tube 내 유속관련

 

 

5-1.

Tubular열교환기에서 Tube는 Plain tube와 Low fin tube로 나눌 수 있으며 Low fin tube의 Fin은 Tube의 전열면적을 증가 시켜주기 때문에 열교환기를 더 작게 설계할 수 있는 장점은 있으나 고가이기 때문에 거의 사용이 안되고 있다.
또 이 Tube선정시에는 오염계수 (Fouling factor )가 0.003 이상이거나 부식률(Corrosion rate) 이 2 (Miles/year) 이상일 때는 사용을 제한 한다.

Tube 선정 기준

• Tube Materials

  • Shell side와 Tube side 양 유체에도 견디는 재질
  • 성능(Performance)를 위하여 가능한 열전도도가 좋은 재질
  • Tube두께가 얇은 것, 부식허용(Corrosion Allowance)은 고려하지 않음

  ※ 직경과 두께

  Service		Material	직경	Wall Thickness
  Water		Non-Ferrouse	3/4"	0.065"
  		Ferrouse	3/4" or 1"	14 or 12 DWG
  Oil Service	Non-Fouling or Fouling (<0.003) Mildy Corrsive	Ferrous	3/4"	14 BWG
  	Non-Fouling or Fouling (<0.003) Corrsive		3/4"	Heavy Wall Tube required
  	Extremely Fouling (<0.003) Mildy Corrsive		1"	Heavy Wall Tube required
  	Extremely Fouling (<0.003) Corrsive		1"	Heavy Wall Tube required

• Tube 사양

  Tube의 사양(직경, 두께, 길이)은 기본적으로 전열조건, 강도조건, 유체의 오염 정도와 경제성 등에 따라 최적의 치수를 선정한다. Tube의 직경을 기준으로 특성을 살펴보면

  • 외경이 작은 Tube는 동일 큰 Tube보다 더 많은 본 수를 배열
  • 유속이 같으면 Tube외경이 작은 쪽이 열 전달계수가 커진다.
  • 물리적인 청소를 위하여 최소한 3/4”이상이 되어야 한다.
  • 청결한 유체이거나, 화학적인 청소만 요구되고 Tube side에 압력손실이 고려사항이 아니라면 Tube의 직경이 작은 것을 사용하여 성능을 개선한다

  따라서 길이 제한조건이나 압력손실에 대한 제한조건이 없다면 가능한 Tube본 수를 줄이고 Tube길이를 길게 하면 압력손실과 열 전달계수가 커지기 때문에 Shell의 직경과 Flange, Tube sheet가 작아져서 경제적인 설계를 할 수 있다. 반면에 Tube의 길이가 커지면 Bundle을 제거할 때 Tube 길이와 동일한 공간이 필요하므로 공간에 대한 제한이 따른다. 그리고 인발강관 최대 길이가 9-12m이므로 설계 시 구매에 따른 문제도 고려하여야 한다.

  ※ Plain Tube Dimension

  OD		Wall Thickness			ID		Outside Surface
  in	mm	BWG	in	mm	in	mm	ft2/ft	m2/m
  0.250	6.350	22	0.028	0.711	0.194	4.928	0.066	0.020
  		24	0.022	0.559	0.206	5.232
  0.375	9.525	18	0.049	1.245	0.277	7.036	0.098	0.030
  		20	0.035	0.889	0.305	7.747
  		22	0.028	0.711	0.319	8.103
  0.500	12.700	18	0.045	1.245	0.402	10.211	0.131	0.040
  		20	0.035	0.889	0.430	10.922
  0.625	15.875	16	0.065	1.651	0.455	12.573	0.164	0.050
  		18	0.049	1.245	0.527	13.386
  		20	0.036	0.889	0.555	14.097
  0.750	19.050	12	0.109	2.769	0.530	13.462	0.196	0.060
  		14	0.083	2.108	0.584	14.834
  		16	0.065	1.651	0.620	15.748
  		18	0.049	1.245	0.652	16.561
  		20	0.035	0.889	0.680	17.272
  0.875	22.225	14	0.083	2.108	0.709	18.008	0.230	0.070
  		16	0.065	1.651	0.745	18.923
  		18	0.049	1.245	0.777	19.736
  		20	0.035	0.889	0.805	20.447
  1	25.400	12	0.109	2.769	0.782	19.863	0.262	0.080
  		14	0.083	2.108	0.834	21.184
  		16	0.065	1.651	0.870	22.098
  		18	0.049	1.245	0.902	22.911
  1.250	31.750	10	0.134	3.404	0.982	24.943	0.327	0.100
  		12	0.109	2.769	1.032	26.213
  		14	0.083	2.108	1.084	27.534
  		16	0.065	1.651	1.120	28.448
  1.500	38.100	10	0.134	3.404	1.232	31.293	0.393	0.120
  		12	0.109	2.769	1.282	32.563
  		14	0.083	2.108	1.334	33.884
  		16	0.065	1.651	1.370	34.798
  2.000	50.800	11	0.120	3.048	1.760	44.704	0.524	0.160
  		13	0.095	2.413	1.810	45.974
  2.500	63.500	9	0.148	3.759	2.200	55.880	0.654

