Shell & Tube 열교환기 설계

문서 내 토픽

1. Shell & Tube 열교환기 설계 개요

고객으로부터 의뢰받은 shell & tube 열교환기 설계 프로젝트. 튜브측에서 물 25,000kg/hr이 20℃에서 100℃로 가열되고, 쉘측에서 물 10,000kg/hr이 130℃에서 100℃로 냉각된다. 설치공간은 5m(가로) × 2m(세로) × 2m(높이)이며, 외부 벽 온도는 130℃, 외기온도는 40℃ 이하가 되도록 설계되어야 한다. 열량은 튜브측 558.82 Kcal/s, 쉘측 83.992 Kcal/s이다.
2. 단열재 선택

단열재는 사용 가능 온도, 쉘 내경에 따른 사용여부, 재료비를 고려하여 선택된다. 미네랄 울이 최종 선택되었으며, 이유는 유연하고 복원력이 우수하고, 불연성·단열성·흡음성이 뛰어나며, 가장 많이 사용되는 단열재이기 때문이다. 암면, 글라스 울, 수성 연질폼 등은 습기에 약하거나 강도가 약한 단점이 있다.
3. 튜브 재질 선택

튜브 재질로는 스테인리스(SUS304), 동관, 알루미늄이 검토되었다. 스테인리스는 내식성과 강도가 우수하고 경제성이 좋으며, 동관은 높은 열전달력과 우수한 내식성을 가진다. 알루미늄은 경제적이지만 고온의 물과 화학반응하여 사용 불가능하다. 최종적으로 스테인리스(SUS304)가 선택되었다.
4. 교환기 형태 및 비용 분석

3,6 교환기, 4,8 교환기, 5,10 교환기의 제작비용을 비교 분석했다. 5,10 교환기가 1,556,450원으로 가장 저렴하며, 튜브 구매비용 717,400원, 용접비용 459,878원, 일반관리비 143,103원 등으로 구성된다. 질량유속과 온도 조건 변경 시 6,000kg/h, 70℃ 조건에서 728,788원으로 더욱 비용 절감이 가능하다.

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1. Shell & Tube 열교환기 설계 개요

Shell & Tube 열교환기는 산업 분야에서 가장 널리 사용되는 열교환 장치로, 그 설계는 열전달 효율성과 경제성의 균형을 맞추는 것이 핵심입니다. 설계 단계에서는 유체의 물성, 유량, 온도 조건 등을 정확히 파악하여 필요한 열전달 면적을 계산해야 합니다. 또한 압력강하, 유속, 튜브 배치 등을 고려하여 최적의 구성을 결정하는 것이 중요합니다. 체계적인 설계 접근은 장기적인 운영 비용 절감과 안정적인 성능 유지를 보장하므로, 초기 설계 단계에서의 신중한 검토가 매우 중요합니다.
2. 단열재 선택

열교환기의 단열재 선택은 에너지 손실 최소화와 안전성 확보 측면에서 매우 중요한 결정입니다. 단열재의 열전도율, 작동 온도 범위, 내구성, 환경 친화성 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 유리섬유, 암면, 폴리우레탄 폼 등 다양한 재료가 있으며, 각각의 장단점을 비교 분석하여 특정 운영 조건에 맞는 최적의 선택이 필요합니다. 비용 효율성도 중요하지만, 장기적인 에너지 절감 효과와 유지보수 용이성을 함께 고려하여 결정하는 것이 바람직합니다.
3. 튜브 재질 선택

튜브 재질 선택은 열교환기의 성능과 수명을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 탄소강, 스테인리스강, 구리, 티타늄 등 다양한 재료가 있으며, 각각은 열전도율, 부식 저항성, 기계적 강도, 비용 등에서 서로 다른 특성을 가집니다. 유체의 화학적 성질, 온도, 압력 조건을 정확히 분석하여 부식이나 침식에 강한 재질을 선택해야 합니다. 초기 투자 비용과 장기적인 유지보수 비용을 모두 고려한 생명주기 비용 분석이 현명한 선택을 위해 필수적입니다.
4. 교환기 형태 및 비용 분석

Shell & Tube 열교환기의 형태 선택은 열전달 효율, 압력강하, 제작 난이도, 유지보수성 등 여러 요소에 영향을 미칩니다. 1-1, 1-2, 2-4 등 다양한 패스 구성이 있으며, 각각은 서로 다른 성능 특성을 가집니다. 비용 분석 시에는 초기 구매 비용뿐만 아니라 설치, 운영, 유지보수, 에너지 소비 등 전체 생명주기 비용을 고려해야 합니다. 특정 응용 분야의 요구사항과 제약 조건을 종합적으로 평가하여 최적의 형태와 사양을 결정하는 것이 효율적이고 경제적인 열교환기 시스템 구축의 핵심입니다.

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