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    🔎 소개 (Introduction)

    열교환기(Heat Exchanger)는 서로 다른 온도의 두 유체 사이에서 열 에너지만 교환하도록 설계된 핵심 공정 장치입니다. 그중 Shell & Tube (S&T) Heat Exchanger는 화학 플랜트, 발전 설비 등 다양한 산업 공정에서 가장 널리 사용되는 열교환기 유형입니다. 본 글에서는 S&T 열교환기 설계의 기본 개념과 함께 TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) 표준을 기반으로 한 설계 기준을 정리하여 공정설계 직무 관점에서 설명드립니다.

     

     

    📘 TEMA란 무엇인가? (What Is TEMA?)

    TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association)는 S&T 열교환기 설계·제작·검사에 관한 국제 표준을 발행하는 협회입니다. 이 표준은 산업 전반에서 열교환기 설계의 기준(standards)으로 활용되며, 설계 품질과 신뢰성을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다. 최신 기준은 TEMA 11판이 있으며, 열교환기의 기계적 설계, 제작 공차, 설치 및 유지보수까지 포괄합니다.

     

     

    📊 TEMA의 구성 및 적용 범위

    ✔ TEMA 표준의 구성

    TEMA 표준은 아래와 같은 10개 주요 섹션으로 구성됩니다:

    1. Nomenclature (용어 및 기호)
    2. Fabrication Tolerances (제작 공차)
    3. General Fabrication & Performance (제작 및 성능)
    4. Installation, Operation & Maintenance (설치/운영/유지보수)
    5. Mechanical Standards (기계적 설계 기준)
    6. Flow Induced Vibration (유동 진동)
    7. Thermal Relations (열 관계)
    8. Physical Properties of Fluids (유체 물성)
    9. General Information (일반 데이터/치수)
    10. Recommended Good Practice (권장 실무기준)

    ✔ 적용 범위

    TEMA 기준은 내부 직경이 약 100인치(≈2.5 m) 이하, 설계 압력 약 3000 psi 이하 범위의 S&T 열교환기에 적용됩니다. 이 범위를 벗어날 경우 추가 설계 기준이 필요할 수 있습니다.

     

     

    🏷️ TEMA 클래스 구분 (Classifications)

    TEMA 표준은 세 가지 설계 클래스(Class)로 열교환기를 분류합니다. 각 클래스는 공정 환경에 따른 설계 요구 수준을 달리합니다.

    클래스 적용 대상
    Class C 상업용/범용 공정 서비스
    Class B 화학 공정 서비스
    Class R 정유·석유화학 등 고위험 공정 서비스
    • Class R은 가장 까다로운 설계 기준을 요구하며, 높은 온도·압력·부식 환경을 고려하도록 설계되어야 합니다.

     

    🧠 설계 가이드라인 – TEMA 기준 반영 핵심 항목

    1) 유동 방식 및 열전달

    열교환기 설계는 기본적으로 유체 간 열 교환량(Q)을 만족하도록 설계해야 합니다.

    Q = U · A · ΔT_lm
    (전체 열전달계수 U, 전열면적 A, 로그 평균온도차 ΔT_lm)

    이 기본식을 바탕으로 흐름 방식(역류/병류 등)을 정하고 열전달 효율을 최적화합니다. (※ 기초 열전달 공식)

     

    2) 전열면적 및 유체 흐름

    • 튜브 배열 및 피치, 튜브 직경은 기본 열전달 성능과 압력손실에 영향을 미칩니다.
    • 튜브 패킹/레이아웃, 튜브 길이는 유체 속도와 전열 면적 확보 시 중요한 설계 요소입니다.
    • 튜브 패턴(사각/삼각)은 TEMA에서 추천되는 일반 기준에 따라 설계합니다.

    3) 기계적 설계 기준 – TEMA RCB 공통

    TEMA Mechanical Standards(특히 RCB)에서는 쉘, 튜브시트, 배플, 채널/헤드와 관련된 많은 상세 기준을 제공합니다.

     

    쉘(Shell) 및 헤드

    • 쉘 직경 및 두께는 설계 압력과 온도 기준으로 계산합니다.
    • 노즐·헤드 커버는 적절한 볼팅 규격과 가스켓을 사용해야 합니다.
    • 기계적 공차는 TEMA에 명시된 허용값을 준수합니다.

