I. 열교환기 분류:
쉘 앤 튜브 열교환기는 구조적 특성에 따라 다음 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
1. 쉘-앤-튜브 열교환기의 견고한 구조: 이 열교환기는 고정형 튜브와 플레이트 형태로 되어 있으며, 일반적으로 단일 튜브와 다중 튜브 두 가지 유형으로 나뉩니다. 쉘-앤-튜브 열교환기의 장점은 구조가 간단하고 컴팩트하며, 가격이 저렴하고 널리 사용된다는 것입니다. 단점은 튜브를 기계적으로 세척할 수 없다는 것입니다.
2. 온도 보상 장치가 있는 쉘 앤 튜브 열교환기: 가열된 부분을 자유롭게 팽창시킬 수 있습니다. 이 열교환기의 구조는 다음과 같이 나눌 수 있습니다.
① 플로팅 헤드형 열교환기: 이 열교환기는 튜브 플레이트의 한쪽 끝에서 자유롭게 팽창할 수 있으며, 이를 "플로팅 헤드"라고 합니다. 튜브 벽과 쉘 벽의 온도 차이가 클 경우, 튜브 번들 공간을 자주 청소해야 합니다. 그러나 구조가 복잡하고 가공 및 제조 비용이 높습니다.
② U자형 튜브 열교환기: 튜브 플레이트가 하나뿐이므로 가열 또는 냉각 시 튜브가 자유롭게 팽창 및 수축할 수 있습니다. 이 열교환기는 구조가 간단하지만, 굽힘 가공 작업량이 크고, 튜브에 일정한 굽힘 반경이 필요하기 때문에 튜브 플레이트의 활용도가 낮습니다. 튜브를 기계적으로 세척하는 것이 어렵고 튜브 분해 및 교체가 쉽지 않아 유체가 튜브를 통과할 때 깨끗한 상태가 유지되어야 합니다. 이 열교환기는 큰 온도 변화, 고온 또는 고압 환경에서 사용할 수 있습니다.
③ 패킹 박스형 열교환기: 두 가지 형태가 있습니다. 하나는 튜브 플레이트에 각 튜브 끝단에 별도의 패킹 씰을 설치하여 튜브의 자유로운 팽창과 수축을 보장합니다. 열교환기의 튜브 개수가 매우 적을 경우 이러한 구조를 사용하기 전에는 튜브 간 거리가 일반 열교환기보다 크고 구조가 복잡합니다. 다른 하나는 튜브의 한쪽 끝과 쉘이 플로팅된 구조로, 플로팅된 부분에서 전체 패킹 씰을 사용하는 방식입니다. 구조는 간단하지만 대구경, 고압의 경우 사용하기 어렵습니다. 스터핑 박스형 열교환기는 현재 거의 사용되지 않습니다.
II. 설계 조건 검토:
1. 열교환기 설계 시 사용자는 다음과 같은 설계 조건(공정 매개변수)을 제공해야 합니다.
① 튜브, 쉘 프로그램 작동 압력(해당 장비의 클래스 여부를 결정하는 조건 중 하나로 제공되어야 함)
② 튜브, 쉘 프로그램 작동 온도(입구/출구)
③ 금속벽 온도(사용자가 제공하는 공정에 의해 계산됨)
④소재명 및 특성
⑤부식여백
⑥프로그램 수
⑦ 열전달면적
⑨ 열교환기 튜브 사양, 배열(삼각형 또는 정사각형)
⑨ 접는판 또는 지지판의 개수
⑨ 단열재 및 두께(명판 좌석 돌출 높이를 결정하기 위함)
(11) 페인트.
Ⅰ. 사용자에게 특별한 요구 사항이 있는 경우 사용자는 브랜드, 색상 등을 제공해야 합니다.
Ⅱ. 사용자는 특별한 요구사항이 없으며, 디자이너가 직접 선정
2. 몇 가지 주요 설계 조건
① 작동 압력 : 장비의 분류 여부를 판단하는 조건 중 하나로 제공되어야 함.
② 재료의 특성: 사용자가 재료의 명칭을 제공하지 않는 경우, 재료의 독성 정도를 제공해야 합니다.
