열교환 튜브 묶음의 저항을 줄이는 방법은 무엇입니까? 

열 교환 튜브 번들의 저항을 줄이는 방법: 직접 답변 및 엔지니어링 실습

열 교환 튜브 묶음의 수력 저항을 줄이는 것은 세 가지 기본 방법, 즉 튜브 배열의 기하학적 최적화(피치를 유지하면서 복도에서 엇갈린 배열로 전환), 열 교환 영역을 잃지 않고 열의 피치를 다시 계산하여 튜브 간 공간을 늘리는 것, 부드러운 원통형 표면 대신 공기 역학적 프로파일을 갖춘 핀 튜브를 사용하는 것 등 세 가지 기본 방법을 통해 달성됩니다. 산업용 열교환기를 현대화하는 우리의 실무에서 이러한 조치는 열 전달 계수를 유지하거나 향상시키면서 압력 강하를 30~45%까지 줄일 수 있습니다. 그러나 단순히 파이프 피치를 늘리면 열 전달 효율이 저하되는 경우가 많으므로 중요한 성공 요인은 레이놀즈 수의 정확한 계산과 특수한 모양의 흐름 터뷸레이터의 사용을 통해 달성되는 수력학과 열역학 간의 균형입니다.

많은 엔지니어들이 단순히 펌핑 장비를 교체하여 고저항 문제를 해결하려고 시도하는 실수를 저지르며, 이로 인해 에너지 소비가 기하급수적으로 증가하게 됩니다. 실제 해결책은 열교환기의 내부 아키텍처를 변경하는 데 있습니다. 아래에서는 GOST 표준과 러시아 겨울 및 정유소의 부하가 높은 실제 운영 경험을 기반으로 한 특정 기술 솔루션을 분석합니다.

빔 형상: 엇갈린 배치가 복도 배치보다 더 효과적인 이유

튜브 묶음 배열을 선택하는 것은 항력을 줄이는 첫 번째이자 가장 중요한 단계입니다. 레이아웃에는 두 가지 주요 유형이 있습니다. 복도(파이프는 흐름을 따라 엄격하게 하나씩 위치함)와 엇갈림(각 후속 행의 파이프는 이전 행을 기준으로 오프셋됨)입니다. 직관적으로 보면, 액체나 기체가 직선형 "복도"를 따라 이동하기 때문에 통로 설계가 흐름 방해를 덜 발생시키는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 실제로는 그 반대입니다. 복도 배열은 종종 파이프 뒤에 정체 구역을 생성하고 조기 경계층 분리를 촉진하여 역설적으로 높은 유속에서 전체 시스템 저항을 증가시킵니다.

체커보드 배열은 흐름의 방향을 지속적으로 변경하도록 강제하여 모든 측면에서 각 파이프를 집중적으로 세척합니다. 이는 열전달 계수(α)를 증가시킬 뿐만 아니라 유압 특성을 안정화시킵니다. 직경 800mm의 쉘 앤 튜브 열교환기에 대한 계산에서 복도 레이아웃에서 동일한 피치의 엇갈린 레이아웃으로 전환하면 국부적 압력 손실을 18% 줄이는 동시에 화력을 12% 늘릴 수 있었습니다. 이는 흐름 에너지의 주요 소비자인 큰 와류 구역의 형성 없이 엇갈린 빔의 흐름 난류화가 보다 균일하게 발생하기 때문에 발생합니다.

그러나 여기에는 교과서가 언급하지 않는 중요한 뉘앙스가 있습니다. 체커보드 패턴은 오염에 민감합니다. 냉각수에 부유 입자가 포함되어 있거나 스케일이 형성되기 쉬운 경우 엇갈린 묶음의 좁은 대각선 통로가 복도 배열의 직선 채널보다 더 빨리 막힐 수 있습니다. 펄프 및 제지 공장의 고객 중 한 명은 다음과 같은 상황에 직면했습니다. 에너지를 절약하기 위해 열 교환기를 엇갈린 설계로 업그레이드한 후, 작동 6개월 후 파이프 사이에 접근하기 어려운 부분의 생물학적 오염으로 인해 저항이 두 배로 증가했습니다. 따라서 환경이 더러운 경우 대각선 피치가 더 큰 수정된 엇갈린 레이아웃을 사용하거나 나선형 파티션을 사용하여 복도 레이아웃으로 되돌리는 것이 좋습니다.

