열교환기 분해 및 주요 부품

열전달 표면: 교환의 핵심

   

열전달 표면은 열에너지가 한 유체에서 다른 유체로 이동하는 물리적 장벽입니다. 이 부품의 설계와 재질은 열교환기의 효율과 수명에 매우 중요합니다. 가장 일반적인 두 가지 형태는 튜브와 플레이트입니다.

튜브

튜브는 쉘-앤-튜브 열교환기의 기본 열전달 요소입니다. 제조업체는 두 가지 주요 방식으로 튜브를 생산합니다. 심리스 튜브는 단단한 금속 빌릿을 가열하여 압출하여 이음매 없는 연속적인 파이프를 만듭니다. 용접 튜브는 평평한 금속 스트립을 압연하고 이음매를 용접하여 제작합니다. 튜브는 효과적이지만, 가혹한 작동 조건에 취약합니다. 고장은 종종 열교환기 내부의 환경 요인으로 인해 발생합니다.

일반적인 튜브 결함은 다음과 같습니다.

·부식 및 침식: 화학 반응과 유체 마찰로 인해 튜브의 내부와 외부 표면이 마모됩니다.

·열분해: 온도와 압력 사이클로 인한 피로로 인해 균열이 생길 수 있으며, 특히 튜브 시트 근처에서 균열이 생길 수 있습니다.

·프레팅: 튜브의 진동으로 인해 방벽이나 다른 튜브와 마찰이 발생하여 마모가 발생할 수 있습니다.

·피팅: 박테리아나 부적절한 물 처리로 인해 발생하는 국부 부식으로 작은 구멍이나 구덩이가 생깁니다.

접시

판형 열교환기는 튜브 대신 일련의 얇고 주름진 판을 사용합니다. 이 판들은 유체 흐름을 위한 복잡한 통로를 형성하여 좁은 공간 내에서 열전달 표면적을 극대화합니다. 주름의 패턴과 각도는 중요한 설계 특징입니다. 예를 들어, 주름 각도가 클수록 난류가 증가합니다. 이러한 난류는 열전달률을 향상시키지만 장치 전체의 압력 강하를 증가시킵니다. 엔지니어는 열 성능과 허용 가능한 압력 손실 간의 균형을 맞춰야 합니다.

재료 선택

엔지니어는 적용 분야의 온도, 압력, 유체 화학 성분을 고려하여 재료를 선택합니다. 탄소강은 여러 표준 적용 분야에서 널리 사용되고 비용 효율적인 선택입니다. 그러나 부식에 취약하여 시간이 지남에 따라 유지 보수 비용이 증가할 수 있습니다.

까다롭거나 부식성이 강한 환경의 경우, 설계자들은 스테인리스강, 티타늄, 니켈 합금과 같은 특수 합금을 사용하는 경우가 많습니다. 이러한 고성능 소재는 뛰어난 내구성과 내식성을 제공하며, 장기적인 작동 신뢰성을 보장함으로써 높은 초기 비용을 정당화합니다.

항상 과제는 필요한 성능과 프로젝트 예산의 균형을 맞추는 것입니다. 적절한 재료 선택은 열교환기의 수명과 안전성에 직접적인 영향을 미치는 중요한 단계입니다.

껍질과 주택: 외부 경계

껍질은열교환기의 외부 케이싱은 용기이자 구조적 중추 역할을 합니다. 작동 유체의 흐름을 제어하고 내부 압력과 외부 하중을 견디는 데 필요한 강도를 제공합니다.

프로세스를 포함하는

쉘의 가장 기본적인 역할은 쉘 측 유체를 담고 튜브 번들을 따라 흐르도록 하는 것입니다. 쉘의 설계는 유체 역학 및 열 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 관형 교환기 제조업체 협회(TEMA)는 흐름 경로를 기준으로 쉘을 분류하여 엔지니어가 특정 용도에 맞는 설계를 선택할 수 있도록 합니다. ⚙️

각 유형은 열 효율 극대화부터 압력 손실 최소화까지 고유한 장점을 제공합니다.

구조적 무결성 제공

압력 용기로서 쉘은 시스템의 작동 압력과 온도를 안전하게 견뎌야 합니다. 쉘의 구조적 무결성은 운영 안전을 위해 매우 중요합니다. 미국기계학회(ASME) 보일러 및 압력 용기 규정(BPVC), 특히 제8절은 설계, 제작 및 검사에 대한 필수 규칙을 제공합니다.