매체의 독성은 장비의 비파괴 모니터링, 열처리, 상위 장비의 단조 수준과 관련이 있을 뿐만 아니라 장비 구분과도 관련이 있습니다.
a, GB150 10.8.2.1(f) 도면은 극도로 위험하거나 고도로 위험한 독성 매체를 담고 있는 용기가 100% RT임을 나타냅니다.
b, 10.4.1.3 도면에는 독성으로 인해 극도로 위험하거나 매우 위험한 매체를 담고 있는 용기는 용접 후 열처리를 해야 한다는 내용이 명시되어 있습니다(오스테나이트계 스테인리스 강의 용접 접합부는 열처리를 하지 않아도 됩니다).
c. 단조품. 극한 또는 고위험 단조품에 중간 독성을 사용하는 경우, Class III 또는 IV 요건을 충족해야 합니다.
③ 파이프 사양 :
일반적으로 사용되는 탄소강 φ19×2, φ25×2.5, φ32×3, φ38×5
스테인리스 스틸 φ19×2, φ25×2, φ32×2.5, φ38×2.5
열교환기 튜브의 배열: 삼각형, 모서리 삼각형, 사각형, 모서리 사각형.
★ 열교환기 튜브 사이에 기계적 세척이 필요한 경우 사각형 배열을 사용해야 합니다.
1. 설계압력, 설계온도, 용접접합계수
2. 직경 : DN < 400 실린더, 강관 사용.
DN ≥ 400 실린더, 압연 강판을 사용합니다.
16인치 강관 ------ 사용자와 함께 압연 강판 사용에 대해 논의합니다.
3. 레이아웃 다이어그램:
열전달 면적에 따라 열전달 관 사양을 작성하여 배치도를 그려 열전달 관의 개수를 결정합니다.
사용자가 배관 다이어그램을 제공하는 경우 배관이 배관 한계 원 내에 있는지도 검토해야 합니다.
★파이프 설치 원리:
(1) 배관의 한계원에는 배관이 가득 차 있어야 합니다.
② 멀티스트로크 파이프의 개수는 스트로크 수와 같아지도록 노력해야 합니다.
③ 열교환관은 대칭으로 배치되어야 합니다.
4. 재료
튜브 플레이트 자체가 볼록한 숄더를 가지고 있고 실린더(또는 헤드)와 연결되는 경우, 단조를 사용해야 합니다. 이러한 구조의 튜브 플레이트는 일반적으로 고압, 가연성, 폭발성, 독성 등 극한의 위험 상황에서 사용되기 때문에 튜브 플레이트의 요구 사항이 높아질수록 두께도 더 두꺼워집니다. 볼록한 숄더로 인한 슬래그 발생 및 박리를 방지하고, 볼록한 숄더의 섬유 응력 조건을 개선하여 가공량을 줄이고 재료를 절약하기 위해, 볼록한 숄더와 튜브 플레이트를 전체 단조 공정에서 직접 단조하여 튜브 플레이트를 제조합니다.
5. 열교환기 및 튜브 플레이트 연결
쉘-튜브 열교환기 설계에서 튜브-튜브 플레이트 연결은 구조적으로 매우 중요한 부분입니다. 단순히 작업 부하를 처리하는 것뿐만 아니라, 장비 작동 시 각 연결 부위가 매체 누출 없이 매체의 압력을 견딜 수 있도록 설계되어야 합니다.
튜브와 튜브 플레이트의 연결은 주로 다음 세 가지 방식으로 이루어집니다. a. 팽창; b. 용접; c. 팽창 용접
쉘과 튜브 사이의 매체 누출에 대한 확장은 상황에 부정적인 결과를 초래하지 않습니다. 특히 재료의 용접성이 좋지 않은 경우(예: 탄소강 열교환기 튜브) 및 제조 공장의 작업 부하가 너무 큰 경우에 그렇습니다.
튜브 끝단은 용접 소성 변형으로 인해 팽창하여 잔류응력이 발생하고, 온도가 상승함에 따라 잔류응력이 점차 사라져 튜브 끝단의 밀봉 및 접합 역할이 감소하므로 구조가 압력과 온도 제한에 따라 팽창합니다. 일반적으로 설계 압력 ≤ 4Mpa, 설계 온도 ≤ 300도에 적용되며 작동 중 격렬한 진동이 없고 과도한 온도 변화가 없으며 현저한 응력 부식이 없습니다.
