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열교환기 구조/기능

目次

1. 개요

1) 열의 종류 1

2) SK 주식회사 울산 COMPLEX 에서 사용되는 1

Heating 매체와 Cooling 매체

3) 열전달의 개념 1

2. 열교환기의 정의 2

3. 열교환기의 종류 및 특성

1) 사용목적에 따른 분류 2

2) 구조상의 분류 3

4. 각부위별 명칭 및 기능

1) Floating Type Heat Exchanger 8

2) Fixed Type Heat Exchanger 11

3) U-Type Heat Exchanger 13

4) Air Fan Cooler 15

5) Double Pipe Heat Exchanger 19

6) Plate Type Heat Exchanger 22

5. 열교환기의 종류별 적용 및 비교 24

1

1. 개 요

석유화학장치산업에서 제품의 생산원가를 절감하기 위해서는 열에너지를 효율적으로 사용해야 한다.이것은 효율적인 연소뿐만 아니라 열에너지의 효율적인 전달도 포함한다.Heater 에서 불을 땔 때에 유분으로 전달되는 열이 많으면 많을수록 전체 연료비는 적어지고, 특히 뜨거운 제품의 유체의 열을 찬흐름으로 효율적으로전달해 주어야 제조원가를 낮출 수 있는 것이다.근래에 들어 에너지의 효율적인 관리에 대한 요구가 극대화 되면서 열에너지의 중요성이 대두 되었다.

1) 열의 종류

(1) 현열 : 물질의 온도를 변화하게 하는 열

(2) 잠열 : 물질의 상을 변화하게 하는 열

(3) 기화열 : 액상에서 기상으로 변화 시키는데 필요한 (현/잠)열

(4) 응축열 : 기상에서 액상으로 변화시키는데 필요한 (잠/현)열

2) SK 주식회사 울산Complex 에서 사용되는 Heating 매체와 Cooling 매체

(1) Heating 매체

가) Hot Stream나) HP Steam :256°C, 600 psig다) MP Steam : 185°C, 150 psig라) LP Steam : 147°C, 50 psig / 121°C, 15 psig

(2) Cooling 매체

가) Cold Stream나) Cooling Water다) Air

3) 열전달의 개념

온도가 다른 두물체를 접촉시키면 온도가 높은 물체로부터 온도가 낮은 쪽으로 열은 이동한다.마침내 두물체의 온도는 같아지게 되며, 결국 열적 평형상태에 도달하게 된다.열의 흐름에 의한 열전달 기구는 세가지로서 전도, 대류, 복사등이 있다.

(1) 전도전도는 물체내의 온도구배가 존재할 때 물체내의 분자의 운동이 뜨거운곳으로부터 낮은 곳으로 옮겨져 나갈 때에 일어난다.

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(2) 대류대류에 의한 열흐름은 유체의 이동에 의한 것이다.가) 강제대류외부의 힘으로 유체가 흐르고 이 유체의 벽과의 사이에서 전열이 되는 것이며, 이것을 강제대류에 의한 전열이라고 한다

나) 자연대류온도차에 의해, 즉 유체의 밀도차에 의해 유체의 흐름이 생겨서 벽과의사이에서 전열이 되는 것이며, 이것을 자연대류에 의한 전열이라고 한다.

(3) 복사열에너지는 전도에 있어서와 같이 물질내에서 전달될 수도 있고 또 대류에서 처럼 이동하는 물질에 따라 운반될 수도 있다.열에너지는 또한 물질이 없을 때에도 전달될 수 있으며, 이것이 바로 복사열이다. 즉, 복사는 전자파에 의하여 에너지가 공간을 통하여 전달되는현상이다. 예를 들면 태양열이 지구에 미치는 열을 말할 수 있다.

2. 열교환기의 정의

열교환기란 공정의 Flow를 구성하는 고정장치물의 일종으로서, 기· 액상의원재료, 반제품, 제품인 유체가 포함하고 있는 열을 Tube 또는 Plate 의 형태를 지닌 전열면을 통해 Cooling Water, Air, 원재료, 반제품, 제품유체 상호간에 열전달을 일으켜 Heating, Cooling, Condensing 등의 기능을 수행하는설비이다.

3. 열교환기의 종류 및 특성

1) 사용목적에 따른 분류

(1) Heater : 유체를 가열하여 필요한 온도까지 유체온도를 상승시키는 목적으로 사용

(2) Pre-Heater : 유체에 미리 열을 줌으로써 다음단계의 효율을 양호하게 할목적으로 사용

(3) Super-Heater : 유체를 재차 가열하여 과열상태로 하기 위함.

(4) Vaporizer : 액체를 가열하여 증발시켜서 발생한 증기를 사용하고자 할 때사용

(5) Reboiler : 장치중에서 응축된 액체를 재차 가열, 증발시킬 목적으로 사용

(6) Cooler : 유체를 냉각하여 필요한 온도까지 낮출 목적으로 사용

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(7) Chiller : 빙점이하인 저온으로 냉각시킬 목적으로 사용

(8) Condenser : 응축성 기체를 냉각하여 액화시키는 목적에 사용. 특히Steam 을 응축시켜 물로 만드는 열교환기를 복수기라 한다.

(9) Heat Exchanger : 협의의 열교환기이며 유체간의 열교환을 시켜서 동시에한쪽을 가열, 다른 쪽을 냉각시키는 목적에 사용하는열교환기를 말함.

2) 구조상의 분류

(1) Shell & Tube Type 열교환기

가) Floating Type Heat Exchanger

Tube Bundle 의 Rear End Head Type 에 따라 분류되는 것으로서 대형 중·저압유체를 Service 하기에 적합한 열교환기로서 비교적 유지보수가 용이하다. Stationary Head, Shell, Rear End Head 의 조합에 따라 다양한 형식의 열교환기가 있다. Tube 의 열팽창을 Floating Head 가 늘어남으로서 흡수한다.온도차가 큰 열교환에 주로 사용한다.

[그림 1] Floating Type Heat Exchanger

나. Fixed Type Heat Exchanger

Tube Bundle 의 Floating Head 부위가 없이 Tube Sheet가 Shell 에 완전히고정 설치된 열교환기로 부식성이 적은 고압의 유체를 Service 하는데 적합하고, 청소와 같은 일반 정비작업은 용이하나 Shell Side 의 청소, Tube 의부분교체 및 Retubing 이 매우 어렵다.

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[그림 2] Fixed Type Heat Exchanger

다. U-Tube Type Heat Exchanger

Tube Bundle 의 Rear End 부위가 U-Bending 되어 있어 Tube Side 의 유체가 Stationary Tube Front End 에서 In,Out Service 되는 것이 특징으로 중·고압의 유체를 Service 하는데 적합하나 분리, 조립이 어렵고 Outer TubeLayer 를 제외한 Tube 의 부분교체가 불가능하며 Tube Bundle Rear End의 Bending 때문에 운전시 진동이 유발될 수 있다.

[그림 3] U-Tube Type Heat Exchanger

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[그림 4] Tubular Heat Exchanger 의 분류체계

6

(2) Air Fan Cooler

전열면적을 넓히기 위하여 Tube 외면에 Fin 이 설치된 열교환기로서Tube 내부에는 공정유체가 흐르며, 외부로는 Fan 을 이용하여 공기를강제통풍시켜 유체가 함유하고 있는 규정치 이상의 열을 냉각시켜서Cooling 또는 Condensing 을 목적으로 하는 열교환기이다.

[그림 5] Air Fan Cooler

(3) Double Pipe Type Heat Exchanger

전열면적을 넓히기 위해 Tube 외부에 Horizontal Through Fin이 설치된Fin Tube 를 소구경의 Pipe 로 된 Shell 내부에 설치한 열교환기로서 FinTube 내부로는 액체가 Service 되고 Pipe 로 된 Shell 에는 기체상태의유체가 Service 되면서 기체상태의 유체가 함유하고 있는 규정치 이상의열을 냉각시키는 열교환기이다.

[그림 6] Double Pipe Heat Exchanger

(4) Plate Type Heat Exchanger

Tube 와 Fin 대신에 얇은 판을 설치해서 판과 판사이를 흐르는 유체의온도차를 이용하여 열교환을 하는 열교환기로서, 열전달 효율이 매우높고 청소, 조립작업이 용이하나 Brazed Type 의 Plate Type HeatExchanger 의 경우는 수리작업이 불가능하다.

