4.4 열교환기 이론
4.4.1 유체유동
1) 수평유동에서는 중력이 반경방향으로 작용하므로 유동이 중심축에 대하여 반대칭 형태를 가지며 상대적으로 밀도가 큰 액체는 아래쪽으로 쳐져 흐르는 경향이 있다. 그리고 과열상태로 흘러들어온 증기는 Tube 입구에서 전단력에의해서 유동형태가 지배된다. 그러므로 전단력의 지배를 받는 유동형태는 분무류(Mist. Flow), 환상류(Annular Flow), 기포류(Bubble Flow)가 있고 중력의 지배를 받는 유동형태는 파형류(Wavy Flow), 성층류(Strarified), 플러그류(Plug Flow), 슬러그류(Slug Flow), Semi-Annular Flow가 있다.
가) 분무류(Mist Flow) 안개류라고도 하며 대부분이 과열의 증기가 유입될때 이러한 양상을 관찰할 수 있다. 열전달 관점에서는 제일 나쁜 유동이다. 나) 환상류(Annular Flow) 환상류에서는 빠른 속도의 기체가 Tube중심 부분을 흐르고, Tube벽에서 응축되어 상대적으로 느린 액체는 Tube벽을 따라서 액막의 형태를 가지고 같은 방향으로 흐른다. 기체의 속도가 아주 빠르게 되면 액막으로부터 액체 일부가 이탈하여 액적의 상태로 기체 유동에 유입되는 환상 분무류(Annular-Mist Flow)가 나타나게 된다. 다) 기포류(Bubble Flow) 이 유동은 연속적인 액체상에 작은 기포가 분산된 형태이다. 부력의 영향에 의해서 기포들은 수평관 상부에 더 많이 분포한 상태로 흐르게 되는데, 액체의 유량이 증가할수록 Tube 단면 전체에 균일하게 분포하는 경향을 보인다. 라) 파형류(Wavy Flow) 이 유동은 성층류에서 기체속도의 증가에 따라서 액체와의 상대 속도가 커지게 되면 경계면이 교란을 받아서 표면파(Surface Wave)가 발생하는 유동이며, 이 표면파는 유동방향으로 흐르게 된다. 마) 성층류(Stratified Flow) 이 유동은 기체와 액체가 모두 느린 속도로 수평관 내를 유동할 때 나타나며, 특히 기체와 액체 간의 상대속도가 작기 때문에 두 유체의 경계면은 부드러운(Smooth)형태를 가진다. 사) 슬러그류(Slug Flow) 이 유동은 외형상 플러그류와 유사하나 빠른 속도의 기체에 의해서 발생한다는 점에서 그 특성이 다르다. 파형류에서 기체의 속도가 증가하면 경계면 파동의 진폭이 커지면서, 기포가 섞인 파기 Tube상부를 간헐적으로 접촉하면서 빠른 속도로 하류로 흐른다. 액체 슬러그가 접촉하고 난 뒤의 Tube상부에는 액체가 액막의 형태로 얼마간 남아있게 되며, 이 상태에서 기체의 속도가 조금 더 빨라지게 되면 파형 환상류가 나타나고, 궁극적으로 환상유동으로 천이하게 된다. 아) 플러그류(Plug Flow) 플러그류는 수직유동의 슬러그류(또는 플러그류)와 유사하다. 기포류가 느려지게 되면 기포들간의 합착에 의해서 긴 형태의 플러그 기포가 형성되며, 이 기포는 Tube 상부를 따라서 흐르게 된다.
2) 비등시 수평관에의 유동 수평유동의 경우에도 Tube외부에서 열이 가해지게 되면 유동양식이 유동방향에 따라서 변해가게 된다. 그림 b를 보면 과냉상태의 액체가 흘러 들어와서 기포류-슬러그류-파형류-환상류-액적류의 과정을 거쳐서 결국 과열 증기상태로 흘러들어가게 된다. 그림b.의 유동양식 변화과정은 질량유속과 열유속이 낮은 상태에서 나타나는 현상으로 질량유속과 열유속이 증가하면 유동양식의 변화과정도 달라지게 된다.
