열교환기 설계 수업 (1/N)

<기초이론>

U0=the overall coefficient based on the outside area of the tube, W/m^2℃

h0=outside fluid film coefficient, W/m^2℃

hi=inside fluid film coefficient, W/m^2℃

hod=outside dirt coefficient (fouling factor), W/m^2℃  역수로 쓸때가 많다.

hid=inside dirt coefficient, W/m^2℃

di=tube inside diameter, m

do=tube outside diameter, m

 

wall temperature 구해야 하는 이유 :  h=c Re^0.8 Pv^0.3 (u/uv)^0.14 에서 마지막 term 이게 점도 비율인데, 보통은 무시. 만일 온도변화에 따라 점도가 달라진다면, h값이 바뀌게 되므로, wall temperature를 구해서 점도 고려해야함.

 

온도차 -> LMTD구하기 -> U값은 table에서 찾기 -> 전열면적 계산.

 

fouling factor는 깨끗한 정도.

열교환기의 reboiler의 경우 녹 등이 다 밑으로 떨어지기 때문에 더럽다. hod 값이 작다.

 

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<shell and tube 열교환기 설계>

1. Baffle

Baffle의 설치 : Tube plate에 환봉(rod)을 돌려서 고정하고 -> spacer를 끼운 다음 -> baffle을 하나 넣기 -> 다시 spacer -> 다시 baffle.... 이런 순서로 고정. 마지막에 환봉을 고정할때는 double nut를 써야함(single nut는 spacer를 압착하는 효과가 생겨버림)

 

Baffle의 역할 : ① Tube의 지지역할(tube가 1.2m이상 길어지면 축 늘어짐. 그리고 유체가 흐를때 진동발생)

② 유속을 빠르게 해줌.

 

Baffle 간격에 따라 열전달 계수 바뀜

Baffle 너무 많이 넣으면 Baffle 틈새로 유체 흐를경우 생김 -> 전열계수 오히려 떨어짐.

 

Baffle 종류 : (a) Segmental, (b) Segmental and strip, (c) Disc and doughnut, (d) Orifice

(a)를 많이 쓴다. (d)방법은 tube의 support역할을 못해주므로, 잘 안씀.

열교환기 내에서 응축이 발생할 경우 baffle의 하단에 구멍을 내어 응축액이 흐를수있게 해준다.

 

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2. 열교환기 구조

Fixed-tube plate : 분해가 불가능하므로 shell이 한번 오염되면 청소불가

 

U-tube : 분리가능하므로 tube사이 청소가능

 

청소를 용이하게 하기 위해 front, rear side를 분리할 수 있게 만든다.

단, clamp ring이 없는 경우, wall과 tube의 간격이 너무 멀어져서 tube 사이사이로 유체가 흐르지 않고 주위로만 돌 경우, 전열이 잘 안될수있다.

clamp ring을 이용하여 wall과 tube사이의 간격을 줄이면 위의 단점을 극복할 수 있다. (아직 정확한 차이점 모르겠음)

 

Tube 배열 방법 : 3각, 4각, 있는데, 3각은 솔이 들어갈 틈이 없으므로 청소하기 힘들다. 청소 고려한다면 4각으로 할 것. 단 집적율 떨어짐.

 

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3. Tube

BWG로 두께 얘기함.

두께 클수록, 내경 좁아지고, 그럼 청소하기 어렵다.

TEMA R:원자력 등 위험물 다룰때 , TEMA C:값이싸고 안위험할때, TEMA B:일반화학공정

3/4이하는 잘 쓰지 않음.

3인치 이상은 잘 쓰지 않음.

 

Tube sheet에 tube를 고정하기 위해 (a)welding(용접) (b)홈이 파인 틈 을 이용하는데,

용접의 경우는 주의할 점이 있다.

열교환기 특성상 온도차가 많이 발생하고, 100℃차이시 1m당 1.2mm의 수축팽창 일어남. 따라서 만일 용접을 할 경우 그 부위에 10000kg/m2의 응력이 발생 --> 용접부위 쉽게 터진다.

따라서 홈이 파인 곳에 tube를 넣고, tube속에 롤러를 넣어 돌리면서 힘을가하면 홈으로 밀리면서 고정이 된다. 만일 tube속의 물질이 매우 위험하여 절대로 세면 안된다고 한다면, 홈으로 고정을 하고, 주위에 welding을 살짝만 하도록 한다.