튜브측 유체

• Tube side에 적용되는 유체

  • 냉각수(Cooling water)
  • 부식성 유체 혹은 침전물이 있는 유체
  • Fouling유체, 점도가 작은 유체
  • 압력이 높아도 직경이 작아서 두께에 영향이 적은 고압의 유체

• 설계기준

  • 누수나 Bypass가 없어 압력손실 및 열전달 계수의 계산이 쉽고 정확
  • 좋은 열 전달 효과를 위해서는 유속을 증가하기 위해 Pass수를 증가
  • 유속이 증가하면 압력의 손실도 커진다.
  • 허용압력 범위에서 재질과 온도에 따른 제한속도 미만으로 선정
  • 관내 열전달 계수는 유속과 다음과 같은 관계를 가진다.
    층류영역: Re ≤ 2,100 (h_t ∝ U ^0.23)
    천이영역: 2,100 ≤ Re ≤ 10,000 (h_t ∝ U ^0.23-0.8)
    난류영역: 2,100 ≤ Re ≤ 10,000 (h_t ∝ U ^0.8)
  • 압력손실과 유속의 관계는 다음과 같다.
    층류 및 천이영역: ΔP ∝ U ^1.0
    난류영역: ΔP ∝ U ^1.8

• 유속

  • 필요이상 빠르면 Erosion의 원인을 초래하여 부식의 진행속도를 촉진
  • Tube재질과 관계가 있지만 탄소강 관의 경우 기준속도를 살펴보면
    • 액체: 0.5 ~ 3.0 m/s
    • 기체: 5.0 ~ 30 m/s
  • 온도와 유속과의 관계를 보면 유체가 고온일수록 허용 속도는 낮아진다.
  • 유속을 너무 느리게 설계하면 오염물들이 침전되어 누적
  • 물의경우 최소유속을 1m/s이상으로 설계하는 것을 추천한다.

    ※ 튜브측 최대 허용속도, m/s

    Tube 재료	Aramco Spec	General
    탄소강	1.8	2.0
    Admiralty	1.5	2.5
    Aluminum brass or bronze	2.4	3.5
    70 Cu - 30 Ni	3.0	3.5
    90 Cu - 10 Ni	3.0	3.5
    Monel	3.7	3.5
    SUS 강	4.6	3.5
    Copper	2.1	-

• 튜브측의 유체를 선정하는 순위

  • 냉각수(Cooling Water)
  • 부식성유체 혹은 침전물이 있는 유체
  • 오염이 큰 유체
  • 두 유체 중 점도가 작은 유체
  • 압력이 높은 유체
  • 온도가 높은 유체
  • 정확한 압력손실이 요구되는 유체
  • 제한된 압력손실이 요구되는 유체
  상기 조건 외에도 응축할 증기와 입 출구에서 온도변화가 큰 유체(300~350^oF 이상)는 열팽창과 열응력 문제를 최소화하기 위하여 Shell side로 통과한다.

• 경제성과 유지 및 보수를 기본 배경으로 한 사양 선정

  • Tube side유체의 오염이 심각하다면 Straight tube를 이용한다.
  • Tube side유체의 오염이 경미하고 Chemical cleaning을 할 수 있다면 Straight나 U-Tube를 선정.
  • Shell side유체의 오염이 다소 있다면, Bundle을 분리 가능한 형태로 선정하고 45^o나 90^o Layout선정.
  • Shell side유체의 오염이 경미하거나 오염이 없는 경우는 Fixed type혹은 U-tube type에 30^o Layout으로 선정.
  • 양 Side유체의 오염이 경미하면 U-Tube type이나 Fixed type으로 선정.
  • Shell side유체의 오염은 경미하나 Tube side는 오염이 큰 경우 30° Layout과 Fixed type을 선정.
  • Shell side유체의 오염이 크고 Tube side는 오염이 작으면 U-Tube type 혹은 Floating head type에 45^o나 90^o Layout으로 선정.
  • 양 Side 모두 오염이 크면 Floating head type 과 45^o나 90^o Layout 선정.
  • Tune side 유체의 오염이 많아 정기보수 시마다 청소가 필요한 경우 ‘A’ Type을 선정한다.
  • Tube side의 설계압력이 고압이면 ‘D’ Type을 선정한다.
  • 수직형 열 교환기는 ‘B’ Type을 선정한다.
  • 유체가 고압이거나 독극물인 경우는 Bundle과 Channel이 일체형인 ‘C’ Type을 선정한다.
  • Shell & Tube side 두 유체의 접촉으로 피해가 있는 경우는 Double tube sheet를 고려해 본다.
  • 경제적인 관점에서의 선정기준 Fixed Type < U-Type < Floating Type

