열 교환기 열 교환기란 고온의 유체에서 저온의 유체로 열에너지가 효과적으로 이동될 수 있도록 고안된 열 전달장치

Presentation on theme: "열 교환기 열 교환기란 고온의 유체에서 저온의 유체로 열에너지가 효과적으로 이동될 수 있도록 고안된 열 전달장치"— Presentation transcript:

1 열 교환기 열 교환기란 고온의 유체에서 저온의 유체로 열에너지가 효과적으로 이동될 수 있도록 고안된 열 전달장치
큰 원통 속으로 뜨거운 유체를 통과시키고(통측유체-Shell Side Fluid), 원통 내부로 많은 관(파이프)를 설치하여 각각의 관에 차가운 유체를 통과시키면(관측유체-Tube Side Fluid), 뜨거운 유체에서 차가운 유체로 열전달이 이루어짐

2 열 이란 ? 열이란? “물체의 온도를 높이고, 물질의 상태 변화를 일으키는 역할을 하는 것”이 라고 정의
하지만 물체의 온도 및 상태 변화를 가져오는 것은, 근본적으로 물질을 이루고 있는 분자들의 운동이 얼마나 활발한가에 따라 결정 물질을 이루고 있는 분자들의 운동 에너지의 총합 절대 영도 이상에서 모든 물질의 분자는 움직이고 있는데, 그 움직임의 정도를 열 차가운 얼음 덩어리는 열이 없다고 생각할 수 있으나, 스팀이나 뜨거운 물에 비해 분자의 운동이 활발하지 않을 뿐이지 차가운 얼음도 열에너지는 있음

3 열전달? 열 전달 방식은 전도, 대류, 복사로 구분할 수 있으며, 열 전달은 단독으로 일어나기 보다는 동시에 일어나는 경우
약 300 °C 까지는 전도와 대류에 의해 지배되는 경우가 많고 고온으로 갈수록 열복사의 영향이 커짐

4 전도 물체 내에서 큰 에너지를 가진 분자가 작은 에너지를 가진 분자와 접촉(충돌)하면서 에너지를 전달하는 열 전달 방식을 말하며,열에너지가 물질을 거쳐 흐르는 것이지 물질이 직접 이동하지는 않는다 열 교환기내에서 일어나는 열 전달은 대부분 전도와 대류에 의한 열 전달이므로 전도에 의해 열 전달이 이루어 지는 경우의 열 전달율 을 결정하는 요인

5 전도 통관형 열 교환기에서 열 전달율을 증가시키려면 열 교환이 이루어지는 두 유체간 온도차를 크게 하던지,
열 교환이 이루어지는 두 유체간 온도차를 크게 하던지, Tube 재질 선택시 열전도도가 큰 물질을 사용하던지, 통측 유체와 관측유체간에 최대의 면적이 접촉할 수 있도록Tube을 설계하면 가능 반면에 가능하면 관 두께(Tube Thickness)는 얇은 것으로 하는 것이 효율적 결론 소변을 본 후에 몸이 부르르 떨리는 이유는 ? 열량은 대략 300㎖ x 37㎈ = 11,100㎈ 닭살도 돋는데 이것은 급격한 몸의 열을 가능한 적게 달아나도록 하는 메카니즘

6 대류 유체의 이동(운동)에 의해서 열 에너지가 전달되는 것을 대류라고 하며, 유체의 이동 형태에 따라 자연 대류와 강제 대류로 구분 밀도차에 의해 유체가 이동하면서 열이 전달되는 것을 자연 대류(natural convection) 외부에서 유체의 이동을 돕는 물리적인 힘(Fan, 펌프, 대기의 바람)에 의해 유체가 강제적으로 이동되면서 열이 전달되는 것을 강제 대류(forced convection) 대류에 의한 열전달율 을 결정하는 두 가지 요인은 유체 흐름의 속도(=유체의 혼합속도) 와 두 유체간의 온도 차 난류가 열전달율 측면에서 훨씬 경제적 층류란? 가는 파이프에 물을 흘릴 경우, 가령 잉크를 넣어 흐름의 상태를 관측하면 유속(流速)에 따라 레이놀즈 수(數)가 작을 때에는 잉크의 흐름이 직선으로 되고, 물의 각 부분이 파이프 벽에 평행으로 움직이며 서로 섞이지 않음 난류란? 층류와 대응되는 흐름의 형태로서, 관이 굵거나 유속이 빠르면 유체의 흐름이 입구를 지나면서부터 진동하고 굵기도 증가하여 마침내 관 전체로 퍼지면서 서로 혼합되며 흐름이 형성되는 형태