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[그림 7] Plate Type Heat Exchanger

8

4. 각 부위별 명칭 및 기능

1) Floating Type Heat Exchanger

(1) Channel (14) Floating Head Cover Flange

(2) Channel Flange (15) Floating Head Backing Device

(3) Channel Cover (16) Tie Rod

(4) Channel Nozzle (17) Spacer

(5) Stationary Tubesheet (18) Baffle Plate

(6) Tube (19) Impingement Plate

(7) Shell (20) Partition Plate

(8) Shell Cover (21) Vent Connection

(9) Shell Flange (22) Drain Connection

(10) Shell Nozzle (23) Instrument Connection

(11) Shell Cover Flange (24) Support Saddle

(12) Floating Tubesheet (25) Lifting Lug

(13) Floating Head Cover

[그림 8] Floating Type Heat Exchanger 의 구조

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(1) Channel

Tube Side 를 흐르는 유체의 유입· 방출을 가능케하는 공간을 제공한다.

(2) Channel Flange

Channel Cover 와 Channel, Channel과 Shell 을 Bolt 와 Nut 로 조여 고정시킨다.

(3) Channel Cover

Channel을 외부로부터 밀폐시킨다.

(4) Channel Nozzle

Channel쪽의 유체를 유입 또는 방출한다.

(5) Stationary Tubesheet

Channel쪽에 위치하며 일정간격으로 Tube 를 배열시키고 지지하며,Tube 와 Shell 간을 분리, 밀폐한다.

(6) Tube

뜨거운 유체와 차가운 유체간의 열전달을 일으킨다.

(7) Shell

Heat Exchanger 의 최외각부로서 외부환경으로부터 내부를 차단시키고,열전달이 일어나는 공간을 제공한다.

(8) Shell Cover

Floating Head 쪽에 위치하며 Rear End 부분을 밀폐시킨다.

(9) Shell Flange

Shell 에 부착되어 있으며 Shell 과 Shell Cover 를 Bolt 와 Nut 로 고정시킨다.

(10) Shell Nozzle

Shell 쪽의 유체를 유입 또는 방출시킨다.

(11) Shell Cover Flange

Shell Cover 에 부착되어 있으며 Shell 과 Shell Cover 를 Bolt 와 Nut 로고정시킨다.

(12) Floating Tubesheet

Floating Cover 쪽에 위치하며 일정간격으로 Tube 를 배열하여 지지하고,Tube 와 Shell 간을 밀폐시킨다.

(13) Floating Head Cover

Shell Cover 쪽의 Tube Side 에 유체가 체류할 수 있는 공간을 제공한다.

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(14) Floating Head Cover Flange

Floating Head Cover 와 Backing Device 를 Bolt 와 Nut 로 고정시킨다.

(15) Floating Head Backing Device

Floating Head Cover 를 Tube Sheet에 체결할 수 있도록 Flange 역할을한다.

(16) Tie-Rod

Tube Sheet와 Baffle Plate 가 일정한 간격을 유지하도록 이들을 지지한다.

(17) Spacer

Baffle Plate 간의 간격을 일정하게 유지한다.

(18) Baffle Plate

Heat Exchanger 내의 유체흐름을 유도하여 열교환 효율을 향상시키고Tube 를 지지한다.

(19) Impingement Plate

유체가 유입되는 Shell Nozzle 측에 부착되어 Tube 의 마모를 방지하고유체의 분산을 좋게 한다.

(20) Partition Plate

Channel을 나누어 주는 판으로 Heat Exchanger 내의 Tube Flow형태를결정한다.

(21) Vent Connection

Shell Cover 의 최상단에 위치하여 수압시험시 또는 Steam Purge 시 기체를 외부로 방출시킨다.

(22) Drain Connection

Shell Cover 의 최하단에 위치하여 Heat Exchanger 내부에 남아있는 액체를 방출시킨다.

(23) Instrument Connection

온도와 압력을 측정하기 위한 계기를 부착하는 곳이다.

(24) Support Saddle

Heat Exchanger 를 Foundation에 Anchor Bolt 를 이용하여 고정시킬 수있도록 Heat Exchanger 를 지지하는 철구조물 이다. 고정되는 부위(Fixed Side)와 움직이는 부위(Sliding Side)로 구분되어 있다.

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(25) Lifting Lug

들어올리기 용이하도록 만든 일종의 고리이다.

2) Fixed Type Heat Exchanger

(1) Bonnet (9) Tie Rod

(2) Bonnet Flange (10) Spacer

(3) Bonnet Nozzle (11) Baffle Plate

(4) Stationary Tubesheet (12) Vent Connection

(5) Tube (13) Drain Nozzle

(6) Shell (14) Instrument Connection

(7) Shell Nozzle (15) Support Bracket

(8) Expansion Joint

[그림 9] Fixed Heat Exchanger 의 구조

(1) Bonnet

Tube Side 를 흐르는 유체의 유입· 방출을 가능하게 하는 공간을 제공한다.

(2) Bonnet Flange

Bonnet과 Shell 을 Bolt 와 Nut 로 고정시킨다.

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(3) Bonnet Nozzle

Bonnet쪽의 유체를 유입 또는 방출시킨다.


Channel쪽에 위치하며 일정간격으로 Tube 를 배열시키고 지지하며,Tube 와 Shell 간을 분리·밀폐한다.

(5) Tube

뜨거운 유체와 차가운 유체간에 열전달을 일으킨다.

(6) Shell

Heat Exchanger 의 최외곽부분으로서 외부환경으로부터 내부를 차단시키고, 열전달이 일어나는 공간을 제공한다.

(7) Shell Nozzle


(8) Expansion Joint

Shell 이 온도나 다른 힘의 변화에 의한 팽창 또는 수축으로 인해 발생된변형을 흡수할 수 있게한 주름(Bellows)이다.

(9) Tie Rod

Tube Sheet와 Baffle Plate 가 일정한 간격을 유지하게 하고, 이들을 지지한다.

(10) Spacer

Baffle Plate 간의 간격을 일정하게 하다.

(11) Baffle Plate

Heat Exchanger 내의 유체흐름을 유도하여 열교환 효율을 향상시키고Tube 를 지지한다.







==== 이 하 여 백 ====

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3) U-Tube Type Heat Exchange

(1) Channel (11) Tie Rod

(2) Channel Flange (12) Spacer

(3) Channel Cover (13) Baffle Plate

(4) Channel Nozzle (14) Longitudinal Baffle

(5) Stationary Tubesheet (15) Partiton Plate

(6) Tube (16) Vent Connection

(7) Shell (17) Drain Connection

(8) Shell Cover (18) Instrument Connection

(9) Shell Flange (19) Support Saddle

(10) Shell Nozzle (20) Lifting Lug

[그림 10] U-Tube Type Heat Exchanger 의 구조

(1) Channel

Tube Side 를 흐르는 유체의 유입· 방출을 가능케하는 공간을 제공한다.

(2) Channel Flange

Channel Cover 와 Channel, Channel과 Shell 을 Bolt 와 Nut 로 조여 고정

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시킨다.

(3) Channel Cover

Channel을 외부로부터 밀폐시킨다.

(4) Channel Nozzle

Channel쪽의 유체를 유입 또는 방출한다.


Channel쪽에 위치하며 일정간격으로 Tube 를 배열시키고 지지하며,Tube 와 Shell 간을 분리, 밀폐한다.

(6) Tube

뜨거운 유체와 차가운 유체간의 열전달을 일으킨다.

(7) Shell

Heat Exchanger 의 최외각부로서 외부환경으로부터 내부를 차단시키고,열전달이 일어나는 공간을 제공한다.

(8) Shell Cover

Floating Head 쪽에 위치하며 Rear End 부분을 밀폐시킨다.

(9) Shell Flange

Shell 에 부착되어 있으며 Shell 과 Shell Cover 를 Bolt 와 Nut 로 고정시킨다.

(10) Shell Nozzle


(11) Tie-Rod

Tubesheet와 Baffle Plate 가 일정한 간격을 유지하게하고 이들을 지지한다.

(12) Spacer

Baffle Plate 간의 간격을 일정하게 한다.

(13) Baffle Plate

Heat Exchanger 내의 유체흐름을 불규칙하게 하여 열교환 효율을 향상시키고 Tube 를 지지한다.

(14) Longitudinal Baffle

U-Bending 된 Tube Bundle 의 중간에 위치하여 유체가 들어오는 Tube 와유체가 나가는 Tube 를 분리한다.

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(15) Partition Plate

Channel을 나누어주는 판으로 Heat Exchanger 내의 Tube Flow형태를결정한다.







(19) Support Saddle

Heat Exchanger 를 Foundation에 Anchor Bolt 를 이용하여 고정시킬 수있도록 Heat Exchanger 를 지지하는 철구조물이다.

(20) Lifting Lug

들어올리기 용이하도록 만든 일종의 고리이다.

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4) Air Fan Cooler

(1) Tube Bundle (6) Fan

(2) Header (7) Fan Ring

(3) Nozzle (8) Fan Deck

(4) Supporting Column (9) Drive Assembly

(5) Plenum (10) Louver

[그림 11] Air Fan Cooler 의 구성요소

(1) Tube Bundle

공기에 의해 냉각되는 유체가 내부에 흐르고, 열교환 효율을 좋게하기 위해 외면에 Fin 을 설치한 Tube 의 묶음이다.

