예비 평가에서는 열교환기 전체에 하나의 계수를 적용하기보다 각 열적 구역마다 별도의 총괄 열전달계수를 사용하십시오. 일반적인 셸-튜브 경험적 기준값은 물-액체 서비스 및 응축기의 경우 850 W/(m²·°C), 액체-액체 서비스의 경우 280 W/(m²·°C), 액체-기체 서비스의 경우 60 W/(m²·°C), 기체-기체 서비스의 경우 30 W/(m²·°C), 재비기의 경우 약 1,140 W/(m²·°C)입니다. 이러한 값은 예비 계산을 위한 시작값이며, 측정된 파일럿 플랜트 데이터 또는 상세한 저항 계산이 가능할 경우 이를 사용해 대체해야 합니다.

다중 구역 열교환기에서는 현열 액체 가열, 비등, 응축 또는 기체 가열과 같이 각 영역에 서로 다른 (U) 값을 지정하십시오. 적절한 값은 주로 상, 유동 상태, 오염 조건, 열교환기 형상, 그리고 계수가 튜브 내부 면적 또는 외부 면적을 기준으로 하는지에 따라 달라집니다.

다중 구역 평가가 필요한 이유

서로 다른 구역은 서로 다른 열저항을 가집니다

하나의 열교환기에서 공정 유체가 여러 열전달 상태를 거칠 수 있습니다. 예를 들어 현열 액체 가열을 거친 후 별도의 영역에서 비등하고, 이후 과열 증기 가열을 경험할 수 있습니다.

이러한 영역 사이에서는 지배적인 저항이 변합니다. 비등 구역은 기체 가열 구역보다 훨씬 높은 열전달계수를 가질 수 있으므로, 하나의 평균 (U) 값을 적용하면 각 구간에 필요한 면적을 잘못 산정할 수 있습니다.

각 구역은 고유한 열부하를 가집니다

각 구역에 대해 관련 질량 유량, 열용량 및 온도 변화 또는 상변화로부터 열부하를 계산하십시오:

[ Q_z = U_z A_z \Delta T_{\mathrm{lm},z} ]

여기서 (Q_z), (U_z), (A_z) 및 (\Delta T_{\mathrm{lm},z})는 각각 구역 (z)의 열부하, 총괄계수, 면적 및 대수평균온도차입니다.

열교환기 전체의 열부하는 각 구역 열부하의 합이지만, 면적은 구역별로 평가해야 합니다.

표준 예비 (U) 값

물-액체 서비스

물-액체 서비스에 일반적으로 사용되는 경험적 기준값은 다음과 같습니다:

[ U \approx 850\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

두 유체가 모두 액체이고 그중 하나 이상이 물인 경우, 이 값은 일반적인 예비 추정값으로 적합합니다.

물-물 서비스의 경우, 보다 폭넓은 파일럿 플랜트 및 설계 참고자료에서는 약 800-1,500 W/(m²·°C)를 사용할 수 있으며, 일부 경험적 참고자료에서는 850-1,700 W/(m²·°C)를 제시합니다. 선택값은 유속, 튜브 치수, 오염 여유 및 면적 기준을 반영해야 합니다.

응축기

일반적인 응축기 경험적 기준값은 다음과 같습니다:

[ U \approx 850\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

이는 광범위한 시작값입니다. 물-증기 응축에서는 상당히 높은 값을 얻을 수 있으며, 보조 설계 범위로 약 1,420-4,250 W/(m²·°C) 또는 증기-물 가열 서비스의 경우 1,500-4,000 W/(m²·°C)를 사용할 수 있습니다.

그러나 높은 범위를 모든 응축기에 자동으로 적용해서는 안 됩니다. 응축수 배출, 비응축성 기체, 증기 측 저항 및 오염으로 인해 실제 계수가 크게 낮아질 수 있습니다.

액체-액체 서비스

일반적인 액체-액체 열교환의 경우:

[ U \approx 280\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

이는 예비 작업을 위한 보수적인 경험적 기준값입니다. 물은 유리한 열적 특성을 가지고 있고 비교적 높은 유속으로 운전되는 경우가 많기 때문에, 물-물 시스템에서는 일반적으로 더 높은 값을 얻을 수 있습니다.

유기 용매 서비스에는 일반적으로 약 100-300 W/(m²·°C)의 더 넓은 범위가 적용됩니다. 경질유 서비스는 100-400 W/(m²·°C) 부근일 수 있으며, 중질유 서비스는 일반적으로 더 낮아 약 50-300 W/(m²·°C)입니다.