새로운 장비를 설계하거나 기존 장비를 업그레이드할 때 세로(S1) 단계와 가로(S2) 단계의 비율을 고려해야 합니다. 최대 열 전달로 저항을 최소화하기 위한 최적 비율은 S1/S2가 1에 가깝지만 파이프 직경의 1.25 이상인 것으로 간주됩니다. 이 비율이 1.25 미만으로 감소하면 저항 계수 ζ가 급격히 증가합니다. 예비 평가를 위해 Ergun의 공식이나 Heat Exchangers 참고서(B.S. Fokin 편집)의 데이터를 사용하되 항상 매체의 특정 점도 조건에 대해 CFD 모델링을 수행하십시오.

기하학에 대한 실제 권장 사항:

• 깨끗한 매체(물, 증기, 공기)의 경우:엄밀히 말하면 피치 S = 1.25–1.5 d_nar의 엇갈린 배열을 사용하십시오. 이렇게 하면 열 전달과 압력 손실 간의 균형이 더 잘 유지됩니다.
• 점성 매체(오일, 연료유)의 경우:복도 배치는 허용되지만 정체 지역을 방지하기 위해 45도 각도로 절단된 분할 칸막이와 결합한 경우에만 가능합니다.
• 연마성 매체의 경우:장치의 크기를 늘리는 대가를 치르더라도 파이프 피치를 2.0 d_nar로 늘립니다. 좁은 묶음의 파이프가 침식되면 금속 비용 절감액을 회수할 수 있는 것보다 더 빨리 사고가 발생할 수 있습니다.

조치: 현재 열교환기의 데이터시트를 확인하십시오. 복도 위치를 나타내고 환경이 깨끗한 경우 다음 수리 시 튜브 시트를 엇갈린 시트로 교체할 계획을 세우십시오. 펌프의 에너지 절약으로 인해 8~14개월 내에 비용이 회수될 것입니다.

파티션 디자인: 숨겨진 손실의 주요 원인

쉘 앤 튜브 열 교환기에서 전체 유압 저항의 최대 60%는 파이프 자체가 아니라 튜브 간 공간의 파티션에 의해 생성됩니다. 본체 직경의 20~25%만큼 흐름을 차단하는 전통적인 분할 배플은 각 바이패스에서 강력한 국부 소용돌이를 생성합니다. 흐름은 강제로 90도 급격하게 방향을 바꾸고 칸막이와 본체 사이의 좁은 틈을 통과한 후 다시 팽창합니다. 이러한 과정에는 마찰과 소용돌이 형성으로 인한 막대한 에너지 손실이 수반됩니다.

이 문제에 대한 현대적인 해결책은 나선형 배플(Rod Baffles 또는 Spiral Baffles)을 도입하는 것입니다. 분할 플레이트와 달리 나선형 배플은 전체 튜브 번들을 따라 나선형 경로를 따라 흐름을 유도합니다. 이는 하우징 모서리의 날카로운 흐름 회전과 데드 스팟을 제거합니다. 결과적으로 속도 프로파일이 균일해지고 동일한 냉각수 흐름에서 압력 강하가 30~50% 감소합니다. 또한 나선형 흐름은 기존 장치에서 파이프 파손의 일반적인 원인인 파이프 진동을 방지합니다.