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1) Bracket 6) Ring Groove

2) Fixed End 7) Slot

3) Baffle 8) Cooler Guide

4) Shoulder Type Plug 9) Floating End

5) Outlet Nozzle 10) Inlet Nozzle

[그림 12] Tube Bundle 의 구조

가) Bracket

Tube Bundle 을 감싸고 있는 금속 철판이다.

나) Fixed End

Inlet과 Outlet Nozzle 이 있는 Header 쪽에 위치하며 Tube Bundle 의 열팽창을 고정시킨다.

다) Baffle

Inlet Nozzle 을 통하여 들어오는 유체와 Outlet Nozzle 을 통하여 나가는유체를 구분하는 철판이다.

라) Shoulder Type Plug

Fixed End 와 Floating End 에 각각의 Tube 와 같은 위치에 뚫린 Hole 에Solid Metal Gasket을 넣고 조이는 Plug 로서 Air Fan Cooler 의 정비작업 또는 청소시 이를 개방하여 실시한다.

마) Outlet Nozzle

냉각된 유체가 Header 에서 나가는 Flange 연결부위이다.

바) Ring Groove

Tube Sheet에 Tube 를 Expanding 하여 압착 고정하는 홈이다.

사) Slot

Cooler Guide 에 뚫린 Hole 로서 Tube Bundle 이 열팽창할 때 움직일 수있는 공간을 제공한다.

아) Cooler Guide

Air Fan Cooler 의 최외각 부위로서 Tube Bundle 을 외부로 부터 보호하고 열팽창시 일정방향으로 팽창이 일어 나도록 한다.

자) Floating Head

Inlet과 Outlet Nozzle 의 반대편 Header 에 위치하며 Tube Bundle 의 열팽창이 일어나는 방향이다.

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차) Inlet Nozzle

냉각된 유체가 Header 로 들어오는 Flange 연결부위이다.

(2) Header

Inlet Nozzle 로 들어온 유체가 방향을 바꾸어 Outlet Nozzle 로 나갈 수 있게 하고 Inlet Nozzle 과 Outlet Nozzle 로 들어오는 유체가 Tube 로 분산되는 공간을 제공한다.

(3) Nozzle

Inlet과 Outlet Nozzle 이 있으며 Air Fan Cooler 의 Tube 에서 냉각되는 유체가 들어오고 나가는 Flange 연결부위이다.

(4) Supporting Column

Air Fan Cooler 를 지지하여 구조물이나 지상에 안전하게 설치하도록 한다.

(5) Plenum

Fan 과 Tube Bundle 사이의 사면을 막아 냉각매체인 공기가 한방향으로빠른 속도로 흐르게 한다.

(6) Fan

냉각매체인 공기를 빠른 속도로 가속시켜 Tube Bundle 내부의 유체를 효율적으로 냉각시키는 날개이다.

(7) Fan Ring

Fan 에 사람이나 물체가 들어가 회전을 방해하거나 안전사고의 발생을방지하기 위해 설치한 원기둥 모양의 통이다.

(8) Fan Deck

Fan Ring 과 Plenum 을 연결하는 원형의 철판으로 Fan 에서 가속된 공기가 Tube Bundle 로 가게 유도한다.

(9) Louver

창문의 Blind 형태로 Fan 의 상단 또는 하단에 위치하며 Actuator 에 의하여 작동하고 공기의 유량을 조절한다.

==== 이 하 여 백 ====

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5) Double Pipe Heat Exchanger

(1) Shell Assembly (10) Shell Nozzle Companion Flange

(2) Tube Assembly (11) Cover Plate Bolting

(3) Cover Plate (12) Tubeside Bolting

(4)Sealing Ring (13) Shell Nozzle Bolting

(5) Slot Ring (14) Bracket Bolting

(6) Fin Tube Stub End Flange (15) Cover Gasket

(7) Tube Return Bend Connector (16) Nozzle Gasket

(8) Tube Return Bend Connector (17) Nameplate

(9) Tube Return Bend Connector

[그림 13] Double Pipe Heat Exchanger 의 구조

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(1) Shell Assembly

Heat Exchanger 의 최외각 부분으로서 외부환경으로부터 내부를 차단시키고 열전달이 일어나는 공간을 제공한다.

(2) Tube Assembly

뜨거운 유체와 차가운 유체간에 열전달을 일으킨다.

(3) Cover Plate

U-Bending 된 부위쪽에 위치하여 열교환기 분리시 개방하여 Pull Bundle하며 Shell Assembly 에 Bolt 와 Nut 로 고정시킨다.

(4) Sealing Ring

Fin Tube Stub End Flange 와 Shell Assembly 사이에 끼워 기밀시킨다.

(5) Slot Ring

Tube Assembly 와 Shell Assembly 사이에 끼워 기밀시킨다.

(6)Fin Tube Stub End Flange

U-Bending 반대부위에 위치하며 Shell Assembly 에 Bolt 와 Nut 로 고정시켜 밀폐시킨다.

(7) Tube Return Bend Connector

Tube Side 의 유체가 들어오고 나가는 Flange 연결부위와 Bending 된Pipe 연결부위이다.

(8) Shell Nozzle Companion Flange

Shell Side 로 유체가 들어오고 나가는 Nozzle 에 연결되는 Flange 이다.

(9) Cover Plate Bolting

Cover Plate 를 Shell Assembly 에 기계적인 힘을 가하여 기밀시킨다.

(10) Tube Side Bolting

Fintube Stub End Flange 와 Shell Assembly 간을 기계적인 힘을 가하여기밀시킨다.

(11) Shell Nozzle Bolting

Shell Nozzle 과 Shell Nozzle Companion Flange 간을 기계적인 힘을 가하여 기밀시킨다.

(12) Bracket Bolt

U-Bending 된 Heat Exchanger 가 원형을 유지하게 하는 Bracket Piece 를연결시킨다.

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(13) Cover Gasket

Cover Plate 와 Shell Assembly 간에 넣어 기밀이 유지되게 한다.

(14) Nozzle Gasket

Shell Nozzle 과 Shell Nozzle Companion Flange 간에 넣어 기밀이 유지되게 한다.

(15) Name plate

부식에 저항성이 있는 금속으로 제작하여 열교환기의 각종 Data 를 기록하여 항상 부착한다.

==== 이 하 여 백 ===

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6) Plate Type Heat Exchanger

(1) Frame Plate (8) Support Foot

(2) Pressure Plate (9) Frame Foot

(3) Carrying Bar (10) Stud Bolt

(4) Guide Bar (11) Bearing Box

(5) Tightening Bolt (12) Plate Pack

(6) Tightening Nut (13) Gasket

(7) Supporting Column

[그림 14] Plate Type Heat Exchanger 의 구조

(1) Frame Plate

하부가 지상에 고정되어 있고 Connection이 있어 Plate Pack 을Tightening Bolt 와 Nut 로 고정시킨다.

(2) Pressure Plate

Plate Pack 에 Gasket을 연결하여 Tightening Bolt 와 Nut 로 압축시키는

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판이다.

(3) Carrying Bar

Plate-Fin Type Heat Exchanger 를 운반할 때 사용하는 지지대이다.

(4) Guide Bar

Plate Pack 을 조립하거나 해체할 때 Fit-up 을 간단하고 일정하게 할 수있게 한다.

(5) Tightening Bolt

Plate Pack 을 압축시키기 위해 Frame Plate 와 Pressure Plate 을 압축시키는 Bolt 이다.

(6) Tightening Nut

Plate Pack 을 압축시키기 위해 Frame Plate 와 Pressure Plate 을 압축시키는 Nut 이다.

(7) Support Column

Guide Bar 와 Carrying Bar 에 고정시켜 열교환기를 지지한다.

(8) Support Foot

Support Column을 지상이나 구조물에 고정시킨다.

(9) Frame Foot

Frame Plate 를 지상이나 구조물에 고정시킨다.

(10) Stud Bolt

Plate-Fin Type Heat Exchanger 로 유체가 유입 또는 유출되는 Nozzle 을연결하는데 사용한다.

(11) Bearing Box

Tightening Bolt 를 Frame Plate 에 지지시킨다.

(12) Plate Pack

열교환이 일어나는 전열면으로서 여러단의 Plate 를 조립하여 사용한다.

(13) Gasket

Plate Pack 간에 삽입하여 Sealing 을 한다.

(14) Dimension “A”

Plate Heat Exchanger 가 조립된 상태에서 Frame Plate Inside 와Pressure Plate Inside 사이거리를 말하며 Pressure Plate 를 분리하기전Check 한 수치를 기준으로 한다.

