이봐! 튜브 히트 교환기의 공급 업체로서, 나는 화학 공정을 위해이 멋진 장치를 꽤 오랫동안 설계하는 두꺼운 상태에있었습니다. 오늘은 화학 공정을 위해 튜브 열 교환기를 설계하는 방법에 대한 몇 가지 팁과 통찰력을 공유 할 것입니다.
기본 이해
먼저, 기초를 무너 뜨립니다. 튜브 열교환 기는 둘 이상의 유체 사이에서 열을 전달하는 장치입니다. 화학 공정에서 이것은 반응물을 가열하거나, 제품을 냉각 시키거나, 폐기물 스트림에서 열 회수와 같은 것들에 매우 중요합니다. 다음과 같은 다양한 유형의 튜브 열교환 기가 있습니다.쉘 및 튜브 타입 열교환 기그리고침지 된 뱀 튜브 타입 열교환 기.
튜브 열 교환기의 기본 구성 요소에는 튜브, 쉘, 튜브 시트, 배플 및 노즐이 포함됩니다. 튜브는 유체 중 하나가 흐르는 곳이며 쉘에는 다른 유체가 포함되어 있습니다. 튜브 시트는 튜브를 제자리에 고정시키고 배플은 쉘의 유체 흐름을 지시하여 열 전달 효율을 향상시키는 데 도움이됩니다. 노즐은 유체를 입구하고 출구하는 데 사용됩니다.
1 단계 : 프로세스 요구 사항을 정의합니다
튜브 열 교환기 설계의 첫 번째 단계는 프로세스 요구 사항을 명확하게 정의하는 것입니다. 유량, 입구 및 출구 온도 및 관련된 유체의 물리적 특성을 알아야합니다. 예를 들어, 뜨거운 제품을 생산하는 화학 반응을 다루는 경우 제품을 원하는 온도로 가져 오려면 얼마나 많은 열을 제거 해야하는지 알아야합니다.
또한 압력 강하 제한을 고려해야합니다. 고압 강하는 시스템의 운영 비용을 증가시킬 수 있으므로 압력 강하를 허용 가능한 한계 내에서 유지하는 방식으로 열교환기를 설계하는 것이 중요합니다.
2 단계 : 열교환 기의 유형을 선택하십시오
프로세스 요구 사항에 따라 적절한 유형의 튜브 열교환기를 선택해야합니다. 그만큼쉘 및 튜브 타입 열교환 기화학 공정에서 사용되는 가장 일반적인 유형 중 하나입니다. 고압에서 고온 공정에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 적합합니다.
공간이 제한되어 있거나보다 컴팩트 한 디자인이 필요한 경우침지 된 뱀 튜브 타입 열교환 기좋은 선택 일 수 있습니다. 유체가 탱크에서 가열되거나 냉각되어야하는 응용 분야에서 종종 사용됩니다.
3 단계 : 열 전달 영역을 결정하십시오
열교환 기의 유형을 선택한 후에는 다음 단계는 필요한 열전달 영역을 결정하는 것입니다. 이는 열 전달 속도, 전체 열 전달 계수 및 LOG 평균 온도 차이 (LMTD)에 따라 계산됩니다.
열 전달 속도는 공식 Q = M * CP * ΔT를 사용하여 계산 될 수 있으며, 여기서 Q는 열 전달 속도, M은 유체의 질량 유량, CP는 유체의 비열 용량이며, ΔT는 유체의 입구와 출구 사이의 온도 차이입니다.
전체 열전달 계수는 유체의 물리적 특성, 유량 및 열 교환기의 설계에 따라 다릅니다. 상관 관계를 사용하거나 실험적으로 결정된 것으로 추정 할 수 있습니다.
LMTD는 열교환 기의 입구와 출구의 두 유체 사이의 온도 차이를 고려합니다. 흐름 배열 (평행 흐름, 카운터 플로우 또는 크로스 플로)을 고려하는 특정 공식을 사용하여 계산됩니다.
