열교환기 개요

열교환기란 고온측의 에너지를 저온측으로 전달하는 장치로서 특히 석유화학 공장에서는 여러 가지 형태의 많은 열교환기를 필요로 한다.​

​​가장 일반적인 configuration이 증류탑 주변의 열교환기들로서 원하는 성분으로 분리하기 위하여 top에서는 condenser가 설치되어 응축후 응축물을 다시 column으로 되돌리는 reflux역할을 하게 하고, 증류탑 아래에는 reboiler를 설치하여 탑내에서 분리를 위한 driving force인 에너지를 공급한다. 그리고 원하는 온도로 올리거나 내리는 목적의 heater와 cooler가 필요하다.​

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그 밖에 반응에 필요한 열을 주기 위한 열교환기, 제품의 저장을 위해 열을 제거하기 위한 열교환기, 공정에서 발생한 폐열을 회수하기 위한 열교환기 등 양 유체간에 열에너지를 전도와 대류로서 유용하게 이동시킨다.

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이러한 기능을 목적으로 하는 열교환기의 기본설계란 공정조건에서 요구되는 thermal performance와 허용 압력손실을 만족하며 유체의 흐름에 의한 진동이 일어나지 않도록 장치를 설계하는 것이다.

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이러한 과정에서 열교환기만의 가격을 낮출 목적으로 compact하게 설계를 하기 위해 유체의 속도를 증가시켜 열전달 효율을 높일 경우 반대급부로 압력손실이 증가하여 펌프의 비용 및 운전비가 증가하게 되는 상반된 결과를 초래하므로 여러 가지 복잡한 제한 조건을 만족시키는 최적의 설계를 해야 한다.​

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열전달 이론

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열전달은 기본적으로 3가지 메커니즘에 의해 이루어지며 그 중 전도는 고체층을 통한 열전달이며, 대류는 기체나 액체를 통한 열전달이고, 복사는 고온의 물체에서 열이 기체층인 매질을 통과해서 반대편에 전달되는 과정으로 태양열이나 fired heater의 복사열이 해당된다.

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열전달은 위 메커니즘 단독으로 일어나기 보다는 동시에 일어나는 경우가 많으며 약 300도까지는 주로 전도와 대류에 의해 지배되며, 고온일수록 복사의 영향이 커진다.

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열이 어떤 물질을 통하여 흐르는 과정인 전도의 가장 기본적인 법칙이 Fourier법칙으로 단위면적당 열전달량은 두 물체간의 온도 구배에 비례하고, 통과되는 물체 거리에 반비례하며 이 때의 비례상수가 열전도도이다. 전도는 유체의 이동 없이 물질내에서 분자간의 접촉에 의해 열이 전달되며 열전도도는 기체나 액체에 비해 금속성분인 고체에서 그 값이 월등히 높다.

 

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​대류 열전달은 유체의 열전달 저항이 전체 유체중에서 가상적인 두께에 모두 모여 있으며 이 경계영역에서는 열전달이 전도의 개념으로 일어난다는 것으로 film coefficient가 도입되었다. 즉, 단위면적당 대류 열전달량은 두 물체간의 온도 구배에 비례하며 이 때 비례상수가 경막계수인 film coefficient이다. 대류에 의한 열흐름은 유체의 이동에 의한 것으로 밀도차에 의해 움직이는 자연대류와 외부 힘에 의해 유체가 움직이는 강제대류로 구분한다.​

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​복사는 전자파에 의해 에너지가 공간을 통하여 전달되는 현상으로 겨울철 모닥불에 둘러 앉아 몸을 따뜻하게 하거나 태양열이 지구에 미치는 열과 fired heater의 복사부에서 tube내 유체가 열을 흡수하는 방식의 열전달이 대표적인 예들이다.​

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​모든 전달 현상은 저항에 대한 추진력의 비로서 정의된다.​

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총괄 열전달계수

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고온측에서 저온측으로 열이 전달되는 과정에서의 각 항목별 (유체 경막저항, 오염저항, 벽저항) 열전달 저항들에 대한 합이 총괄 열전달의 총괄 저항이며, 이 총괄 저항의 역수가 총괄 열전달 계수가 된다.