최근 코드 업데이트로 쉘 앤 튜브 교환기의 설계 규칙이 바뀌었습니다.

2023년판 ASME BPVC 섹션 VIII 디비전 1은 설계자들에게 많은 열교환기 부품에 대해 디비전 2의 규칙을 적용하도록 지시합니다. 그러나 쉘 자체의 대부분은 여전히 ​​디비전 1의 적용 가능한 규칙을 따라야 합니다.

엔지니어는 몇 가지 중요한 요소를 기반으로 쉘의 최종 압력 및 온도 등급을 결정합니다.

·ASME Section VIII과 같은 설계 코드 준수.

·고온에서의 구성 재료와 성능.

·부식 여유분을 포함한 계산된 벽 두께.

·모든 용접 및 제작 공정의 품질.

이러한 요소들은 쉘이 열전달 과정에서 견고하고 안정적인 경계로 유지되도록 함께 작용합니다.

채널 및 노즐: 흐름 방향 지정

   

채널과 노즐은 열교환기의 교통 제어 시스템입니다. 작동 유체가 장치 안팎으로 흐르도록 안내합니다. 이러한 구성 요소의 적절한 설계는 유량, 압력 및 전반적인 열 성능을 관리하는 데 필수적입니다. 이러한 구성 요소는 유체가 의도된 경로를 따라 이동하여 열 전달을 극대화하도록 합니다.

입구 및 출구 노즐

입구 및 출구 노즐은 열교환기의 관문입니다. 이 플랜지 연결부는 용기를 플랜트의 공정 배관에 연결합니다. 엔지니어는 연결 배관에 맞춰 노즐 크기를 조정하여 원활한 연결부를 보장합니다. 노즐 구멍을 뚫으면 셸이나 채널이 약해지므로, 압력 용기 규정은 개구부 주변을 보강하도록 요구합니다.

설계자들은 이러한 연결부에 용접 넥 플랜지를 사용하는 경우가 많습니다. 이 플랜지의 테이퍼형 허브는 뛰어난 구조적 무결성을 제공하고 철저한 비파괴 검사를 가능하게 합니다.

·표준 노즐: 중간 정도의 서비스를 위한 일반적인 설계에는 용접 목 플랜지와 결합된 보강판이 포함됩니다.

·자체 강화 노즐: RFLWN(Raised-Face Long-Weld-Neck) 노즐과 같은 최신 옵션은 단일 부품으로 단조되므로 별도의 보강 패드가 필요 없고 제작 비용이 절감됩니다.

노즐 입구와 출구 사이의 압력 강하는 유체 속도를 크게 증가시킵니다. 이러한 가속으로 인해 유체 속도는 약 200m/s에 도달할 수 있습니다. 이는 유체가 장치를 통과하는 데 도움이 되지만, 이러한 빠른 속도는 침식 속도를 증가시켜 시간이 지남에 따라 노즐 재질을 마모시킬 수 있습니다.

내부 유체 채널

열교환기 내부로 유입된 유체는 신중하게 설계된 내부 채널을 통해 이동합니다. 쉘 앤 튜브 장치에서 채널 섹션(헤더라고도 함)은 패스 분할판을 사용하여 튜브 측 유체를 유도합니다. 이 판들은 본질적으로 특정 흐름 경로를 생성하는 내부 분배기입니다.

유체가 모든 튜브를 동시에 통과하는 대신, 이러한 분리막은 유체가 여러 번 통과하는 구성으로 앞뒤로 이동하도록 합니다. 이 설계는 다음과 같은 몇 가지 주요 목적을 달성합니다.

·채널 커버 내부의 흐름 경로를 나눕니다.

·이것은 유체가 튜브 묶음을 통해 여러 번 이동하도록 합니다.

·유체의 이동거리와 접촉시간을 증가시킨다.열전달표면.

· 궁극적으로 열교환기의 열효율을 향상시킵니다.

엔지니어는 내부 흐름 경로를 제어하여 정확한 공정 요구 사항을 충족하도록 장치 성능을 미세 조정할 수 있습니다.

필수 구조 열교환기 부품

주요 표면과 케이싱 외에도, 특정 구조적 열교환기 부품은 중요한 지지력을 제공하고 열 효율을 향상시킵니다. 튜브시트와 배플은 이러한 구성 요소 중 가장 중요한 두 가지입니다. 이들은 기계적 무결성을 보장하고 용기 내부의 유체 역학을 최적화합니다.