용접 연결은 제작이 간편하고, 효율이 높으며, 연결 신뢰성이 높다는 장점이 있습니다. 용접을 통해 튜브와 튜브 플레이트의 접합력을 높이는 데 더 효과적이며, 파이프 구멍 가공 요구 사항을 줄여 가공 시간을 단축하고, 유지 보수가 쉬운 등 여러 장점이 있으므로 우선적으로 적용해야 합니다.
또한, 매체 독성이 매우 높거나 매체와 대기가 혼합되어 폭발하기 쉬운 경우, 매체가 방사성 물질이거나 파이프 내외부 재료가 혼합되면 악영향을 미칠 수 있습니다. 이 경우 접합부의 밀봉을 위해 용접법을 사용하는 경우가 많습니다. 용접법은 여러 장점이 있지만, "틈새 부식"과 용접 노드 응력 부식을 완전히 피할 수 없고, 얇은 파이프 벽과 두꺼운 파이프 판 사이의 안정적인 용접을 얻기 어렵기 때문입니다.
용접법은 팽창 접합보다 고온에서 용접할 수 있지만, 고온 반복 응력의 작용으로 인해 용접부가 피로 균열, 튜브 및 튜브 구멍 간극에 매우 취약하며, 부식성 매체에 노출되면 접합부 손상을 가속화합니다. 따라서 용접과 팽창 접합을 동시에 사용하는 방법이 있습니다. 이는 접합부의 피로 저항성을 향상시킬 뿐만 아니라 틈새 부식 발생 가능성을 줄여 용접만 사용할 때보다 수명을 크게 연장합니다.
용접 및 팽창 조인트의 적용에 적합한 상황과 방법에 대한 통일된 기준은 없습니다. 일반적으로 온도가 높지 않지만 압력이 매우 높거나 매체의 누출이 매우 쉬운 경우, 강도 팽창 및 밀봉 용접을 사용합니다. (밀봉 용접은 단순히 누출을 방지하고 용접을 시행하는 것을 의미하며, 강도를 보장하지는 않습니다.)
압력과 온도가 매우 높을 경우, 강도 용접과 페이스트 팽창을 사용합니다. (강도 용접은 용접부가 단단하더라도 접합부의 인장 강도를 확보하기 위한 것으로, 일반적으로 용접 시 축 방향 하중을 받는 파이프의 강도와 동일한 강도를 의미합니다.) 팽창의 역할은 주로 틈새 부식을 제거하고 용접부의 피로 저항성을 향상시키는 것입니다. 구체적인 구조 규격은 표준(GB/T151)에 명시되어 있으므로 여기서는 자세히 설명하지 않겠습니다.
파이프 구멍 표면 거칠기 요구 사항:
가. 열교환기 튜브와 튜브 플레이트를 용접 연결할 때, 튜브 표면 거칠기 Ra 값은 35uM 이하이다.
b, 단일 열교환기 튜브와 튜브 플레이트 확장 연결, 튜브 구멍 표면 거칠기 Ra 값은 12.5uM 확장 연결보다 크지 않아야 하며, 튜브 구멍 표면은 세로 또는 나선형 흠집과 같은 결함의 확장 기밀성에 영향을 미치지 않아야 합니다.
III. 설계 계산
1. 쉘 벽 두께 계산(파이프 박스 단부, 헤드, 쉘 프로그램 실린더 벽 두께 계산 포함) 파이프, 쉘 프로그램 실린더 벽 두께는 GB151의 최소 벽 두께를 충족해야 합니다. 탄소강 및 저합금강의 경우 최소 벽 두께는 부식 여유 C2 = 1mm를 고려하여 결정됩니다. C2가 1mm보다 큰 경우 쉘의 최소 벽 두께를 그에 따라 늘려야 합니다.
2. 개방공 철근 계산
강관 시스템을 사용하는 쉘의 경우, 전체 보강재를 사용하는 것이 좋습니다(실린더 벽 두께를 늘리거나 두꺼운 벽의 튜브를 사용). 큰 구멍에 두꺼운 튜브 상자를 사용하는 경우 전반적인 경제성을 고려해야 합니다.
