대부분의 엔지니어에게는열교환기 배플나중에 생각하는 것입니다. 튜브는 열 전달을 위해 선택되고, 쉘은 압력 억제에 맞게 크기가 지정되며, 배플은 표준 패턴으로 지정됩니다. 이 접근 방식은 많은 애플리케이션에 효과적이지만 개선할 기회를 놓치게 됩니다. 이 기사에서는 배플 설계에 대한 관심이 성능을 크게 향상시키고 비용을 절감하며 작동 수명을 연장한 현장 실습의 여러 사례를 검토합니다.
사례 1: 과압-압력 냉각기
멕시코만 연안 지역의 한 화학 공장에는 가벼운 탄화수소 흐름에서 작동하는 직경 600mm의 쉘 및 튜브 냉각기가 있었습니다. 냉각기는 8년 동안 사용되었으며 적절하게 작동했지만 공장에서 펌프를 교체하거나 바이패스 설치를 고려할 정도로 압력 강하가 증가했습니다.
원래 설계에서는 25% 절단 및 200mm 간격의 단일 세그먼트 배플을 사용했습니다. 배플은 표준 TEMA 배열로 지정되었습니다. 작동 데이터를 검토한 결과 쉘{4}}측 압력 강하가 설계 값 35kPa에서 85kPa로 증가한 것으로 나타났습니다. 오염이 증가한 이유는 파울링 때문이었지만 파울링 비율은 예상보다 높았습니다.
해결책은 배플 간격이나 배플 컷을 변경하는 것이 아니라 배플 구성을 변경하는 것이었습니다. 단일 세그먼트 배플은 이중 세그먼트 배플로 교체되었습니다. 열 전달의 상당한 감소 없이 압력 강하가 40kPa로 감소되었습니다. 공장에서는 새 펌프 비용을 절약하고 설치를 위한 가동 중지 시간을 방지했습니다.
교훈: 압력 강하가 과도할 경우 펌프를 교체하기 전에 배플 유형 변경을 고려하십시오.
사례 2: 진동 번들
발전소에는 쉘 직경이 900mm인 급수 가열기가 있었습니다. 이 장치는 3년 동안 가동된 후 튜브 고장이 발생하기 시작했습니다. 파손은 튜브-대-튜브 시트 접합부와 튜브가 배플과 접촉하는 지점에서 발생했습니다. 오류는 흐름-으로 인한 진동으로 인해 발생했습니다.
설계에는 25% 배플 컷, 단일 세그먼트 배플 및 300mm 간격이 있었습니다. 계산된 튜브의 고유 진동수는 45Hz였습니다. 쉘{5}}측 흐름의 여기 주파수는 유속에 따라 30~50Hz로 추정되었습니다. 진동은 공명 상태였습니다.
해결책은 배플 간격을 200mm로 줄이는 것이었습니다. 이로 인해 고유 주파수가 여기 범위를 벗어나는 70Hz로 증가되었습니다. 튜브를 교체하고 배플을 수정한 후 장치를 다시 사용했습니다. 수정 비용은 지속적인 튜브 고장 비용의 일부였습니다. 발전소에서는 진동으로 인해 3년 동안 유지 보수 비용이 200,000달러 이상 발생하고 생산 손실이 발생한 것으로 추산했습니다.
교훈: 주파수 비율은 무시할 세부 사항이 아닙니다. 고유 주파수가 가진 주파수에 가까우면 진동과 고장이 발생합니다.
사례 3: 열 전달 부족
식품 가공 공장에는 점성 식품을 냉각하는 데 사용되는 직경 500mm의 쉘 및 튜브 열교환기가 있었습니다. 장치는 표준 배플로 설계되었지만 필요한 출구 온도를 달성하지 못했습니다. 제조업체는 더 큰 교환기를 추가하여 표면적을 늘릴 것을 제안했지만 공장에서는 더 저렴한-비용의 솔루션을 찾고 있었습니다.
설계를 검토한 결과 배플 간격이 250mm로 고점도 유체에 최적인 것보다 더 큰 것으로 나타났습니다.- 흐름 패턴은 배플 창을 통한 종방향 흐름에 의해 지배되었습니다. 튜브 위의 교차- 흐름은 낮았고 열 전달 계수는 설계 값보다 낮았습니다.
배플은 간격을 150mm로 줄여 수정되었습니다. 교차-유속이 증가하고 열 전달 계수가 증가하여 장치가 필요한 출구 온도를 달성했습니다. 수정은 예정된 유지보수 종료 기간 동안 완료되었으며 비용은 새 교환기 비용의 10% 미만입니다.
교훈: 점성 유체의 경우 표준 배플 간격이 너무 큰 경우가 많습니다. 간격이 작을수록 교차-흐름이 증가하고 열 전달이 향상됩니다.
배플 성능의 메커니즘
배플 시스템의 성능은 흐름 패턴, 속도 분포 및 압력 강하의 세 가지 요소에 의해 결정됩니다. 각각은 배플 디자인의 영향을 받습니다.