3) 응축시 수평관내의 유동 수평응축관내에서 유동양식의 천이과정은 그림c.와 같다. 이 그림에서 보면 주위 Tube벽에 의한 냉각이 어느정도 빨리 이루어 지는가에 따라서 유동형태가 다르게 나타난다. 주위 벽면에 의한 냉각이 급속히 이루어지는 경우(즉 높은 열유속의 경우)에는 과열상태로 흘러들어온 증기는 응축되면서 환상 분무류-환상류-슬러그류-플러그류의 상태를 거쳐서 과냉상태의 액체로 되어 흘러가게 된다. 이 경우는 Tube입구에서 증기의 유동에 따른 전단력에 의해서 유동형태가 지배되고, 하류로 내려 갈수록 유체가 Tube단면을 채워가면서 액체유동에 따른 전단력이 유동양식 변화의 주된 지배요인이 된다. 반면에 낮은 열유속에서는 과열상태로 흘러 들어온 증기는 환상 분무류 및 환상류를 거친후에 파형류와 성층류의 유동양식을 보여주면서 출입구를 통해서 포화증기와 함께 빠져나간다. 이 경우에는 Tube출구로 갈수록 중력에 의한 유동형태의 변화가 지배적이다.
4) 수직관내에서의 유체흐름 수직유동에는 중력의 작용방향과 같거나 정반대이므로 유동의 형태가 축대칭이다. 수직유동의 양식은 기본적으로 기포류(Bubble Flow), 슬러그류(Slug Flow), 천류(Churn Flow), 환상류(Annular Flow), 그리고 액적류(Drop Flow)등이 있다. 이러한 각 유동양식의 경계는 확연히 구분되는 것이 아니며, 한 유동양식에서 다른 유동양식으로 변천해갈때는 2개의 유동양식이 섞여서 나타난다. 각 유동양식의 특징들을 살펴보면 다음과 같다.
가) 기포류(Bubble Flow) 이 유동양식에는 기체상(Gas Phase)이 분산된 작은 기포들의 형태로 연속적인 액체상(Liquid Phase)내에 축대칭의 형태로 분포한다. 이때 기포의 크기는 Tube직경에 비하여 대단히 작으며, 유동의 형태는 Tube벽의 직접적인 영향을 받지 않는다. 그러나 Tube벽면과 항상 접촉하고 있는 액체상의 유동에 의하여 기포의 유동이 영향을 받으므로 Tube벽면의 영향을 간접적으로 받게되며 유동조건에 따라서 단면에 따른 분포상태가 변하게 된다. 이 유동양식은 기공율(Void fraction, 2상 유체의 단위체적당 기체가 차지하는 체적의 비)이 0.3 이하에서 주로 나타나나 적절한 첨가제(Additive surfactant)를 섞어 주면 훨씬 높은 기공율(거의 1에 가까운 값)에서도 기포류가 가능하다. 작은 기포의 형태는 대체로 구형을 이루나 기포의 양이 많을 경우 기포간의 충돌 및 합착에 의하여 더 큰 기포가 형성되면 큰 기포들의 주위유동에 의해서 변형되어 타원형이나 캡 형태를 보이기도 한다. 나) 슬러그류(Slug Flow) 슬러그류에서는 Tube직경과 거의 같은 직경을 가지는 테이러 기포(Taylor Bubble)가 상향으로 흐르며 이 기포와 Tube벽 사이에서는 액체가 얇은 막(Film)의 형태로 하향 유동한다. 이 유동을 Whalley(1987)등은 프러그류(Plug Flow)라고 부른다. 이 기포의 길이는 Tube직경 정도로부터 직경의 100여배에 이르기 까지 유동조건에 따라서 다르게 나타나며 각 테일러 기포 사이에는 작은 기포들이 섞인 액체 슬러그가 존재한다. 이 유동은 대체로 작은 질량유속(Mass Flux)을 가진 2상 유동에서 작은 기포들 간의 합착에 의해서 형성되는 경우가 많다. 다) 천류(Churn Flow) 천류는 슬러그류와 어느정도 유사하나 앞 부분이 둥근 탄환형태의 슬러그 기포와는 달리 기포의 형태가 많이 변형되어 불규칙적인 형태를 이루며 기포와 기소사이의 액체 슬러그가 과다한 양의 기체유동에 의해 일시적으로 파괴되었다가 다시 복원되는둥 유동 전체가 진동(Oscillation)을 한다. 따라서 액체도 계속 상하로 진동하며 흐르게 된다. 