Part 71. 열교환기의 성능이 부족하다 – Heat Transfer Troubleshooting

1. 설계된 온도에 도달하지 못하는 열교환기

 

Beer to Zero Project의 무알코올 맥주 생산 공정이 본격적으로 가동한다고 가정해보겠습니다.

 

발효 공정 이후의 제품은 다음 공정으로 이동하기 전에 일정한 온도까지 냉각되어야 합니다. 이를 위해 설계 단계에서 Shell & Tube Heat Exchanger를 선정하고, 공정 유량과 입구 온도, 목표 출구 온도, 냉각수 조건 등을 반영하여 열교환 면적을 산정했습니다.

 

설계 검토도 완료했고, Vendor Drawing Review와 FAT까지 마쳤습니다. 설치 후 시운전에서도 특별한 이상은 발견되지 않았습니다.

 

그런데 정상 운전이 시작된 지 얼마 지나지 않아 문제가 발생했습니다.

 

제품의 목표 출구 온도는 10°C였지만 실제 측정값은 16°C를 나타냈습니다. 냉각수 공급 온도는 설계 조건과 유사했고, 냉각수 펌프도 정상적으로 운전되고 있었습니다.

 

운전팀에서는 냉각수 유량을 증가시키면 해결될 것이라고 판단했습니다. 하지만 유량을 증가시켜도 제품 출구 온도는 기대만큼 낮아지지 않았습니다.

 

이때 엔지니어가 가장 먼저 해야 할 일은 열교환기를 교체하거나 냉각수 유량을 무작정 증가시키는 것이 아닙니다.

 

과연 열교환기가 열을 충분히 전달하지 못하는 것인지, 아니면 열교환기가 처리해야 하는 실제 공정 조건이 설계 당시와 달라진 것인지부터 확인해야 합니다.

 

이번 Part 71에서는 열교환기의 열전달 성능을 평가하는 기본 원리부터 실제 운전 중 발생할 수 있는 성능 저하 원인, 그리고 이를 진단하는 Troubleshooting 절차까지 살펴보겠습니다.

 

 

2. Heat Exchanger의 열전달 성능을 결정하는 요소

 

열교환기의 성능을 이해하기 위해서는 먼저 열전달량을 결정하는 기본 관계식을 알아야 합니다.

 

일반적인 열교환기의 열전달량은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

\[ Q = U \times A \times F \times \Delta T_{lm} \]

 

여기서 각 변수의 의미는 다음과 같습니다.

 

기호	명칭	단위	설명
\(Q\)	Heat Duty	W 또는 kW	단위 시간당 전달되는 열량
\(U\)	Overall Heat Transfer Coefficient	W/m²·K	총괄 열전달계수
\(A\)	Heat Transfer Area	m²	열전달 면적
\(F\)	LMTD Correction Factor	-	실제 유동 형태에 따른 보정계수
\(\Delta T_{lm}\)	Log Mean Temperature Difference	K	대수평균 온도차

 

이 식은 열교환기의 성능을 이해하는 데 매우 중요합니다.

 

열교환기가 설계된 열량을 전달하려면 다음 네 가지 요소가 적절하게 확보되어야 합니다.

 

• \(U\) : 열교환기 내부와 외부의 열전달 저항이 충분히 낮아야 합니다.
• \(A\) : 유체 사이에서 열이 전달되는 유효 면적이 확보되어야 합니다.
• \(F\) : 실제 유동 형태에 적합한 LMTD 보정계수가 확보되어야 합니다.
• \(\Delta T_{lm}\) : 고온 유체와 저온 유체 사이에 충분한 온도 구동력이 있어야 합니다.

따라서 열교환기의 성능이 부족하다는 것은 단순히 열교환 면적이 작다는 의미가 아닙니다.

 

총괄 열전달계수가 감소했을 수도 있고, 실제 운전 온도 조건이 변경되었을 수도 있으며, 유체의 유량이나 분배 상태가 달라졌을 수도 있습니다.

 

2.1. Overall Heat Transfer Coefficient (U)

총괄 열전달계수는 열교환기의 전체적인 열전달 능력을 나타내는 지표입니다.

 

열은 고온 유체에서 저온 유체로 이동하며, 이 과정에서 여러 가지 열전달 저항을 통과합니다.

 

대표적인 저항은 다음과 같습니다.

