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  shell 측 냉각수 적정 유속 문의.
  글쓴이 : thermo   고유ID : thermo9798     날짜 : 18-10-09 14:08     조회 : 87    
안녕하세요. Q&A 게시판에서 tube 측 냉각수의 적정 유속에 대해
Carbon steel 의 경우  2.7 m/s (0.5~2.5 m/s) 가 적정하다는 글을 보았습니다.

1. 이 때 Tube측 적정 유속을 계산하기 위한
  Tube면적 A1은 아래와 같이 pass수를 고려해야 하는 것이 맞나요?
  A1 = pi*(tube Od/2)^2*(N/Np)
      Tube od = tube 외경
      N = tube 개수
      Np = tube pass 수

2. 그렇다면 냉각수가 Shell측으로 흐를 때의 적정유속은 어느정도 인가요?
 검색을 해봐도 shell 측 적정유속은 나오지 않네요. tube 측 적정유속과 동일한가요?

3. 저희 공장의 열교환기가, shell측(냉각수) 저유속에 의한 fouling 심화가 의심됩니다.
 따라서 shell측 유속을 계산하기 위해, 부피유량을 열교환기 면적으로 나눠주려고 합니다.

  3-1) 이 때 shell 측 유체가 지나가는 면적을 아래와 같이 A2이라고 보면 되나요?
       A2 = pi*(Shell Id/2)^2- pi*(Tube Od/2)^2*N
       Shell id = shell 내경
       Tube od = tube 외경
       N = tube 개수

  3-2) 아니라면 baffle cut을 고려하여 아래와 같이 A3로 봐야하나요?
        A3 = A2*(baffle cut)

4. 저희 공장 내 3개의 열교환기에 대해, 설계 data sheet 기반으로 (설계기준 면적, 유량)
각각 shell측 유속을 계산해보면 아래와 같이 나옵니다.
 ->부피유량을 A2로 나눈 shell 유속 = 0.046 / 0.12 / 0.13 m/s
 ->부피유량을 A3로 나눈 shell 유속 = 0.187 / 0.55 / 0.63 m/s

  4-1) (이러한 결과를 본다면 부피유량이 A3가 맞다고 판단되어지나)
         설계 data sheet 상의 유량은, 향후 load up을 예상하여
         상대적으로 저유속으로 설계되어 있는 것인지 궁금합니다.

궁금한 점이 많네요. 답변 부탁드리겠습니다.
감사합니다 :-)



이종석 chemtech   18-10-10 14:03
Tube Side의 Flow Area (ft^2) = (No. of Tube x Flow Area/Tube) / No. of Tube Pass 로 계산 합니다
Flow Area/Tube 는 Tube ID 에 따른 면적 입니다 (3.14 x Tube ID^2) / 4 = in^2

Shell Side 의 Flow Area 는Tube (ft^2) = ID x Tube Clearance x Baffle Spacing / (Tube Pitch x 144) 의
식을 사용해서 계산 합니다 (144는 in^2 를 ft^2로의 환산값)
유속은 질량유속을 먼저 구한후 질량유속 (lb /(hr.ft^2) = 유량 / 위식의 Flow Area
이값에 밀도로 나누면 단위면적당 유속이 계산 됩니다.

(참고문헌 : PROCESS HEAT TRANSFER BY D.Q.KERN)

Shell Side의 적정 유속은 고려하지 않습니다. 다만, 압력손실만 고려를 합니다
그렇기 때문에 가능하면 오염되는 물질은 Tube Side로
설계를 하지요. Shell Side 의 오염시 Chemical Cleaning 외에는 방법이 없으나 Tube Side의 경우는
청소가 용이하기 때문 입니다
특별한 경우가 아니라면 오염될수 있는 물질은 Tube Side로 공급해야 하며 귀사의 경우처럼
Shell Side로 냉각수가 공급되는 경우 오염이 될수밖에 없는 것이며 오염이 심해지면 열교환에 문제가
생기는 것은 당연하지요. 따라서 이경우 Chemical Cleaning을 해 주어야 합니다

설계하다 보면 Tube Side의 경우 적정 유속을 감안하여 (1 m/s 이상) 설계가 가능 하지만 Shell Side의
유속은 Tube Side의 적정유속 처럼 맞게 설계할수 없는 경우가 대부분 입니다.
저유속 으로 설계할수 밖에 없는 경우가 대부분 이라는 의미 입니다 (액/액 열교환)

따라서 오염가능한 물질은 Shell Side로 설계를 했다면 필연적으로 문제시 Chemical Cleaning을
해야만 합니다.
thermo thermo9798   18-10-11 08:47
좋은 답변 정말 감사드립니다.
허나  지식이 짧아 이해가 부족한 부분이 있습니다.
아래 부분에 대해 부연 설명 해주실수 있을까요?

Shell Side 의 Flow Area 는Tube (ft^2) = ID x Tube Clearance x Baffle Spacing / (Tube Pitch x 144)

라고 하셨는데, 위 식으로 계산한 ID를 통해 shell side flow area는 A=(3.14 x  ID^2) / 4 라고 계산하면 된다는 것인가요?
이 때, ID는 설계상 shell ID와 다른 개념인가요?
제가 잘못이해한 것 같은데, 다시 한 번 설명부탁드리겠습니다.
스테파노 Stefano   18-10-11 11:28
(1) Shell Side Flow Area

Shell Side Flow는 유체가 흐르고 있는 위치에 따라 제각각 다르기 때문에 대표적인 값으로 Baffle로 구획된 Shell Side의 중앙부 위치에서 Shell(Tube) 축과 직각방향 단면적을 통한 흐름을 말합니다.   