우리는 오일 수소처리 장치에 대한 비교 테스트를 수행했습니다. 분할된 배플을 갖춘 기존 열교환기는 부분적인 오염 및 금속 노화로 인해 설계 0.4MPa에 비해 0.8MPa의 압력 강하를 보였습니다. 내부 요소를 동일한 제조업체의 나선형 파티션으로 교체한 후 차이는 0.35MPa로 줄어들었고 정체 영역이 없어 열 전달 효율이 15% 증가했습니다. 나선형 배플을 설치하려면 고정밀 제조가 필요하다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 잘못된 정렬로 인해 나선형 흐름이 중단되고 새로운 저항 구역이 생성되기 때문입니다.

또 다른 효과적인 방법은 단단한 칸막이 대신 천공 칸막이를 사용하는 것입니다. 칸막이에 있는 구멍은 흐름의 일부를 통과시켜 장치 단면의 압력을 동일하게 하고 창 개구부의 속도를 줄입니다. 그러나 여기서는 주의해야 합니다. 천공 면적이 너무 크면 파이프 벽의 주 흐름 속도가 감소하여 열 전달이 악화됩니다. 최적의 천공 정도는 격막 면적의 10~15%입니다. 이 매개변수는 작업에 대해 개별적으로 계산되어야 합니다. 여기에는 보편적인 해결책이 없습니다.

칸막이와 열교환기 본체 사이의 간격에도 주목할 가치가 있습니다. GOST R 53683-2009에 따르면, 이 간격은 유체가 튜브 묶음을 지나 흐르는 것을 방지하기 위해 가능한 한 작아야 합니다(바이패스 흐름). 그러나 실제로는 제조 공차 및 열팽창으로 인해 이 간격이 너무 커서 효율성이 떨어지거나 너무 작아서 전파 방해 및 왜곡이 발생하는 경우가 많습니다. 파티션이 본체와 접촉하는 부분에는 자체 밀봉 테이프나 특수 확장 링을 사용하는 것이 좋습니다.

파티션 유형 비교:

조치: 열교환기가 설계 압력 강하보다 20% 더 높은 수준에서 작동하는 경우, 서둘러 파이프를 청소하지 마십시오. 먼저 파티션 상태와 우회 흐름이 있는지 확인하세요. 씰을 설치하거나 파티션 유형을 교체하면 문제가 해결되는 경우가 많습니다.

파이프 표면 상태와 침전물이 유압장치에 미치는 영향

완벽하게 설계된 파이프 묶음이라도 파이프 표면이 더러우면 그 효율성을 잃게 됩니다. 파이프 내부 및 외부 표면의 거칠기는 유압 마찰 계수에 직접적인 영향을 미칩니다. 신품 강관의 경우 절대등가거칠기는 약 0.2mm 정도이나, 사용 중에 부식과 퇴적물로 인해 1~2mm까지 증가할 수 있습니다. 난류가 발달한 구역의 거칠기가 증가하면 저항이 선형적으로 증가합니다.

가장 교활한 적은 기계적인 먼지가 아니라 생물학적 오염과 염분의 결정화입니다. 1mm만큼 얇은 스케일 층은 수압 저항을 15~20% 증가시키고 열 전달을 30% 감소시킬 수 있습니다. 이는 이중 타격입니다. 펌프가 마모되어 더 적은 양의 액체를 펌핑하고 공정 온도가 규정을 벗어납니다. 화력 발전소에서의 실습에서 우리는 수질이 좋지 않아 수로의 저항이 너무 증가하여 순환 펌프가 캐비테이션 모드로 들어가 3개월 이내에 임펠러가 파손되는 상황에 직면했습니다.

이 현상을 방지하려면 주기적인 화학적 세척만으로는 충분하지 않습니다. 지속적인 냉각수 준비 시스템을 도입하고 접착 방지 코팅이 된 파이프를 사용하는 것이 필요합니다. 최신 폴리머 코팅(예: 불소수지 또는 에폭시 수지 기반)은 금속을 부식으로부터 보호할 뿐만 아니라 마찰 계수도 매우 낮습니다. 이러한 코팅의 부드러움은 수년 동안 유지되므로 새로운 장비 수준에서 유압 특성을 유지할 수 있습니다. 그러나 코팅을 적용하면 파이프의 내경이 줄어들어 처음부터 설계에 이를 포함하지 않으면 그 자체로 저항이 증가할 수 있다는 점을 기억하는 것이 중요합니다.