 

1. 고온 유체 측 대류 열전달 저항
2. 고온 유체 측 Fouling 저항
3. 열교환기 벽면의 전도 저항
4. 저온 유체 측 Fouling 저항
5. 저온 유체 측 대류 열전달 저항

평판형 열교환기처럼 단순화된 형태에서는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

\[ \frac{1}{U} = \frac{1}{h_h} + R_{f,h} + R_w + R_{f,c} + \frac{1}{h_c} \]

 

• \(h_h\): 고온 유체 측 열전달계수
• \(h_c\): 저온 유체 측 열전달계수
• \(R_{f,h}\): 고온 유체 측 Fouling Resistance
• \(R_{f,c}\): 저온 유체 측 Fouling Resistance
• \(R_w\): 열교환기 벽면의 전도 저항

실제 원통형 Shell & Tube Heat Exchanger에서는 기준 면적과 튜브 내·외경에 따라 면적비와 벽면 저항을 반영해야 합니다. 따라서 위 식은 열전달 저항의 개념을 설명하기 위한 단순화된 표현입니다.

 

여기서 주목할 부분은 열교환기 내부에 오염물질이 축적되면 Fouling Resistance가 증가한다는 것입니다.

 

결과적으로 총괄 열전달계수 U가 감소하고, 동일한 열교환 면적과 온도차를 유지하더라도 전달 가능한 열량은 감소하게 됩니다.

 

2.2. Log Mean Temperature Difference (LMTD)

열교환기의 열전달은 고온 유체와 저온 유체 사이의 온도차에 의해 발생합니다.

 

하지만 열교환기 내부에서는 두 유체의 온도가 위치에 따라 계속 변화하기 때문에 단순한 산술평균 온도차를 사용할 수 없습니다.

이를 해결하기 위해 사용하는 개념이 LMTD입니다.

 

일반적인 Counter-current Flow를 기준으로 하면 다음과 같이 계산합니다.

 

\[ \Delta T_1 = T_{h,in} - T_{c,out} \]

\[ \Delta T_2 = T_{h,out} - T_{c,in} \]

\[ \Delta T_{lm} = \frac{\Delta T_1-\Delta T_2}{\ln\left(\frac{\Delta T_1}{\Delta T_2}\right)} \]

 

여기서,

 

• \(T_{h,in}\): 고온 유체 입구 온도
• \(T_{h,out}\): 고온 유체 출구 온도
• \(T_{c,in}\): 저온 유체 입구 온도
• \(T_{c,out}\): 저온 유체 출구 온도

입니다.

 

실제 열교환기는 Counter-current Flow 외에도 Cross Flow나 Multi-pass 구조를 사용하는 경우가 많습니다. 따라서 실제 유동 형태에 맞는 LMTD Correction Factor(F)를 적용해야 합니다.

 

즉, 열교환기의 성능이 저하되었다고 판단하기 전에 실제 입출구 온도를 이용하여 온도 구동력 자체가 감소했는지 확인해야 합니다.

 

 

3. Heat Transfer Troubleshooting의 주요 원인

 

열교환기의 성능이 설계값에 미치지 못하는 원인은 크게 네 가지로 구분할 수 있습니다.

 

3.1. Fouling – 열교환기 내부의 오염

가장 대표적인 열교환기 성능 저하 원인입니다.

 

Fouling은 열교환기 내부 또는 외부 표면에 고형물, 스케일, 유기물, 부식 생성물 등이 축적되는 현상을 의미합니다.

 

특히 다음과 같은 조건에서 발생하기 쉽습니다.

 

• Cooling Water 내 무기염류 및 부유물질 축적
• 공정 유체의 중합 또는 고형물 석출
• 유체 내 불순물 및 부식 생성물 유입
• 낮은 유속으로 인한 침전물 축적
• 국부적인 온도 상승에 따른 Scale 형성

예를 들어 Cooling Water를 사용하는 열교환기에서 장기간 운전이 지속되면 튜브 내부에 Scale이나 침전물이 형성될 수 있습니다.

 

이러한 오염층은 열전달을 방해하는 추가 저항으로 작용합니다.

 

그 결과 다음과 같은 현상이 나타날 수 있습니다.