튜브시트: 중요한 밀봉

튜브시트는 튜브 끝단을 고정하는 두꺼운 금속판입니다. 튜브 측과 쉘 측 유체를 분리하는 고정 장벽 역할을 합니다. 튜브와 튜브시트 사이의 연결부, 즉 튜브-튜브시트 접합부는 전체 조립체에서 가장 중요한 밀봉 부분 중 하나입니다. 접합부에 결함이 발생하면 교차 오염과 막대한 비용 발생으로 인한 가동 중단이 발생합니다.

제조업체는 내구성이 뛰어나고 누출이 없는 조인트를 만들기 위해 여러 가지 방법을 사용합니다.

·씰 용접: 이러한 용접은 추가적인 누출 방지 기능을 제공하며, 특히 부식성 유체에 유용합니다.

·강도 용접: 이 견고한 용접은 튜브에 가해지는 물리적 하중을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 이 공정에는 튜브시트 구멍에 홈을 파서 더 강한 접합부를 만드는 작업이 포함됩니다.

·롤러 확장: 이 기계적 과정은 튜브를 튜브시트 벽에 대해 확장하여 마찰 맞춤을 생성합니다.

연구에 따르면 용접과 팽창을 병행하면 가장 강한 접합부를 만들 수 있습니다. 한 연구에 따르면 팽창만 사용한 접합부는 튜브의 실제 강도보다 28% 낮은 하중에서 파손되었습니다. 이는 많은 적용 분야에서 팽창에만 의존하는 것은 충분하지 않음을 시사합니다.

누출은 응력 부식 균열, 부적절한 용접 조건, 또는 튜브의 과소 팽창과 같은 문제로 인해 자주 발생합니다. 이러한 중요한 문제를 해결하려면 신중한 제조가 필수적입니다.열교환기 부품.

배플: 성능 향상

배플은 튜브 다발의 길이를 따라 설치되는 판입니다. 배플의 주요 목적은 두 가지입니다. 진동을 방지하기 위해 튜브를 지지하고, 쉘 측 유체를 특정 경로로 유도하는 것입니다. 이렇게 제어된 경로는 유체가 튜브를 가로질러 흐르도록 하여 난류를 생성하고, 이는 열전달률을 크게 향상시킵니다.

가장 일반적인 유형인 분절형 배플은 지그재그 형태의 흐름 패턴을 생성합니다. 이 설계는 효과적이지만 유체가 정체되는 사각지대(dead zone)를 형성하여 파울링(fouling)과 큰 압력 강하를 초래할 수 있습니다. 이와 대조적으로, 최신 나선형 배플은 유체를 부드러운 나선형으로 유도합니다. 이 패턴은 사각지대를 거의 없애고, 파울링을 줄이며, 압력 강하를 줄여 펌핑 전력을 절감합니다.

엔지니어는 성능과 압력 손실의 균형을 맞추기 위해 방벽 배열을 신중하게 설계합니다.

적절한 방벽 설계는 이러한 복잡한 열교환기 부품의 성능을 최적화하는 데 중요한 요소입니다.

구성 요소가 함께 작동하는 방식

각 열교환기 부품은 열 관리를 위한 통합 시스템을 구축합니다. 이 과정은 두 가지 유체, 즉 뜨거운 유체와 차가운 유체가 별도의 노즐을 통해 장치에 유입되는 것으로 시작됩니다. 두 유체는 서로 섞이지 않으면서 열 상호작용을 극대화하도록 설계된 별도의 경로를 따라 이동합니다. 이러한 조화로운 움직임이 열교환기 기능의 핵심입니다.

튜브 측 유체 경로 추적

튜브 측 유체는 채널 섹션의 입구 노즐을 통해 열교환기로 유입됩니다. 채널 내부의 통과 분리판은 이 유체를 특정 튜브 세트로 유도합니다. 다중 통과 장치에서 유체는 튜브 번들 전체 길이를 따라 이동한 후, 후면 채널에서 U턴하여 다른 튜브 세트를 통해 다시 흐릅니다. 이러한 왕복 이동은 유체의 이동 거리와 튜브 벽과의 총 접촉 시간을 증가시켜 출구 노즐을 통해 빠져나가기 전 열 성능을 향상시킵니다.