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일반적으로 wall은 한 종류의 tube이므로 아래 식의 벽저항들과 접촉 저항의 합이 tube 재질의 열전도도의 역수가 된다.​

 

​열 수지 및 열전달식

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열을 주고 받음에 의한 열교환기의 목적에 따라 응축이나 비등과 같은 상변화가 일어날 수도 있고 단지 온도변화만 일어날 수도 있다. 상변화가 없는 경우에는 현열 (sensible heat)이 전달되지만 상변화가 있는 경우 phase가 변화되면서 가지고 있는 잠열 (latent heat)이 전달되며 혼합물일 경우 잠열외에 일부 현열도 함께 전달이 된다.

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위의 열전달량은 공정 조건과 유체의 물성치에 의해 계산이 되는 값이며, 이를 만족하기 위한 장치인 열교환기가 적절하게 sizing이 되어야 완벽한 열전달의 목적을 달성할 수 있다.

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열교환기 sizing을 위해 newton의 냉각법칙이 적용되며, 전체열량은 총괄열전달계수*전열면적*평균온도차의 곱으로 이루어진다.

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양측 열수지식의 필요 열량 (일반적으로 양측 열량 차이가 5% 이내이면 acceptable함)과 실제 sizing을 통한 전열면적 및 총괄 열전달계수를 통해 계산된 열량을 비교하여 over design을 판단할 수 있다.

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총괄 열전달 계수의 역이 저항이며 총괄 저항은 열전달 과정의 개별 저항들의 합으로서 다음과 같이 나타낼 수 있으며 tube를 통한 열전달이므로 내경과 외경이 보정되어야 한다.

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​양측의 경막 열전달 계수와 압력손실은 기하학적 형상에 의해 결정되는 유속 및 여러 물성치들의 조합인 무차원수들의 함수이다.

 

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평균 온도차

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열전달 추진력인 총괄 온도차의 경우 상변화가 없는 경우 양측의 평균 온도차 형태로 표현하여도 크게 무리가 없지만 상이 변하는 경우에는 열전달 계수 및 온도변화가 불규칙한 곡선형태로 변하므로 temperature profile을 각 증분으로 나누어 계산후 전체구간으로 적분해야 한다.

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향류의 경우 병류보다 온도차이가 크기 때문에 열전달이 더 잘 일어나며, 열전달 면적이 더 적게 요구되지만 공정 특성상 어느 한 유체의 출구온도가 다른 쪽 유체의 출구온도보다 낮거나 또는 높아지면 문제가 생길 경우 병류를 고려하여 물리적 제한을 두기도 한다.

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​반면 단일상 유체가 상변화할 때 입출구 온도가 변하지 않는 경우와 상변화가 없어도 단일 pass로서 입출구 온도가 동일한 경우 산술 평균 온도차를 적용할 수 있다. 입구와 출구에서의 온도차이가 50%미만이라면 산술평균 온도차와 대수평균 온도차의 차이는 1%미만이며​ 계산을 간단히 하기 위해 산술평균 온도차를 사용할 수 있다.

 

 

 

tube에서의 열전달

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유체는 레이놀즈 수에 따라 2,100이하인 층류와 4,000이상인 난류로 구분되며, 유체의 혼합이 빠른 난류에서 열전달은 더욱 잘 일어난다.

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관벽을 따라 흐르는 유체는 마찰 때문에 아주 천천히 흐르며 마치 정지되어 관 벽을 덮는 막과 같은 역할을 한다. 따라서 이 막은 열전도도가 아주 낮은 물질로 관 벽을 둘러싸고 있는 것과 같은 결과를 초래하여 주 흐름으로의 열 전달을 저하시키게 된다. 난류가 클수록 이 막의 두께는 얇아져 열전달이 잘 일어나며, 반면 층류의 경우 이 막의 두께가 두꺼워져 열 전달 과정에 큰 저항이 된다.​

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​위 온도 구배를 통해 알 수 있듯이 관 벽을 통한 온도강하는 매우 작고 대부분이 관 내외부 주변에서의 scale과 film을 통한 열전달 과정에서의 온도 강하가 큰 비중을 차지한다.

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재질선정

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설계수명과 부식율을 고려하되 열교환기는 보통 20년 이상 운전이 가능하도록 설계한다. 가능한 초기 투자비와 유지관리비가 최소가 되도록 재질을 선정하며 부식관점에서 NACE guideline에 따라 재질 선정 및 부식여유를 고려한다.

 

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설계온도/설계압력

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설계 온도는 max operating temperature에 마진을 고려하여 결정한다. 반면 설계압력은 max operating pressure에 마진을 고려하는 것 외에 hydraulic측면의 equipment 위치에 따라 그리고 worst case인 pump shut off조건에 견디며, 10/13 rule도 고려하여 결정한다.

 

 

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