7 복사 복사란 뜨거운 물체로부터 찬 물체로 직선상으로 진행하는 전자기파에 의하여 열에너지가 전달되는 것
복사는 열 전달 매체가 없어도 열 전달이 가능 뜨거운 전기 히터의 코일과 접촉하여 뜨거워진 공기가 몸에 닿아 열기를 느끼는 것 보다 고온의 히터 코일에서 발생한 전자기파(열파)가 복사되어 몸으로 전해지기 때문 기 히터를 켜 놓으면 빨갛게 달아 오른 빛을 볼 수 있고 빨갛게 달아 오른 빛을 볼 수 있는 것은 사람의 눈이 광파(Light Waves)를 흡수하기 때문에 생기는 현상이며, 사람이 느끼게 되는 열기는 피부가 열의 파동을 흡수하는 복사 현상의 결과

8 평행흐름 열 교환기를 거쳐 흐르는 유체의 흐름이 같은 방향으로 흐를 때 평행흐름
두 유체의 흐름을 매우 길게 하여 서로 열교환이 이루어지도록 했을 경우 C지점에서처럼 두 유체간의 온도가 서로 같아 질 수는 있지만 뜨거운 내부 유체의 온도가 차가운 외부 유체의 온도 이하로까지 내려갈 수는 없음을 알 수 있습니다.

9 역흐름 관측 유체(Tube side fluid) 와 통측 유체(Shell side fluid)가 서로 반대 방향으로 흐름이 형성될 때 역흐름 평행 흐름과 다른점은 역 흐름에서는 뜨거운 유체의 온도는 냉각 유체의 최고 온도 이하로 냉각될 수 있다는 것. 온도차가 평행흐름과 달리 어느 지점에서든 거의 일정하며 열전달율 또한 거의 일정

10 열 교환기 종류

11 열 교환기 종류 다양한 구조와 형태의 열교환기가 공정에서 사용되고 있는데, 같은 구조의 열 교환기라 할지라도 기능에 따라 다음과 같이 열 교환기를 구분

12 열 교환기 종류 리보일러(Reboiler) 응축기(Condenser)

13 열 교환기 종류 공정운전조건 및 열 교환기의 위치에 따라 기능을 달리함을 알 수 있다

14 열 교환기 종류 열 교환기를 구조 및 형상에 따라 분류하면 크게 통관형 열 교환기 /이중관식 열 교환기 / 공냉식 열 교환기 / 특수형 열 교환기 등으로 분류

15 열 교환기 종류 (이중관식 열교환기) 이중관식 열 교환기는 큰 관속으로 작은 관이 통과하면서 큰 관속으로 흐르는 유체와 작은 관속으로 흐르는 유체가 서로 열 교환하는 비교적 간단한 구조의 저렴한 열교환기 장점 ; 열 교환기는 구조가 간단하므로 30kg/cm2 이상의 고압의 유체를 취급 단점 ; 두 유체간에 접촉 면적이 제한되어 있기 때문에 열 전달 효율은 비교적 떨어짐 이를 보완하기 위해 깨끗한 유체를 취급할 경우 두 유체간에 접촉 면적을 크게 하기 위해 관 내/외벽에 Fin이 장착된 핀관(Fin Tube)

16 열 교환기 종류 (통관형 열 교환기) Shell & Tube Type(통관형) 열 교환기는 일반적으로 고정 관판형,
유동 두형, 유 관형(U-Tube Type)