4 단계 : 튜브와 쉘 크기를 선택하십시오
열 전달 영역을 결정한 후에는 적절한 튜브와 쉘 크기를 선택해야합니다. 튜브 직경, 길이 및 튜브 수는 모두 열 전달 성능 및 압력 강하에 영향을 미칩니다.
더 작은 튜브 직경은 일반적으로 더 높은 열전달 계수를 제공하지만 압력 강하도 증가합니다. 둘 사이의 균형을 찾아야합니다. 튜브 길이는 일반적으로 사용 가능한 공간과 열 전달 요구 사항에 의해 결정됩니다.
쉘 직경은 튜브의 수와 배플 간격에 따라 선택됩니다. 배플 간격은 쉘의 유체의 흐름 패턴과 열 전달 효율에 영향을 미칩니다.
5 단계 : 튜브 시트와 배플을 설계하십시오
튜브 시트는 튜브를 제자리에 고정하고 쉘 쪽 및 튜브 사이드 유체를 분리 할 때 열교환 기의 중요한 부분입니다. 그들은 양면 사이의 압력과 온도 차이를 견딜 수 있도록 설계되어야합니다.
배플은 쉘의 유체 흐름을 지시하고 열 전달 효율을 증가시키는 데 사용됩니다. 세그먼트 배플 및 디스크 앤 도넛 배플과 같은 다양한 유형의 배플이 있습니다. 배틀 절단 및 간격은 열 전달을 최적화하고 압력 강하를 최소화하기 위해 신중하게 선택해야합니다.
6 단계 : 재료 선택을 고려하십시오
열교환기를 건설하는 데 사용되는 재료는 특히 유체가 부식성이거나 특별한 요구 사항을 가질 수있는 화학 공정에서 중요합니다. 튜브, 쉘, 튜브 시트 및 기타 구성 요소는 유체와 호환되는 재료로 만들어야합니다.
튜브 열 교환기에 사용되는 일반적인 재료에는 스테인레스 스틸, 탄소강, 구리 및 티타늄이 포함됩니다. 스테인레스 스틸은 종종 부식 저항에 사용되는 반면, 탄소강은 비발적 인 응용 분야에서 더 경제적입니다.
7 단계 : 압력 강하 분석을 수행하십시오
초기 설계가 완료되면 압력 강하 분석을 수행하는 것이 중요합니다. 이를 통해 열교환 기간의 압력 강하가 허용 가능한 한계 내에 있습니다. 고압 강하는 펌핑 비용을 증가시키고 시스템 효율을 줄일 수 있습니다.
튜브와 쉘의 압력 강하는 경험적 상관 관계 또는 계산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션을 사용하여 계산할 수 있습니다. 압력 강하가 너무 높으면 튜브와 쉘 크기, 배플 설계 또는 유량을 조정해야 할 수도 있습니다.
8 단계 : 기계 설계를 점검하십시오
열 및 유압 설계 외에도 열교환 기의 기계적 설계를 확인해야합니다. 여기에는 열 교환기가 외부 하중뿐만 아니라 작동 압력 및 온도를 견딜 수 있도록하는 것이 포함됩니다.
튜브 시트, 쉘 및 기타 구성 요소는 적절한 두께 및 보강재로 설계해야합니다. 용접 및 조인트는 누출을 방지하기 위해 올바르게 설계 및 검사해야합니다.
9 단계 : 설계 최적화
위의 모든 단계를 완료 한 후에는 디자인을 최적화하는 것이 좋습니다. 다른 구성, 재료 또는 작동 조건을 시도하여 열 전달 효율을 향상 시키거나 압력 강하를 줄이거 나 열교환 기의 비용을 낮출 수 있는지 확인할 수 있습니다.
왜 튜브 히트 교환기를 선택합니까?
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참조
- Acropera, FP, & Dewitt, DP (2002). 열과 질량 전달의 기본. 와일리.
- Green, DW, & Perry, RH (2007). 페리의 화학 엔지니어 핸드북. 맥그로 힐.