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5. 열교환기의 종류별 적용 및 비교

Type 구조상 특징 적용 제한 또는 단점제작비 비교

(C.S)

Fixed Type 양측의 Tubesheet가 Shell 에 용접되어 고정

Shell 측의 유체가 고온,고압

Shell 측의 청소 불가능일반적으로 Shell 과 Tube의 온도차가 30°C 이상일경우에는 Expansion Joint를 설치함

1.0

FloatingHead Type

양측의 Tubesheet가 열팽창의 영향을 받지 않는다.Tube Bundle 을 인출가능한 경우와불가능한 경우가있으며 이경우에는 반대측 Cover를 개방하여 가능케 한다.

부식이 심하지 않은 유체의 경우에 사용

Floating Head 의 Gasket부분에서 누출 위험성이있다.

가격이 높다.

1.2 ~ 1.3

U-TubeType

1 개의 Tubesheet로 되어있으며Tube 는 U 자형으로 휘어져 있다.한쪽이 구속되어있지 않으므로 열팽창에 대하여 자유롭다. TubeBundle 의 인출이가능하다.

Tube 측의 고온, 고압 또는 부식성 유체에 적용한다.

Tube 측 청소곤란, Bend부분 제작시 주의(두께감소)

Tube 측 과대 유속은Tube 내측을 손상시킬 우려가 있다.액체중에 유동입자가 있는 경우에는 좋지 않음.

0.95 ~1.05

Kettle Type Tube 로는 U-Bundle 또는Floating HeadBundle 사용

냉매 및Process Fluid가 Shell 측에서 증발하고Tube 측 유체를 증발시킨다.

수평설치

다른 Type 에 비해 Shell이 크다.

1.2 ~ 1.4

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Type 구조상 특징 적용 제한 또는 단점제작비 비교

(C.S)

DoublePipe Type

큰 외관의 가운데에 작은 내관이위치한다.

Shell 측의 유체는환상부로 흐른다.

비교적 적은전열면적을요구할 경우(20m2 이하)에 적용하며30kg/cm2 이상의 고압의경우처럼 이점이 있을 경우에 사용한다.

Pipe 의 수가 증가하면Cost 가 높아진다.

0.8 ~ 1.4

Air CooledType

대부분 FinnedTube 를 사용하며정방형이고 Fan을 사용하여 공기를 유통시킨다.

Condenser,Cooler 에 적용하며 InitialCost 가 높으나 종합적인견지에서 경제적인 경우가 있다.

최종냉각 온도가 기온에의해 제한 받는다.

설치면적이 크며 Fan 때문에 소음이 크다.

1.5 ~ 2.5

Plate Type 금속의 Plate 를성형하여 조립하고 그 사이로 유체가 흐르도록 설계

Liquid-LiquidExchanger (식품, 약품등)

분해,청소, 소독이 용이함.

1 대로 2 종이상의 유체가열 및 냉각처리 가능함.

Compact 함.

10 ~ 15 kg/cm2

150°C

대당 125m2

오염의 영향이 크다.

TEMA PART 1

0

TTuubbuullaarr EExxcchhaannggeerrMMaannuuffaaccttuurreerrss AAssssoocciiaattiioonn

Part I

TEMA PART 1

1

목 차

항 목 페이지

Section 1 열교환기 용어

Numbering, Type 명명 2

Section 2 열교환기 제작공차

Shell, Nozzle 제작공차 3

Tubesheet, Partition, Cover 제작공차 4

Section 3 제작 및 성능 일반사항.

1 Shop 운용 5

2 검사 5

3 Name Plate 5

4 도면 변경 승인 5

5 보증 6

6 운송준비 6

7 설치 6

Section 4 설치,운전,정비

1 열교환기 성능 7

2 운전 7

3 설치 8

4 정비 9

Section 5 제작 및 설계 (TEMA RCB Class)

.1 적용범위 및 일반요건 10

2 Tube 11

3 Shell and Shell Cover 13

4 Baffle and Support 13

TEMA PART 1

2

Note to users of The TEMA Standards

Three Classes of Mechanical Standards, R, C, and B, reflecting acceptable designs for

Various service applications are presented. The user should refer to the definition of each

class and choose the one that best fits the specific need.

Corresponding subject matter in the three Mechanical Standards is covered by paragraphs

identically numbered except for the prefix letter. Paragraph numbers preceded by RCB

indicates that all three classes are identical. Any reference to a specific paragraph must be

preceded by the class designation.

The Recommended Good Practice section has been prepared to assist the designer in areas

outside the scope of the basic Standards. Paragraphs in the Standards having additional

information in the RGP section are marked with an asterisk. The reference paragraph in the

RGP section has the identical paragraph number, but with an "RGP" prefix.

Section 1 열교환기 용어

1. Numbering, Type 명명

1.1 Size

1) 공칭 지름

Shell 내경을 공칭 지름으로 표기

2) 공칭 길이

Tube 의 직관부 길이를 공칭길이로 표기

TEMA PART 1

3

1.2 Type (그림 1 참조)

TEMA PART 1

4

TEMA PART 1

5

TEMA PART 1

6

Section 2 열교환기 제작공차

1. Shell, Nozzle 제작공차

TEMA PART 1

7

2. Tubesheet, Partition, Cover 제작공차

TEMA PART 1

8

Section 3 제작 및 성능 일반사항

1. Shop 운용

제작자에 일임

2. 검사

검사 및 시험은 제작자에 의해 수행되고 구매자는 어떤 경우라도 입회 검사할

권리가 있다.

3. Name Plate

제작자는 내식성이 좋은 Stainless Steel (300 계열)로 Nameplate 를 만들어 부착

하고 구매사양에 따라 보온두께가 정해지면 그 높이를 감안하여 설치.

Nameplate 에는 ASME code 에서 요구한 Data 와 필요시 Item No.및 Order No

를 명시.

보조 Data 로는 Differential design data 나 Test Pressure, Service component 등이

있다.

4. 도면승인 및 변경

1) 제작자는 승인용 도면 3 부 제출 : 도면에는 Assembly (Overall, Shell

dimension, Nozzle 위치/방향, Support & Weight) 포함

2) 구매자의 도면승인 후에도 혹시 구매자가 간과한 Code 관련사항이 있더라도

제작자는 이에 대한 책임이 없어지지 않음.

3) 도면승인후에 도면변경은 양자간 서면 합의로 이루어짐.

4) 기록용 도면은 6 부 제출

5) 도면 소유권 : 구매자의 허락없이 도면 복사나 배부는 안됨.

6) ASME Data Report : ASME Stamp Inspection후 이 Report 를 4 부 제출

5. 보증

5.1 (생략)

5.2 성능

1) 구매자는 제작자에게 명확한 성능 요건을 알린다.

2) 제작자는 기계적/열효율 측면의 보증을 해야 함.

3) 운송시점후 1 년간 보증

4) 제작자는 공정상 매우 심한 Fouling (Coke, Silt, Scale 등) 로 인한 문제에

대해서 책임질 사항이 아님.

TEMA PART 1

9

5.2.1 성능시험

정상운전이후 열효율이 설계대로 안나오면 성능시험을 한다.

(Thermal Performance Rating 이 제작자에 의해 만들어진 경우임)

시험조건은 양자간 합의하는 내용에 따른다.

5.2.2 결함부위

보증기간중 증명된 제작자에 기인한 결함은 구매자의 Site 에서 제작자

가 보수한다.

6. 운송준비

6.1 청소

조립전 이물질제거

6.2 Drain

수압시험이나 청소를 위해 사용되었던 물, 기름, 그외 액체를 배수시키거

나 닦아냄. 단, 완전한 Drying 을 의미하지는 않는다.

6.3 Flange 보호

모든 가공면은 취급시 손상을 막기 위해 적절한 Cover 나 Coating (사용전

제거)으로 보호함.

6.4 나사산 이음부

손상을 방지하기 위해 Plug 를 박는다.

6.5 운송중 손상보호

운송중 손상을 입지 않도록 적절히 열교환기 본체나 Spare Part 를 보호한

다.

7. 설치

7.1 Support

7.1.1 수평형 열교환기

Support 는 수압시험시의 무게, 열교환기 무게, 내용물(Service)의 무게,

를 지지할 만큼 설계한다. Pull Bundle 의 경우 Pulling Force 를

Bundle 무게의 1.5 배만큼 고려하여 설계하여야 한다.

TEMA PART 1

10

단, Support 설계에는 외부 Nozzle 의 하중, 바람,지진의 효과는 무시

할만하므로 고려되지 않는다.