17 열 교환기 종류 (통관형 열 교환기) 고정 관판형,
관판(Tube Sheet)이 통(Shell)에 고정되어 있는 형태의 열교환기로서 Shell과 관다발(Tube bundle) 의 분리가 불가능해, 관 외벽 또는 통 내부의 청소가 어려움으로 통측은 깨끗한 유체를 취급하는 것이 이상적 두 유체(통측과 관측)간 온도 차가 클 때, 관이 선(길이)방향으로 팽창하는데 비례해서 통이 팽창하지 못하면, 관판에 심한 응력 발생되므로 온도 차가 100℉이하에서 사용 이를 보완하기 위해 통측 에 팽창 이음새(Expansion Joint)를 설치 (근본적인 대책 안됨) 가장 경제적임

18 열 교환기 종류 (통관형 열 교환기) U-관형 열교환기,
관다발의 뒤쪽부위가 U-Bending되어 있어 관이 팽창하더라도 통 내에서 움직일 수 있는 공간이 확보되어 있으므로 두 유체간 온도차가 클 경우에 사용 관다발을 통과 분리할 수 있으므로 통측 및 관측 모두 청소가 용이 관다발의 Bending(휘어지는 부분)때문에 진동 발생 가능성과 함께 Bending부위에서는 유속의 증가로 인해 마손이 발생되므로 두꺼운 Tube 사용해야 하는 단점

19 열 교환기 종류 (통관형 열 교환기) 부동두형 열교환기(Floating Head Type)
한쪽 관판만 통(Shell)에 고정되어 있고 반대쪽 관판(Floating Tubesheet) 은 통 내부에서 관의 길이방향으로 움직일 수 있으므로 열팽창에 대해 자유로우며, 관다발을 통과 분리할 수 있어 관측 및 통측 모두 청소가 용이 설계조건 및 운전조건에 가장 융통성이 크지만 구조가 복잡하고 제작비가 높은 단점

20 열 교환기 종류 (공냉식 열교환기) 냉각수 대신에 공기를 냉각유체로 하며, Fan을 이용하여 공기를 강제 통풍시켜 내부 유체를 냉각시키는 열 교환기 삽입 통풍식(Forced Draft) ~ Fan이 Tube 아래에 설치되어 공기를 삽입 흡입 통풍식(Induced Draft) ~ Fan이 Tube 위에 설치되어 공기를 흡입 장점 : 공냉식 열 교환기는 냉각수가 필요 없다 단점 : 넓은 설치 면적이 필요, 건설비가 비싸며, Tube의 누출발견 및 교체작업이 어렵다

21 열 교환기 종류 (비교)

22 부동두형(Floating Header Type) 열교환기의 명칭

23 부동두형(Floating Header Type) 열 교환기
관다발(Tube bundle) 관다발(Tube bundle)은 수 많은 관(Tube)들을 원판형의 관판(Tube sheet)에 결합시켜 만든 고정체로서 열 교환기의 대부분을 차지하는 핵심적인 부품

24 부동두형(Floating Header Type) 열 교환기
관(Tube) 관은 양 유체(통측과 관측)간 열 전달이 이루어지는 경계면을 제공하는 열교환기의 가장 기본적이고 중요한 부품 평관(Plain Tube)과 핀관(Finned Tube)이 있으며 일반적으로 평관이 많이 사용되나 깨끗한 유체 취급시에는 전열면적을 증대시키기 위해서 핀관사용

25 부동두형(Floating Header Type) 열 교환기
관판 (Tube sheet) 관판은 관측 유체와 통측 유체를 격리시키며 Tube를 일정간격으로 배열 고정시키는 역할 관을 관판의 구멍에 배열 고정시킨 것을 관다발이라고 하고 관다발은 고정체 통측 유체와 관측 유체가 절대로 혼합되어서는 안 되는 유체 취급시에는 이중관판(Double Tube Sheet)을 사용하기도 함

