열교환기 (Heat Exchanger)

 석유화학공정에서 제품의 생산원가를 절감하기 위해서는 열에너지를 효율적으로 사용해야 한다. 이는 효율적인 연소뿐만 아니라 열에너지의 효율적인 전달도 포함된다. Heater에서 열을 줄 때 유분으로 전달되는 열이 많으면 많을수록 전체 연료비는 적어진다. 특히 뜨거운 유체의 열을 찬 흐름으로 효율적으로 전달해 줘야 제조원가는 낮출 수 있다. 

1. 열교환기의 정의

  열교환기란 공정 Flow를 구성하는 고정장치물의 일종으로, 기/액상의 원재료 제품인 유체가 포함하고 있는 열을 Tube 또는 Plat의 형태로 지닌 전열면을 통해 Cooling Water, 원재료, 제품 유체 상호간에 열전달을 일으켜 Heating, Cooling, Condensing 등의 기능을 수행하는 설비를 말한다.

2. 열교환기의 종류 및 특성

1) 사용목적에 따른 분류

① Heater: 유체를 가열하여 필요한 온도까지 상승시키는 목적으로 사용
② Pre-Heater: 유체에 미리 열을 줌으로써 다음단계의 효율을 양호하게 할 목적으로 사용
③ Vaporizer: 액체를 가열, 증발시켜서 발생한 증기를 사용하고자 할 때 사용
④ Reboiler: 장치안에서 응축된 액체를 재차 가열, 증발시킬 목적으로 사용
⑤ Cooler: 유체를 냉각하여 필요한 온도까지 낮출 목적으로 사용
⑥ Condenser: 응축성 기체를 냉각하여 액화시키는 목적으로 사용
⑦ Heat Exchanger: 유체 간의 열교환을 시켜 동시에 한쪽은 가열, 다른 쪽은 냉각시키는 목적으로 사용

2) 구조상의 분류

① Shell & Tube Type 열교환기

가. Floating Type Heat Exchanger

  Tube Bundle 의 Rear End Head Type에 따라 분류되는 것으로 대형 중,저압 유체를 Service 하기에 적합한 열교환기로서 비교적 유지보수가 용이하다. Stationary Head shell, Rear End Head의 조합에 따라 다양한 형식의 열교환기가 있으며, Tube의 열팽창을 Floating Head가 늘어나면서 흡수하며 온도차가 큰 열교환에 주로 사용한다. 

나. Fixed Type Heat Exchanger

 Tube Bundle의 Floating Head 부위가 없이 Tube Sheet가 Shell에 완전히 고정 설치된 열교환기로 부식성이 적은 고압의 유체를 Service하는데 적합하다. 청소와 같은 일반작업은 용이하나 Shell Side의 청소, Tube의 부분교체 및 Retubing은 매우 어렵다.

다. U-type Heat Exchanger

 Tube Bundle의 Rear End 부위가 U-Bending 되어 있어 Tube Side의 유체가 Stationary Tube Front End에서 In, Out 되는 것이 특징이다. 중,고압의 유체를 Service하는데 적합하나 조립이 어렵고 Outer Tube Layer를 제외한 Tube의 부분교체가 불가능하다.

② Double Pipe Type 열교환기

 전열면적을 넓히기 위해 Tube 외부에 Horizontal Through Fin이 설치된 Fin Tube를 소구경의 Pipe로 된 Shell 내부에 설치한 열교환기이다. Fin Tube 내부로는 액체가 Service되고 Pipe로 된 Shell 에는 기체상태의 유체가 Service되면서 기체상태의 유체가 함유하고 있는 규정치 이상의 열을 냉각시키는 열교환기이다. 

 

③ Plate Type 열교환기

 Tube와 Fin 대신에 얇은 판을 설치해서 판과 판사이를 흐르는 유체의 온도차를 이용하는 열교환기이다. 열전달 효율이 매우 높고 청소나 조립작업이 용이하지만 오염의 영향을 많이 받는다.