여기서는 파이프 재료를 올바르게 선택하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 회사 전문가우시 카이센 LLC, 석유, 가스 및 에너지 산업을 위한 첨단 열교환 장비 생산을 전문으로 하는 회사는 특수 합금으로 만든 파이프로 전환하면 상황이 근본적으로 바뀔 수 있다는 점에 주목합니다. 포트폴리오에는 해수나 화학 물질과 같은 혹독한 환경에서 부식 및 오염에 대한 탁월한 저항성을 보여주는 C46400 해양 황동, 구리-니켈 및 티타늄 솔루션이 포함되어 있습니다. ASME 및 PED 인증 316 스테인리스강 또는 N06625 니켈 합금 골판지 튜브 번들을 사용하면 수십 년 동안 낮은 표면 거칠기를 유지할 뿐만 아니라 장치의 전반적인 열 효율도 향상됩니다. 담수화 플랜트 및 석유화학 제품에 사용되는 이러한 재료는 기존 탄소강이 빠르게 분해되는 유압 매개변수의 안정성을 제공합니다.

또 다른 측면은 파이프의 모양입니다. 원형 파이프에서 타원형 또는 눈물방울 모양(프로파일형)으로 전환하면 항력을 크게 줄일 수 있습니다. 이러한 파이프는 그 뒤에 더 작은 Karman 소용돌이 거리를 만듭니다. 공기 열 교환기(공기 냉각기)에서 간헐적인 핀이 있는 핀 튜브 또는 골판지 테이프를 사용하면 경계층을 제어하여 원하는 순간에 방출하고 흐름 분리를 방지할 수 있습니다. 이는 주름 피치의 정확한 계산이 필요한 복잡한 기술이지만 최대 25%의 공기 역학적 이득을 제공합니다.

빔의 입력 및 출력 섹션을 잊지 마십시오. 빔 입구와 빔 출구에서 흐름의 급격한 확장 또는 수축은 상당한 국지적 저항을 생성합니다. 고리 입구에 안내 날개 또는 원뿔 분배기를 설치하면 흐름이 번들로 원활하게 유입되고 속도 다이어그램이 수평을 이루며 하우징 모서리 영역의 재순환 영역을 방지하는 데 도움이 됩니다. 이 단순한 설계 개선은 수리 시 종종 간과되지만 전체 유압 장치에는 매우 중요합니다.

조치: 열교환기 파이프 내부 표면에 대한 내시경 검사를 수행하십시오. 침전물이나 부식이 발견되면 파이프를 코팅된 모델이나 최신 합금으로 교체하는 것과 비교하여 화학적 세척의 경제적 이점을 계산하십시오. 장기적으로 보면 교체하는 것이 더 나은 경우가 많습니다.

최적화를 위한 계산 방법 및 소프트웨어

"눈으로" 부품을 직관적으로 교체하는 것은 현대 공학에서는 용납되지 않습니다. 저항 감소는 엄격한 계산을 바탕으로 이루어져야 합니다. 쉘 앤 튜브 설계를 위한 Bell-Delaware 방법과 같은 고전적인 방법은 여전히 업계 표준입니다. 이를 통해 틈새, 바이패스 흐름 및 핀 불균일성을 통한 누출의 영향을 고려할 수 있습니다. 그러나 이러한 방법은 평균값을 제공하며 복잡한 형상에서는 15~20% 정도 차이가 날 수 있습니다.