다른 보강재는 다음 몇 가지 요구 사항을 충족해야 합니다.
① 설계압력 ≤ 2.5Mpa;
② 인접한 두 구멍 사이의 중심 거리는 두 구멍의 직경 합의 2배 이상이어야 합니다.
③ 수신기의 공칭 직경 ≤ 89mm;
④ 최소벽두께는 표 8-1의 요구사항(부식여유 1mm 확보)을 따라야 한다.
3. 플랜지
표준 플랜지를 사용하는 장비 플랜지는 플랜지와 개스킷, 패스너의 적합성에 유의해야 합니다. 그렇지 않은 경우 플랜지를 계산해야 합니다. 예를 들어, 표준 플랜지의 A형 플랫 용접 플랜지는 비금속 연성 개스킷에 적합한 개스킷과 함께 사용됩니다. 와인딩 개스킷을 사용하는 경우 플랜지에 맞게 재계산해야 합니다.
4. 파이프 플레이트
다음 문제에 주의해야 합니다.
① 튜브 플레이트 설계 온도: GB150 및 GB/T151의 규정에 따르면 구성품의 금속 온도보다 낮아서는 안 되지만 튜브 플레이트 계산에서는 튜브 쉘 공정 매체 역할을 보장할 수 없으며 튜브 플레이트의 금속 온도는 계산하기 어려우므로 일반적으로 설계 온도보다 높은 쪽을 튜브 플레이트의 설계 온도로 간주합니다.
② 다관형 열교환기: 배관 면적 범위 내에서 스페이서 홈과 타이로드 구조를 설치해야 하며 열교환기 면적에 의해 지지되지 못함 Ad: GB/T151 공식.
③관판의 유효두께
관판의 유효두께는 관판의 격벽홈 두께의 바닥에서 다음 두 가지의 합을 뺀 파이프 범위 분리를 말합니다.
가, 파이프 범위 분할 홈 부분의 깊이를 넘어서는 파이프 부식 마진
b, 쉘 프로그램 부식 마진 및 쉘 프로그램 측면의 튜브 플레이트 구조의 홈 깊이는 두 개의 가장 큰 플랜트
5. 팽창 조인트 세트
고정형 관판형 열교환기는 관내 유체와 관내 유체 사이의 온도 차이, 그리고 열교환기와 셸 및 관판의 고정 연결로 인해 사용 중 셸과 관 사이에 팽창 차이가 발생하여 셸과 관에 축방향 하중이 가해집니다. 셸과 열교환기의 손상 및 열교환기 불안정화를 방지하기 위해 열교환기 관과 관판이 분리될 수 있으므로, 셸과 열교환기의 축방향 하중을 줄이기 위해 팽창 조인트를 설치해야 합니다.
일반적으로 쉘과 열교환기 벽면의 온도차가 크면 팽창 조인트의 설치를 고려해야 하며, 튜브 플레이트 계산 시 다양한 공통 조건의 온도차에 따라 σt, σc, q를 계산하는데, 그 중 하나가 불합격이면 팽창 조인트를 늘려야 합니다.
σt - 열교환기 튜브의 축 응력
σc - 쉘 프로세스 실린더 축 응력
q--열교환기 튜브와 튜브 플레이트 연결부의 풀오프력
IV. 구조 설계
1. 파이프 박스
(1) 파이프 박스의 길이
a. 최소 내부 깊이
① 관상자의 단관 코스 개구부에 대하여 개구부 중앙의 최소 깊이는 수신기 내경의 1/3보다 작아서는 안 됩니다.
② 배관경로의 내외부 깊이는 두 경로 사이의 최소 순환면적이 각 경로 열교환관의 순환면적의 1.3배 이상 되도록 확보하여야 한다.
b, 최대 내부 깊이
특히 작은 다중관 열교환기의 공칭 직경에 대해 내부 부품을 용접하고 청소하는 것이 편리한지 고려하세요.
(2) 프로그램 분할 분리
파티션의 두께 및 배치는 GB151 표 6 및 그림 15에 따라 규정하며, 파티션의 두께가 10mm를 초과하는 경우 밀봉면을 10mm로 다듬어야 합니다. 관형 열교환기의 경우, 파티션은 찢어짐 구멍(배수구)에 설치해야 하며, 배수구의 직경은 일반적으로 6mm입니다.
