spiral heat exchanger 이해

나선형 열교환기는 2개의 긴 flat plate를 말아서 유체가 흐를 수 있는 채널을 만들고, 이 채널을 통해 각 유체가 흘러가면서 채널의 plate를 사이에 두고 열교환을 하는 type이다.

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나선형 열교환기의 가장 큰 특징인 Self cleaning 효과로 인해 슬러리처럼 fouling이 심하거나 점성이 높고 입자가 섞여 있는 slurry, emulsion상태의 유체에도 매우 효과적으로 적용할 수 있다. 각 circuit에는 곡선형의 단일 흐름 채널이 있어서 난류를 만들어 fouling을 최소화할 수 있다. 아울러 dead spot과 stagnation의 위험성을 제거하여 더 높은 열전달이 가능하다.

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​나선형 열교환기는 원형 모양이며, 2개의 동심원의 나선형 흐름 채널이 있어서 각 stream이 counter current로 통과하여 열교환을 한다. 하나의 유체가 중앙으로 들어와 주변을 향하고, 다른 유체는 주변으로 들어와서 중앙을 향해 움직인다. 채널은 곡면이고 일정한 단면적을 갖고 두 stream간 mixing되는 위험성이 없다. Channel의 한쪽으로는 열린 상태이고 다른 쪽으로는 닫힌 상태이며 유체의 clean상태에 따라 가끔 양쪽 모두 닫힐 수도 있다.

 

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Fouling issue가 있거나 압력 강하 제한 그리고 설치 공간의 문제가 있을 경우 대안으로 고려할 수 있다. 즉, compact하고 견고하게 제작되어 설치비용이나 유지보수 비용이 낮고, 오염물이 거의 쌓이지 않아 운전 성능 및 유지관리 측면에서 매우 우수하다.

 

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오염물 뿐만 아니라 점성이 높거나 미세한 입자가 존재할 경우에도 사용이 가능하며, cover를 쉽게 제거하여 opening이 용이하여 hydro jet을 사용한 cleaning이 간편하고 빠르게 진행될 수 있다. 동일한 heat duty의 S&T heat exchanger에 비해 열효율이 2~3배 높아 매우 효율적이며, 여러 대의 대형 S&T 열교환기를 한 대의 spiral exchanger로 대체할 수 있다.

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Spiral channel 설계 및 모양, 크기를 최적화하여 공정 및 유체의 다양한 운전 조건에 부합할 수 있다. 액체-액체 오염물 축적을 방지하도록 대향류 운전의 spiral type은 compact하고 자체 세정 기능이 있고 고압, 고용량 운전에서도 다양하게 사용된다.

 

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유체는 하나의 채널에서 지속적으로 흐르기 때문에 저항력으로 작용하여 채널을 통해 다른 쪽 끝으로 침전물을 밀어내며, 냉매가 과도하게 오염이 되었거나 매우 근접한 온도가 필요할 경우 콘덴서로 사용될 수 있다.

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ALFA LAVAL Welded Spiral Exchanger, SpiralPro

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각 stream의 운전 pattern은 아래와 같다.

 

​더러운 유체, 슬러지, 슬러리, 섬유 또는 입자가 많은 액체를 취급해야 할 때 최적의 선택이며 유체가 단 하나의 채널을 통해 계속 흘러가므로 모든 침전물을 유동력으로 긁어내고, 채널 반대쪽 끝으로 밀어낸다.

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액-액 외에도 상변화가 일어나는 응축이나 증발 공정에도 사용되어 최저 압력 강하로 운전이 가능하고 (진공 응축 공정에 이상적임) vertical type으로 설치가 된다. 이 때문에 제한된 공간에서도 설치가 가능하고 지지물과 복잡한 배관의 구성을 피할 수 있어서 revamping에 유용하다.

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​단일 채널 설계를 특징으로 하며, 이것은 하나의 매체가 나선형 흐름으로 움직이고, 다른 하나는 나선형 요소의 축에 평행한 십자 흐름으로 움직일 수 있게 한다. 나선형 흐름 채널은 각면에서 용접되어 있는 반면, 다른 매체는 열린 나선형 요소를 통과한다.

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나선형 열교환기의 단일 채널 구조의 scrubbing effect로 인해 self cleaning이 가능하여, 채널 내 유체의 난류는 스케일링 또는 침전물이 형성되는 즉시 지속적으로 flushing되는데, 파울링이 발생하여 채널의 단면적이 감소하면 속도가 증가하고 영향을 받는 정확한 영역에서 침전물을 제거한다.

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반면 S&T 열교환기의 경우 tube내 fouling이 발생되면 tube내 차압이 증가되어 들어오는 유량이 줄고 결과적으로 다른 tube쪽으로 더 많이 흐름에 따라 fouling된 tube의 유량을 급속하게 줄어 fouling이 악화된다.

진공 응축 및 증발 작업을 위한 SpiralCond

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이 열교환기는 응축과 증발(재가열)이 모두 일어나는 까다로운 2 phase, high efficiency 열교환기로 컴팩트한 설계의 수직 구조로 되어 있어, 유사한 Shell and tube 열교환기에 비해 설치 면적이 작고, 지지 구조물과 배관의 복잡성도 적고, 채널 간격도 최적의 압력 강하를 위해 조정되며 진공 응축 용도에 이상적이다.

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공정 유체의 조건 및 부식성에 따라 CS, SS 등 다양한 재질을 사용할 수 있다. 설계를 위해 적용하는 속도 기준은 보통 액체는 1m/s, 가스는 10m/s를 고려한다.

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결론적으로 spiral heat exchanger는 열전달 효율이 매우 높고, 자체 세정 능력이 뛰어나, fouling이 심한 유체에 적용이 가능하며 열손실도 적다. 그리고 뛰어난 열전달 능력으로 동일한 heat duty 대비 차지하는 space가 작고, 여러 대의 S&T 열교환기를 한 대의 spiral type으로도 대체가 가능하여 revamping에 효과적으로 검토해볼 수 있다.

 

 

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