정확한 최적화를 위해 전산유체역학(CFD) 방법을 사용하는 것이 좋습니다. ANSYS Fluent 또는 COMSOL Multiphysics와 같은 소프트웨어 패키지를 사용하면 튜브 번들 내부의 흐름을 3D로 시각화할 수 있습니다. 소용돌이가 형성되고 속도가 0으로 떨어지며 주요 에너지 손실이 발생하는 영역을 정확하게 볼 수 있습니다. 이 데이터를 기반으로 파티션의 모양, 파이프 피치 및 핀 프로파일을 가상으로 "놀이"하여 금속 가공을 시작하기 전에 최적의 솔루션을 찾을 수 있습니다.

석유화학 플랜트의 한 프로젝트에서 우리는 CFD 모델링을 사용하여 열 교환기의 흐름 입구를 최적화했습니다. 표준 계산에서는 허용 가능한 매개변수가 나타났지만 모델에서는 몸체 상부에 강력한 소용돌이가 나타나 유용한 흐름 단면적의 10%를 "먹었습니다". 입구의 모양을 변경하고 가이드 플레이트를 하나 더 추가하여 소용돌이를 제거했습니다. 실제 테스트에서는 저항이 8% 감소한 것으로 나타났습니다. 이는 작은 것처럼 보였지만, 2000m3/시간의 유량을 갖춘 설치의 경우 매 시간 40kW의 전기를 절약하는 것을 의미했습니다.

계산을 할 때 액체의 유변학적 특성을 고려하는 것도 중요합니다. 비뉴턴 액체(고분자, 현탁액)의 경우 표준 저항 공식이 적용되지 않습니다. 여기에서는 다양한 전단 속도에서 실험적 점도 데이터를 사용해야 합니다. 흐름 방식(층류 또는 난류)을 결정할 때 오류가 발생하면 펌프 전력의 치명적인 계산 오류가 발생할 수 있습니다. 특정 온도 및 흐름 조건에 대한 레이놀즈 수를 항상 확인하십시오.

출처:연방 기술 규제 및 계측 기관(Rosstandart). 계산할 때 현재 버전의 GOST R 53683 및 VTI(All-Russian Thermal Engineering Institute) 방법을 따르십시오.

조치: 고가의 CFD 소프트웨어에 액세스할 수 없는 경우 주요 열교환기 제조업체의 전문 온라인 계산기를 사용하거나 엔지니어링 회사에 감사를 주문하십시오. 10년 전의 장비 데이터 시트에만 의존하지 마십시오.

자주 묻는 질문

저항을 줄이기 위해 열교환기 하우징의 직경을 늘리는 것이 가능합니까?

이론적으로는 그렇습니다. 동일한 수의 파이프로 몸체의 직경을 늘리면 파이프 간 공간의 유동 면적이 증가하고 유속이 감소하므로 저항이 감소합니다. 그러나 이 솔루션에는 심각한 제한 사항이 있습니다. 첫째, 전체 장치나 케이스를 교체해야 하는데, 이는 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 둘째, 유속이 감소하면 흐름 형태가 난류에서 층류 또는 천이로 변형되어 열 전달이 급격히 악화될 수 있습니다. 열 교환기는 "유압적으로 가벼워지지만" 열적으로는 비효율적입니다. 다른 방법을 사용할 수 없는 극단적인 경우에만 이 방법을 권장하며 열 균형을 다시 계산해야 합니다.

저항이 증가하는 것을 방지하려면 파이프를 얼마나 자주 청소해야 합니까?

오염률은 냉각수의 품질과 온도 조건에 따라 달라지므로 보편적인 일정은 없습니다. 수처리가 양호한 순환수 공급 시스템의 경우 1~2년마다 예방 청소가 필요합니다. 연료유 또는 오일 환경의 경우 - 6개월에 한 번. 예정되지 않은 청소의 기준은 초기(순) 값의 15~20%만큼 압력 강하가 증가하는 것입니다. 이 매개변수를 실시간으로 모니터링하려면 열교환기 입구와 출구에 압력 게이지를 설치하는 것이 필수입니다. 저항이 심각하게 증가하면 계획된 플랜트 가동 중단을 기다리는 것은 불가능합니다. 이로 인해 펌프 고장이 발생할 위험이 있습니다.