액체-기체 서비스

액체-기체 열교환의 경우:

[ U \approx 60\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

기체 측 대류가 지배적인 저항인 경우가 많으므로, 이러한 계수는 액체-액체 서비스보다 훨씬 낮습니다.

물-기체 시스템에 대한 참고자료는 약 17-280 W/(m²·°C)의 범위를 제시하며, 이는 기체 유속, 압력, 밀도, 형상 및 기체의 상변화 여부에 따른 큰 차이를 반영합니다.

기체-기체 서비스

기체-기체 서비스의 경우:

[ U \approx 30\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

보다 폭넓은 실용 범위는 약 10-50 W/(m²·°C)입니다. 낮은 범위는 저속 또는 혼합이 불량한 기체 흐름에 더 적합하며, 높은 값은 더 강한 대류와 유리한 장비 형상을 필요로 합니다.

재비기

예비 재비기 계산에는 다음을 사용합니다:

[ U \approx 1{,}140\ \mathrm{W/(m^2\cdot{}^\circ C)} ]

재비기 성능은 허용 열유속과 함께 검토해야 합니다. 인용되는 최대 열유속 한계는 약 31.5 kW/m²이지만, 적용 가능한 한계는 유체 물성, 압력, 비등 상태, 표면 조건 및 장비 설계에 따라 달라집니다.

고점도 액체의 증기 가열

증기-중질유 가열의 총괄계수는 약 60-450 W/(m²·°C) 범위일 수 있습니다.

이처럼 넓은 범위는 오일 점도, 온도, 유동 형태 및 오염의 큰 영향을 반영합니다. 증기 측 계수가 높다고 해서 총괄 (U)가 높아지는 것은 아닙니다. 점성 액체 측 저항이 지배적일 수 있기 때문입니다.

구역별 값의 적용 방법

현열 액체 가열 구역

상변화 없이 가열되는 액체의 경우, 양쪽 유체가 모두 액체라면 액체-액체 값을 선택하십시오. 약 280 W/(m²·°C)의 예비값은 일반적인 선택이며, 운전 조건이 이를 뒷받침할 경우 물-물 서비스에는 800-1,500 W/(m²·°C) 범위의 값을 적용할 수 있습니다.

비등 또는 재비등 구역

비등 영역에는 현열 액체 가열 계수가 아니라 재비기 또는 비등 서비스 추정값을 사용하십시오. 재비기에는 약 1,140 W/(m²·°C)의 시작값을 사용할 수 있으나, 열유속 및 비등 상태를 검토해야 합니다.

응축 구역

증기 응축에는 청정한 증기-물 응축과 특별히 유사한 서비스가 아닌 한, 850 W/(m²·°C)의 응축기 경험적 기준값으로 시작하십시오. 증기 응축 참고자료에서는 1,420-4,250 W/(m²·°C) 범위의 값을 제시할 수 있지만, 파일럿 장비에는 낮은 값 또는 측정값이 더 적합할 수 있습니다.

기체 가열 또는 기체 냉각 구역

기체 영역에는 액체-기체 서비스의 경우 약 60 W/(m²·°C), 기체-기체 서비스의 경우 30 W/(m²·°C)를 사용하십시오. 기체 측 막 계수가 비교적 낮기 때문에 이러한 구역에는 필요한 면적이 과도하게 커지는 경우가 많습니다.

(U)의 결정 방법

실험적 결정

특정 파일럿 열교환기에 대해 가장 신뢰할 수 있는 계수는 실제 운전 조건에서 얻을 수 있습니다. 양쪽 유체의 유량과 입구 및 출구 온도를 측정하고, 열부하를 계산한 다음, 구역별 LMTD를 결정하여 다음 식을 풉니다:

[ U = \frac{Q}{A\Delta T_{\mathrm{lm}}} ]

실험적으로 결정된 값은 시험한 유체의 물성, 유량, 열교환기 형상, 오염 상태 및 운전 구성에 한정됩니다. 이를 다른 구역이나 운전 조건에 무비판적으로 적용해서는 안 됩니다.

열저항 계산

총괄계수는 두 유체의 막 저항, 튜브 벽 전도 저항 및 오염 저항을 결합한 값입니다. 튜브 외부 면적을 기준으로 한 대표적인 식은 다음과 같습니다:

[ \frac{1}{U_o}

\frac{1}{h_o} + \frac{1}{h_{od}} + \frac{d_o\ln(d_o/d_i)}{2k_w} + \frac{d_o}{d_i}\frac{1}{h_{id}} + \frac{d_o}{d_i}\frac{1}{h_i} ]

정확한 형태는 선택한 면적 기준 및 저항 정의에 따라 달라지지만, 기본 원리는 열저항이 직렬로 합산된다는 것입니다.

