TEMA F shell type의 longitudinal baffle

shell의 축과 평행한 방향으로 설치된 baffle로서 shell side 유체의 방향을 전환하여 2pass가 되도록 하여 유속을 증가시키므로서 heat transfer를 개선하기 위하여 설치한다.

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longitudinal baffle은 TEMA의 F, G, H type shell에 적용되어 tube pass가 2인 경우 완벽한 countercurrent flow를 만들기 위해 고려할 수 있다.

 

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이를 위해 shell 내부에 수평방향의 긴 baffle을 설치하여 shell flow를 위와 아래로 나누어 shell side를 2번 통과하게 하여 그만큼 유속을 높여 열전달을 극대화시킬 수 있지만, 반대 급부로 차압이 커질 수 있다. 다만 F shell type을 적용할 경우 주요 문제로는 longitudinal baffle을 통한 thermal leakage 내지는 clearance를 통한 hydraulic leakage이다.

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따라서 insulated baffle 및 sealed baffle을 적용하여 이를 해결할 수 있다. CFD와 HTRI를 비교한 결과 F shell을 적용시 HTRI는 B stream이 높게 예측을 했지만 CFD상으로는 A stream이 크게 예측이 되어 그만큼 hydraulic leakage가 클 수 있음을 보여주며, 이에 비례하여 열전달 효과가 저하될 수 있다. 그래서 실제 플랜트 운전에서 longitudinal baffle을 가로지르는 thermal leakage나 hydraulic leakage로 인해 F type shell은 좋은 대안이 아닌 것으로 보인다.

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shell and tube 열교환기 설계할 때 temperature cross가 예상이 될 경우 shell을 series로 배치하거나 F shell을 고려한다. 하지만 F shell은 maintenance과정에서 bundle을 pull out하거나 insertion시 손상이 될 수 있어서 가능하면 원하는 temperature approach를 얻기 위해 shell in series를 고려하며, 각 shell에서의 LMTD correction factor인 Ft가 0.8을 초과하도록 해야 한다.

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아울러 shell side 차압이 0.5bar를 넘을 경우 shell side 내부의 bypass가능성이 커져 F shell을 적용함에 있어서 제한적 요인이며, cleaning을 위해 maintenance가 빈번할 경우 bundle pull out시 sealing device가 손상이 될 수 있어서 이러한 경우에도 F shell type이 제한된다. 그리고 shell side 유체의 in/out 온도차이가 클 경우 baffle을 통한 thermal leakage가 높아 F shell 적용이 제한될 수 있다. 전열면적이 200ft2이하인 작은 열교환기에도 F shell을 잘 적용하지 않으며 tube pass가 1pass인 경우에도 F shell은 적용하지 않는다.

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가장 중요한 포인트는 shell side heat trasnfer coefficient가 controlling case인 경우 열전달 기여 측면에서 개선의 여지가 가장 큼에 따라 F shell을 적용하여 효과를 높일 수 있으며, 이 또한 2 tube pass에서만 가능하다.

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cryogenic application의 경우 tube skin temperature가 중요하여, 피냉각 유체측의 ice film 형성을 피하도록 shell side heat transfer coefficient가 governing case가 된다면 이를 F shell로 적용하여 문제를 해결할 수도 있다.

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Perry's chemical engineer's handbook 8th ed. 11-5

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Perry's chemical engineer's handbook 8th ed. 11-45

 

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TEMA는 min baffle 두께, 최대 unsupported tube length, tube사이의 clearance, baffle 내 hole clearance, shell ID와 baffle OD사이의 clearance등을 specify한다.

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F shell의 stationary tubesheet에 longitudinal baffle이 용접되어 baffle edge와 shell사이에서의 leakage를 최소화하거나, removable bundle이 사용된다면 아래 도면처럼 leakage gap은 flexible strip이나 packing device에 의해 sealing되어야 한다.

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shell 내부에 longitudinal baffle을 설치하여 비록 차압은 증가하지만 유속 증가에 따른 열전달 성능을 높일 수 있지만, baffle 위와 아래에 존재하는 temperature gradient로 인한 추가적인 전도 열전달에 의한 heat loss가 가능하며 아울러 shell과 baffle사이의 clearance의 seal이 효과적이지 않아 shell side를 흐르면서 형성되는 pass간의 pressure gradient로 인해 fluid leakage를 야기함에 따라 현실적인 상황을 고려하여 F shell은 잘 적용하지 않으며, temperature cross issue가 있을 경우 오히려 shell in series를 검토한다.

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실례로 인도 정유공장내 hydrotreater service내 F type shell을 적용한 feed effluent 열교환기의 thermal performance issue가 있었고, HTRI계산으로 hot end approach가 30도이었는데 실제 현장에서는 50도 이하로 내려가지 않았다. 이러한 경험에 따라 thermal performance가 낮은 F type shell이 아닌 E type shell을 2개 배치하도록 개선을 하였다.

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baffle bypassing을 없애기 위해 F shell에 longitudinal baffle을 welded하면 이러한 hydraulic leakage문제는 해결할 수 있지만 maintenance 및 cleaning에 제약이 있어서 clean service에서는 고려할 만하고, 제한된 공간내에 multiple shell을 적용해야 하는 revamping 프로젝트에 효과적으로 검토해 볼 수 있다.

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thermal leakage를 최소화하기 위한 insulated baffle의 경우 special coating 처리를 하거나, 2개의 plate를 설치하고 sealing단계에서 그 사이에 공기가 trap되어 단열의 기능을 유지할 수 있다.

 

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