셸 및 튜브 열교환기

Shell and tube heat exchanger
셸 및 튜브형 교환기의 유체 흐름 시뮬레이션셸 인렛은 후면 상부에 있고 포그라운드 하부에 있습니다.
셸 및 튜브 열교환기

튜브교환기 교환기 설계[1][2]한 종류입니다.정유 및 기타 대규모 화학 공정에서 가장 일반적인 유형의 열 교환기로, 고압 용도에 적합합니다.이름에서 알 수 있듯이, 이러한 유형의 열 교환기는 내부에 튜브 다발이 있는 쉘(대형 압력 용기)로 구성됩니다.한 유체는 튜브를 통과하고 다른 유체는 튜브(셸을 통과)를 통해 흐르며 두 유체 사이에서 열을 전달합니다.튜브 세트는 튜브 다발이라고 불리며, 플레인, 세로 핀 등 여러 종류의 튜브로 구성될 수 있습니다.

이론과 응용

시작 온도가 서로 다른 두 개의 유체가 열 교환기를 통해 흐릅니다.하나는 튜브(튜브 측)를 통과하고 다른 하나는 튜브 외부로 흐르지만 셸 내부(셸 측)를 통과합니다.열은 튜브 벽을 통해 튜브 측에서 셸 측으로 또는 그 반대로 한 유체에서 다른 유체로 전달됩니다.유체는 쉘 또는 튜브 쪽에 액체 또는 기체가 있을 수 있습니다.효율적인 열 전달을 위해서는 넓은전달 영역을 사용해야 하며, 이로 인해 많은 튜브가 사용됩니다.이렇게 하면 폐열을 사용할 수 있습니다.이것은 에너지를 절약하는 효율적인 방법입니다.

각 면에 단상(액체 또는 기체)만 있는 열 교환기는 단상 또는 단상 열 교환기라고 할 수 있습니다.2상 열교환기는 액체를 가열하여 보일러라고 불리는 가스(증기)로 만들거나 증기를 냉각하여 액체(응축기라고 함)로 응축하는 데 사용할 수 있으며, 상변화는 보통 셸 측에서 발생합니다.증기 기관차의 보일러는 일반적으로 원통형 쉘 및 튜브형 대형 열 교환기입니다.증기 구동 터빈이 있는 대형 발전소에서는 터빈에서 나오는 배기 증기를 응축수로 응축하기 위해 셸 및 튜브 표면 응축기가 사용되며, 응축수는 증기 발생기에서 다시 증기로 전환되도록 재활용됩니다.

또한 증발기와 콘덴서의 냉매와 물 사이에서 열을 전달하기 위한 액체 냉각식 냉각기 및 증발기 전용 공랭식 냉각기에도 사용됩니다.

셸 및 튜브 열교환기 설계

쉘과 튜브 디자인은 여러 가지 종류가 있을 수 있습니다.일반적으로 각 튜브의 끝은 튜브 시트의 구멍을 통해 천장( 상자라고도 함)에 연결됩니다.그 튜브들은 직선이거나 U 튜브라고 불리는 U자 모양으로 구부러질 수 있다.

U-tube heat exchanger.PNG

가압수형 원자로라고 불리는 원자력 발전소에서 증기 발전기라고 불리는 대형 열 교환기는 전형적으로 U-튜브를 가진 2상 쉘-관 열 교환기입니다.표면 응축기에서 재활용된 물을 증기로 끓여 터빈을 구동하여 전력을 생산하는 데 사용됩니다.대부분의 셸 및 튜브 열 교환기는 튜브 측에서 1, 2, 또는 4 패스 설계입니다.이것은 튜브의 유체가 셸의 유체를 통과하는 횟수를 나타냅니다.싱글패스 열교환기에서 유체는 각 튜브의 한쪽 끝을 통과하고 다른 쪽 끝을 통과합니다.

Straight-tube heat exchanger 1-pass.PNG

발전소의 표면 응축기는 대개 1-패스 직진관 열 교환기입니다(그림은 표면 응축기 참조).오일이 같은 쪽에서 드나들 수 있기 때문에 2패스 및 4패스 설계가 일반적입니다.이렇게 하면 시공이 훨씬 쉬워집니다.

Straight-tube heat exchanger 2-pass.PNG

셸 측을 통해 흐름을 유도하는 배플이 있는 경우가 많기 때문에 오일이 셸 측을 통해 지름길로 가지 않고 비효율적인 저유량 상태로 남아 있습니다.이들은 일반적으로 셸이 아닌 튜브 번들에 부착되어 있기 때문에 유지보수를 위해 분리할 수 있습니다.