라) 환상류(Annular Flow) 환상류란 액체가 Tube벽을 따라서 액막의 형태로 흐르고 기체는 Tube중심 부분을 따라서 흐르는 유동을 말한다. 이 유동은 기체의 흐름이 클 때 나타나는 것이 보통이며 유속이 느린 액막과의 큰 상대속도에 의해서 액막의 형태가 파형을 이루거나 액막으로부터 액체가 작은 액적들의 형태로 떨어져 나와 기체유동에 유입(Entrainment)되는 경우가 많다. 작은 액적(또는 분무)등이 관 중심부분의 기체와 함께 유동하는 환상류를 특히 환상 분무류(Annular-Mist Flow)라고 한다. 수직 2상 유동에서 응축은 하향유동(Down flow)으로, 비등은 상향유동(UP flow)으로 이루어지는 것이 가장 효과적이다. 열전달이 수반되지 않는 유동의 경우, 좀더 정확히는 2성분 유동(Two component flow)에는 Tube내부를 따라서 하류로 흘러가도 대체로 유동양식이 그대로 유지되는 것이 보통이다. (물론 엄밀히 말해서는 기체 및 액체의 재배치에 의해 유동양식은 항상 바뀐다.) 열전달이 수반되는 증기유동( Evaporat- ive flow)이나 응축유동(Condensing flow)의 경우에는 유동방향에 따라서 유동양식이 크게 변하는 것을 볼 수 있다. 그림 e. 에서는 수직 가열관내의 전형적인 2상 유동양식을 보여주고 있다. 균일 열유속을 받는 관의 하부를 통해서 유체가 흘러들어오게 되면 Tube벽으로부터의 대류 열전달에 의하여 액체의 온도는 점차 상승하게되고 비등점가까이에 이르면 벽면에서부터 기포의 생성이 시작되어 기포류가 형성된다. 유체가 계속 가열되면 기포의 양은 점점 증가하고 기포간의 합착에 의해서 슬러그 기포가 형성되어 슬러그류로 천이한다. 계속되는 기체량의 증가에 따라 기체의 속도는 점점 빨라지고 슬러그류의 액체 슬러그가 파괴되면서 점차 환상류의 형태를 띄게 된다. 환상류에서는 벽면과 접촉하는 액막이 얇아서 열저항이 작기 때문에 기포 생성에 필요한 벽면 과열(Wall superheat)상태가 이루어지지 않으므로 열은 액막을 통해서 대류 및 전도 현상에 의해 전달되며 액막과 Tube중심부의 기체와의 경계면에서는 지속적인 증발이 나타난다. 이때에도 지속적인 증발로 인하여 기체의 속도는 증가하며 이에 따라 액적이 액막으로부터 Tube중심부의 기체로 유입되어 분무 환상류의 형태를 띄었다가 결국 벽면에 접한 액막이 완전히 증발하고 Tube중심부의 액적이 증기와 함께 흐르는 액적류 형태가 된다. 이 액적들은 하류로 흘러 가면서 증발하게 되고 종국적으로 단상기체(증기) 유동(Single phase vapor flow)이 된다.
5) 수직하향류의 응축
4.4.2 비등(Boiling)
1) 정의 고체-액체계면에서 증발이 일어날 때 이를 비등이라 한다. 비등은 여러 가지 조건하에서 일어날 수 있다. 예를들면 풀비등(Pool boiling)에서는 액체는 정지해 있고 표면 근처에서의 유체의 운동은 자유대류 그리고 기포의 성장과 이탈에 의한 혼합에 기인한다. 반면, 강제대류비등(Forced-convection boiling)에서는 유체유동은 자유대류와 기포에 의하여 유도된 혼합뿐만 아니라 외적인 수단에 의하여도 유발된다. 비등은 또한 그것이 과냉(Subcooled)상태인가 또는 포화(Saturated)상태인가에 따라 분류되기도 한다. 과냉비등에서는 액체의 온도가 포화온도보다 낮으며, 표면에서 형성된 기포는 액체속에서 응축될 수 있다. 반면, 포화비등(Saturated boiling)에서는 액체온도가 포화온도보다 약간 높다. 고체표면에서 형성된 기포들은 부력에 의하여 액체를 통해 움직이고, 궁극적으로 자유표면(Free surface)으로부터 빠져나간다.