2. 쉘 앤 튜브 번들
① 튜브 번들 레벨
Ⅰ, Ⅱ급 튜브 번들(국내 표준 탄소강, 저합금강 열교환기 튜브에만 적용)에는 "상급"과 "일반"이 있습니다. 국내 열교환기 튜브에 "상급" 강관을 사용할 수 있게 되면 탄소강, 저합금강 열교환기 튜브 번들을 Ⅰ급과 Ⅱ급으로 구분할 필요가 없습니다!
Ⅰ, Ⅱ 관다발의 차이점은 주로 열교환기 관의 외경, 벽 두께 편차, 해당 구멍 크기와 편차에 있습니다.
정밀도가 더 높은 Ⅰ등급 튜브 번들, 스테인리스 열교환기 튜브용, Ⅰ등급 튜브 번들만 해당; 일반적으로 사용되는 탄소강 열교환기 튜브용
② 튜브 플레이트
a, 튜브 구멍 크기 편차
Ⅰ, Ⅱ 레벨 튜브 번들의 차이점을 확인하세요.
b, 프로그램 분할 홈
Ⅰ 슬롯 깊이는 일반적으로 4mm 이상입니다.
Ⅱ 하위 프로그램 파티션 슬롯 폭: 탄소강 12mm; 스테인리스강 11mm
Ⅲ 분거리 분할 슬롯 모서리 모따기는 일반적으로 45도이고, 모따기 폭 b는 분거리 개스킷 모서리의 반경 R과 거의 같습니다.
③접이판
a. 파이프 구멍 크기: 번들 레벨에 따라 구분됨
b, 활 접이판 노치 높이
노치 높이는 튜브 번들을 가로지르는 유량과 비슷한 틈을 통과하는 유체가 되도록 해야 하며, 노치 높이는 일반적으로 둥근 모서리의 내경의 0.20~0.45배로 합니다. 노치는 일반적으로 중심선 아래의 파이프 행에서 절단하거나 작은 다리 사이의 파이프 구멍 두 줄에서 절단합니다(파이프를 쉽게 착용할 수 있도록).
c. 노치 방향
일방향 세척액, 홈이 위아래로 배열됨;
소량의 액체를 포함한 가스의 경우, 접이식 판의 가장 낮은 부분을 향해 위쪽으로 홈을 파서 액체 포트를 엽니다.
소량의 가스를 함유한 액체의 경우, 접이식 판의 가장 높은 부분을 향해 홈을 파서 통풍구를 엽니다.
기체-액체 공존 또는 액체에 고체물질이 포함된 경우 좌우 배열을 노치하고 가장 낮은 곳의 액체 포트를 열어 놓는다.
d. 접는판의 최소 두께, 최대 비지지 스팬
e. 튜브 번들의 양쪽 끝에 있는 접이식 판은 쉘 입구 및 출구 수신기에 최대한 가깝습니다.
④타이로드
a, 타이로드의 직경과 개수
직경 및 개수는 표 6-32, 6-33에 따른 선정으로, 표 6-33에 주어진 타이로드의 단면적 이상이 되도록 하기 위하여 타이로드의 직경 및 개수를 전제로 하여 변경될 수 있으나, 직경은 10mm 이상이어야 하며, 타이로드의 개수는 4개 이상이어야 한다.
b, 타이로드는 튜브 번들의 바깥쪽 가장자리에 가능한 한 균일하게 배치되어야 하며, 대구경 열교환기의 경우 파이프 영역이나 접이판 틈새 근처에 적절한 수의 타이로드를 배치해야 하며, 접이판은 3개 이상의 지지점을 가져야 합니다.
c. 타이로드 너트, 일부 사용자는 다음 너트와 폴딩 플레이트 용접을 요구합니다.
⑤ 안티플러시 플레이트
가. 안티플러시 플레이트의 설치는 유체의 불균일한 분포와 열교환기 튜브 끝단의 침식을 줄이기 위한 것입니다.
b. 세척 방지판 고정 방법
쉘 입구가 튜브 플레이트 측면의 비고정 막대에 위치하는 경우, 가능한 한 고정 피치 튜브 또는 첫 번째 접힘 플레이트의 튜브 플레이트 근처에 고정된 경우, 안티 스크램블링 플레이트를 실린더 본체에 용접할 수 있습니다.