Saddle 에는 반드시 열팽창을 고려하여 Sliding Point 에는 Slot Hole 을

둔다. (Section 9 참조)

7.1.2 수직형 열교환기 (생략)

7.2 Lifting Device

무게가 60 파운드 이상되는 Channel, Cover, Bonnet은 Lifting Device 를 설치

한다.

1) 구매자는 제작자에게 Lifting Device 의 설치여부나 Lifting 방법이나 현장

작업조건을 알린다.

2) Lifting Device 의 용접부에는 PT 를 한다.

3) 설계하중에는 충격치에 대한 하중도 포함시켜야 한다.

4) Plate-type 의 Lug 는 Bending stress 가 최소가 되도록 설계한다.

5) Lifting Device 의 Hole 은 충분히 커야 하고 하중이 클수록 매끄럽게 해야

한다.

TEMA PART 1

11

Section 4 설치,운전,정비

1. 열교환기 성능

성능확보의 실패의 원인은 여러가지가 있다.

l 과도한 Fouling

l 부적절한 Piping 의 설치나 Vent 미흡으로 Air/Gas 의 Binding

l 설계운전조건과 다른 운전

l Flow의 고르지 못한 분배

l Shell 과 Baffle 의 Clearance 가 과다하게 넓어짐

l 부적절한 Thermal design

2. 설치

2.1 열교환기 Setting

2.1.1 분리공간의 확보

Bundle 의 빼낼 수 있는 공간이나 Cover 를 분리하는 작업공간이 확보

되어야 한다.

2.1.2 Foundation (생략)

2.2 보호장치 해제

운송전에 설치했던 보호장치 즉, Plug 나 임시 Cover , Coating 등을 제거한다.

Opening 부위를 확인하여 이물질이 있는지 확인한다.

2.3 Fitting, Piping

1) 검사나 보수를 위해서는 열교환기 By Pass Valve 를 설치하는 것이 좋다.

2) Thermometer , Pressure Gage 를 설치한다.

3) Vent Valve 설치한다.

4) Drain은 가능한한 바로 대기로 방출되도록 한다.

5) Safety Relief Valve 는 ASME Code 에 따라서 설치한다.

3. 운전

3.1 설계/ 운전조건

Name Plate 상에 명시된 값을 초과하여 운전해서는 안된다.

3.2 운전절차

TEMA PART 1

12

1) Fixed Tubesheet의 경우 급작스런 운전가동이나 정지를 하면 안된다.

Tube 와 Shell 의 열팽창이 달라 Tube Joint 에 Leak 될 가능성이 있다.

가동시는 Cold service 를 먼저 하고, 정지시는 Hot Service 를 먼저 서서

히 정지시킨다. Condensate 는 완전히 Drain 되도록 한다.

2)운송전 Vendor Shop 에서 Pressure Test 를 했더라도 가동초기에 Bolting

부에 Leak 가능성이 있다. 이 때는 설치후나 정상운전시 재 Bolting 을

한다.

3.3 Bolting 절차

일반적인 Bolting 순서는 다음과 같이 균일하게 대칭적으로 실시하는 것이

중요하다. 고압 Closure 는 Vendor Recommendation에 따른다.

4. 정비

4.1 검사

내외부 주기적 검사 필요, Fouling 상태 검사중요, Tube Leak 여부 검사.

4.1.1 Fouling

청소는 반드시 실시하며 청소는 초기에 하기 쉬울 때 하는 것이 바람직

함.

4.1.2 분리

열교환기 Type 별로 분리방법이나 분리부품이 다르다. 따라서 검사부

위도 Type 에 따라서 제약이 따른다.

4.1.3 Leak 여부 검사

TEMA PART 1

13

1) Channel Cover 분리후 Tubesheet 전면 검사

2) Floating Head Type 은 Test Ring 설치

3) Shell side 에 가압

4.2 Tube 분리시 취급주의

Bundle 분리후 Baffle 에 지지대 받친다.

가공면은 보호한다.

4.3 Bundle 청소

1) Hot wash oil이나 Light distillate 를 순환시킨다.

2) Salt 는 Fresh water 로 가능하다.

3) 고압 Water Jetting

4) Scraper, Rotating Brush

5) Chemical Cleaning 전문업체 이용

6) 청소시 주의사항

: 절대 Steam Blowing 금지, 기계적 Cleaning 시 Tube 손상방지,

Cleaning 성분은 재질에 적절한 것을 이용

4.4 확관

Leaking Tube 는 Expander 로 확관한다. 단 Over Expanding 이 안되도록

주의한다. (확관율은 SK Std SPEC.참조)

4.5 Gasket 교체

1) Gasket면은 깨끗이 닦고 흠집이 없어야 한다.

2) Gasket이 제자리를 잡았는지 확인하고 Bolting 한다.

3) Gasket은 분리하였다면 항상 새것으로 바꾼다.

4) Composition Gasket은 말랐거나 Brittle 해지면 Sealing 이 잘 안된다.

Section 5 제작 및 설계 (TEMA Class R,C,B)

TEMA PART 1

14

1. 적용범위 및 일반요건

1.1 적용범위

1.1.1 일반사항

- Shell inside dia not exceeding 60”

- Max Product of nominal dia(inch) X design pressure(psi) = 60,000 이하

- Max design pressure of 30,000 psi

즉, 두께 12”이하, max Stud dia 3”이하에 적용된다.

이 적용범위에 벗어난 것은 TEMA Part III 에서 언급한다.

1.1.2 ‘R’ Class

Petroleum 에 사용하는 Unfired shell & tube type 의 열교환기의 설계,

제작에 대한 규정을 한다.

1.1.3 ‘C’ Class

R Class 보다는 Severe 한 요건을 필요로 하지 않는 Commercial

Process 에 사용하는 Unfired shell & tube type 의 열교환기의 설계,제작

에 대한 규정을 한다.

1.1.4 ‘B’ Class

Chemical Process 에 사용하는 Unfired shell & tube type 의 열교환기의

설계,제작에 대한 규정을 한다.

1.2 설계압력

구매자가 Tube 와 Shell 을 구분하여 설계압력을 정한다.

1.3 시험

1) Standard Test 로서는 수압시험으로 Test Pressure 에서 30 분간 유지한

다. Shell 과 Tube side 를 각각 구분하여 수압시험을 실시한다.

2) Tube 의 설계압력이 보다 높으면 Tube Bundle 은 Shell 외부에서 Test 한

다.

3) 용접부는 검사를 위해 깨끗이 청소한다.

4) 시험압력은 설계압력의 1.5 배이며 여기에 온도보정을 한다.

5) 물이외에 양자간 합의하에 다른 액체를 사용할 수 있다.

6) 액체의 도입이 허용되지 않는 열교환기는 기압시험을 한다.

7) 기압 시험압력은 설계압력의 1.25 배이며 온도보정을 한다.

TEMA PART 1

15

8) 기압시험을 수압시험의 보강으로 추가하는 것은 구매자의 사양에 따라

실시한다. 이때는 수압시험후에 실시하고 시험압력은 제작자와 협의한다.

1.4 금속온도

1) 재질별 금속온도의 상한치는 ASME Code 에 나와 있다.

2) 설계온도는 두 종류의 Service 를 동시에 접촉하지 않을 경우 Tube 또는

Shell side 에 따라 독립적으로 적용한다.

3) Tube 와 같이 두 Service 를 접촉시 운전조건하의 평균금속온도를 설계

온도로 한다.

1.5 부식여유

부 위 Carbon steel Alloy, Cast iron

Pressure part R class : 1/8”

CB Class : 1/16”

Internal Head Service 접촉면에

Tube sheet 양쪽면에

Non Pressure part Tube,

Bolting, Backing Device,

Pass partition

제 외

Alloy : 제외

Cast iron

R class : 1/8”,

CB Class : 1/16”

1.6 Service 제한

RB Class : 물이 service 되는 곳에 150 psi 미만에는 Cast Iron사용가능

C Class : 유해한 물질의 150 psi 이상에는 Cast iron사용금지

2. Tube

2.1 Tube 길이

보통 96”, 120”, 144”, 192”, 240”의 길이로 사용된다.

2.2 Tube Dia 및 Gage

2.2.1 Bare Tube

(단위 BWG)

TEMA PART 1

16

OD (in) Copper Alloy CS, Al Alloy Other alloy1/4 27

2422

272422

3/8 222018

222018

1/2 2018

2018

5/8 201816

181614

201816

3/4 201816

161412

181614

7/8 18161412

141210-

161412-

1 181614

1412-

161412

1 1/4 1614

1412

1412

1 1/2 1614

1412

1412

2 1412

1412

1412

2.2.2 Fin Tube

공칭 Fin Dia 는 Fin 이 없는 Tube 부분의 외경보다 크면 안된다.