풀보일링(Pool Boiling) : 정체된 유체의 비등 현상으로 케틀타입의 리보일러에 응용 된다. Saturated, Subcooled Boiling으로 나눌 수 있다. 대류 보일링(Convection Boiling) : 유동하는 유체의 비등현상으로 써모사이폰 타입 의 리보일러에 응용된다. Forced Covective, Free Convective Boiling
2) 풀비등(Pool boiling) 선도 열전달 계수와 온도차(벽 온도와 Bulk 유체의 온도차
가) A - B 영역 : 자연대류 영역 어떤 나) B - C 영역 : 초기 비등 영역 이 영역은 약간의 기포가 발생되는 초기 비등 영역으로 전열은 단상의 자여대류와 핵 비등과의 합으로 이루어진다. 여기서 다) C - D 영역 : 핵비등 영역 이 영역의 열전달은 라) D - E 영역 : 천이영역 저압이며 온도차( 마) E - F - G 영역 : 안정된 막비등 영역 어떤 온도차( 바) 최대 열유속(Maximum heat flux) 핵비등의 상한 값인 최대 열유속 값이 비등장치의 설계에서 중요시 되지만 최대열유속은 물성치, 압력, 구조의 함수로 이루어 진다.
4.4.3 열교환기 Shell 측 Stream분석
Shell side로 유체가 지날 때 우리가 요구하는('B' Stream)유로로만 유체가 유동하는 것이 아니다. 유체의 유동을 유도하는 단면적이 좁으면 상대적으로 전열에 비효율적인 유로로 많이 흐르게 된다. 1947년 Tinker에 의해 Shell side의 성능을 좀더 정확하게 접근할 수 있는 이론이 제시되었다. 이 이론은 그림 a. 에서 정의한 5개의 Stream으로 분류하며 비효과적인 누수와 우회(Bypass), 그리고 효과가 있는 십자류(Cross flow)로 분리한다. 먼저 5개의 Stream을 정의하기 전에 각 Stream의 저항과 Sream간의 관계가 확립되어야 한다. 이러한 저항은 각 Stream에 대하여 아직까지 알려지지 않은 무변화의 함수라 할 수 있다. 'A' Stream : Tube와 Baffle간의 틈새로 유동하는 유체 'B' Stream : Tube와 Baffle을 횡단하여 유동하는 유체 'C' Stream : Tube와 Baffle과 Shell사이로 유동하는 유체 'E' Stream : Baffle 과 Shell간의 틈새로 유동하는 유체 'F' Stream : Tube Bundle중심부(Tube Passpartition혹은 U-Tube로 인하여 생긴 공간)로 유동하는 유체
가) 'B' Crossflow stream : 이 Stream은 연속적으로 Tube와 접촉하게 되며 Bundle사이로 통과한다. 압력손실도 크지만 열전달율도 크다. 이 Stream이 단위속도당 열전달에는 가장 효과적이다. 나) 'A' Tube-Baffle Leakage Stream : 이 Stream은 Bundle내에서 길이방향으로 유동한다. 주어진 속도에 대하여 직접 십자류로 흐르는 Stream만큼 효과적이지는 못하다. 그렇지만 항상 Tube와 접촉하며 흐르고 Tube와 Baffle간극에서 높은 유속을 내고 있기 때문에 Baffle-Shell누수나 우회류보다 효과적이다. 다) 'F' Pass Partition Flow Stream : 이 Stream은 Pass partition channel의 어느 한쪽과 접촉한다. 그러나 Channel폭은 전형적인 Tube간극보다는 넓어서 단위 속도당 열전달효과는 십자류보다 다소 떨어지나 거의 'A' Stream수준 과정이다. 라) 'C' Bypass Stream : Bypass stream의 효과는 Bypass간극과 Seal strip수와 깊은 관계를 가지고 있다. 매우 넓은 Bypass channel간극에서 Seal strip을 사용하여 강제로 Tube와 접촉할 수도 있다. 마) 'E' Crossflow steam : 이 Stream은 전열에 가장 비효과적이며, 대부분의 압력손실은 거의 전열효과를 얻지 못하는 압력손실이 된다. 이 Stream은 Shell에 밀접하게 흐르기 때문에 Tube와 접촉이 작다. 그래서 유일한 수단으로 난류화를 추진시켜 'C' Stream과 혼합하게 한다 그러나 난류인 경우는 전열효과는 거의 볼수가 없다.