- 흐름 패턴. 배플 설계에 따라 흐름이 주로 교차-흐름인지 종방향 흐름인지가 결정됩니다. 교차-흐름은 경계층을 방해하므로 열 전달에 더 효과적입니다. 종방향 흐름은 열 전달에 덜 효과적이지만 배플 구획 사이에서 유체를 운반하는 데 필요합니다.
- 속도 분포. 배플 설계에 따라 흐름이 튜브 번들 전체에 걸쳐 균일한지 또는 특정 영역에 집중되는지가 결정됩니다. 불균일한 분포는-열 전달을 감소시키고 국소 오염 위험을 증가시킵니다.
- 압력 강하. 배플 설계는 교환기를 통한 압력 강하를 결정합니다. 압력 강하는 배플 창을 통과하는 속도와 교차-유량 속도의 함수입니다. 관계는 선형적이지 않습니다. 속도를 두 배로 늘리면 압력 강하가 약 4배 증가합니다.
배플 컷
배플 컷은 배플 디자인에 있어서 가장 중요한 변수이다. 이는 교차-흐름과 종방향 흐름 사이의 균형을 결정합니다. 절단량이 작을수록 교차 흐름과 열 전달이 증가하지만 압력 강하와 튜브 진동 위험도 증가합니다. 절단 폭이 크면 교차-흐름과 압력 강하가 감소하지만 열 전달도 감소합니다.
대부분의 용도에 대한 최적의 절단은 배플 면적의 20%~25%입니다. 이는 열 전달과 압력 강하 사이의 균형을 제공합니다. 압력 강하 제한이 높은 적용 분야의 경우 더 큰 절단이 필요할 수 있습니다. 열 전달이 우선시되는 응용 분야의 경우 더 작은 절단이 사용될 수 있습니다.
절단 방향도 고려 사항입니다. 대부분의 디자인에서 컷은 수평이며 창은 쉘의 상단이나 하단에 있습니다. 이는 수직 작동을 위한 표준 배열입니다. 수평 작업에서는 껍질 하부에 액체가 쌓이는 것을 방지하기 위해 일반적으로 절단이 수직으로 이루어집니다.
배플 간격
배플 간격은 교차 흐름의 속도-와 튜브의 지원되지 않는 범위를 결정합니다. 간격은 일반적으로 쉘 직경의 20% ~ 100%입니다. 최적의 간격은 열 전달 요구 사항, 압력 강하 제한 및 튜브 진동 위험에 따라 달라집니다.
- 열전달. 간격이 줄어들수록 열전달 계수는 증가합니다. 주어진 쉘 직경에 대해 계수는 대략 간격의 역수의 제곱근에 비례합니다. 이 관계는 실제 간격의 범위에 유효합니다.
- 압력 강하. 압력 강하는 대략적으로 간격의 반비례합니다. 간격이 작을수록 압력 강하가 증가합니다. 관계는 선형적이지 않습니다. 간격을 20% 줄이면 압력 강하가 30~40% 증가할 수 있습니다.
- 튜브 진동. 간격이 줄어들면 진동 위험도 줄어듭니다. 간격이 작을수록 지지되지 않는 범위가 줄어들고 고유 주파수가 증가합니다. 진동 위험은 흐름 패턴과 튜브 레이아웃의 영향도 받습니다.
이 세 가지 요소의 균형을 맞추도록 간격을 선택해야 합니다. 열 전달-이 지배적인 응용 분야의 경우 간격은 일반적으로 범위의 하단에 있습니다. 압력 강하-가 제한된 응용 분야의 경우 더 높은 수준입니다. 진동 위험이 높은 응용 분야의 경우 허용 가능한 진동 한계 내에서 튜브를 유지할 수 있을 만큼 간격이 작아야 합니다.
튜브 피치 및 튜브 레이아웃
튜브 피치-인접 튜브 사이의 거리-는 유량 분포와 압력 강하에 영향을 미칩니다. 더 큰 피치는 쉘{3}}측 흐름을 위한 더 많은 공간을 제공하여 압력 강하를 줄이고 더 높은 유속을 가능하게 합니다. 피치가 작을수록 주어진 쉘 직경에 대한 튜브 수가 증가하여 열 전달 면적은 증가하지만 흐름은 제한됩니다.
튜브 레이아웃-번들 내 튜브 배열-은 흐름 분포와 진동 특성에 영향을 미칩니다. 세 가지 표준 레이아웃은 다음과 같습니다.
- 삼각형(30도). 이 레이아웃은 주어진 쉘 직경에 대해 가장 높은 튜브 수를 제공합니다. 열 전달 영역을 최대화하는 것이 최우선인 응용 분야에 가장 일반적인 레이아웃입니다. 흐름 분포가 양호하고 압력 강하가 적당합니다.
