다음은 열교환기 형태(type) 선정에 필요한 주요 운전 변수(operation variables) 들입니다. 아래 열거한 내용 외 특정 용도에 필요한 변수들은 사용자가 미리 정리해 두어야 합니다.
(1) 안전과 신뢰성 (Safery & Reliability)
두말할 필요 없이 기기 선정에서 가장 중요한 고려 사항입니다.
사용 유체의 유독성 또는 위험성 여부, 열팽창에 대한 대응 구조, 응력 집중(stress concentration) 및 유로 막힘 발생 가능성에 대한 방안 등 기기의 안전과 신뢰성 확보에 관계되는 모든 변수들을 고려해야 합니다.
아울러 각 안전 요인들의 위험 등급(grade) 별 대응 수준도 고려해야 합니다. 예를 들어 약간의 물이 누설되는 것은 어느 정도 용인될 수 있겠지만 액체 염소(liquid chlorine)와 같은 유독성 물질의 누설은 절대로 용인될 수 없습니다.
(2) 비용 (Cost)
역시 기기 선정에서 대단히 중요한 요소입니다.
단위 전열면적 당 비용은 가스켓 판형이 원통다관형보다 비쌉니다. 그러나, 스테인리스강, 티타늄 및 고합금강 재질인 경우 (구매, 설치, 운전 및 유지 보수 등이 포함된) 전체 비용을 고려하면 판형이 원통다관형보다 유리합니다. 통상 단위 면적당 금액이 가장 저렴한 열교환기는 종이 또는 플라스틱으로 만든 회전식 재생기(rotary regenerator)이나, 재질의 사용 한계로 용도는 제한될 수밖에 없습니다.
(3) 오염 및 청소 방법 (Foulig & Cleanabilitgy)
일반적으로 기체는 액체에 비해 오염 수준이 심하지 않고 더럽지도 않기 때문에, 이 내용은 기체보다 액체 또는 상변화 열교환기에서 더 중요한 요소일 것입니다.
전열면적 오염은 설계적인 면과 비설계적인 측면의 요소 모두를 평가해야 합니다.
열교환기 부품의 청소와 교체 주기는 사용 유체의 오염 경향에 따라 결정됩니다. 오염 수준이 중간에서 심한 환경인 경우, 원통다관형 또는 가스켓 판형을 주로 사용하는데, 원통다관형에서는 튜브 측이 청소가 쉬우므로 오염이 심한 유체를 배치합니다. 판형은 판의 분리, 청소, 재조립, 즉 유지 보수가 비교적 쉽기 때문에 (가스켓의 사용 온도를 고려해서) 300℃ 이하의 상대적으로 낮은 온도에서는 어느 쪽이든 심한 오염 유체를 배치할 수 있습니다.
부식성이 강한 유체의 가열 또는 냉각인 경우는 원통다관형을 사용해야 합니다. 판-핀(plate fin) 열교환기는 수력 직경이 작기 때문에 오염으로 인한 막힘 발생을 주의해야 합니다. 게다가 청소도 어려우므로 화학적 또는 열적 가온(thermally baking) 방법으로 청소가 안된다면 중간 수준의 오염 환경에도 사용할 수 없습니다. 재생기는 같은 유로를 두 유체가 주기적으로 반대 방향으로 흐르기 때문에 자기 청소(self cleaning)가 되는 특성이 있어 중간 수준 오염 정도는 견딜 수 있습니다.
비설계적 사례로는, 잠재적으로 오염 우려가 있는 환경이면 유로가 큰 형태를 선정해서, 오염의 영향을 줄이거나 다양한 청소 방법을 고려할 수 있습니다.
(4) 운전 온도와 압력 (Operating Pressure & Temperature)
열교환기는 운전 압력과 두 유체의 온도차로 인해 발생하는 응력(stress)에 견뎌야 합니다. 또는 역으로 기기의 재질과 기계적 규제들로 인해 기기에서 취급하는 운전 압력과 온도가 제한될 수도 있습니다.
가장 넓은 범위의 운전 압력과 온도에서 사용되는 열교환기는 원통다관형입니다. 고진공에서 초고압 (통상 쉘 측은 300 bar, 튜브 측은 1400 bar)까지, 온도는 사용 재질이 견딜 수 있는 정도의 고온까지 사용할 수 있습니다. 그러나 온도 차(temperature difference)는 설계 한도에서 제한된 열팽창 량만 허용이 되므로 TEMA E 쉘인 경우 최대 50℃ 정도로 제한되는 것이 일반적입니다.
(5) 유체 누설 및 주위 오염 (Fluid Leakage & Contamination)
한쪽 유체가 다른 쪽으로 일정 한도 내 누설이 용인되는 경우가 있는 반면, 절대로 허용이 안되는 경우가 있습니다.