 

• 동일한 운전 조건에서 열교환 성능 감소
• 열교환기 출구 온도가 목표값에 도달하지 못함
• 유로가 좁아지면서 압력강하 증가
• 세정 주기가 짧아짐

다만 Fouling이 발생했다고 해서 항상 압력강하가 증가하는 것은 아닙니다. 오염층의 형태와 위치, 유로 폐색 정도에 따라 압력강하 변화는 다르게 나타날 수 있습니다.

 

Troubleshooting Point

 

Fouling을 의심한다면 열교환기 양측의 압력강하(ΔP)와 실제 유량을 함께 확인해야 합니다.

 

특히 동일한 유량 조건에서 과거보다 압력강하가 증가하고, 동시에 계산된 총괄 열전달계수 U가 감소했다면 Fouling 가능성이 높습니다.

 

이때 단순히 세정부터 진행하기보다는 어느 측에 오염이 발생했는지 확인하는 것이 중요합니다.

 

3.2. Insufficient Flow Rate – 유량 부족

두 번째 원인은 열교환기 내부로 공급되는 유체의 유량이 부족한 경우입니다.

 

열교환기의 설계 조건은 특정 유량을 기준으로 계산됩니다.

 

그런데 실제 운전에서 공정 유체 또는 Cooling Water의 유량이 설계값보다 낮아지면 열전달 성능이 달라질 수 있습니다.

 

유량이 감소하면 일반적으로 다음과 같은 현상이 발생합니다.

 

• 유체의 체류시간 증가
• 유속 감소
• Reynolds Number 감소
• 대류 열전달계수 감소 가능성
• 공정 요구 열량을 처리하지 못하는 현상

여기서 주의할 점은 체류시간이 증가한다고 해서 반드시 열전달량이 증가하는 것은 아니라는 것입니다.

 

유속이 낮아지면 유체의 난류가 약해지고 열전달계수가 감소할 수 있기 때문입니다.

 

특히 Shell & Tube Heat Exchanger에서 Tube Side 유량이 감소하면 유체의 흐름 상태가 달라지면서 열전달 성능이 저하될 수 있습니다.

 

유량 부족의 원인은 다음과 같이 추적할 수 있습니다.

 

1. Pump의 실제 운전 유량 확인
2. Suction 및 Discharge 압력 확인
3. Strainer 또는 Filter 막힘 여부 확인
4. Control Valve 개도 및 운전 상태 확인
5. 배관 내 유체 누설 및 Bypass 여부 확인

앞선 Part 68에서 다루었던 Pump Troubleshooting과도 연결되는 부분입니다.

 

펌프 자체는 정상적으로 운전하고 있더라도 Strainer 막힘이나 배관 저항 증가로 인해 열교환기에 공급되는 실제 유량이 부족할 수 있습니다.

 

Troubleshooting Point

 

열교환기 입구에서 측정한 유량이 설계 유량과 일치하는지 확인해야 합니다.

 

펌프의 정격 유량이나 운전 주파수만으로 실제 공급 유량을 판단해서는 안 됩니다.

 

3.3. Flow Maldistribution – 유체 분배 불균일

열교환기의 성능을 저하시키는 원인 중 상대적으로 간과하기 쉬운 항목입니다.

 

Flow Maldistribution은 열교환기 내부의 여러 유로에 유체가 균일하게 분배되지 않는 현상을 의미합니다.

 

예를 들어 Shell & Tube Heat Exchanger의 Tube Side에는 여러 개의 튜브가 병렬로 설치되어 있습니다.

 

이론적으로는 각 튜브에 유체가 균일하게 분배되는 것이 이상적입니다.

 

하지만 실제로는 다음과 같은 이유로 유체 분배가 불균일해질 수 있습니다.

 

• Inlet Nozzle의 유동 분포 문제
• Channel Head 내부의 유동 불균일
• 튜브 일부의 막힘
• 내부 구조물의 손상
• 잘못된 유체 분배 설계
• 유체의 점도 변화 및 물성 차이

일부 튜브에는 유량이 집중되고 다른 튜브에는 유량이 부족해지면 열교환기 전체의 유효 열전달 성능이 저하될 수 있습니다.

 

또한 유량이 부족한 구간에서는 정체 영역이 형성되어 Fouling이 촉진될 수 있습니다.

 

이 문제는 전체 유량만 측정해서는 쉽게 발견하기 어렵습니다.

 

전체 유량이 설계값과 일치하더라도 열교환기 내부에서 유체가 균일하게 분배되고 있다는 보장은 없기 때문입니다.