규정된 Wall 두께는 Fin 깊이를 제외한 Root dia 에서 기준한다

2.3 U-Tube

2.3.1 U Bend

1) 두께

최소두께를 만족해야 하므로 Bending 전 필요 두께 계산은 다음과

같다

원래두께 = 최소요구두께 (1 + 외경/평균곡률)

U Bend 의 두께감소는 17%미만이어야 하고 Flattening 은 공칭 외경

의 10% 미만이어야 한다.

2) 열처리

U bend 는 냉간가공으로 재질이나 Service 에 따라 Embrittlement 나

SCC 에 약하게 된다. 이 경우 구매자는 그 요건을 명시한다.

3) Spacing

TEMA PART 1

17

U bend 사이의 접촉은 허용 안됨.

2.4 Tube Pattern

1) 정사각형 Pattern는 bundle 분리형의 기계적 청소를 해야 할 경우 적용

한다

2) Tube 외부에서 기계적 청소를 한다면 삼각형 Pattern은 적용치 않는다.

2.5 Tube Pitch

1) R Class : Tube 간 간격은 Tube Center 간거리가 Tube 외경의 1.25 배이상

이고 기계적 청소대상이면 1/4”이상이어야 한다.

2) C, B Class : 생략

3. Shell and Shell Cover

3.1 Shell Dia. 제작자의 설계사항임.

3.2 허용공차

1) Pipe Shell 은 내경이 ASTM Pipe 와 같아야 한다.

2) Plate Shell 은 내경이 설계치보다 크면 안된다. 원주길이로 1/8”이상은 안

된다.

3.3 최소두께

어떤 경우에도 최소두께 이하는 안된다. Clad Shell 의 총두께도 Carbon

steel의 최소두께보다 작아서는 안된다.

[R class]

공칭 Shell dia CS pipe CS Plate Alloy*

6 Sch 40 - 1/8

8 ~12 Sch 30 - 1/8

13 ~ 29 3/8” 3/8” 3/16

30 ~ 39 - 7/16 1/4

40 ~ 60 - 1/2 5/16

* 6, 8” Dia 에는 Sch 5S 도 허용됨.

3.4 Shell Cover

최소한 Shell 두께이상이다.

TEMA Part II에 계속됩니다

TEMA PART 2

0


Part II

TEMA PART 2

1

목 차

항 목 페이지

Section 5 제작 및 설계 (TEMA Class R,C,B) 계속

4. Baffle and Support Plate 2

5 Floating Side 5

6 Gasket 8

7 Tubesheet 9

8 Flexible Shell Element 13

9 Channel, Cover, Bonnet 14

TEMA PART 2

2

Section 5 제작 및 설계 (TEMA Class R,C,B) 계속

4. Baffle and Support Plate

4.1 Baffle type

TEMA PART 2

3

4.2 Tube hole

1) Unsupported tube length 가 36”이하시 또는 Tube OD 가 1 1/4”이상시

Tube hole 은 Tube OD 보다 1/32”커야 한다

2) Tube OD 가 1 1/4” 미만이고 Unsupported tube length 가 36”초과시 Tube

hole 은 Tube OD 보다 1/64”커야 한다

3) Tube hole 에는 이물질이 없는 상태에서 Tube 를 삽입한다.

4) 허용공차는 0.01”이고 단, 전체 Hole 의 4%까지는 0.015”허용한다.

4.3 Baffle 과 Shell ID 와 Clearance(공간)

Nominal Shell ID Clearance (shell ID- Baffle OD)

6 ~17 1/8”

18 ~ 39 3/16”

40 ~ 54 1/4”

55 ~ 60 5/16”

4.4 Baffle 두께

4.4.1 Treansverse Baffle (R Class)

Shell IDUnsupported Tube

length 6~14 15~28 ~29~38 39~60

24” inc under 1/8 3/16 1/4 1/4

24 over ~ 36 3/16 1/4 5/16 3/8

36 over ~ 48 1/4 3/8 3/8 1/2

48 over ~ 60 3/8 3/8 1/2 5/8

60 over 3/8 1/2 5/8 5/8

4.4.2 Longitudinal Baffle (R Class)

1/4” 이상

4.4.3 주의할 곳

1) Pulsation, Fin Tube 에의 Baffle 설계

2) Shell side Presusre Drop 이 많은 경우 Longitudinal Baffle 설계

TEMA PART 2

4

4.5 Spacing

1) 최소 Spacing 은 Shell ID 의 1/5 또는 2” 중 큰값을 적용한다.

2) 최대 Spacing 은 아래표와 같다. ( )는 온도제한치이다.

Tube OD CS&High alloy (750),

Low alloy & Nickel (850),

Nickel Copper (600),

Ni-Cr-Fe (1000)

Al alloy, Copper alloy, Ti

alloy (Code max temp)

1/4 26 22

3/8 35 30

1/2 44 38

5/8 52 45

3/4 60 52

7/8 69 60

1 74 64

1 1/4 88 76

1 1/2 100 87

2 125 110

3) 일반적으로 Baffle spacing 은 일정한 간격을 유지하나 그렇지 못할 경

우 Shell Nozzle 쪽에 가능한 한 가깝게 위치시키고 나머지는 일정하게

유지한다.

4) Pulsation 이 있는 경우 Pressure Drop 을 감안하여 최소한 가깝게 설치

한다.

4.6 Impingement Plate

4.6.1 Shell side

밀도*유속의 제곱값이 다음값 초과할 때 Impingement Plate 를 설치한다.

- Non-Corrosive, Non-abrasive, Single phase flow : 1500

- 그외 Liquid (@Boiling point) : 500

- Mixture, Corrosive, Saturated vapor : 반드시 설치

TEMA PART 2

5

4.6.2 Tube side

Bundle 과 같은 방향인 Inlet Nozzle 일 경우, 밀도*유속의 제곱값이 6000

이상일때 특별한 Device (예 Ferrule) 를 설치한다.

4.7 Tie Rod, Spacer (R Class)

공칭 Shell ID Tie Rod Dia Tie rod 필요수량

6~15 3/8 4

16~27 3/8 6

27~33 1/2 6

34~48 1/2 8

49~60 1/2 10

4.8 Baffle 공간에 Flow By pass 를 막고자 할 때는 Sealing device 설치한다.

5. Floating Side

5.1 Internal Floating Head (S, T type)

5.1.1 최소 내부깊이 (R Class)

Multipass 인 Floating Head Cover 내부깊이는 각 Pass 를 통과하는 유량

의 1.3 배이상의 Coross-over area 면적을 갖도록 계산되어야 한다.

5.1.2 후열처리

ASME Code 나 구매자의 사양에 따라 후열처리를 실시한다.

5.1.3 Backing Device

Split Ring 또는 Backing Device 의 재질은 Shell 내부와 같이 부식저항성

이 있는 재질을 사용한다.

특히 내부 Bolting 재질도 마찬가지로 부식성이나 기계적강도, Service

에 의한 발생되는 결함을 방지하도록 선정한다.

5.1.4 Tube Bundle Support

Floating Head 를 지지하기 위한 부분적인 Support Plate 를 설치한다.

Plate 를 사용할 경우 그 두께는 60” 미지지 구간 길이에 대한 4.4 항의

규정된 대로 정한다.

TEMA PART 2

6

5.1.5 Floating Head Nozzle

5.2 항 참조

5.1.6 Pass Partition Plate

공칭두께는 9.1 항과 같다.

5.2 Outside Packed Floating Head (P type)

5.2.1 Head

Packing 과 접촉하게 되는 Floating Head tubesheet/ skirt 의 외부 표면은

거칠기를 63 RMS (70AA)정도로 한다.

5.2.2 Packing Box

기계 가공표면은 Floating Tubesheet나 Nozzle 이 통과하는 위치인

Shell 이나 Packing Box면에 접촉된다. Braided Packing 이 3 바퀴짜리

이면 설계압력 150 psi 에 사용하고 4 바퀴이면 300 psi 에 사용된다.

150 psi 이하이면 온도 300 °F 이하이고 유해물질인 아닌 한, Packing 을

더 줄일 수 있다.

다음 그림은 Packing Dimension과 그림이다.

TEMA PART 2

7

5.2.3 Packing 재질

Shell side 의 Service 에 따라 구매자가 정해준다.

5.2.4 Floating Tubesheet Skirt

(생략)


두께는 9.1 항과 같다.

5.3 External Sealed Floating Tubesheet (W type)

5.3.1 Lantern Ring (RB Class)

사각형 Braided Packing 을 사용하는 경우 단지 Steam, Water, Air, Lube

Oil 등 이와 유사한 것들이 Service 된다.

사용조건은 설계온도는 375° F 이하, 설계압력은 다음과 같다.