쉘 측 유체 경로 추적

동시에, 쉘 측 유체는 쉘의 노즐을 통해 유입됩니다. 쉘 내부의 배플(baffle)은 이 유체가 튜브 번들 바깥쪽을 따라 지그재그 또는 나선형으로 흐르도록 합니다. 이러한 교차 유동 경로는 난류를 생성하여 열 전달을 향상시킵니다. 그러나 분절형 배플은 쉘 벽 옆과 쉘 중앙에 정체된 유동 영역, 즉 '데드 스팟'을 생성할 수도 있습니다. 엔지니어는 전산유체역학(CFD)을 사용하여 유동을 시각화하고 최적화합니다.

·CFD 시뮬레이션을 통해 방벽이 지그재그 패턴과 재순환 구역을 어떻게 생성하는지 확인했습니다.

·이러한 통찰력은 엔지니어가 방벽 설계를 개선하여 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다.

·ANSYS와 같은 도구는 이러한 복잡한 흐름 경로의 열적 거동을 평가합니다.

결과: 효율적인 열 전달

두 유체가 지정된 채널을 통해 흐르면서 열은 더 뜨거운 유체에서 튜브나 판의 벽을 거쳐 더 차가운 유체로 이동합니다. 이러한 열 교환의 효과는 핵심 성능 지표인 대수 평균 온도차(LMTD)로 측정됩니다. 엔지니어는 표준 공식을 사용하여 이 값을 계산합니다.

LMTD는 다음과 같이 계산됩니다.

LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2)

이러한 열교환기 부품의 설계를 최적화하면 엄청난 효율 향상을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 적층 제조를 사용하여 장치를 재설계한 한 프로젝트는 총 질량을 81%, 부피를 85% 줄였습니다. 이는혁신적인 구성 요소 설계결국, 한 유체는 더 뜨겁게 되고 다른 유체는 더 차갑게 되어 원하는 공정 목표를 달성하게 됩니다.

열교환기의 성능은 주요 구성품에 따라 달라집니다. 열전달 표면, 셸, 노즐, 튜브시트, 배플 등이 여기에 포함됩니다. 이러한 각 열교환기 부품은 시스템 기능에서 특정한 역할을 합니다. 고압이나 부식성 유체와 같은 까다로운 작업에 적합한 장치를 선택하려면 이러한 부품들을 이해하는 것이 첫걸음입니다.

이러한 지식은 안전한 작동에도 필수적입니다. 적절한 유지보수는 고압 및 고온 환경에서 누출을 방지하는 동시에, 압력 강하와 같은 주요 지표를 모니터링하여 장기적인 신뢰성과 효율성을 보장합니다. 💡

자주 묻는 질문

열교환기의 가장 중요한 부분은 무엇입니까?

열전달 표면(관 또는 판)은 가장 중요한 구성 요소입니다. 이 표면은 열이 뜨거운 유체에서 차가운 유체로 이동하는 장벽을 형성합니다. 표면의 설계와 재질은 열교환기의 전반적인 효율과 성능을 직접적으로 결정합니다.

열교환기에 방벽이 필요한 이유는 무엇입니까?

배플은 두 가지 필수적인 역할을 합니다. 튜브를 구조적으로 지지하여 진동과 마모를 방지합니다. 또한, 쉘 측 유체를 튜브 다발 전체로 안내합니다. 이렇게 제어된 흐름 경로는 난류를 생성하여 열전달률을 크게 향상시킵니다.

엔지니어는 열교환기의 누출을 어떻게 방지합니까?

엔지니어들은 누출을 방지하기 위해 튼튼한 튜브와 튜브시트 접합부를 만드는 데 집중합니다.

롤러 팽창 및 강도 용접과 같은 제조 기술을 사용합니다. 이러한 방식은 튜브 측과 쉘 측 유체의 혼합을 방지하는 내구성 있고 누출 방지 밀봉을 형성하여 작동 안전을 보장합니다. 🛡️

튜브와 플레이트의 차이점은 무엇인가요?

튜브는 쉘 앤 튜브 열교환기에서 열전달 표면을 형성하는 원통형 파이프입니다. 플레이트는 얇고 주름진 금속판을 서로 겹쳐 놓은 형태입니다. 플레이트 설계는 작은 부피에 매우 넓은 표면적을 제공하여 열효율을 높이는 경우가 많습니다.