4.4.4 진동
1) 열교환기에서 발생되는 진동과 역학적 파괴현상 일반적으로 열교환기에서 발생되는 진동은 다음과 같다. Shell side에서 유동에 의해 여기된 진동, Tube side 유동에 의해 여기된 진동, Shell side와 Tube side유량에 서의 요동(Osillation)또는 맥동(Pulsation), 외부적으로 발생된 진동의 전달이 있으나 Shell side 유동에 의해 발생된 진동이 가장크고, 열교환기를 파괴하는 주 요인이 된다. 큰 진폭과 함계 오랜시간 단속되는 Tube의 진동은 역학적 파괴를 일으켜서 결국 누출이 생기게 된다. 이러한 Tube의 역학적 파괴는 아래와 같이 몇가지 Mechanism에 의해 생긴다. 가) 충돌파괴 - 진동폭이 클 때 인접한 Tube간의 계속적인 충돌 또는 Shell과 Tube와의 충돌(Collision damage)로 Tube벽이 얇게 달아 궁극적으로 쪼개져서 Tube간 충돌이 있으면 한가운데 다이아몬드 형상이 나타난다. 나) Baffle에 의한 손상 - Baffle의 Tube hole은 Tube보다 1/64" ~1/32"정도커서 Tube는 운동이 자류롭다. 그러므로 Baffle이 얇고 Tube재질보다 강한 재질일 때, 진동하는 Tube가 Baffle에 의해 절단되는 형상 또는 Baffle의 손상 다) Fatigue - 응력이 크고 장시간 진동이 연속된다면 Tube의 반복되는 굽힘에 의해 재질성분이 변형되어 생기는 피로(Farigue)에 의한 Tube 손상 또는 Tube 마멸현상(Fretting)으로 부식과 Erosion을 촉진시킬 수도 있고 실제로 Tube를 부러지게 하여 조각을 내는 결과가 된다. 라) Tube joint - Tube와 Tube sheet 접합부에서 생기는 손상으로 진동은 확관된것을 벌어지게 하고 Tube sheet내에 Grooves가 끊어지게 한다.
2) Flow Induced Vibration현상 계에서 제시된 진동은 탄성 구조물과 함께 몇가지 여기력(Exiting Force)에 의한 우력(Coupling force)를 내포하고 있다. Flow Induced Vibration의 경우 여기력은 보통 Shell side유체의 유동으로부터 생기며 탄성계는 Tube Bundle이 된다. 이 여기력은 유량이 증가함에 따라 연속적으로 증가되는 특성 진동수(Charateristic frequency)에서 파동하나 Tube의 고유진동수라 부르는 특별한 응답 진동수 및 Tube진동 결과와 상응할 때 생긴다. 유동으로 여기된 Mechanism과 두 범주 즉, Tube에 평행한 평행유동에 의해 여기된 Mechanism과 Tube에 수직한 십자류(Cross flow)에 의해 여기된 Mechanism으로 다시 구분할 수 있다. 그러나 이들 평행유동은 진폭이 작던지, 속도가 크기 때문에 열교환기에서는 거의 문제가 되지 않는다. 그러나 십자류 유동은 일반적인 열교환기 Shell side속도에서 상당히 큰 진폭을 여기 시킬수 있다. 이 십자류 유동에 의해 관찰된 유동으로는 주기성을 가진 유동분리(Flow Separation)에 따라 생기는 Vortex shedding과 Random특성을 가진 난류와 결합된 Turbulent buffeting 및 Fluidelastic whirling가 있다.