Tube의 배열

• Tube의 배열방법

  30^o, 60^o의 삼각배열, 45^o, 90^o의 사각배열

• 배열기준

  • Shell side에 오염이 적은 유체: 삼각배열
  • 오염이 많은 유체: 사각배열로 하여 청소가 가능하도록 한다.
  • Shell side에서 Vapor를 발생시키는 경우: 90° 배열
    (유효 전열면적을 감소시키는 침전물, Air pocket을 최소화(Reboiler))

• Tube배열에 대한 각도별 특성

  

  • 30^o 배열

    Staggered layout은 Shell side오염계수(Fouling factor)가 0.002 보다 작은 경우에 사용하며 주어진 Shell 안에서 가장 큰 전열면적을 얻을 수 있기 때문에 전열효과는 좋으나 압력 손실이 크다. Reboiler에서 30^o Layout을 사용할 경유 열유속(Heat flux)이 6000을 초과하지 않는 경우에 사용할 것을 추천한다.

  • 60^o 배열

    Staggerd layout은 상 변화가 없는 유체에 사용한다. 압력손실 대 전열효과가 낮기 때문에 일반적으로 추천하지 않는다.

  • 45^o 배열

    Staggered layout은 난류를 유도할 수 있기 때문에 층류유동에 좋다. 그리고 전열효과 대 압력손실의 효과는 크지만 주어진 Shell에서 30°와 비교 할 때 약 85%정도 효과가 있다. 그러나 정확한 이유는 확인이 안되고 있지만 이 배열에서 소음진동이 자주 발생되는데 이때는 90°로 변경하면 문제를 해결할 수 있다.

  • 90^o 배열

    Inline layout은 가능한 층류(Laminar flow)에서 피하여야 한다. 그러나 난류에서는 효과적이며 특히 허용 압력손실이 작을 때 바람직하다. 그리고 Tube배열 시 Baffle의 Cut방향에 따라 유체의 유동방향이 30°와 60°가 종종 바뀌는 경유가 있어 성능차이가 생기는 것을 볼 수 있다. 항상 유체의 유동기준은 Mid-space에서 유체의 유동 방향을 가지고 Tube배열을 한다.

 

• Tube의 Pitch

  Tube의 중심(Center)에서 중심까지의 거리

• 규정 (TEMA)

  • Shell side의 청소(Mechanical cleaning)를 위하여 Shell 직경이 12”(305mm) 이하이면 3/16”(4.8mm) Shell 직경이 12”(305mm) 이상이면 1/4”(6.4mm)를 제공한다.
  • 최소 Tube외경의 1.25배

• 설정기준

  • 성능향상을 위해 보통 Shell 내경을 줄이고 가장 작은 Pitch를 사용
  • Pitch를 크게 해야하는 경우
    • Shell side에서 응축수(Condensate)가 많이 Bridge형상이 생기는 경우
    • 진동문제 때문에 Shell직경을 크게 하여야 하는 경우
    • Tube를 Shell내경 전체에 균등하게 배열하기 위한 경우
  • Tube외경이 11”/2보다 클 경우: Tube외경의 1.25배
  • 압력이 50psi보다 작은 Kettle type reboiler: Tube간 간극을 3/8” (9.53mm)
  • 열유속이 16,000보다 큰 경우 : Tube간 간극을 3/8” (9.53mm)

  ※ Standard Pitch Size

  Tube O.D		Pitch(Pt)		Pitch Ratio
  in	mm	in	mm
  0.250	6.350	0.312	7.968	0.250
  		0.375	9.525	1.500
  0.375	9.525	0.500	12.700	1.330
  		0.531	13.494	1.420
  0.500	12.700	0.625	15.875	1.250
  		0.656	16.669	1.310
  		0.688	17.462	1.380
  0.625	15.875	0.781	19.844	1.250
  		0.812	20.638	1.300
  		0.875	22.225	1.400
  0.750	19.050	0.938	23.813	1.250
  		1.000	25.400	1.330
  		1.062	26.988	1.420
  		1.125	28.575	1.500
  1.000	25.400	1.250	31.750	1.250
  		1.312	33.338	1.312
  		1.375	34.925	1.375
  1.250	31.750	39.688	1.250
  1.500	38.100	1.875	47.625	1.250
  2.000	50.000	2.500	63.500	1.250

Tube Pass와 Partition Lane

• Pass 수의 제한

  Tube side위 유속을 증가시키기 위해 Tube Pass수를 증가시키게 되는데 Shell 내경이 작으면 제작상 Tube Pass수를 어느 이상 증가시킬 수는 없다.

  Shell의 내경	Max. Pass 수	Shell의 내경	Max. Pass 수
  <10"	4	30" ~ 40"	10
  10" ~ 20"	6	40" ~ 50"	12
  20" ~ 30"	8	50" ~ 60"	14

• Partition Lane

  2 Pass이상이 되면 Channel에 Pass partition plate가 있으므로 Shell side에서 이 부분에 Tube Pass partition lane폭(Tube center에서 Center까지의 거리)
  • 3/4” Tube: 38 ~ 40mm정도 간격
  • U-Tube: 58mm(19.05mm × 3배) / Min. bending radius가 28.6mm
  • Tube layout시 고려할 사항