카운터 전류 열 교환기는 온기와 냉기 스트림 간에 로그 평균 온도 차이가 가장 높기 때문에 가장 효율적입니다.그러나 많은 기업이 2패스 열교환기를 u-튜브와 함께 사용하지 않는 이유는 제조 비용이 더 많이 들 뿐만 아니라 쉽게 파손될 수 있기 때문입니다.단일 대형 교환기의 역류 전류 흐름을 시뮬레이션하기 위해 여러 개의 열 교환기를 사용할 수 있습니다.

튜브 번들 셸 및 튜브 열 교환기

튜브 재료 선택

열을 잘 전달하려면 튜브 재료의 열 전도율이 우수해야 합니다.열은 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 튜브를 통해 전달되기 때문에 튜브 폭에 따라 온도 차이가 있습니다.튜브 재료의 열팽창 경향은 온도에 따라 다르기 때문에 작동 중에 열응력이 발생합니다.이는 유체 자체에서 발생하는 고압에 의한 스트레스에 더해집니다.또한 튜브 재료는 부식과 같은 열화를 최소화하기 위해 작동 조건(온도, 압력, pH 등)에서 셸 및 튜브 측면액과 장기간 호환되어야 한다.이러한 모든 요구사항은 알루미늄, 구리 합금, 스테인리스강, 탄소강, 비철 구리 합금, 인코넬, 니켈, 하스텔로이 [3]티타늄을 포함강하고 열 전도성, 부식 방지, 고품질 튜브 재료를 신중하게 선택해야 합니다.극도의 [4]온도에 대한 내성이 높기 때문에 튜브 재료의 제조에는 Perfluoroalkoxy Alkane(PFA) 및 FEP(Fluorized Ethylene Profilene)와 같은 불소 고분자도 사용됩니다.튜브 재료를 잘못 선택하면 쉘과 튜브 측면 사이의 튜브를 통해 누출되어 유체 교차 오염이 발생하고 압력이 손실될 수 있습니다.

응용 프로그램 및 용도

셸 및 튜브 열 교환기의 단순한 설계로 인해 다양한 용도에 이상적인 냉각 솔루션입니다.가장 일반적인 용도 중 하나는 엔진, 변속기 및 유압 파워 팩에서 유압 오일과 오일을 냉각하는 것입니다.적절한 재료를 선택하면 수영장 물이나 차지 [5]에어와 같은 다른 매체를 냉각 또는 가열하는 데도 사용할 수 있습니다.셸 및 튜브 기술에는 플레이트에 비해 많은 이점이 있습니다.

  • 셸 및 튜브 열 교환기를 사용하는 가장 큰 장점 중 하나는 특히 튜브 번들을 사용할 [6]수 있는 모델의 경우 유지보수가 용이하다는 것입니다.(튜브 플레이트가 외부 쉘에 용접되지 않은 경우).
  • 하우징의 원통형 디자인은 압력에 매우 강하고 모든 범위의 압력 적용이 가능합니다.

과압 보호

셸 및 튜브 열 교환기의 경우 튜브가 파열되고 고압(HP) 오일이 열 [7]교환기의 저압(LP) 쪽으로 유입되어 과압될 가능성이 있습니다.교환기의 일반적인 구성은 HP 오일이 튜브에 들어가고 LP 물, 냉각 또는 가열 매체가 셸 측에 배치되는 것입니다.튜브 파열은 셸의 무결성을 훼손하고 인화성 가스 또는 액체를 방출하여 인명 및 재정적 손실을 초래할 위험이 있습니다.교환기의 셸은 파열 디스크 또는 방출 밸브에 의해 과압으로부터 보호되어야 한다.보호 장치의 개방 시간은 교환기 [8]보호에 매우 중요한 것으로 확인되었습니다.이러한 장치는 교환기의 셸에 직접 장착되고 릴리프 시스템으로 배출됩니다.

설계 및 시공 기준

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Sadik Kakaç & Hongtan Liu (2002). Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design (2nd ed.). CRC Press. ISBN 0-8493-0902-6.
  2. ^ Perry, Robert H. & Green, Don W. (1984). Perry's Chemical Engineers' Handbook (6th ed.). McGraw-Hill. ISBN 0-07-049479-7.
  3. ^ "Shell and Tube Exchangers". Retrieved 2009-05-08.
  4. ^ "PFA Properties" (PDF). www.fluorotherm.com/. Fluorotherm Polymers, Inc. Retrieved 4 November 2014.
  5. ^ "Applications and Uses". Retrieved 2016-01-25.
  6. ^ 열교환기벨로우즈 배관 기술 및 제품(2012년 3월 회수)
  7. ^ The Energy Institute (2015). Guidelines for the safe design and operation of shell and tube heat exchangers to withstand the impact of tube failure. London: The Energy Institute.
  8. ^ The Institution of Chemical Engineers (21 March 2018). "Screening Heat Exchangers for High Pressure Differential Relief". The Institution of Chemical Engineers. Retrieved 24 January 2021.{{cite web}}: CS1 maint :url-status (링크)

외부 링크