가) 고유진동수 진동의 방지를 위하여 고유진동수는 높은 것이 좋다. 고유진동수는 다음과 같이 표현된다. 여기서,
나) Vortex Shedding (V.S) Tube를 가로질러 흐르는 십자류 유동은 위의 그림에서와 같이 Tube의 양쪽 경계면으로부터 교대로 유동이 분리될 때 형성되는 하류(Down stream)Wake의해 일련의 Vortex를 형성한다. 이 반복되는 V.S는 유동속도가 증가함에 따라 더욱 빈번히 발생하여 반복적인 힘을 발생시킨다. 이V.S는 본질상 유체의 Mechanism으로써 Tube의 움직임에는 무관하고 주어진 Tube배열과 크기에 대해서만 변하면, 속도가 증가함에 따라 V.S진동수는 증가한다. V.S진동수는 Tube의 고유진동수 및 진동결과와 일치할 때 여기진동수일 수 있으며, Tube사이의 유동면적은 Tube의 움직임에 따라 진동수와 일치하며 맥동 또는 수축되고, 이것이 교대로 V.S진동수를 조절하는 유동속도를 바뀌게 한다. Tube는 오직 특별한 진동수에만 진동하기 때문에 V.S진동수는 고유진동수와 함계 Lock in 될 수 있다.
다) Turbulent Buffeting(T.B) Turbulent Buffeting은 극단적인 Shell side 난류유동에 기인해 작용하는 맥동(Fluctuating force)이 Tube를 타격하는 현상으로 십자류 속도가 증가함에 따라 증가하는 중심 지배적 진동수(Central dominant frequency)주위에 넓게 포함된 진동수 Spectrum을가진다. 진동수 Spectrum이 나타났을 때 Tube는 그들의 고유 진동수 혹은 가까이에서 선택적으로 에너지가 추출된다고 알려져 있다. 그래서 T.B에서 지배적인 진동수가 고유 진동수와 일치되었을 때 에너지의 전달이 상당한 진폭을 유도할 수 있다.
라) Fluidelastic Whirling(F.W) Fluidelastic whirling은 궤도운동(Orbital movement)을 하며 진동하는 Tube에 의해 입증된 현상을 기술하는 것으로, 고유 진동수에서 Tube 들이 장력과 항력 단변위(Lift and drag displacement)의 조합을 일으키는 십자류 유동에 의해 생성된다. 전형적으로 일단 F.W가 생기면, 이것은 Tube에 공급된 에너지가 감리(Damping)에 의해 소산(Dissipartion)될수 있는 에너지를 초과하는 경우 궤도를 이탈하게 된다. 이러한 F.W가 생길 수 있는 임계 십자류 유동속도를 예측하는 방법은 Tube의 고유 진동수, Tube의 layout 및 계의 감리특성에 의존한다. 지금까지, 간략하게 언급한 V.S, T.B 및 F.W는 각기 독립적으로 존재하지 않고 서로 결합되어 유동력을 증폭 또는 감폭할 것으로 예측되고 있으나 아직 명확히 알려져 있지 않다.
3) 진동방지 설계 열교환기에서 진동예측을 위한 다음과 같은 설계지침이 제시되어 있다. 먼저 액체에 대해 Reynolds수는 아마도 300~50,000구간에 있다. 이때는 V.S Mechanism이 가장 지배적일 것으로 가정하는 것이 합당하다. 만약 속도두가 높다면 ( 액체나 기체에 대해서 만약 Reynolds수가 300,000이하일때는 액체에서와 똑같은 지침을 따라야 한다. 그러나 Reynolds수가 300,000보다 더 크면 설계는 F.W Mechanism을 적용해야 한다. 만약 Pitch율이 1.5보다 크면, T.B Mechanism을 설계에 적용시켜야 한다. 위에서 제시한 설계지침은 여러 문헌과 경험으로부터 얻어진 정보에 기반을 두었으나 어떠한 보증도 될 수는 없다. 또한 진동이 일어난다고 해서 Tube에 손상이 항상 생긴다고 할 수는 없다. 많은 열교환기들이 진동을 일으키나 Tube의 파괴는 일으키지 않는다. Tube의 손상은 피로, Tube와 Tube간의 충돌 및 Baffle에 의한 절단으로부터 생긴다고 알려져 있다.