 

Troubleshooting Point

 

Flow Maldistribution이 의심된다면 다음 항목을 확인해야 합니다.

 

• 열교환기 Inlet 및 Outlet의 온도 분포
• 각 유로의 차압 및 유량 분배 상태
• Tube Plugging 또는 내부 막힘 여부
• Channel Head 및 Distributor 내부 상태
• 열화상 카메라를 이용한 표면 온도 분포

특히 다수의 병렬 유로를 사용하는 열교환기에서는 평균 유량보다 유체 분배 상태가 더 중요한 진단 정보가 될 수 있습니다.

 

3.4. Insufficient Temperature Driving Force – 온도 구동력 부족

열교환기의 성능은 고온 유체와 저온 유체 사이의 온도차에 크게 영향을 받습니다.

 

따라서 Cooling Water의 공급 온도가 설계 조건보다 높아지거나 공정 유체의 입구 온도가 변경되면 열교환기의 열전달량이 감소할 수 있습니다.

 

예를 들어 설계 당시 Cooling Water 공급 온도가 25°C였지만 실제 운전에서는 32°C로 상승했다고 가정해 보겠습니다.

 

이 경우 냉각수와 공정 유체 사이의 온도차가 감소하므로 동일한 열교환기에서도 기존과 동일한 냉각 성능을 확보하기 어려워집니다.

 

대표적인 원인은 다음과 같습니다.

 

• Cooling Tower 성능 저하
• 계절적 외기 온도 상승
• Cooling Water 공급 온도 상승
• 공정 유체 입구 온도 변화
• 공정 유량 증가에 따른 열부하 증가
• 냉동기 또는 Chiller 성능 저하

이때 중요한 것은 열교환기의 성능 저하와 Utility System의 성능 저하를 구분하는 것입니다.

 

열교환기 자체에 문제가 없어도 Cooling Water나 Chilled Water를 공급하는 Utility System의 성능이 저하되면 최종 공정 온도를 확보하지 못할 수 있습니다.

 

Troubleshooting Point

 

열교환기만 확인할 것이 아니라 Cooling Water 또는 Chilled Water 공급 시스템의 운전 조건을 함께 확인해야 합니다.

 

특히 냉각수 공급 온도, 유량, 압력 및 냉동기 운전 상태를 동시에 검토하는 것이 중요합니다.

 

 

4. Heat Exchanger Troubleshooting – 실제 운전 데이터로 원인 찾기

 

그렇다면 실제 플랜트에서 열교환기의 성능이 부족하다는 문제가 발생했을 때 어떤 방식으로 접근해야 할까요?

 

가장 중요한 것은 설계 조건과 실제 운전 조건을 비교하는 것입니다.

 

4.1. Step 1 – Design Basis와 Actual Operating Data 비교

먼저 열교환기의 설계 데이터를 확보해야 합니다.

 

일반적으로 다음 자료를 확인합니다.

 

• Heat Exchanger Datasheet
• Thermal Design Calculation
• P&ID
• Process Flow Diagram
• Equipment Vendor Document
• Operating Log 및 DCS Trend

이후 설계 조건과 실제 운전 조건을 비교합니다.

 

구분	Design Condition	Actual Condition
Hot Side Inlet	80°C	85°C
Hot Side Outlet	40°C	48°C
Cold Side Inlet	25°C	30°C
Cold Side Outlet	45°C	42°C
Hot Side Flow	10,000 kg/h	10,000 kg/h
Cold Side Flow	12,000 kg/h	12,000 kg/h

 

위 데이터는 설명을 위한 가상의 사례입니다.

 

실제 운전 데이터를 비교해 보면 두 유체의 유량은 설계 조건과 동일하지만 입구 온도가 변경되었고, 출구 온도 역시 설계값에 도달하지 못하고 있습니다.

 

이때 단순히 열교환기 성능이 부족하다고 결론 내리기보다는 실제 공정의 열부하가 어떻게 변화했는지 먼저 확인해야 합니다.

 

4.2. Step 2 – Actual Heat Duty 계산

열교환기의 실제 열전달량을 계산하기 위해서는 양측 유체의 유량과 입출구 온도를 이용합니다.