    튜브시트(Tubesheet)

    TEMA는 튜브시트 두께 계산식, 보강 압력 조건, differential pressure 조건 등을 상세히 규정합니다. 이는 ASME 설계 기준과의 결합 계산으로 이루어집니다.

    예) Pass partition gasket grooving(튜브시트 패스 구획용 그루브) 적용 및 패스 플레이트 두께 규정 등이 TEMA에서 명확히 요구됩니다.

     

    배플(Baffles)

    배플은 튜브 번들 지지 및 유동 방향 유도 기능을 하며, TEMA에서는 배플 간격, 배플 컷, 클리어런스 등 구체적인 허용치를 제공합니다. 이는 열전달 성능과 압력손실을 동시에 고려한 설계기준입니다.

     

    4) 제작 공차 및 검사 기준

    TEMA는 제작 공차(Fabrication tolerances), 검사(Non-destructive exam), 용접 품질 등 제작 공정 전반에 대한 기준을 제공합니다. 설계자는 이 허용치를 계약 스펙과 일치하도록 반영해야 합니다.

     

    5) 설치·운영·유지보수 가이드

    TEMA Section 4에서는 설치 조건, 유지보수 접근성, 펌핑/바이패스 설계 등의 운영 편의성까지 포함한 기준을 제시합니다. 설계 단계부터 유지보수 가능성을 반영하는 것이 중요합니다.

     

     

    🔥 총괄열전달계수(U, Overall Heat Transfer Coefficient) 설계 가이드

    1️⃣ 총괄열전달계수(U)란 무엇인가?

    총괄열전달계수(U)는 열교환기 전체에서 발생하는 모든 열저항을 하나의 계수로 통합한 값으로, S&T Heat Exchanger 설계의 핵심 지표입니다.
    공정설계 관점에서 U 값은 단순한 계산 파라미터가 아니라, 열교환기 크기, 비용, 운전 안정성을 결정하는 매우 중요한 설계 요소입니다.

    열교환기의 기본 열전달식은 다음과 같습니다.

    $$ Q = U \cdot A \cdot \Delta T_{lm} $$

    • Q : 열부하 (Heat Duty)
    • U : 총괄열전달계수
    • A : 전열면적
    • ΔTₗₘ : 로그 평균온도차 (LMTD)

    즉, 동일한 열부하(Q)를 만족하기 위해

    • U가 낮으면 → 전열면적 증가 → 장비 대형화
    • U가 높으면 → 장비 소형화 가능

    이라는 설계 상의 직접적인 트레이드오프가 발생합니다.

     

    2️⃣ 총괄열전달계수(U)의 물리적 의미

    S&T 열교환기에서 U는 튜브측, 쉘측, 튜브 벽, 오염(Fouling)에서 발생하는 모든 열저항을 포함합니다.

     

    일반적인 열저항 모델은 다음과 같이 표현됩니다.

     

    $$ \frac{1}{U} = \frac{1}{h_i} + R_{f,i} + \frac{t_w}{k_w} + R_{f,o} + \frac{1}{h_o} $$


    항목 의미
    hi 튜브측 대류 열전달계수 (Tube-side Convective Heat Transfer Coefficient)
    ho 쉘측 대류 열전달계수 (Shell-side Convective Heat Transfer Coefficient)
    Rf,i 튜브 내부 Fouling Resistance (오염에 의한 열저항)
    Rf,o 튜브 외부 Fouling Resistance (쉘측 오염 저항)
    tw 튜브 벽 두께 (Tube Wall Thickness)
    kw 튜브 재질의 열전도율 (Thermal Conductivity of Tube Material)

    👉 TEMA 기준에서는 Fouling Resistance를 반드시 설계에 포함하도록 명시하고 있으며, 이를 무시한 설계는 실제 운전 시 성능 미달로 이어질 가능성이 큽니다.

     

    3️⃣ TEMA 기준에서의 총괄열전달계수(U) 적용 개념

    ⚠️ 중요 포인트: TEMA 표준은 U 값을 직접 규정하지는 않습니다. 그러나 다음 항목을 통해 U 산정의 전제 조건을 명확히 규정합니다.

     

    ✔ TEMA가 U에 간접적으로 영향을 주는 항목

    • 튜브 배열 (Triangular / Square Pitch)
    • 배플 타입 및 배플 컷 비율
    • 배플 간격(Baffle Spacing)
    • 튜브 내·외부 유속 제한
    • 허용 압력손실 범위
    • Fouling Resistance 적용 의무

    이러한 기계적·유동 조건은 모두 hᵢ, hₒ 값에 직접적인 영향을 주며, 결과적으로 U를 제한하게 됩니다.