4) 진동이 예상되는 열교환기의 설계시방 진동분석결과 진동이 예상되면 설계요소는 진동관점에서 제고될 수 있다. 보통 Shell side에 기체가 흐르고 낮은 허용압력을 가진 거대한 열교환기에서 진동문제가 크게 예상된다. 이와 같이 진동이 예상되는 열교환기를 설계할 때 다음과 같은 설계 시방이 추천된다. 가) 유동형태를 예측할 수 있도록 Shell side를 설계한다. 35%보다 크던지, 15%보다 작은 Baffle Cut는 두 조건 모두 좋지 않은 속도분포를 제공하므로 피한다. 나) Pass lane을 통과하는 Bypass는 물론 Tube들과 Shell사이에 어떤 Bypass유동로도 차단한다. 즉, 이들 구역에서 높은 국부속도가 생겨 국소손상을 야기시킬 수 있다. 때때로 평행유동 Baffle들 (Window Baffle과 Triple Segmental Baffle로도 불리워짐)을 사용하는 것이 가능하다. 이것은 Tube에 근본적으로 평행한 유동을 제공하며, 속도는 더 낮아지고 낮은 십자류 유동 속도성분은 낮은V.S진동수를 만들 것이다. 다) 다만 문제되는 속도가 입구 또는 출구 Nozzle근처에 있을 경우에 이 속도가 하류쪽의 더 유연한 Span에 손상을 입힐 수 있는가 하는 의문이 생긴다. 그러나 이 국소구역에 대한 진동기준을 맞추기 위해 전체 설계를 변형하는 것은 비용이 많이 든다. 이러한 경우 아래 셋방법 중 하나로 좋은 결과가 얻어진다. - Nozzle속도 감속장치(Velocity Reducing Device)를 설치한다. Impingement Plate와 함께 설치된 표준 Pipe Reducer라면 충분하나 더욱 심한 경우에는 분포 Belt(Distribute Belts)가 요구된다. - Nozzle밑에 직접 Tube를 지지하는 Baffle을 설치한다. 이것은 Nozzle 에 여기력을놓고 다른 Span에서 발생할 수 있는 진동진폭을 상당히 절감시킨다. - Tube를 Nozzle근처에 있는 첫 번째 Baffle에 압연시킨다. 이러한 압연은부분적 으로 Tube의 나머지 부분으로부터 여기력을 고립시키고 진동진폭을 작게한다. 위에서 언급한 3가지 설계시방중 Nozzle속도 감속장치가 가장 바람직하다. 라) Shell side유체의 속도가 높을때는 Pitch를 증가시키던지 TEMA의 'X', 'J'Shell을 사용함으로서 속도를 줄일 수 있다. 이것은 압력손실의 제한으로 설계에 문제가 될 때 바람직하나, 더 큰 Shell의 직경이 요구될 수 있다. 마) 음향진동이 문제가 될 때는 특성길이(Shell의 직경)를 줄이기 위하여 Detuning baffle을 사용하면 쉽게 해결할 수도 있다. 바) 매우 두꺼운 Baffle은 Tube가 Baffle에 의해 절단되는 것을 줄이고 계(System)의 Damping을 증가시킨다. 그러나 Baffle hole이 매우 밀착된 공차로 정밀 가공되지 않으면 고유 진동수는 Baffle hole이 두꺼워 져도 증가하지 않는다. 이러한 기게이 가공은 비용이 많이 들고 정밀 가공된 hole은 결합을 어렵게 만든다. 사) Tube의 고유 진동수가 낮을 때 고유 진동수를 증가시키는 가장 효과적인 방법은 가장 Unsupported span길이를 줄이는 것이다. Span길이를 80%로 줄일 때 고유 진동수는 50%이상 증가한다. 또한 Tube의 고유 진동수는 Tube의 운동을 방지하기 위하여 Tube사이에 쐐기로 고정시킨다던가, Tube들을 묶음으로써 증가 될 수 있다. 이 방법은 U-Tube bend구역에서의 진동을 제어하는데 특히 유용하다. 이상의 설계시방에 추가하여 진동의 손상에 가장 잘 견딜 수 있는 열교환기의 설계는 Baffle Cut부에 Tube가없는 Segmental baffle형태로 이러한 설계는 두가지의 잇점이 있다. 첫째는 가장 문제가 되는 Tube들(즉, 하나씩 건너 뛰어서 Baffle에 지지되는 Tube들)이 제거되고, 둘째는 중간지지대가 Segmental baffle사이에 놓일 수 있다. 따라서 설계자는 여기 진동수 보다 높게 고유 진동수를 증가시키기 위해 필요한 만큼 이들 지지대를 설치해야 한다. 또한 이 설계화 함께 입구에서 Nozzle속도 감속장치가 필요하다.
|