 

현열 교환을 하는 단상 유체의 경우 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

 

\[ Q = \dot{m} \times C_p \times \Delta T \]

 

• \(\dot{m}\): 질량 유량 (kg/s)
• \(C_p\): 정압 비열 (kJ/kg·K)
• \(\Delta T\): 유체의 입출구 온도차 (K)

위 가상의 운전 조건에서 Hot Side의 비열을 4.18 kJ/kg·K로 가정하면 다음과 같습니다.

 

Hot Side의 유량은 10,000 kg/h이고, 입출구 온도차는 37°C입니다.

 

\[ Q_h = \frac{10,000}{3,600} \times 4.18 \times (85-48) \]

\[ Q_h = 429.8 \text{ kW} \]

 

Cold Side의 비열을 동일하게 가정하면 다음과 같습니다.

 

\[ Q_c = \frac{12,000}{3,600} \times 4.18 \times (42-30) \]

\[ Q_c = 167.2 \text{ kW} \]

 

두 결과가 크게 차이가 납니다.

 

그러나 정상상태의 단열에 가까운 열교환기라면 Hot Side에서 방출한 열량과 Cold Side에서 흡수한 열량은 에너지 보존 관점에서 대체로 일치해야 합니다.

 

따라서 이와 같은 차이가 나타난다면 다음 사항을 검토해야 합니다.

 

1. 유량계 및 온도계의 측정 오차
2. 양측 유체의 실제 비열 및 물성 차이
3. 열교환기 외부로의 열손실
4. 정상상태에 도달하지 않은 운전 조건
5. 유체의 상변화 또는 추가적인 열수지 항목

즉, 열전달량을 계산할 때는 한쪽 유체의 데이터만으로 판단하지 말고 양측의 Heat Balance를 함께 확인해야 합니다.

 

4.3. Step 3 – Overall Heat Transfer Coefficient 계산

실제 열교환기의 열전달 성능을 평가할 때 가장 유용한 지표 중 하나가 Overall Heat Transfer Coefficient(U)입니다.

 

다음 식을 이용합니다.

 

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

 

실제 운전에서 계산한 U값을 설계 당시의 Clean U 또는 Design U와 비교하면 열전달 성능이 얼마나 저하되었는지 파악할 수 있습니다.

 

예를 들어 설계 당시 Clean U가 800 W/m²·K였는데 실제 운전에서 계산된 U가 550 W/m²·K라면 열전달계수가 감소한 것입니다.

 

다만 이 수치만으로 Fouling이 발생했다고 확정할 수는 없습니다.

 

유량에 따른 대류 열전달계수 변화, 유체 물성 변화, 유동 분배 문제, 측정 오차 등을 함께 검토해야 합니다.

 

또한 비교할 때는 동일한 기준 면적과 적절한 LMTD Correction Factor를 사용해야 합니다.

 

4.4. Step 4 – Pressure Drop과 U값을 함께 분석

열교환기의 성능을 평가할 때 U값만 확인하는 것은 충분하지 않습니다.

 

압력강하(Pressure Drop)를 함께 비교하면 원인을 더 구체적으로 좁힐 수 있습니다.

 

Actual U	Pressure Drop	주요 의심 원인
감소	증가	Fouling, Scale, 유로 막힘
감소	감소	유량 부족, 유동 조건 변화, Bypass
감소	유사	온도 구동력 변화, 열전달계수 저하, 유체 분배 문제
유사	증가	유로 막힘, 배관 및 Strainer 저항 증가
유사	감소	실제 유량 감소 또는 유동 경로 변화

 

위 표는 일반적인 진단 방향을 나타냅니다. 실제 압력강하는 유체 물성, 유량, 유동 구조 및 계측 위치에 영향을 받으므로 반드시 동일한 기준 조건에서 비교해야 합니다.

 

특히 U값과 압력강하가 동시에 악화된다면 열교환기 내부의 Fouling이나 유로 폐색을 우선적으로 의심할 수 있습니다.

 

 

5. 실제 Troubleshooting에서 놓치기 쉬운 추가 원인

 

앞서 살펴본 네 가지 원인 외에도 실제 플랜트에서는 다음과 같은 문제가 열교환기의 성능을 저하시킬 수 있습니다.

 

5.1. Bypass Line의 내부 누설 또는 잘못된 Valve Position

열교환기 전후단에는 유지보수나 운전 제어를 위해 Bypass Line이 설치되는 경우가 있습니다.

 

이때 Bypass Valve가 완전히 닫히지 않거나 내부 누설이 발생하면 일부 유체가 열교환기를 통과하지 않고 우회할 수 있습니다.

