그리고 Shell & Tube 열교환기는 향후 공장 증설을 위하여 약 20% 정도 크게 설계한다면 Plate Type (평판형) 열교환기는 증설할 때 몇 개의 판 수만 증가하면 되기 때문에 약 5% 정도만 크게 설계하면 됩니다.
2) 가이드라인 두번째 : 경제성 검토
근본적으로 상기 내용과 동일한 내용이지만 연강이 적합하지 않다면 Plate Type 열교환기가 가장 경제적이므로 설계조건 ( Design Pressure, Deaingn Temperature)을 검토하여 가능성 여부를 결정합니다.
3) 가이드라인 세번째 : 가스
열전달하는 가열유체나 수열 유체 중 어느 한쪽 유체, 또는 양유체가 가스라면 기체의 열전도가 액체보다 아주 낮기 때문에 표면 확장성 (Fin - Tube)을 가진 열교환기를 선정하면 경제적입니다.
4) 가이드라인 네번째 : 증발 & 응축
이 부분은 현재까지도 현열(Sensible) 열전달보다 규명이 안된 불확실한 열전달이 이루어지며 한쪽의 유체나 또는 양유체가 응축되거나 증발이 될 때도 가이드라인 1,2가 적용되지만 예외사항이 많습니다.
2. 열교환기의 종류
(1) 기하학적인 형태에 의한 분류
(가) Shell & Tube (원통 다관식) 열교환기
가장 널리 사용되고 있는 열교환기로 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있으므로 적용범위가 매우 넓고, 신뢰성과 효율이 높다.
(나) Double Pipe Type (이중관식) 열교환기
외관 속에 튜블르 동심원상태로 삽입하여 튜브 내 및 외관쉘의 환상부에 각각 유체를 흘려서 열교환시키는 구조입니다. 구조는 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결시킬 수가 있습니다. 그러나 전열면적이 증대됨에 따라 쉘엔 튜브타입에 비해 전열면적당 소요용적이 커지며 가격 돼 비싸게 되므로 전열면적이 20㎡ 이하의 것에 많이 사용됩니다.
(다) Plate Type (평판형) 열교환기
유로 및 강도를 고려하여 요철 형으로 프레스성형 된 전열판을 포개서 교대로 각기 유체가 흐르게 한 구조의 열교환기입니다. 전열판은 분해할 수 있으므로 청소가 완전히 되고 보존점검이 쉬울 뿐만 아니라 전열판 매수를 가감함으로써 용량을 조절 할 수 있습니다. 전열면을 개방할 수 있는 형식의 것은 고무나 합성수지 개스킷을 사용하고 있으므로 고온 또는 고압용으로서는 적당하지 않습니다.
(라) Air Cooler (공냉식 냉각기)
냉각수 대신에 공기를 냉각유체로 하고 팬을 사용하여 튜브의 외면에 공기를 강제통풍시켜 내부유체를 냉각시키는 구조의 열교환기입니다. 공기는 전열계수가 매우 작으므로 보통 튜브에는 원주핀이 달린 관이 사용됩니다.
(마) Fired Heater (가열로)
액체 혹은 기체연료를 버너를 이용하여 연소시키고 이때 발생하는 연소열을 이용하여 튜브 내의 유체를 가열하는 방식입니다. 가장 큰 열량을 얻을 수 있으며 열전달 메커니즘은 복사 및 대류를 포함하므로 설계하기가 매우 어렵습니다. 공해의 문제가 있으나 매우 큰 열량을 얻기 위한 공정에서 많이 쓰입니다.
(바) Coil Type (코일식) 열교환기
탱크나 기타 용기내의 유체를 가열하기 위하여 용기 내에 전기 코일이나 스팀 라인을 넣어 감아둔 방식이 빈다. 교반기를 사용하면 열전달 계수가 더욱 커지므로 큰 효과를 볼 수 있습니다.
3. 열교환기의 보전
(1) 열교환기의 부식, 고장과 그 방지대책
공장을 구성하는 각종 기기 일반, 탑조, 열교환기, 가열, 배관 등에서 부식,누설에 의해 문제가 일어납니다. 표면적 또는 전열면적에 대해 생각해 보면 탑조, 배관, 가열등에 비해 열교환기는 그 목적이 전열에 있으므로 부식성 유체가 기기의 내외면이 접촉되는 전열면 및 표면적이 매우 큽니다. 그에 따라 부식, 천공, 접합부에 누설발생 확률이 높아집니다. 그에 따라 누설방지대책은 다른 기기에 비해 노력이 많이 필요합니다.
1) TUBE 의 부식, 고장
열교환기에서 발생하는 고장 50% 이상은 튜브에서 일어납니다. 고장상황은 튜브부식, 마무에 의한 누유와 천공, 진동에 의한 장착 부분의 이완, 배플과의 접촉부 마모, 과냉각에 의한 튜브 내 유체 응고, 고화에 의한 폐쇄, 스케일 퇴적에 의한 폐쇄등입니다. 이에 대한 방지대책은 정기분해 시 전튜브 육안검사, 와류탐상기술에 의한 부식, 누유 부분의 발견, 운전 중 백워쉬, 액의 주입에 의한 이물제거 등으로 효력을 볼 수 있습니다.
2) TUBE SHEET 의 부식, 고장
열적변화에 의한 팽창, 수축에 따라 관부가 이완되어 누설되는 수가 있습니다. 또 정기수리시에 부분적인 튜브교체를 행하여 그 튜브만 확관작업을 행하면 그 응력이 인접된 교체하지 않은 튜브의 관부를 이완되게 하여 누설을 발생시키는 경우가 있습니다. 따라서 확관조작은 교체시킨 튜브만이 아니고 그 주의 튜브에도 가볍게 확관조작을 하는 것이 좋습니다.
3) CHANNEL, FLOATING HEAD의 부식, 고장
이들이 탄송강ㅈ이 고 또 부식성유체를 취급하는 경우에는 심한 부식을 당할 수 있습니다. 전기와 같이 냉각용 해수를 튜브 측 즉 채널, 플로우팅헤드내측을 통하게 할 경우에는 전식에 의해 탄 되면 심한 겨울 천공에 이르게 됩니다. 이 대책은 대개 내식성 라이닝을 시공하고 있으나 박리 및 균열이 일어납니다. 이것은 그 재질의 선택, 장착 공법의 적정화에 위해 방지할 수 있습니다.
4. 마무리
이상으로 유틸리티 설비보전 기술 중 열교환기에 대해서 알아보았습니다. 설비를 아는데 많은 도움이 되었으면 좋겠습니다.