- 정사각형(90도). 이 레이아웃은 튜브의 기계적 청소에 대한 접근을 제공합니다. 이는 쉘{3}}측 유체가 오염되거나 튜브를 청소해야 하는 응용 분야에 사용됩니다. 동일한 쉘 직경에 대해 튜브 수가 삼각형보다 적습니다.
- 회전된 정사각형(45도). 이 레이아웃은 삼각형 레이아웃의 높은 튜브 수와 사각형 레이아웃의 청소 액세스 간의 절충안을 제공합니다. 일부 청소 접근이 필요한 응용 분야에 사용됩니다.
배플-~-튜브 간격
배플 구멍과 튜브 사이의 간격은 바이패스 흐름과 튜브 진동 특성에 영향을 미칩니다. 표준 설계의 경우 간격은 일반적으로 0.5~1.5mm입니다. 간격이 작을수록 우회 흐름이 감소하고 열 전달이 향상되지만 조립 중 튜브 손상 위험이 높아질 수 있습니다. 간격이 크면 조립품 손상 위험이 줄어들지만 우회 흐름이 증가하고 열 전달이 감소합니다.
튜브 재질, 튜브 직경, 조립 방법에 따라 클리어런스를 지정해야 합니다. 스테인레스 스틸 튜브의 경우 더 높은 열팽창 계수를 설명하기 위해 탄소강 튜브보다 간격이 더 클 수 있습니다.
디자인 방법론
특정 응용 분야에 대한 배플 설계를 개발하는 데 다음 방법을 사용할 수 있습니다.
1단계: 프로세스 요구 사항을 설정합니다.
열부하, 유체 특성, 허용되는 압력 강하 및 튜브 진동 한계를 결정합니다. 이는 설계가 충족해야 하는 제약 조건입니다.
2단계: 배플 유형을 선택합니다.
공정 요구사항과 공간 제약에 따라 배플 구성을 선택하십시오. 단일 세그먼트 배플이 기본값입니다. 압력 강하가 과도할 경우 이중 세그먼트 또는 디스크-및-도넛 배플이 사용됩니다.
3단계: 배플 간격을 결정합니다.
원하는 열 전달 계수를 달성하고 허용 진동 한계 내에서 튜브를 유지하는 데 필요한 간격을 계산합니다.
4단계: 배플 컷을 결정합니다.
교차-흐름과 종방향 흐름 사이에서 원하는 균형을 이루는 데 필요한 절단량을 계산합니다. 절단은 일반적으로 배플 영역의 20% ~ 25%입니다.
5단계: 설계를 확인합니다.
열 전달 계수, 압력 강하 및 진동 위험을 계산합니다. 결과는 프로세스 요구 사항 내에 있어야 합니다.
6단계: 재료를 지정합니다.
유체 특성과 작동 온도를 기준으로 배플 재료를 선택하십시오. 배플 재료는 튜브 재료 및 쉘 재료와 호환되어야 합니다.
설치 및 유지 관리
배플의 설치 및 유지 관리는 일반적으로 간단하지만 몇 가지 중요한 고려 사항이 있습니다.
- 설치. 배플은 올바른 방향으로 설치되어야 합니다. 절단부는 입구 및 출구 노즐과 정렬되어야 합니다. 튜브 구멍은 튜브와 정렬되어야 합니다. 정렬이 잘못되면 조립이나 작동 중에 튜브가 손상될 수 있습니다.
- 점검. 유지보수가 중단되는 동안 배플을 검사해야 합니다. 검사에는 부식, 침식 및 변형에 대한 점검이 포함되어야 합니다. 튜브와 배플 구멍 사이의 간격이 마모로 인해 증가하지 않았는지 확인해야 합니다.
- 청소. 오염물이 있는 경우 배플을 청소해야 합니다. 청소 방법은 침전물의 유형에 따라 다릅니다. 유기 퇴적물에는 화학적 세척이 일반적입니다. 무기 침전물의 경우 기계적 세척이 일반적입니다.
결론
배플 시스템은 쉘 앤 튜브 열 교환기의 중요한 구성 요소입니다. 그 설계에 따라 흐름 패턴, 열 전달 계수, 압력 강하 및 튜브 진동 특성이 결정됩니다. 설계는 열 전달, 압력 강하, 기계적 지지 등 경쟁 요구 사항의 균형을 맞춰야 합니다.
배플 유형, 간격 및 절단 선택은 공정 조건, 흐름 특성 및 기계적 요구 사항에 대한 체계적인 평가를 기반으로 해야 합니다. 분석에는 열 전달 계산, 압력 강하 계산 및 진동 분석이 포함되어야 합니다. 적절한 방법을 사용하여 설계를 검증해야 합니다.
적절하게 설계 및 설치되면 배플 시스템은 교환기의 설계 수명 동안 안정적인 열 전달을 보장합니다. 잘못 설계하면 성능 저하, 과도한 압력 강하, 튜브 진동 또는 조기 고장이 발생할 수 있습니다.