(Shell Flow Area, m2)  =  (Baffle Spacing, m) * [(Tube 사이 간격, m)*(Shell  중앙에서의 Tube 갯수,  ea)] .............(1)

(Tube Clearance, m) =(Tube 사이 간격, m) =  {(Tube Pitch, m) - (Tube OD, m)} ......(2)

(Shell 중앙위치에서 Tube 갯수, - )= {(Shell ID, m ) / (Tube Pitch, m)} ...(3)

위의 (2), (3) 식을 (1)에 대입하면

(Shell Flow Area, m2)  =  (Baffle Spacing, m) * {(Tube Pitch, m) - (Tube OD, m)} * {(Shell ID, m ) / (Tube Pitch, m)} .........(1a)

(2) ID

Shell인지 Tube인지 구분하지 않고 ID라고 하면 혼동스럽듯이 원래의 질문에서 "Tube Area" 라고만 하면  "Tube 흐름 전체 단면적"인지 "Tube 개당 흐름 단면적"인지, 심지어 "전열면적"인지  혼동스러워 집니다.
스테파노 Stefano   18-10-12 12:13
원래의 질문에서 답변이 오가는 도중에  부족한 점이 있는듯 하여 좋합하여 보충설명합니다.

(A1)  Tube Side Flow Velocity

이는 Tube 측을 흐르는 전체 유량을 Tube Pass당 단면적으로 나눈 값입니다. 
Pass당 Tube 갯수는 전체 Tube 수를  Pass 수로 나눈 값이고 여기에 Tube당 단면적을 곱하면 Tube Pass당 단면적이 됩니다.

(Tube Side Flow Velocity, m/s) = (Tube Side Volume Flow, m3/s) / (Tube Pass당 Tube 흐름 단면적, m2)....(2)
(Tube Pass당 Tube 흐름 단면적, m2) = (Tube당 단면적, m2/ea)* (전체 Tube 수효, ea / Pass 수효) ...........(3)
(Tube당 단면적, m2/ea) = (π/4) (di)^2 .....(4)    di = ID of Tube

Tube측 유속이 느리면 전열계수가 너무 떨어지고 너무 빠르면 압력손실이 늘어나 동력이 많이 소요되므로 적정한 값을 취해야 하는데 Tube Sheet 길이와 Tube Side Pass 수를 조정해서 맞춥니다.  유량이 크면 Tube Sheet 길이가 짧은게 유리하고 Tube내유속이 낮을 경우 Tube측 Pass 수효를 늘여줍니다. 

(A2)  Shell Side Flow Velocity

바로 앞선 답글에 설명한 것처럼 Baffle로 구획된 Shell의 중앙부에서 Tube와 Tube 사이를 직각으로 흐르는 값을 Shell Side Flow로 가름합니다.   

(Shell Flow Area, m2)  =  (Baffle Spacing, m) * [(Tube 사이 간격, m)*(Shell  중앙에서의 Tube 갯수,  ea)] ......(1)

Shell Side에서도 전열계수가 낮으면 Baffle Spacing을 줄여주고 압력차가 너무 크면 Baffle 수효를 줄여 Baffle 간격을 늘여주도록 합니다.

(A3) ..(snip)..<shell측 유속을 계산하기 위해, 부피유량을 열교환기 면적으로 나눠주려고 합니다.>  질문에서 "열교환기 면적"이라 함은 흔히 "열교환기 전열면적"으로 오인할 수 있으므로  <Shell 부피유량을 Shell Side Flow Area로 나눠 계산합니다.>라고 표현해야 맞습니다. 

질문 <3-1>에서 인용한 수식은 Shell 축방향 Shell 측 단면적을 말하는데 실제 유체가 이 단면을 흐르는 경우는 없기 때문에 맞지 않습니다.  <3-2> 수식도 열교환기설계에서 전혀 사용하지 않는 수식입니다.

(4)  열교환기 설계 과정은 Shell 측, Tube측 유량과 각 엔탈피차로부터 전열량을 구한다음  이 전열량을 효과적으로 전달하기 위해 Tube Sheet 길이와 Tube 갯수를 선정하는 것인데  Tube Pass 수효와 Baffle Spacing을 변경해가면서 U값과 ΔP를 점검해 가는 과정에 해당합니다. 

점검과정에서 유속이 크면 U값이 늘지만 허용 ΔP를 초과할 수 있기 때문에 Trial-and-Errorr 과정을 거쳐 적절히 절충하여 최적점을 찾게 됩니다.  또한 Tube 혹은 Shell 측 유속이 너무 큰 경우 마모나 부식, 소음이 크게 증가하기 때문에 제한이 있고 또, 너무 낮은경우 Fouling 현상이 증가하거나 Particulate의 침적현상이 나타날 수 있기 때문에  적정범위의 유속을 따르는 것이 관례입니다.
thermo thermo9798   18-10-16 11:27
보충설명 정말 감사합니다.

많은 지식 얻어갑니다 :-)
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