기능상 분류
공정 목적상의 분류로서 양쪽 유체중 어느 유체에 주 관점을 두느냐에 따라 달라질 수 있으며 주로 공정유체를 기준으로 하되, 크게는 상변화 유무 관점으로 category를 나눌 수 있다.
Heater는 유체를 단순히 가열하며 열원으로는 주로 steam이나 hot oil을 사용하고 cooler는 유체를 단순히 냉각하며 cooling source로는 냉각수, 해수, 공기, 냉매 등이다.
Condenser는 vapor를 응축하기 위한 용도로서 냉각원으로는 냉각수, 해수, 공기가 있고, 특별히 스팀 터빈으로부터의 수증기를 응축시켜 물을 얻는 열교환기로 복수기라고 부르는 surface condenser가 있다.
Reboiler는 증류조작에 필요한 열을 줄 수 있도록 탑저액에 열을 공급하여 vapor나 2phase로 만들어 증류탑으로 보내며 열원으로는 스팀이나 hot oil등이 있다.
Vaporizer는 reboiler와 비슷하지만 증류탑이 아닌 공정에서 액체를 가열하여 발생하는 증기를 사용할 목적으로 고려한 열교환기로서 bayonet 열교환기처럼 충진물 재생을 위해 액체를 가열하여 증발 그리고 과열 증기로 만든다.
Evaporator도 vaporizer와 유사하지만 액체를 가열하여 vapor는 다른 목적으로 사용하고, 액체의 농도를 높이기 위해 사용되는 열교환기로 sludge의 농축액을 만드는 thin film evaporator가 있다.
Chiller는 cooler와 유사하지만 냉각원이 물이 아닌 refrigerant로서 열교환기내에서 냉매의 증발을 통해 공정 유체의 온도를 매우 낮은 온도로 떨어트릴 목적으로 사용된다.
Heat exchanger는 일반적으로 process-process 열교환기를 말하며 한쪽은 heater, 다른 한쪽은 cooler의 역할을 한다.
Total condenser는 vapor의 전체가 응축되는 것이며, partial condenser는 vapor중 non condensable을 제외하고 운전조건에서 응축이 가능한 성분만 응축시키는 열교환기이다.
Superheater는 증기를 포화온도에서 과열상태까지 가열하여 이송중 응축을 방지하기 위해 사용되며, 반대로 desuperheater는 과열증기를 포화온도까지 냉각하여 이후 응축공정에서 포화증기를 사용할 수 있도록 하기 위함이다.
After cooler는 주로 압축기 후단에서 압축열을 제거하기 위해 설치되며, inter cooler는 다단 압축기 사이에서 압축열을 제거하여 다음 단으로 보내어 효율을 유지하기 위해 사용된다.
Thermosiphon reboiler는 reboiler의 일종으로 pump에 의해 운전되는 forced reboiler와 반대되는 즉 밀도차이에 의해 순환되는 reboiler이며 head 차이에 의해 원하는 유량이 순환되어 공정에서 필요로 하는 vapor를 만들어 증류탑에 돌려보낸다. 수직형과 수평형이 있으며 이들도 여러 type이 있고 fluid allocation이나 운전 형태가 다르다.
Kettle reboiler는 액체속에 잠겨 있는 가열관으로부터 열을 공급받아 100% 증기를 증류탑의 vapor공간으로 보내고 증발이 되지 않은 액체는 다시 증류탑의 탑저로 보내거나 bottoms로 얻을 수 있다.
Steam generator는 residue처럼 공정내 고온의 폐열을 이용하여 물을 증발시켜 스팀을 만들어 공정내에서 열원으로 사용하거나 외부로 보내며 고온의 폐가스처럼 폐열 회수 및 에너지 절감을 위해 사용하는 waste heat boiler도 있다.
구조상 분류
공정조건, 설치장소, 경제성을 고려하여 적합한 열교환기 type을 적용하기 위해 각 종류별 구조, 장단점 및 특성을 파악해야 한다.
Shell and tube type은 가장 광범위하게 사용되며 신뢰도 및 효율이 높고 TEMA code에 따라 설계 및 제작이 된다. 종류로는 fixed tube sheet, floating tube sheet, U tube, kettle type등이 있다.
