S&T 열교환기에서 공정유체는 어디로 흘려야 할까? Shell Side와 Tube Side 선정 기준

1. 열교환기 설계는 유체의 흐름을 결정하는 것부터 시작한다

 

공정설계에서 열교환기(Heat Exchanger)를 선정할 때는 필요한 열량과 열전달 면적을 계산하는 것만으로 충분하지 않습니다. 두 유체가 열교환기 내부에서 각각 어느 경로로 흐를 것인지 결정하는 과정도 중요합니다.

 

대표적인 Shell-and-Tube Heat Exchanger(S&T 열교환기)는 하나의 유체가 여러 개의 튜브 내부를 흐르고, 다른 유체는 원통형 Shell 내부에서 튜브 외부를 흐르며 열을 교환하는 구조입니다.

 

그렇다면 고압 유체는 어느 쪽으로 보내야 할까요? 부식성이 강한 유체와 오염물질이 쉽게 쌓이는 유체는 같은 쪽에 배치하는 것이 좋을까요? 또한 증기를 응축시키거나 액체를 비등시킬 때도 동일한 기준을 적용할 수 있을까요?

 

일반적으로 고압·부식성·Fouling 유체는 Tube Side에 배치하는 것이 유리한 경우가 많습니다. 반면 압력강하에 민감한 유체나 응축성 증기는 Shell Side에 배치하는 것이 유리할 수 있습니다. 다만 이는 절대적인 규칙이 아니라 열전달 성능, 기계적 설계, 유지보수 및 운전 조건을 종합적으로 검토하기 위한 일반적인 설계 지침입니다.

 

이번 글에서는 S&T 열교환기의 Shell Side와 Tube Side를 결정하는 주요 기준과 그 배경을 공정설계 관점에서 살펴보겠습니다.

 

S&T HEx 구조상, 어떤 유체가 Shellside / Tubeside에 적합한지 다뤄보겠습니다.

 

2. Shell Side와 Tube Side의 차이

 

먼저 두 유로의 구조적 차이를 이해해야 합니다.

 

Tube Side는 열교환기 내부의 튜브 안쪽으로 유체가 흐르는 영역입니다. 유체가 통과하는 단면적이 비교적 작기 때문에 유속을 조절하기 쉽고, 직관형 튜브라면 내부를 기계적으로 세척하기도 비교적 수월합니다.

 

Shell Side는 원통형 Shell 내부에서 튜브 바깥쪽으로 유체가 흐르는 영역입니다. 일반적으로 Baffle이라는 유동 유도판을 설치하여 유체가 튜브 다발을 가로질러 흐르도록 합니다. 이 구조는 열전달을 촉진하지만, 유동 경로와 압력강하가 Baffle 형상 및 간격에 영향을 받습니다.

 

구분	Tube Side	Shell Side
유동 경로	튜브 내부	튜브 외부
유속 조절	튜브 수와 Pass 수로 조절	Baffle, Shell 형상 및 유로로 조절
세척 및 정비	직관형 튜브 내부 세척이 비교적 용이	튜브 다발 외부 세척과 접근이 상대적으로 복잡
고압 설계	일반적으로 경제적	고압 Shell은 비용 부담이 커질 수 있음
부식성 유체	내부 부품 위주로 내식재 적용 가능	Shell 및 내부 구조물까지 내식재 적용 범위가 커질 수 있음
압력강하 관리	튜브 직경과 Pass 수 등에 영향받음	Baffle 형상과 간격 등에 영향받음

 

여기서 중요한 점은 Tube Side와 Shell Side의 차이가 단순히 배관의 위치에 그치지 않는다는 사실입니다. 유체 배치는 열교환기 재질, 제작비, 세척 방법, 열전달 성능 및 운전 안정성에 영향을 미칩니다.

 

 

3. 고압 유체는 왜 Tube Side에 배치할까요?

 

일반적인 설계 지침에서는 두 유체 중 압력이 높은 유체를 Tube Side에 배치하는 것을 우선 검토합니다.

 

그 이유는 압력에 대응하는 기계적 설계와 제작비에 있습니다.

 

같은 재질과 유사한 설계 조건에서 작은 직경의 튜브는 큰 직경의 Shell보다 압력을 견디는 데 유리할 수 있습니다. 고압 유체를 튜브 내부에 가두면 고압에 대응해야 하는 구조의 범위를 줄일 수 있으므로 전체 설비 비용을 절감할 가능성이 있습니다.

 

예를 들어, 고압 수소와 냉각수를 열교환하는 경우를 생각해 보겠습니다.