     

    4️⃣ 실무에서 사용되는 대표적인 U 값 범위 (Rule of Thumb)

    공정설계 초기 단계(Preliminary Design)에서는 아래와 같은 경험 기반 U 값이 자주 사용됩니다.

    서비스 유형 U (W/m²·K) 비고
    Gas ↔ Gas 20 ~ 100 매우 낮은 열전달
    Gas ↔ Liquid 100 ~ 500 일반적인 냉각기
    Liquid ↔ Liquid 300 ~ 1,000 가장 흔한 범위
    Condensing Steam ↔ Liquid 1,500 ~ 6,000 매우 높은 U
    Boiling Service 1,000 ~ 3,000 배플 설계 중요

    📌 주의사항

    • 위 값은 예비 설계용(reference)이며
    • HTRI, Aspen EDR 등 상세 계산 결과로 반드시 검증해야 합니다.

    5️⃣ Fouling Resistance와 U의 관계 (TEMA 필수 개념)

    TEMA에서는 Fouling Resistance를 설계에서 제외하는 것을 허용하지 않습니다.

     

    대표적인 Fouling Resistance 예시는 다음과 같습니다.

    유체 Fouling Resistance (m²·K/W)
    Cooling Water 0.00018
    Steam (Clean) 0.00009
    Hydrocarbon 0.00035 ~ 0.0009

    👉 Fouling Resistance를 고려하지 않으면:

    • 설계 U 값이 과대평가
    • 실제 운전 시 열부하 미달
    • 장비 교체 또는 추가 설치 위험 증가

    즉, TEMA 기반 설계에서 U는 “Clean U”가 아닌 “Design U” 기준으로 접근해야 합니다.

     

    6️⃣ 공정설계 실무 관점에서의 U 적용 절차

    공정설계 직무에서의 일반적인 흐름은 다음과 같습니다.

    1) Heat Duty(Q) 확정
    2) LMTD 계산 (Flow Arrangement 반영)
    3) 예상 U 값 선정 (Rule of Thumb)
    4) 전열면적(A) 1차 산정
    5) TEMA 기계적 조건 반영 (배플, 튜브 배열)
    6) HTRI 등으로 상세 U 재계산
    7) Pressure Drop & Fouling 검증

     

     

    📌 결론 (U 관점 요약)

    총괄열전달계수(U)는 단순한 계산 계수가 아니라,
    열교환기 크기
    비용
    운전 안정성
    TEMA 기계적 설계 조건
    을 모두 연결하는 핵심 설계 변수입니다.

    특히 S&T Heat Exchanger 설계에서는

    • TEMA 기준에 따른 배플·튜브 설계
    • Fouling Resistance 반영
    • 압력손실과의 균형
      을 고려하여 현실적인 U 값을 설정하는 것이 공정설계자의 중요한 역할입니다.

     

    📌 공정설계 적용 시 체크포인트

    ✅ 데이터 시트 명확화

    • 설계 압력, 온도, 유량, 유체 특성 등 조건을 상세히 문서화합니다.
    • 반드시 TEMA 클래스(C/B/R) 및 적용 섹션을 명시합니다.

    ✅ 설계 코드와 표준 선택

    TEMA 기본 기준은 ASME Section VIII와 함께 사용됩니다. ASME는 압력용기 설계 코드를 제공하며, TEMA는 기계적 구조와 공차규정을 구체화합니다.

     

    ✅ 시뮬레이션/검증

    설계 계산은 Aspen HYSYS, HTRI 등 시뮬레이션 도구를 활용하며, TEMA 조건과 비교 검증 절차를 수행합니다.

     

     

    📌 결론 (Conclusion)

    S&T 열교환기 설계는 공정의 열 전달 성능뿐 아니라 TEMA 표준에 따른 기계적 설계, 공차, 검사 및 설치/운영 요건을 모두 만족해야 합니다. TEMA 기준을 설계서에 반영하면 안전성과 내구성, 유지보수성을 확보할 수 있으며, 산업 설비의 효율 향상과 공정 안정성 확보에 크게 기여할 수 있습니다.

     

    ✔ TEMA Class 선택, 배플·튜브시트 설계 기준 준수, 제작 공차 반영은 공정설계 실무의 필수 요소입니다.

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