Fixed tube sheet의 경우 shell side와 tube side가 온도차이에 의해 열팽창 정도가 달라 열 응력에 의해 열교환기가 damage를 입을 수 있어서 보통은 온도차이가 100도가 넘을 경우 expansion joint를 설치할 수 있지만 기계적인 문제나 유지관리측면에서 원칙적으로 온도차이가 많이 나는 경우 fixed tube sheet를 사용하지 않는 것이 좋다. 아울러 shell side의 청소, 점검, 보수가 곤란하므로 fouling이 심한 유체는 tube side로 흐르게 해야 하며, 다른 type에 비해 간단하고 제작비가 싸다.
반면 floating head type은 양측 온도 차이에 아무런 구속을 받지 않으며 tube bundle을 shell에서 빼내어 청소 및 점검할 수 있는 구조로 오염이 생기기 쉬운 유체도 취급이 가능하지만 구조가 복잡하고 제작비가 높다.
다음으로 U tube가 있으며 이는 shell side 청소나 열팽창 문제는 해결할 수 있지만, tube가 굽어 있어 청소하는데 제한이 되어 tube측 유체의 오염계수는 낮아야 한다.
마지막으로 kettle type이 있으며 shell side에서 pool boiling이 일어나는 경우에 적용하며 reboiler로 많이 사용되며 top공간에 vapor와 liquid를 분리할 수 있도록 충분한 공간을 두어야 한다.
이는 고온 고압 조건 및 많은 유량 처리가 가능하고 두 stream의 유량 차이가 많이 나더라도 취급이 가능하며 튼튼하고 안전한 구조로서 기계적인 신뢰성이 높다.
Double pipe type은 heat duty가 작은 경우에 적용하며 비교적 간단한 구조로 일반적으로 전열면적이 20 m2이하에 적용하고 그 이상은 space가 커지게 되므로 이때는 compact한 S&T를 적용하는 것이 경제적일 수 있다. 열팽창이나 진동의 이유로 이음부분에서 외측 유체가 새어나올 수 있으므로, 안전을 위해 외측 유체는 냉각수나 저압유체로 선택하는 것이 바람직하다.
Pipe coil type은 보통 tank나 vessel 내외부에 permanent로 설치되므로 열교환기로 고려하지 않고 equipment의 부속물로 간주한다.
Air cooler는 냉각수 대신 공기를 이용하며 특히 중동처럼 물이 부족한 경우에 많이 적용하지만 공기의 열 전도도가 물에 비해 매우 낮아 보통 tube 외측에 fin을 설치하여 전열면적을 키우고, 강제적으로 공기를 흐르게 하기 위해 fan이 사용되는데 fan blade의 위치에 따라 forced draft와 induced draft로 구분한다. 하지만 air cooler는 넓은 설치면적이 필요하며 (대부분 pipe rack위에 설치됨) 투자비가 크고 tube 교환이 어려운 단점이 있다.
Plate and frame type은 frame, plate, tie bolt로 구성되며, 전열판 청소가 자유롭고 보수점검이 용이하며 확장성도 뛰어나다. 반면 고무나 합성수지 가스켓을 사용하므로 고온, 고압 및 부식환경에서는 적합하지 않고 주로 상변화가 없는 액체에 많이 사용하고 15kg/cm2이하, 150도 이하에 적용이 된다. 이러한 단점을 보완한 것이 plate를 용접한 welded plate type으로 운전조건에는 제한이 없지만 부식성이나 오염이 심한 유체에는 제한이 있으며 많이 사용하는 것으로 packinox 열교환기가 있다. Plate type 열교환기 특징으로는 가스켓을 통해 두 유체가 분리되며 서로 섞이지 않는 구조이며 유체의 흐름이 counter current로서 열전달 효율이 높고 증설시에 전열 면적 확보를 위해 plate를 추가할 수 있으며 동일 heat duty의 다른 type보다 compact한 장점이 있다.
특정 licensor나 end user의 spec에 plate type에 대한 사용 기준을 제시하고 있으며 주로 상변화가 있거나 유속이 0.1m/s이하이거나 0.5mm이상의 고체입자를 포함하거나 25kg/cm2이상 혹은 250도 이상이거나 열전달 면적이 2,500m2이상일 경우에는 plate type 적용을 권장하지 않는다.
Jacket type의 전열계수가 낮아 열교환만을 목적으로 한 용도에는 적당하지 않고 내부 유체의 보온을 목적으로 하는 경우에 적합하다. 이 경우에도 교반기를 설치하여 강제 대류시켜 열교환의 효율을 좋게 할 수도 있다. 대신 jacket 내부의 청소가 곤란하므로 오염이 적은 유체를 사용한다.
열교환기 type별 특징 및 장단점 비교
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