 

수소가 고압으로 운전되고 냉각수는 상대적으로 낮은 압력에서 운전된다면, 수소를 Tube Side에 배치하는 방안을 우선 검토할 수 있습니다. 이렇게 하면 Shell 전체를 고압 설계하는 부담을 줄일 수 있습니다.

 

다만 실제 설계에서는 튜브 측 설계압력뿐 아니라 Tube Sheet, Channel, Nozzle, Tube-to-Tubesheet Joint 및 차압 조건까지 검토해야 합니다. Shell Side의 설계압력이 낮더라도 튜브 파손으로 고압 유체가 Shell Side로 유입될 수 있다면 해당 압력 상승 시나리오에 대한 보호 대책도 필요합니다.

 

따라서 고압 유체를 Tube Side에 배치하는 것은 경제적인 출발점이지만, 압력 경계와 고장 시나리오를 검토하지 않은 채 최종 배치를 확정해서는 안 됩니다.

 

 

4. 부식성 유체는 왜 Tube Side가 유리한가?

 

부식성 유체의 배치에서는 재질 선정과 설비 비용이 핵심입니다.

 

부식성 유체를 Shell Side에 배치하면 Shell, Baffle, Tube 외면 및 기타 접액 부품에 적절한 내식성을 확보해야 할 수 있습니다. 반대로 Tube Side에 배치하면 튜브, Tube Sheet, Channel, Nozzle 등 실제 접액 부품을 중심으로 내식재 적용 범위를 검토할 수 있습니다.

 

예를 들어 일반 탄소강으로 제작 가능한 Shell에 스테인리스강 또는 특수 합금 튜브를 적용하는 방식은 전체를 고가 합금으로 제작하는 것보다 경제적일 수 있습니다.

 

그러나 모든 부식성 유체에 동일한 재질을 적용할 수 있는 것은 아닙니다. 부식은 온도, 농도, 수분 함량, 불순물, 유속 및 재질 조합에 따라 달라집니다. 특히 염화물에 의한 국부부식이나 특정 화학물질에 의한 응력부식균열 등은 단순히 재질 등급만 비교해서 판단하기 어렵습니다.

 

따라서 부식성 유체를 Tube Side에 배치하는 기본 원칙과 함께 실제 운전 조건에서의 재질 적합성을 검증해야 합니다.

 

 

5. Fouling이 심한 유체는 어느 쪽으로 보내야 하는가?

 

Fouling은 유체에 포함된 고형물, 스케일, 중합물 또는 기타 침착물이 열전달 표면에 쌓이는 현상입니다.

 

Fouling이 발생하면 열전달 저항이 증가하고 열교환 성능이 저하됩니다. 침착물이 유로를 좁히는 경우에는 압력강하가 증가할 수도 있습니다.

 

일반적으로 Fouling 경향이 큰 유체는 Tube Side에 배치하는 것을 우선 검토합니다. 직관형 튜브 내부는 세척 장비를 삽입하거나 고압수 세척을 적용하기가 비교적 수월하기 때문입니다. 또한 튜브 수와 유속을 조절하여 유동 조건을 관리할 수 있습니다.

 

예를 들어 냉각수에 경도 성분이나 부식 생성물이 포함되어 스케일이 발생할 가능성이 있다면 Tube Side 배치가 유지보수에 유리할 수 있습니다.

 

하지만 여기에도 예외가 있습니다.

 

고정관판형(Fixed Tubesheet) 열교환기는 Shell과 Tube Bundle의 구조 때문에 Shell Side의 기계적 세척이 제한될 수 있습니다. 반면 U-tube형은 튜브 내부의 굴곡 때문에 일부 구간의 기계적 세척이 어려울 수 있습니다. 튜브 다발 인출이 가능한 구조인지, 화학 세척이 가능한지, 침착물의 성상은 어떠한지에 따라 적절한 배치가 달라질 수 있습니다.

 

또한 점도가 높은 오염성 유체는 Shell Side에서 더 적합한 열전달 및 유동 조건을 확보할 수 있는 경우도 있습니다. 따라서 Fouling이 심하다는 이유만으로 무조건 Tube Side에 배치하기보다는 세척성, 유속, 압력강하, 점도 및 열교환기 형식을 함께 검토해야 합니다.

 

 

6. 압력강하가 중요한 유체는 Shell Side에 배치하는가?

 

열교환기에서 압력강하(Pressure Drop)는 유체가 입구에서 출구로 이동하는 동안 잃는 압력을 의미합니다.