공칭 Shell 내경 (in) 설계압력 (psi)

6 ~ 24

25 ~ 42

43 ~ 60

300

150

75

5.3.2 Leakage Precaution

어떤 Leak 도 발생하지 않도록 Lantern Ring 의 Packing 에 대해 적절한

설계를 해야 한다. (이하생략)

5.3.3 Packing 재질

Shell side 의 Service 에 따라 구매자가 정해준다.

TEMA PART 2

8

6. Gasket

6.1 Gasket 종류

6.2 Gasket 재질 (R Class)

Metal Jacket이나 Solid Metal Gasket은 Internal Floating Head, #300 이상의

Joint, Hydrocarbon과 접촉하는 Joint 에 사용한다.

다른종류의 Gasket은 구매자와 제작자의 합의하에 사용된다.

6.3 Peripheral Gasket

1) External Bolting 부의 Ring Gasket의 최소폭은 Shell Dia 23”이하에 대해서

는 3/8”, Shell Dia 23”초과에 대해서는 1/2”이다.

2) External Bolting 부의 Gasket접촉면은 Flatness 허용오차가 ±1/32”이다.

6.4 Pass Partition Gasket

Channel, Bonnet, Floating Head 에 사용되는 Gasket의 폭은 Shell Dia 23”

까지에 대해서 1/4”이고 23”초과시는 3/8”이다

6.5 Gasket Joint Detail

Confined type 을 이용한다.

TEMA PART 2

9

7. Tubesheet

7.1 Tubesheet 두께

7.1.1 일반사항

7.1.2 Effective Thickness

아래의 항목을 제외하고 공칭 두께는 Tubeside Bottom Pass Partition의

Groove 에서 측정되거나 또한 Shell Side 의 Longitudinal Baffle 의

Groove 에서 측정하여 Groove Depth 를 초과한 부식여유를 뺀 두께를

말한다.

1) Applied Tubesheet Facing : 두께산정에서 제외한다.

2) Clad Tubesheet : Clad 나 Overlay두께는 ASME Code 에 따라 이 두께

에 포함한다.

7.1.3 최소필요두께

모든 종류의 열교환기 Tubesheet의 최소필요두께는 Tube/ Shell side 조

건에 따라 다음과 같이 계산된다.

1) Expanded Tube Joint 인 Tubesheet두께 : 어떤 경우든 부식여유를 뺀

Tubesheet의 두께가 Tube 의 OD 보다 작은 경우는 없다. 부식여유

를 보탠 Tubesheet의 두게가 3/4”보다 작은 경우도 없다.

2) Tubesheet두께 계산식 - Bending

T = (FG/3)�P/çS

7.2 ~7.3 생략

TEMA PART 2

10

7.4 Tube Hole

7.4.1 Tube Hole Diameter 및 허용오차

아래 표를 참조할 것 (a,b column)

구매자의 요구에 따라 특별히 정해진 규정치도 참조.(c,d column)

표 7.41

Nominal Tube Hole Diameter and Under Tolerance

standard Fit Close FitTube

OD Nom

Dia

Under

Tolerance

Nom Dia Under

Tolerance

Over

Tolerance

96% of tube

Over

Tolerance

4% of tube

1/4 0.259 0.004 0.257 0.002 0.002 0.007

3/8 0.384 “ 0.382 “ “ 0.007

1/2 0.510 “ 0.508 “ “ 0.008

5/8 0.635 “ 0.633 “ “ 0.010

3/4 0.760 “ 0.759 “ “ “

7/8 0.885 ” 0.883 “ “ “

1 1.012 “ 1.010 “ “ “

1 1/4 1.264 0.006 1.261 0.003 0.003 “

1 1/2 1.518 0.007 1.514 “ “ “

2 2.022 0.007 2.018 “ “ “

TEMA PART 2

11

7.5 Tubesheet Ligament

7.4.3 Tube Hole Finish

Hole 표면에 이물질이나 모서리에 날카롭게 돌출되는 것들이 없도록

한다. (Tube Damage 방지)

7.4.4 Tube Hole Grooving

확관되는 Tube Hole 에 적어도 두개의 Groove 를 가공한다. Groove 는

폭 1/8”, 깊이 1/64”정도임.

Tubesheet에 Clad 나 Overlay가 사용되더라도 Tubesheet Base Material

(모재) Groove 를 만든다.

TEMA PART 2

12

7.5 Tube to Tubesheet Joint

7.5.1 Expanded Tube to Tubesheet Joint (기본)

1) 확관부 길이

길이 2” 또는 Tubesheet두께에서 1/8” 을 뺀 길이중 작은 값이상으

로 확관되어야 한다. 어떤 경우든 Tubesheet두께를 벗어나 Shell

side 까지 넘어서는 확관을 하면 안된다.

2) 확관부 윤곽

확관은 균일하게 실시하고 비확관부와의 경계지점은 완만한 Taper

가 지도록 한다.

3) Tube Projection

Tube 가 Tubesheet에서 튀어나오는 길이는 Flush (표면높이에 맞춘)

이거나 최대 Tube Dia 의 1.5 배 이하로 한다. 수직형 Bundle 의

Top Tubesheet에 Tube 는 Drain 을 원활히 하기 위해 필요할 경우

Tube end 는 Flush로 한다.

7.5.2 Welded Tube To Tubesheet Joint

1) Seal welded Joint

Leak 에 대한 단지 Sealing 을 목적으로 하거나 Tube Load 를

Expanded Joint 로 받을 경우 Seal Welding 을 한다

2) Strength Welded Joint

Logitudinal tube Load 를 받을 경우 Strength weld 를 이용한다.

3) 제작 및 시험

용접절차나 시험방법은 제작자와 구매자 합의하에 수행한다.

7.5.3 Explosive Tube to Tubesheet Joint

(생략)

7.6 Tube Pass Partition Groove (R Class)

Tubesheet에는 Pass Partition Gasket이 삽입되는 Groove 는 3/16” 깊이로

한다

7.7 Tubesheet Pulling Eyes

(생략)

TEMA PART 2

13

7.8 Clad and Faced Tubesheet

Tube side 에 적용시 Clad/ Overlay 두께는 Expanding Joint 에 해당하면

5/16” 이상, Welded Joint 하면 1/8”이상으로 한다. Shell side 에 적용시는

최소 3/8” 이다

8. Flexible Shell Element

이 구절은 Shell 과 Tube 길이방향의 Stress, Tube to Tubesheet load 를 감소

시키기 위해 Flexible Element 가 필요한 Fixed Tubesheet에 적용되는 내용이다.

두께가 얇은 Expansion Bellows Type 은 EJMA 의 Standard 를 따른다.

8.1 적용지침

여기에 사용되는 공식 (계산식)은 다음사항을 가정한 것이다.

- 적용되는 하중은 길이방향이다.

- 비틀림 하중은 무시한다.

- Element 는 대칭이고 두께는 충분히 두껍게 한다.

부식여유는 부식분위기에 따라 적용여부를 구분한다.

수압시험은 압력시험 조건에 따라 평가되어야 한다.

8.2 ~ 8.8 (생략)

8.9 최소두께

최소두께는 8.1 ~ 8.8 항에서 계산된 근거에 근거하지만 어떤 경우에도

비부식성 분위기에서는 다음의 두께 이상이어야 한다.

Shell Dia Flexible Element

18”이하 1/8”

18 초과~ 30” 3/16”

30”초과 1/4”

TEMA PART 2

14

9. Channel, Cover, Bonnet

9.1 Channel and Bonnet

9.1.1 최소두께

ASME Code Design 계산식에 의해 결정되며 어떠한 경우든 최소두께는

TEMA Table R-3.13 보다 작아서는 안된다. Clad Channel의 Total

Thickness 는 Carbon steel의 두께와 같이 한다.

9.1.2 Inside Depth

각 Tube Pass Flow 량의 1.3 배가 되도록 내부 Size 를 정한다.


1) 최소두께

계산식에 의한 수치중 큰값을 최소두께로 한다.

a) 표

Shell Size

(in)

Carbon steel Alloy steel

24 미만 3/8” 1/4”

24 ~ 60 1/2” 3/8”

b) 계산식 (생략)

2) Weld size

한쪽면에 Fillet weld 로 부착하고 Minimum leg 는 3/4 t 이다.