 

결과적으로 실제 열교환기를 통과하는 유량이 감소하거나, 열교환기를 거치지 않은 유체가 출구 유체와 혼합되어 목표 온도를 확보하지 못할 수 있습니다.

 

따라서 DCS상 Valve Position뿐만 아니라 실제 Valve 내부 누설 가능성도 검토해야 합니다.

 

5.2. Condensate Drain 문제

Steam을 Heating Medium으로 사용하는 열교환기에서는 Condensate 배출 문제가 중요한 원인이 될 수 있습니다.

 

Steam이 응축되면서 발생한 Condensate가 원활하게 배출되지 않으면 열교환기 내부에 응축수가 축적되는 Condensate Flooding 현상이 발생할 수 있습니다.

 

이 경우 유효 열전달 면적이 감소하고 열전달 성능이 저하될 수 있습니다.

 

따라서 Steam Trap의 작동 상태, Condensate 배관의 배압, Drain Line 막힘 여부 등을 확인해야 합니다.

 

5.3. Non-condensable Gas Accumulation

Steam을 사용하는 열교환기에서는 공기와 같은 Non-condensable Gas가 내부에 축적될 수 있습니다.

 

이러한 기체는 응축을 통한 열전달을 방해하고 열전달 저항을 증가시킵니다.

 

특히 열교환기 내부에 공기가 적절하게 배출되지 않는 구조라면 국부적인 열전달 성능 저하가 발생할 수 있습니다.

 

따라서 Vent 위치와 배출 상태, Steam 공급 조건을 함께 확인해야 합니다.

 

5.4. Temperature Sensor 및 Flow Meter의 계측 오류

열교환기 성능이 저하된 것처럼 보이지만 실제로는 계측기 문제인 경우도 있습니다.

 

대표적으로 다음과 같은 사례가 있습니다.

 

• 온도계의 Calibration Drift
• Thermowell 내부의 오염 및 응답 지연
• 유량계의 Zero Drift
• 잘못된 온도계 설치 위치
• 유량계의 유체 물성 보정 오류

특히 U값을 계산할 때 온도 측정 오차는 LMTD 계산에 영향을 주므로 주의해야 합니다.

 

따라서 열교환기의 성능을 평가하기 전에는 주요 계측기의 정확성을 확인하는 것이 좋습니다.

 

 

6. Corrective Action – 원인에 따른 개선 방향

 

원인이 확인되었다면 다음 단계는 적절한 개선 조치를 선정하는 것입니다.

 

Root Cause	Corrective Action
Tube Side Fouling	Chemical Cleaning 또는 Mechanical Cleaning
Shell Side Fouling	Bundle Cleaning 및 내부 점검
Cooling Water Flow 부족	Pump 및 Strainer 점검, 유량 최적화
Flow Maldistribution	Inlet Distributor 및 내부 구조 검토
Cooling Water 온도 상승	Cooling Tower 및 Chiller 성능 점검
Bypass Leakage	Valve Seat 및 내부 누설 점검
Condensate Flooding	Steam Trap 및 Drain System 점검
Non-condensable Gas	Vent System 및 배출 조건 점검
Instrument Error	계측기 Calibration 및 설치 위치 검토

 

여기서 중요한 것은 원인에 맞는 개선 조치를 선택하는 것입니다.

 

예를 들어 Fouling이 발생했다면 세정이 필요할 수 있지만, 단순히 Cooling Water 공급 온도가 상승한 문제라면 열교환기를 세정해도 근본적인 해결책이 되지 않습니다.

 

마찬가지로 열교환기 내부의 유체 분배가 불균일한 상황에서 펌프 유량만 증가시키면 오히려 압력강하와 운전 비용이 증가할 수 있습니다.

 

따라서 Corrective Action은 반드시 Root Cause Analysis를 기반으로 결정해야 합니다.

 

 

7. Design Engineer가 다시 검토해야 할 사항

 

열교환기의 성능 저하가 반복적으로 발생한다면 운전 조건만 조정하는 것으로는 충분하지 않을 수 있습니다.

 

이때는 설계 단계에서 설정했던 Design Basis를 다시 검토해야 합니다.

 

특히 다음 사항을 확인할 필요가 있습니다.

