목차

• 쉘 및 튜브 열교환기를 사용하는 이유는 무엇인가요?
• 쉘 및 튜브 열교환기 설계의 핵심 단계
• 세부 설계 절차(열 및 유압)
• 기계 및 머티리얼 디자인 고려 사항
• 일반적인 구성 및 튜브 레이아웃
• 요약 표: 설계 단계 및 주요 점검 사항
• 기업 스포트라이트: TOKO TECH - 프리미엄 튜브 공급업체
• 자주 묻는 질문(FAQ)
• 참고 자료 및 추가 자료

쉘 및 튜브 열교환기를 사용하는 이유는 무엇인가요?

쉘 및 튜브 열교환기(STHE)는 견고성, 다용도성 및 고압, 고온 및 부식성 환경을 처리할 수 있는 능력으로 인해 전 세계적으로 가장 널리 사용되는 열교환기 유형 중 하나로 남아 있습니다. 주요 장점은 다음과 같습니다:

• 높은 내압 및 내온도 - 산업 공정에 이상적입니다.
• 유연성 - 튜브 재질, 쉘 재질, 패스 배열, 튜브 레이아웃을 다양하게 변경할 수 있습니다.
• 간편한 제조 및 유지보수 - 튜브 번들을 교체하거나 청소할 수 있습니다.
• 물부터 부식성 화학 물질 흐름까지 다양한 유체와의 호환성.

쉘 및 튜브 열교환기 설계의 핵심 단계

전체 프로세스 쉘 및 튜브 열교환기 설계 는 다음과 같은 높은 수준의 단계로 요약할 수 있습니다:

1. 프로세스 요구 사항 및 의무(유량, 입구/출구 온도, 압력, 유체 특성)를 정의합니다.
2. 적절한 교환기 유형 및 구성(예: 고정 튜브 시트, U-튜브, 플로팅 헤드)을 선택합니다.
3. 예비 사이징(열 전달 면적, 튜브 수, 쉘 직경, 길이 추정)을 수행합니다.
4. 열전달, LMTD, 압력 강하 등 열 및 유압 계산을 수행합니다.
5. 성능 또는 압력 강하 제약 조건이 충족되지 않으면 설계를 반복합니다.
6. 기계 설계 수행: 두께, 재료, 응력 검사, 확장, 노즐 설계.
7. 세부 도면 및 제조 사양을 준비합니다.

세부 설계 절차(열 및 유압)

다음은 쉘 및 튜브 교환기를 설계하는 엔지니어를 위한 각 단계에 대한 자세한 분석입니다.

1단계: 프로세스 요구 사항 정의

지정부터 시작하세요:

• 고온 및 저온 유체 유형
• 입구 및 원하는 출구 온도
• 질량 유량
• 작동 압력 및 최대 허용 압력 강하
• 부식, 오염 경향 및 유체 호환성

또한 평균 또는 열량 온도에서 두 유체의 열물리학적 특성(밀도, 점도, 비열, 열전도도)을 수집합니다.

2단계: 열 의무 및 에너지 균형

에너지 수지를 사용하여 필요한 열량(Q)을 계산합니다:

Q = m × cₚ × ΔT (뜨거운 쪽과 차가운 쪽 모두에 적용하여 균형 유지)

3단계: 평가판 전체 열전달 계수(U₀ₐₛₛₘ)를 선택합니다.

유체 특성 및 이전 데이터를 기반으로 합리적인 전체 열전달 계수를 가정합니다. 이는 사이징의 시작점이 됩니다.

4단계: 구성 및 패스 배열 선택하기

결정합니다:

• 셸 패스 횟수
• 튜브 패스 횟수
• 셸 및 튜브 측 유체 할당(튜브 또는 셸 내부로 들어가는 유체).

5단계: 지오메트리 추정 - 튜브, 셸 및 레이아웃

결정합니다:

• 튜브 수(필요한 면적 및 튜브 치수 기준)
• 튜브 레이아웃: 삼각형 또는 정사각형 피치 - 삼각형은 난기류와 열 전달을 증가시키고 정사각형은 더 쉽게 청소할 수 있습니다.
• 쉘 지름 및 길이
• 배플 유형, 간격 및 컷 - 쉘 측면의 흐름을 유도하고 난기류를 개선합니다.