 

압력강하가 지나치게 커지면 펌프 동력이 증가하거나 압축기 후단 압력이 충분히 확보되지 않을 수 있습니다. 특히 진공 운전, 저압 증기 및 대용량 가스 공정에서는 작은 압력 손실도 전체 공정 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

 

이러한 경우 허용 압력강하가 낮은 유체를 Shell Side에 배치하는 방안을 검토할 수 있습니다. Shell Side는 Baffle의 형상과 간격 등을 조절하여 유동 저항을 관리할 수 있기 때문입니다.

 

그러나 Shell Side라고 해서 압력강하가 항상 작아지는 것은 아닙니다. Baffle을 촘촘하게 배치하면 열전달이 향상될 수 있지만 압력강하가 커질 수 있습니다. 반대로 Baffle 간격을 넓히면 압력강하는 감소할 수 있으나 유동 분포와 열전달 성능이 저하될 가능성이 있습니다.

 

따라서 압력강하를 최소화하는 것만으로 설계를 결정해서는 안 됩니다. 열전달 면적, 허용 유속, 진동, 우회 유동 및 장기 Fouling을 함께 검토해야 합니다.

 

 

7. 증기 응축과 액체 비등은 어디에서 일어나야 하는가?

 

상변화가 발생하는 유체는 별도의 검토가 필요합니다.

 

응축성 증기는 Shell Side에 배치하는 경우가 많습니다. Shell 내부의 넓은 유동 공간은 증기의 체적 유량을 수용하는 데 유리할 수 있으며, 응축액의 배출 경로와 유동 분포를 적절히 설계할 수 있습니다.

 

또한 Shell Side 응축은 응축액의 배출 방향, 비응축성 가스의 축적, 압력강하 및 열전달 특성을 함께 고려해야 합니다. 응축 범위가 넓은 혼합물에서는 기상과 액상이 어떻게 분리되거나 혼합되는지도 중요합니다.

 

비등 공정에서도 Shell Side를 사용하는 경우가 많지만, 모든 비등 공정에 동일한 원칙을 적용할 수는 없습니다. 예를 들어 Thermosiphon Reboiler와 Kettle Reboiler는 구조와 순환 방식이 다르므로 적절한 유체 배치도 달라집니다.

 

결국 상변화가 있는 열교환기는 단순한 유체 배치 규칙보다 열역학적 특성, 유량, 기액 분리, 순환 안정성 및 설비 형식을 우선적으로 검토해야 합니다.

 

 

8. 유체 배치에 따른 열교환 성능은 어떻게 계산하는가?

 

Shell Side와 Tube Side의 유체 배치는 열전달계수와 압력강하에 영향을 줍니다. 다만 유체를 어느 쪽에 배치했는지만으로 열교환기의 성능을 정확히 계산할 수는 없습니다.

 

우선 열교환기가 전달해야 하는 열량은 에너지수지를 통해 계산합니다.

 

다음 식은 상변화가 없는 유체의 비열이 일정하다고 가정한 기본적인 열량 계산식입니다.

 

$$ Q = \dot{m} C_p (T_{\mathrm {out}}-T_{\mathrm {in}}) $$

 

각 기호의 의미는 다음과 같습니다.

 

• \(Q\): 열전달량(W)
• \(\dot{m}\): 질량유량(kg/s)
• \(C_p\): 정압비열(J/kg·K)
• \(T_{\mathrm {in}}\): 입구 온도(°C 또는 K)
• \(T_{\mathrm {out}}\):

온도차는 섭씨와 켈빈에서 수치가 동일하므로 일관된 단위를 사용하면 됩니다. 상변화가 발생하거나 비열이 온도에 따라 크게 변하는 경우에는 잠열 또는 엔탈피 차이를 이용해야 합니다.

 

다음으로 열교환기 전체의 열전달 성능은 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

 

$$ Q = U A F \Delta T_{\mathrm {lm}} $$

• \(U\): 총괄열전달계수(W/m²·K)
• \(A\): 기준 열전달 면적(m²)
• \(F\): 다중 Pass 및 Shell 형상 등에 따른 온도차 보정계수
• \(\Delta T_{\mathrm{lm}}\): 대수평균온도차(K)

대수평균온도차는 다음과 같이 계산합니다.

 

$$ \Delta T_{\mathrm{lm}} = \frac {\Delta T_1-\Delta T_2} {\ln(\Delta T_1/\Delta T_2)} $$

 

여기서 \(\Delta T_1\)과 \(\Delta T_2\) 는 열교환기 양 끝의 온도차이며, 향류 또는 병류의 실제 입출구 온도 조합에 맞게 정의해야 합니다. 다중 Pass S&T 열교환기에서는 이상적인 향류 기준의 대수평균온도차에 보정계수 (F)를 적용하는 경우가 많습니다.

 

계산 예시

뜨거운 공정유체를 냉각하는 열교환기를 가정하겠습니다.