이 방법을 사용하면 지배적인 저항을 확인할 수 있습니다. 예를 들어 반대쪽 유체의 계수가 높더라도 낮은 기체 측 막 계수 또는 고점도 액체의 막이 전체 저항을 지배할 수 있습니다.

경험적 추정

경험적 표는 예비 크기 산정, 교육 훈련 및 파일럿 플랜트 측정값과의 비교에 적합합니다. 그러나 열교환기가 비등 한계 부근에서 운전되거나, 오염이 심하거나, 여러 상변화 영역을 포함하는 경우에는 상세 설계를 대신할 수 없습니다.

상충관계 이해

높은 (U)는 면적을 줄이지만 설계 민감도를 높입니다

더 높은 계수를 선택하면 계산된 열전달 면적이 줄어듭니다:

[ A = \frac{Q}{U\Delta T_{\mathrm{lm}}} ]

그러나 높은 (U)를 가정하려면 파일럿 플랜트가 지속적으로 유지하지 못할 수도 있는 높은 유속, 강한 혼합, 청정한 표면 또는 유리한 상변화 거동이 필요할 수 있습니다.

낮은 (U)는 면적을 늘리지만 여유를 제공합니다

더 낮은 설계값을 사용하면 계산 면적이 커지므로 초기 장비 비용과 물리적 크기가 증가할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 오염, 물성 변화, 성능 저하 및 불확실한 운전 조건에 대한 더 큰 허용도를 제공할 수 있습니다.

서비스 정의를 확인하지 않고 계수 범위를 혼용하지 마십시오

물-물, 물-증기, 증기-중질유 및 일반적인 액체-기체 서비스에 대해 보고된 값은 서로 대체할 수 없습니다. 상 조합과 서비스 설명이 평가 대상 구역과 일치해야 합니다.

면적 기준을 일관되게 유지하십시오

튜브 내부 면적을 기준으로 한 (U_i)와 튜브 외부 면적을 기준으로 한 (U_o)는 수치가 서로 다릅니다. (Q=UA\Delta T_{\mathrm{lm}})에서 사용되는 면적은 선택한 계수와 일치해야 합니다.

유량 변화는 계수에 영향을 줍니다

난류 튜브 측 유동에 대한 일반적인 예비 스케일링은 다음과 같습니다:

[ \frac{U_2}{U_1}\approx \left(\frac{\dot m_2}{\dot m_1}\right)^{0.8} ]

이는 근사식이며 보편적인 법칙은 아닙니다. 유동 상태와 유체 물성이 충분히 유사하게 유지되는 경우에만 사용해야 합니다.

프로젝트에 적용하는 방법

다중 구역 파일럿 플랜트 열교환기의 경우, (U)를 선택하기 전에 각 구역의 상 및 열전달 상태를 설정하십시오.

• 주요 목적이 예비 크기 산정인 경우: 물-액체 서비스 또는 응축기에는 약 850 W/(m²·°C), 일반적인 액체-액체 서비스에는 280 W/(m²·°C), 액체-기체 서비스에는 60 W/(m²·°C), 기체-기체 서비스에는 30 W/(m²·°C), 재비기 서비스에는 1,140 W/(m²·°C)를 사용하십시오.
• 주요 목적이 상변화 설계인 경우: 비등 및 응축 구역을 별도로 평가하고, 해당 상변화 범위를 사용하며, 비등 영역에서 열유속 한계를 확인하십시오.
• 주요 목적이 파일럿 플랜트 데이터 분석인 경우: 각 구역의 측정 온도와 유량으로부터 (U_z=Q_z/(A_z\Delta T_{\mathrm{lm},z}))를 결정하십시오.
• 주요 목적이 보수적인 장비 선정인 경우: 적용 가능한 범위 내에서 신뢰할 수 있는 더 낮은 계수를 선택하고, 설계 평가에 오염과 운전 변동성을 포함하십시오.

타당성을 갖춘 표준은 하나의 보편적인 열전달계수가 아니라, 올바른 서비스 범주에서 선택하고 파일럿 플랜트의 실제 운전 데이터로 검증한 구역별 (U) 값입니다.

요약 표:

각 열적 구역에 별도의 U 값을 사용하고, 계수의 튜브 내부 또는 외부 면적 기준을 Q = UAΔTₗₘ에 사용되는 면적과 일관되게 유지하십시오.

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