6단계: 열 및 유압 성능 계산

계산:

• 로그 평균 온도 차이(LMTD) 또는 멀티패스 교환기에 대한 보정 계수를 사용합니다.
• 필요한 열전달 면적(U, LMTD 및 Q 기준)
• 쉘 측 및 튜브 측 압력 강하 - 펌핑 비용 및 기계 설계에 대한 허용 한도 이내인지 확인합니다.

7단계: 기계 설계 및 재료 선택

열 설계가 만족스러우면 기계 및 제조 설계로 넘어갑니다:

• 유체 호환성(예: 내식성, 고압, 고온)에 따라 튜브 및 쉘 소재를 선택합니다.
• 안전과 내구성에 필수적인 벽 두께, 노즐 크기, 튜브 시트 강도, 열 응력에 대한 팽창 허용치를 계산합니다.
• 서비스 조건에 따라 적절한 튜브 간 시트 접합부(예: 확장, 용접, 밀봉 용접)를 설계합니다.

일반적인 구성 및 튜브 레이아웃

엔지니어는 서비스 요구 사항에 따라 여러 가지 표준 계약 중에서 선택해야 합니다:

고정 튜브 시트 vs 플로팅 헤드 vs U-튜브

– 고정 튜브 시트: 간단하고 비용 효율적 - 쉘 쪽 유체가 깨끗하고 온도 차이가 적을 때 가장 좋습니다.
– 플로팅 헤드: 온도 차이가 크거나 쉘 쪽의 오염 유체에 적합한 차동 팽창이 가능합니다.
– U-Tube: 고온, 고압 애플리케이션에 적합한 열팽창 내성을 제공합니다.

튜브 레이아웃: 삼각형 대 정사각형 피치

삼각형 피치는 난류와 열 전달 효율을 높이지만 청소가 복잡하고, 사각형 피치는 청소하기는 쉽지만 효율은 약간 떨어집니다. 오염되기 쉬운 유체의 경우 정사각형 피치가 선호되는 경우가 많습니다.

요약 표: 설계 단계 및 주요 점검 사항

기업 집중 조명: TOKO TECH - 열교환기용 프리미엄 튜브 및 파이프 공급업체

자주 묻는 질문(FAQ)

Q1: 쉘 및 튜브 열교환기를 설계할 때 첫 번째 단계는 무엇인가요?

첫 번째 단계는 유체 유형, 유량, 입구/출구 온도 및 압력, 원하는 성능(열 부하, 압력 강하 한계, 재료 호환성) 등 프로세스 요구 사항을 정의하는 것입니다.

Q2: 고정 튜브 시트, 플로팅 헤드 및 U-튜브 디자인 중에서 어떻게 선택하나요?

온도 차이, 유지보수 필요성, 유체 서비스에 따라 선택하세요. 고정 튜브 시트는 가장 간단하고, 플로팅 헤드는 열팽창과 오염에 도움이 되며, U-튜브는 고온/고압 및 차압 팽창에 잘 견딥니다.

Q3: 튜브 레이아웃이 중요한 이유는 무엇인가요?

튜브 레이아웃(삼각형 피치 대 사각형 피치)은 열 전달 효율, 쉘 측면 난류, 청소 용이성 및 유지 관리에 영향을 미칩니다. 삼각형 피치는 열 전달 효율이 높고 정사각형 피치는 청소가 간편합니다.

Q4: 셸 및 튜브 교환기를 수동으로 설계할 수 있나요, 아니면 소프트웨어를 사용해야 하나요?

초기 사이징 및 개념 설계는 기존 방법(예: Kern 방법)을 사용하여 수작업으로 수행할 수 있습니다. 그러나 최종 설계 및 검증, 특히 복잡한 서비스의 경우 정확성과 안전성을 위해 열 및 기계 설계 소프트웨어를 사용해야 합니다.

Q5: 최고의 내구성을 위해 어떤 소재를 권장하나요?

스테인리스 스틸, 니켈 합금 또는 기타 내식성 금속과 같은 소재는 특히 유체가 부식성이거나 고압/고온 서비스가 필요한 경우에 자주 사용됩니다. TOKO TECH와 같은 공급업체는 다양한 프리미엄 튜브와 소재를 제공합니다.

참고 자료 및 추가 자료

• "쉘 및 튜브 열교환기 설계 절차" - EnggCyclopedia 개요.
• "관형 열교환기 설계" - HRS 열교환기 설계 가이드.