9.2 Flat Channel Cover

9.2.1 Flat Channel Cover Deflection

Recommended Limit deflection : 0.03” (24” Dia 까지)

24”이상은 Dia 의 0.125%

Deflection 계산방법은

Y = (G/ET3)(0.0435G3P + 0.5 SBABhg)

9.2.2 Channel Cover Groove

깊이 : 3/16” Groove 를 포함하여 전표면의 Clad 두께는 1/8”이상

TEMA PART 3

0


Part III

TEMA PART 3

1

목 차

항 목 페이지

Section 6 Flow Induced Vibration1. 일반사항 2

2 Vibration Damage 2

3 Failure 지역 2

4 Dimensionless Number 3

5 Natural Frequency 3

6 ~ 8 (생략) 3

9 Shell Side Velocity Distribution 4

10 Critical Cross Flow Velocity 6

Section 10 Recommended Good Practice1 Plugging Tube 7

2 Shell & Shell Cover 최소두께 7

3 Baffle & Support Plate 7

4 Shell and Bundle Entrance/ Exit Area 7

5 Gasket 10

6 Tube Wall Reduction 10

7 Testing Welded Joint 10

8 Reference Table 11

APP 열교환기 설계시 고려사항

1 열팽창 15

2 Cleaning 15

3 기 타 16

TEMA PART 3

2

Section 6 Flow Induced Vibration

1. 일반사항 (생략)

2. Vibration Damage

2.1 Collision Damage (충돌)

Tube 가 고진폭으로 진동시 Tube 끼리 또는 Tube 와 Shell 이 부딪혀 마모가

심하게 일어날 수 있다. 특히 Support 구간이 긴 경우에 중앙부위에서 가장

심할 것이다.

2.2 Baffle Damage

Fluid Force 가 클 경우 Baffle Hole 에 삽입된 Tube OD 부분에 마모가 지속적

으로 일어난다.

2.3 Clamping Effect

Tube Sheet 근처의 Tube Natural Frequency 는 이 Clamping Effect 에 의해 증

가한다. Tube 의 Lateral Deflection에 의한 Stress 는 Tubesheet에 박힌 부분

에서 가장 크다. 즉 Tube 의 Failure 를 일으킬 가능성이 높다

2.4 재질결함 진전

Raw Material에 내재된 결함이 있다면 진동에 의해 결함이 진전된다.

2.5 Acoustic Vibration (생략)

3. Failure 지역

3.1 U Bend

U Bend 의 바깥열은 낮은 자연주파수 (Natural Frequency) 를 가진다. 그러므

로 안쪽열보다 Failure 가능성이 더 높다.

3.2 Nozzle 입구 및 출구

Impingement Plate 가 부착된 Nozzle 입구 및 출구는 공간의 한정적인 지역으

로 유속이 빠르거나 비교적 낮은 자연주파수를 가지기 때문에 주의한다.

3.3 Tubesheet 지역

Tubesheet와 Support 간 Tube Span은 비교적 길이가 길다. 즉 낮은 자연주

파수를 가진다는 것이다. 위의 Clamping Effect 에서 설명한 바와 같은 문제

로 주의깊은 관찰이 필요하다.

3.4 Baffle 지역

3.3 항과 동일 사유임.

TEMA PART 3

3

4. Dimensionless Number (생략)

5. Natural Frequency (자연주파수)

5.1 일반사항

열교환기의 자연주파수 계산은 Vibration에 의한 문제를 평가하는데 필수적

인 단계이다. 현재 사용중인 이 계산방법은 Multi Pass 에서는 완전한 정밀도

를 가진 것은 아니다. 그러므로 한 개의 Span 별로 계산한다.

5.2 자연주파수에 영향을 미치는 인자

l Tube 탄성, 관성, Tube 배열

l Support 종류 (Fixed Tubesheet, Baffle 종류)

l Tube 축방향 하중

l Straight or U Tube

6. Axial Tube stress (생략)

7. Effective Tube Mass (생략)

8. Damping (생략)

9. Shell side Velocity Distribution

9.1 일반사항

Shell Side 어느 한 지점에서 Flow Velocity 를 계산하는 것이 극히 어렵다.

즉 Support, Baffle 의 By Pass , Shell 과 Baffle 의 공간이 있기 때문이다.

9.2 Reference Cross Flow Velocity

Reference Cross Flow Velocity를 Critical Cross Flow와 비교하여 진동에 대한

문제를 해결한다.

Reference Cross Flow Velocity 아래식은 TEMA E Shell Single Pass 로 계산.

TEMA PART 3

4

TEMA PART 3

5

TEMA PART 3

6

10. Critical Cross Flow Velocity

TEMA PART 3 1998.11. Rev 0

7

Section 10 Recommended Good Practice

1. Plugging Tube

U Tube 나 다른 특별한 설계로 제작된 열교환기 Bundle 에서 Tube 의 결함이 발

생할 경우 이를 제거하기가 어렵다. 이 경우 제작자는 사전 동의없이 2 본까지

는 Plugging 을 할 수 있다. 다음조건은 Plugging 을 할 경우이다.

1) U Tube 의 최외곽 Tube 에서 2 본 안쪽의 Tube 에 결함이 있을 경우

2) Channel이 용접되어 교체하기 위한 작업공간이 없을 경우

3) 제작자와 구매자가 합의할 경우

4) 제작자가 원래 설계대로 보증을 할 경우

5) 구매자가 요구할 경우

2. Shell Cover 최소두께

Shell Dia (in) Carbon Steel Alloy

61 ~ 80 1/2” 5/16”

81 ~ 100 1/2” 3/8”

3. Baffle & Support Plate

Shell Dia (in) Shell ID – Baffle OD

61 ~ 69 5/16"

70 ~ 84 3/8"

85 ~100 7/16"

Plate Thickness

@ Tube Span

Shell

Dia (in)

24 이하 24 초과~36 36 초과~ 48 48 초과~ 60 60 초과

61~ 100 3/8 1/2 5/8 3/4 3/4

4. Shell or Bundle Entrance and Exit Area

203, 204 페이지


8


9


10

5. Gasket

용접으로 이어진 부위의 경도의 상한치를 제작자는 정한다.

6. Tube Wall Reduction

l Tube Hole Finish, Hole Size

l Groove 유무

l Tube 두께, 경도, OD 오차,

l Expander 종류

l Torque control

7. Testing Welded Joint

제작자의 규정에 따른다. 기압시험을 한다.


11

8. Reference Table

8.1 Pipe Thickness


12

8.2 Hardness Conversion


13


14

8.4 Wire Gage


15

APP 열교환기설계시 고려사항

1. 열팽창

열교환기 운전시 Tube Bundle 과 원통은 서로 다른 온도하에서 가동되며, 서로

다른 재료로 구성될 수 있으므로 열팽창이 다르게 된다. 이것은 결국 응력

을 발생시켜 Tubesheet사이에 결합이 느슨해지거나 Tube 가 휘는등 많은 문제

점을 발생시킨다.

U-Tube 를 사용하면 이 문제점을 해결할 수 있으나 공정조건상 허용되지

않는다면 Expansion Joint 나 Floating Head 를 이용해야 한다. 만약 열팽창

차이가 매우 클 경우 Expansion Joint 로 해결할 수 없으므로 Floating Head 를

사용해야 하는 데 단점으로 가격이 올라가고 TubePass 가 많을 경우 Tube

Inlet과 Outlet온도차가 많이 나면 Tube 간 열팽창의 불균형으로 비틀림

Moment 가 작용한다.

2. 청소

2.1 Tube 직경

Tube 직경이 너무 작으면 청소하기가 곤란하므로 직관은 3/4" 이상, Tube

는 1"이상으로 하는 것이 좋다.

2.2 Tube Layout

Bundle 을 기계적세척을 해야 하는 경우 90 도 또는 45 도로 해야 한다.

Shell Side 유동이 층류일 때는 45 도 배열이 좋고 난류일 때는 90 도 배열

을 쓰는 것이 비슷한 열전달 효과로 압력강하를 줄일 수 있다.

2.3 Tube 길이

일반적으로 Tube 길이를 길이를 길게 하는 것이 경제적으로 주어진 면적에

서 비용을 최소화 할 수 있으나 기계적 세척이 가능한 길이는 대략 16 feet

이다.


16

3. 기타

3.1 Fixed Tube Sheet

Tube Side 와 Shell Side 온도차가 100 °F 이하시 별도의 장치가 필요 없으

나 그 이상이면 Shell 에 Expansion Joint 를 설치해야 한다.

3.2 Vertical Shell

응축기로 사용할 때 중력을 이용할 수 있어서 효율이 좋다.그러나 수직으로

설치해야 하므로 지지구조물에 비용이 많이 들고 운전중에 기계적 세척을

하기가 어려운 단점이 있다. 이 형태는 냉각제가 비등하는 경우나 용량의

변동이 큰 경우, 액체의 냉각등에 이용된다.

3.3 Horizontal K Shell

Shell Side 에서 Boiling 이 일어나는 경우에 사용되며 U Bundle 이 가장 많

이 사용된다. 원통의 상부에는 비등하는 액체의 유입을 막기 위하여 일정

한 크기의 기체공간을 두며 칸막이 (Weir)를 두므로 불규칙한 공정조건에

서도 그 특성을 발휘한다.

열교환기 구조 - ... · pdf file4 [그림2] fixed type heat exchanger 다. u-tube...

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