 

• 질량유량: 2 kg/s
• 정압비열: 2,000 J/kg·K
• 입구 온도: 120°C
• 출구 온도: 80°C

열전달량은 다음과 같이 계산합니다.

 

$$ Q = \dot{m} C_p (T_{\mathrm {in}}-T_{\mathrm {out}}) $$

 

주어진 조건을 대입하면 다음과 같습니다.

 

$$ Q = 2 \times 2000 \times (120-80) $$

 

$$ Q = 160000\ \mathrm{W} $$

 

$$ Q = 160\ \mathrm{kW} $$

 

따라서 제거해야 하는 열량은 160 kW입니다.

 

따라서 해당 공정유체에서 제거해야 하는 열량은 160 kW입니다.

 

이 값은 열교환기 설계의 출발점입니다. 실제 열교환기의 면적을 계산하려면 냉각 유체의 입출구 온도, 총괄열전달계수, 온도차 보정계수 및 오염 여유 등을 추가로 검토해야 합니다.

 

또한 Shell Side와 Tube Side의 배치를 비교할 때는 각 배치에 대해 열전달계수와 압력강하를 다시 계산해야 합니다. 동일한 열량을 처리하더라도 유체 배치에 따라 필요한 면적과 운전 동력이 달라질 수 있기 때문입니다.

 

 

9. 실무에서는 어떤 기준을 우선 적용해야 하는가?

 

유체 배치 기준이 서로 충돌하는 경우가 있기 때문에 단일 규칙으로 최종 결정을 내려서는 안 됩니다.

 

예를 들어 고압이면서 부식성이 강한 유체는 Tube Side에 배치하는 것이 압력 설계와 재질 비용 측면에서 유리할 수 있습니다. 그러나 해당 유체의 점도가 매우 높고 압력강하 허용치가 낮다면 다른 배치를 검토해야 할 수도 있습니다.

 

실무에서는 다음과 같은 순서로 검토하는 것이 합리적입니다.

 

1. 설계압력과 재질: 고압 유체와 부식성 유체를 먼저 확인하고 압력 경계 및 재질 비용을 검토합니다.
2. 유지보수: Fouling 성향, 세척 방법, 튜브 다발 인출 가능 여부 및 검사 접근성을 검토합니다.
3. 열전달 및 유압 성능: 유속, 열전달계수, 허용 압력강하, 점도 및 유량을 비교합니다.
4. 상변화: 응축, 비등, 기액 분리 및 순환 안정성을 확인합니다.
5. 기계적 건전성: 열팽창 차이, 튜브 진동, 차압, 누출 및 고장 시 압력 상승을 검토합니다.
6. 경제성 및 운전성: 제작비뿐 아니라 세척 주기, 정비 비용, 에너지 사용량 및 설비 가동률까지 고려합니다.

이러한 검토는 Process Engineer가 열교환기 데이터시트를 작성하고 기계설계 담당자 및 Vendor와 설계 조건을 협의할 때 중요한 출발점이 됩니다.

 

 

10. 정답은 유체의 특성과 설계 목적에 따라 달라진다

 

S&T 열교환기에서 Shell Side와 Tube Side를 결정하는 것은 단순히 유체를 어느 쪽에 흘릴 것인지 선택하는 문제가 아닙니다. 이는 열전달 성능, 압력 설계, 재질 비용, 세척성 및 운전 안정성을 동시에 결정하는 공정설계 업무입니다.

 

일반적으로 고압·부식성·Fouling 유체는 Tube Side를 우선 검토하고, 허용 압력강하가 낮은 유체와 응축성 증기는 Shell Side를 우선 검토할 수 있습니다. 그러나 점도가 높은 유체, 상변화가 발생하는 유체, 특수한 세척 조건 및 열교환기 형식에 따라 예외가 존재합니다.

 

따라서 가장 적합한 유체 배치는 일반적인 설계 지침을 출발점으로 삼되, 실제 공정 조건을 반영한 열전달 계산과 유압 계산, 기계적 검토를 통해 결정해야 합니다.

 

좋은 열교환기 설계는 필요한 열량을 전달하는 데서 끝나지 않습니다. 해당 설비가 장기간 안정적으로 운전되고, 유지보수가 가능하며, 경제적으로 운영될 수 있도록 유체의 흐름을 결정하는 것까지 포함합니다.

 

※ 본문은 일반적인 공정설계 원칙을 설명하기 위한 자료이며, 실제 설계에서는 적용 프로젝트의 발주처 사양, 해당 설계 코드 및 Vendor의 상세 검토 결과를 우선적으로 확인해야 합니다.