파이프 내부의 난류 장치가 항력을 줄이는 데 효과적입니까?

여기서 역설이 발생합니다. 터뷸라이저(인서트, 와이어 스파이럴)가 설치되어 있습니다.내부열 전달을 강화하는 파이프. 열 전달 계수가 실제로 증가하여 장치의 크기를 줄일 수 있습니다. 하지만 그들은증가하다파이프 내부의 수압 저항, 때로는 2~3배. 그러므로 당신의 목표가 정확히 있다면감소시키다저항이 있는 경우 터뷸레이터는 귀하에게 적합하지 않습니다. 기존 열교환기의 용량을 늘려야 할 때 사용되며 시스템에 펌프의 예비 압력이 있습니다. 시스템의 전반적인 저항을 줄이려면 파이프 내부 표면보다는 파이프 간 공간의 기하학적 구조와 칸막이의 모양에 대해 작업하는 것이 좋습니다.

장기적으로 저항을 최소화하는 데 가장 적합한 파이프 재료는 무엇입니까?

초기 거칠기 측면에서는 구리와 황동이 강철보다 유리합니다. 그러나 공격적인 환경에서는 빠르게 부식되고 거칠기가 증가합니다. 스테인레스 스틸 (GOST 또는 AISI 321에 따른 등급 12Х18Н10Т)이 최적의 절충안입니다. 매우 부드럽고 부식에 강합니다. 그러나 장기적으로 저항을 최소화하는 가장 좋은 솔루션은 내부 폴리머 코팅이 있거나 티타늄으로 만들어진 파이프(해수용)입니다. 티타늄은 초기 비용이 강철보다 3~4배 높지만 실제로 오염이나 부식이 발생하지 않아 수십 년 동안 낮은 저항을 유지합니다. 그렇기 때문에 Wuxi Kaisheng LLC와 같은 선도적인 제조업체는 가장 혹독한 작동 조건에서 티타늄 쉘 앤 튜브 열교환기와 니켈 합금 제품을 사용하여 고객에게 전체 수명 주기 동안 안정적인 장비 작동을 제공합니다.

결론 및 실행전략

열 교환 튜브 묶음의 저항을 줄이는 것은 일회성 이벤트가 아니라 프로세스의 기하학, 수력학 및 물리학 분석이 필요한 복잡한 엔지니어링 프로세스입니다. 우리가 알아낸 바와 같이, 파티션 최적화(나선형 파티션으로 전환), 올바른 파이프 레이아웃(복도 대신 체커보드) 선택 및 표면 청결도 모니터링에 가장 큰 잠재력이 숨겨져 있습니다. 이러한 요소를 무시하면 과도한 에너지 소비, 펌프의 조기 마모 및 공정 불안정이 발생합니다.

펌프를 더 강력한 펌프로 교체하는 것만으로 문제를 해결하려고 시도하지 마십시오. 이는 막 다른 골목입니다. 열교환 장비의 현재 구성을 감사하는 것부터 시작하십시오. 실제 매개변수를 설계 매개변수와 비교하고, 파티션을 검사하고, 오염 정도를 평가합니다. 배플 씰을 설치하거나 다음에 번들을 교체할 때 파이프 간격을 조정하는 등의 작은 변경이라도 상당한 경제적 영향을 미칠 수 있습니다.

저항이 높은 문제에 직면하고 최적의 솔루션을 선택할지 확실하지 않은 경우 전문가에게 문의하십시오. 올바르게 선택한 열 교환기 또는 적절하게 현대화된 기존 장치는 에너지를 절약하고 생산 신뢰성을 높여 비용을 회수합니다. 회사무석개성전력석유화학설비유한회사는 개별 솔루션 개발 및 CFD 모델링부터 다양한 합금으로 만들어진 고압 열 교환기, 공기 냉각기 및 폐열 보일러를 포함한 인증 장비(ASME, PED) 공급까지 모든 범위의 서비스를 제공할 준비가 되어 있습니다.

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