26 부동두형(Floating Header Type) 열 교환기
장애판(BAFFLES) 장애판은 관과 관판에 발생하는 응력(Stress)을 감소시키고, 관의 무게를 지탱하며,통측 유체의 층류를 파괴시켜 단열 유체층을 줄여 줌으로써 열전달율을 증대 시킬 목적으로 사용 궁형 장애판, 환판형 장애판, 오리피스(Orifice)형 장애판, 충돌(Impingement)형 장애판

27 부동두형(Floating Header Type) 열 교환기
장애판(BAFFLES)의 간격 장애판과 장애판 사이로 통측 유체가 통과하기 때문에 유체의 허용속도와 허용 압력손실을 고려하여 장애판 간격을 설정 장애판 간격이 너무 크면 전열효과가 떨어지고 오염(Fouling), 진동 등의 문제가 발생 장애판 간격이 너무 작으면 제작상의 어려움이 있기 때문에 열교환기 제작협회(TEMA-Tubular Exchanger Manufactures Associations)에서는 통(Shell) 내경의 1/5 또는 2”(50mm)보다 크도록 규정 유료 격벽 관측 유체를 모든 관들을 통해 한 번 흐르게 할 것인가 또는 열교환기에 내에서 관측 유체가 장시간 머무르면서 충분한 열교환이 일어나게 할 것인가 하는 것은 유로(Channel)에 격벽을 어떤 형태로 몇 개 설치되는가에 따라 달라진다

28 열 교환기 운전 여기서는 열교환기에 공정 유체 도입 또는 격리시 일반적인 주의사항
정상 운전중에는 열교환기에 거의 변화를 주지 않는다. 열전달 효율 감소로 인해 공정에 변화의 조짐이 감지되거나 또는 변화가 일어났을 때 공정의 안정적인 운전을 위해 열매(Heating Medium) 또는 냉매(Cooling Medium)의 양을 조절하는 경우가 있다. 여기서는 열교환기에 공정 유체 도입 또는 격리시 일반적인 주의사항

29 열 교환기 운전온도 및 압력차 점검 열교환기의 Inlet/Outlet 간에 온도 및 압력차를 수시(월별 또는 분기별)로 점검
전/후 상황을 비교해봄으로써 열교환기의 오염(Fouling) 진행 상태를 감지 또한 관련설비의 정비 시점을 예측 점검 준비 열교환기 ΔP(압력차), ΔT(온도차) 점검 List(결과 기록용) 압력 게이지(Pressure Gauge) 표면온도계 점검방법 및 주의사항 현장 열 교환기의 실제 압력과 온도를 압력계, 표면 온도계를 활용하여 측정한 후 열 교환기 ΔP, ΔT 점검 List에 기록해야 하며, 전/후 상황을 비교 점검 Point가 없는 열 교환기는 점검에서 제외하며 안전 사고를 유발할 수 있는 Point도 점검하지 않습니다. ΔP를 점검함에 있어서는 동일한 Gague를 사용하여 압력를 측정해야 하며, ΔT 점검은 측정 Point를 설정하여 다음 점검에서 동일한 Point가 점검 되도록 한다

30 오염(FOULING) 내부 상태를 간접적으로 확인할 수 가장 간단한 방법이 입/출구의 온도 및 압력을 점검
열 교환기의 압력 차가 비정상적으로 과도하게 발생된다는 것은 유체의 흐름이 많은 저항을 받는다는 것을, 정상 온도 값을 벗어나는 것은 열교환이 제대로 일어나지 않는 것을 의미하는데, 이는 열 교환기가 유체 이외의 물질로 오염되었다는 것을 단적으로 나타낸것.

31 수냉각기 서비스 절차 水 냉각기는 공정 유체(H/C)를 도입 하기전에 차가운 냉각수(C/W)의 순환을 유지시키는데 필요한 절차

32 수냉각기의 역 세척절차 정상 운전중 水냉각기의 차압(ΔP) 또는 온도차(ΔT)점검후 수냉각기의 효율이 저하되었다고 판단되었을 때 열효율을 향상시키기 위해서 정상 운전 중에 실시하는 작업으로 그 서비스 절차