 

1. Design Fouling Factor

설계 당시 적용한 Fouling Resistance가 실제 공정 유체의 오염 특성을 충분히 반영했는지 검토해야 합니다. Fouling Factor를 지나치게 낮게 설정했다면 장기간 운전에서 예상보다 빠르게 성능이 저하될 수 있습니다.

 

2. Heat Transfer Area

공정 유량 증가나 입구 온도 변화로 실제 요구 Heat Duty가 증가했다면 기존 열교환 면적만으로 충분한 성능을 확보할 수 있는지 재검토해야 합니다.

 

3. Pressure Drop Allowance

열전달 성능을 높이기 위해 유속을 증가시키는 방법도 있지만, 이 경우 압력강하가 함께 증가할 수 있습니다. 따라서 열전달 성능과 Pressure Drop 사이의 적절한 균형이 필요합니다.

 

4. Utility Design Condition

Cooling Water 또는 Chilled Water의 공급 온도와 유량이 실제 운전 조건을 충분히 반영하는지 확인해야 합니다. 특히 계절별 공급 온도 변화와 다른 설비의 Utility 사용량 증가를 고려해야 합니다.

 

5. Operating Flexibility

설계 유량보다 낮거나 높은 조건에서도 안정적인 운전이 가능한지 검토해야 합니다. 공정의 Turn-down 및 Turndown Ratio, 최대 부하 조건, Start-up 및 Shutdown 조건 등을 고려하는 것이 좋습니다. 열교환기는 단순히 설계 조건에서 요구되는 열량을 전달하는 장비가 아닙니다. 실제 플랜트에서는 다양한 운전 조건에서도 안정적으로 열전달 성능을 확보할 수 있어야 합니다.

 

 

8. 열교환기의 성능 저하는 숫자에서 시작된다

 

이번 Troubleshooting에서 확인한 것처럼 열교환기의 성능 저하는 하나의 원인으로만 설명하기 어렵습니다.

 

Fouling으로 인해 열전달 저항이 증가했을 수도 있고, 실제 유량이 부족했을 수도 있으며, Utility System의 공급 조건이 변경되었을 수도 있습니다.

 

따라서 열교환기의 성능이 부족하다는 문제가 발생하면 다음 순서로 접근하는 것이 좋습니다.

 

1. Design Basis와 Actual Operating Data 비교
2. 양측 유량 및 입출구 온도 확인
3. Actual Heat Duty 계산 및 Heat Balance 검증
4. LMTD와 Overall Heat Transfer Coefficient 계산
5. Pressure Drop 및 유동 상태 분석
6. Fouling, Maldistribution, Bypass 등 Root Cause 확인
7. 원인에 적합한 Corrective Action 수행

엔지니어가 기억해야 할 가장 중요한 점은 다음과 같습니다.

 

열교환기의 출구 온도가 설계값에 도달하지 못한다고 해서 반드시 열교환기 자체에 문제가 있는 것은 아닙니다.

 

열교환기는 공정 유체와 Utility의 유량, 온도, 물성, 유동 상태가 복합적으로 작용하는 장비입니다.

 

따라서 문제를 해결하기 위해서는 열교환기 자체뿐만 아니라 연결된 Pump, Control Valve, Cooling Tower, Chiller 및 배관 시스템까지 함께 검토해야 합니다.

 

결국 Troubleshooting의 핵심은 설계값과 실제 운전값의 차이를 정량적으로 분석하고, 그 차이를 만들어 낸 근본 원인을 찾아내는 것입니다.

 

 

Beer to Zero Project 연재 순서

 

PART 7. Troubleshooting — 설계대로 되지 않는 이유

 

• Part 66. 첫 번째 문제가 발생했다 - Design Review에서 발견된 오류
• Part 67. 예상보다 압력강하가 크다 - Hydraulic Troubleshooting
• Part 68. Pump가 원하는 유량을 만들지 못한다 - Pump Troubleshooting
• Part 69. NPSH가 부족하다 - Cavitation Risk
• Part 70. Control Valve가 제대로 제어되지 않는다 - Control Troubleshooting
• Part 71. 열교환기의 성능이 부족하다 - Heat Transfer Troubleshooting
• Part 72. Vacuum이 원하는 수준까지 내려가지 않는다 - Vacuum Troubleshooting
• Part 73. Utility Capacity가 부족하다 - Utility Troubleshooting
• Part 74. 문제의 원인을 찾아내다 - Root Cause Analysis