(6) 팽창 조인트의 설정
a. 접는판의 두 측면 사이에 위치
팽창조인트의 유체저항을 줄이기 위해 필요한 경우 라이너 튜브 내부의 팽창조인트에서는 유체흐름 방향으로 라이너 튜브를 쉘에 용접해야 하며, 수직 열교환기의 경우 유체흐름 방향이 위쪽일 때는 라이너 튜브 배출구 하단에 설치해야 합니다.
나. 보호장치의 팽창조인트는 운송과정에서 장비의 이탈이나 불량품의 인발을 방지하기 위한 장치이다.
(vii) 튜브 플레이트와 쉘 사이의 연결
a. 확장은 플랜지로도 사용됩니다.
b. 플랜지가 없는 파이프 플레이트(GB151 부록 G)
3. 파이프 플랜지:
① 설계온도가 300도 이상인 경우에는 맞대기 플랜지를 사용해야 합니다.
② 열교환기의 경우 인터페이스를 넘겨받아 포기하고 배출하는 데 사용할 수 없으므로 튜브에 설치해야 하며, 블리더 쉘 코스의 가장 높은 지점, 배출구의 가장 낮은 지점, 최소 공칭 직경은 20mm입니다.
③ 수직 열교환기에는 오버플로우 포트를 설치할 수 있습니다.
4. 지원 : 제5조 20항의 규정에 따른 GB151종.
5. 기타 액세서리
① 리프팅 러그
30Kg 이상의 품질은 공식 상자와 파이프 상자 덮개에 러그를 설치해야 합니다.
② 상단 와이어
파이프 박스의 분해를 용이하게 하기 위해 파이프 박스 커버는 공식 보드, 파이프 박스 커버 상단 와이어에 설치해야 합니다.
V. 제조, 검사 요구 사항
1. 파이프 플레이트
① 100% 방사선 검사 또는 UT를 위한 접합관 플레이트 맞대기 접합, 합격 수준: RT: Ⅱ UT: Ⅰ 수준;
② 스테인리스강 외에 접합관판 응력제거 열처리;
③ 튜브 플레이트 구멍 브리지 폭 편차: 구멍 브리지 폭 계산 공식에 따르면: B = (S - d) - D1
홀 브리지의 최소 너비: B = 1/2 (S - d) + C;
2. 튜브 박스 열처리:
탄소강, 저합금강을 용접하여 파이프 박스의 분할 범위 파티션을 만들고, 파이프 박스의 측면 개구부가 실린더 파이프 박스 내경의 1/3 이상인 경우, 응력 제거 열처리를 위한 용접을 적용할 때 플랜지와 파티션 밀봉 표면은 열처리 후 가공해야 합니다.
3. 압력 테스트
쉘 공정 설계 압력이 튜브 공정 압력보다 낮은 경우 열교환기 튜브 및 튜브 플레이트 연결부의 품질을 확인하기 위해
① 쉘 프로그램 압력은 수압 시험과 일치하는 배관 프로그램으로 시험 압력을 증가시켜 배관 이음부의 누설 여부를 확인합니다. (단, 수압 시험 중 쉘의 1차 필름 응력이 ≤0.9ReLΦ이어야 합니다.)
② 상기 방법이 적합하지 않을 경우 쉘은 통과 후 원래 압력에 따라 정수압 시험을 실시한 후 쉘에 대해 암모니아 누출 시험 또는 할로겐 누출 시험을 실시할 수 있습니다.
VI. 차트에서 주의해야 할 몇 가지 문제
1. 튜브 번들의 레벨을 표시하세요
2. 열교환기 튜브에는 라벨번호를 적어야 합니다.
3. 닫힌 굵은 실선 외부의 튜브 플레이트 배관 등고선
4. 조립 도면에는 접는 판 간격 방향이 표시되어야 합니다.
5. 표준 팽창 조인트 배출구, 파이프 조인트의 배출구, 파이프 플러그는 그림에서 제외되어야 합니다.
게시 시간: 2023년 10월 11일