재생식 열교환기(regenerator)는 아무리 누설 차단이 잘 된 설계라도 구조 상 한쪽 유체가 다른 쪽으로 직접 또는 우회해서 건너갈(carry over) 수 있기 때문에, 약간의 누설이나 오염도 허용이 안되는 경우는 사용할 수 없습니다. 이 경우는 튜브, 확장 표면(extended surface), 그리고 일부 판형 열교환기를 사용할 수 있습니다. 가스켓 판형은 원통다관형에 비해 누설 위험이 많고, 판-핀(plate-fin) 및 튜브-핀(tube-fin) 형태는 물결무늬 핀(corrugated fin)과 헤더(header) 사이 또는 튜브와 헤더 접합부에서 잠재적인 누설 위험이 있습니다. 음용수처럼 오염이 절대로 허용되지 않는 경우는 이중벽 튜브(double wall tube)나 원통다관형을 사용합니다.
(6) 용도 또는 유체의 종류 (Type of Duty or Fluid Type)
기체의 열전달 계수는 액체에 비해 1/10 ~ 1/100 정도에 불과하기 때문에, 통상 기체 열교환기는 액체 열교환기에 비해 상당히 큰 전열면적이 필요합니다. 이런 경우는, 수력 직경이 작은 튜브형 또는 확장 표면(extended surface) 형태와 같이 전열면적 집적도(surface area density or compactness, β)가 큰 형태의 열교환기를 사용합니다.
기체 열교환기는 때때로 유체의 이송 동력(pumping power)이 열교환기 형태를 결정하는 요인이 되는 경우도 있습니다. 액체 열교환기는 이송 동력이 기체만큼 결정적이지 않은 경우가 많고, 재생기 형태는 유체의 누설이나 오염 문제로 사용하지 않는 경우가 많습니다.
상변화 유체는 응축 또는 비등 유체의 열전달 계수 범위가 기체 수준의 작은 값에서 액체 범위를 초과하는 값까지 넓기 때문에, 열교환기 형태 선정은 기체나 액체용 기준을 준용하는 것이 일반적입니다.
(7) 재질 (Fluids & Material Compatibility)
작동 유체에 적합한 열교환기 재질 선정은 중요한 내용이고, 특히 높은 온도와 재료 부식이 중요합니다. 원통다관형은 다양한 재질을 사용할 수 있는 반면, 콤팩트 열교환기는 사용 재료에 제한이 있을 수 있습니다. 예를 들어, 콤팩트 열교환기에서 저렴하면서 가볍고 열전도율이 높고 제작성이 좋은 재료로 알루미늄이 자주 선정됩니다. 반면, 판형에서는 식품에 적합하거나 부식에 강한 재료로 스테인리스강을 사용하기도 합니다. 재질 선정에 대해서는 ASME Code, TEMA 외 많은 전문 문헌이 있습니다.
(8) 보수 (Repairs)
재질의 부식이나 피로(fatigue)로 기기의 수명이 결정될 수 있고, 플랜트에 갑자기 문제가 생길 수도 있습니다.
원통다관형은 파손된 개별 튜브를 보수할 수 있으며, 보수가 불가능하면 전체 성능이 약간 낮아지는 수준에서 막아버릴 수도 있습니다. 일부 열교환기는 경제적이고 만족스러운 정도로 보수를 할 수 있습니다. 다른 형태는 보수가 불가능해서 전체를 교체해야 하는 경우가 있으므로 선정 단계에서 이런 가능성을 고려해야 합니다.
(9) 설계 방법 (Design Methods)
원통다관형의 열 성능과 기계적 설계 방법은 이미 증명되었고 널리 알려져 있습니다. 그러나 독점적인 설계 법(propritary design)으로 분류되는 기기들은 발표되지 않은 설계 방법을 사용하기도 하고, 심지어 기계설계 법도 알려진 규칙과 다른 방법을 적용하는 경우들도 있습니다. 이런 기기를 사용하는 경우는 일부 설계 내용을 제작사에 의존해야 합니다. 일반적으로 제작사는 열 및 기계적 성능 모두를 보증하지만, 이 제안은 문제 발생 시 해당 장치의 교체를 부담하는 것이고 구매자나 사용자의 궁극적 손실에는 아주 많이 부족합니다.
기계설계 방법이 기존 규칙과 맞지 않은 경우에는, 전체 장치 또는 일부 부품에 대해 통상보다 훨씬 높은 압력에서 시험을 요구하는 경우도 있습니다.
(10) 크기 및 중량 (Dimension & Weight)
일반적으로 현장에 설치된 기기의 총비용은 관련 토목 기초, 기계 설치, 배관, 전기계장 비용 등이 포함되어 기기 구매 비용의 3배 정도에 이릅니다. 이 비용의 상당 부분은 기기의 크기나 무게와 관련되는 것이기 때문에 설계 최적화로 총비용을 크게 줄일 수 있는 경우가 자주 있습니다. 극단적인 사례는 해양 플랜트용 기기들입니다.
