• 열교환기를 사용 목적에 따라 분류할 수 있다.
•  열교환 장치의 종류와 특성을 이해할 수 있다.
•  열교환 방법을 이해하고, 실습을 통하여 기능을 익힐 수 있다.

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(1) 열교환 장치

• 열교환기
• 일반적으로 저온과 고온의 유체 사이를 주로 금속 벽을 사이에 두고 두 유체가 간접적으로 접촉하여 열교환이 일어나게 하는 방법을 이용하는 장치
• 양 유체간에 열 에너지를 유효하게 전도와 대류의 열전달을 통하여 이동시키는 기기로써,석유화학공업, 일반 화학공업 및 식품 설비등에서 많이 사용되고 있는 설비임.
•  열교환기는 사용 목적상 고온 물질의 열을 재 이용하기 위하여 회수하는 목적과 반응을 제어하기 위하여 온도 조건을 유지하는 역할
• 열교환의 가장 간단하고 효율이 높은 방법은 고온과 저온의 유체를 직접 혼합하는 것이지만, 같은 성분의 유체일 때를 제외하고는 직접적인 방법은 이용되지 않는다.

그림 Ⅲ-12 스파이얼 열교환기

 

그림 Ⅲ-13 판형 열교환기

• 열교환기의 사용 목적에 의한 분류
• 가열기 (heater)

유체를 가열하여 필요한 온도까지 유체온도를 상승시키는 목적에 사용하는 열교환이며, 피가열 유체의 상변화는 일으키지 않는다. 가열원은 스팀 또는 장치중의 폐열 유체가 사용된다.

• 예열기(Preheater)

유체를 가열하여 유체온도를 상승시키는 목적에 사용하는 점에서는 가열기와 동일하지만, 유체에 미리 열을 가함으로써 다음조작으로 효율을 양호하게 하기 위해 사용 하는 열교환기임.

• 과열기(Super-Heater)

유체를 가열하며 유체온도를 상승시키는 목적에 사용하는 점에서는 가열기와 동일하지만, 유체를 재차 가열하여 과열상태로 하기위해 사용하는 열교환기이며, 일반적으로 유체는 기체 상태임.

• 냉각기(cooler)

유체를 냉각하여 필요한 온도까지 유체 온도를 강하시키는 목적에 사용하는 열교환기이며, 피냉각 유체의 상변화는 없음. 냉각원은 하수, 우물물, 해수 등이 사용되고 있지만 최근 냉각수의 부족으로 공기를 사용하는 경우도 있다.

• 증발기(evaporator)

유체를 가열하여 잠열을 주어 증발시켜서 발생한 증기를 사용하는 목적의 열교환기와 증기를 제거한 나머지의 농축액을 사용하는 목적의 열교환기가 있으며, 피가열 유체는 액체에서 기체로 변한다. 즉, 상변화를 일으킴.

• 재비기(reboiler)

장치 중에서 응축한 액체를 재차 가열하여 증발시킬 목적으로 사용되는 열교환기임. 장치 조작상 발생한 증기만을 송출할 목적으로 사용되는 열교환기와 유체 및 발생한 증기의 혼합유체를 농축할 목적으로 사용하는 열교환기가 있음.

• 응축기(condenser)

응축성 기체를 냉각하여 잠열을 탈취하여 변화시키는 목적에 사용되는 열교환기이며, 피냉각체는 기체에서 변한다. 증기를 응축시켜서 물로 만드는 열교환기는 복수기라고 한다.



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(2) 단관식 열교환기

• 열전달부에 곧은 관을 사용하여 U자형 연결관과 조합해서 평행형으로 연결해서 조립한 열교환기
• 단관식 열교환기의 종류
• 탱크 가열기 : 탱크 밑면에 증기를 통과시켜 탱크 내의 유체를 가열
• 상자형 냉각기 : 상자 내에 관을 평형으로 줄지어서 설치하고 상자 내에 냉각수를 통하여 열전달내의 유체를 냉각
• 코일형 냉각기 : 관을 코일상으로 말아서 용기 내에 삽입하여 관 내 유체와 용기 내의 유체를 열교환

(3) 이중관식 열교환기(Dauble-pipe Heat Exchanger)

• 전열관외 유체를 포함하는 용기에 관을 사용하고, 전열관내 및 외관동과의 환상부에 각각 유체를 유통시켜 열교환시키는 구조의 열교환기
• 구조는 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결 시킬수가 있다.
• 전열면적이 증대됨에 따라 다관식에 비해 전열면적당의 소요용적이 커지며 가격도 비싸게 되므로 전열면적이 20m²이하의 것에 많이 사용된다.

그림 Ⅲ-14 이중관식 열교환기

• 이중관 내에서 유체의 흐르는 방향은 향류(counter current)와 병류(cocurrent)가 있다.

그림 Ⅲ-15  병류와 향류에서의 온도 변화

• 서로 반대되는 방향으로 흐르는 것
• 전 장치를 통하여 열전달 속도가 비교적 일정하여 일정한 온도차를 보이므로 전 장치에 걸쳐 효과적인 열전달 효율을 얻고자 할 때 사용

• 뜨거운 유체와 찬 유체가 열교환 장치속에서 서로 같은 방향으로 흐르는 것
• 초기 온도차가 커서 열전달 속도가 크므로 급속한 열전달을 원할 때 사용
• 공업적으로는 열 경제성을 고려하여 향류를 많이 사용
• 열전달 장치의 길이에 따라 온도차가 변화하므로 장치 입구와 출구의 온도차의 평균 온도차를 사용
• 과 의 비가 1.5이하에서는 산술 평균 온도차를 사용

    

• 과 의 비가 1.5이상에서는 대수 평균 온도차를 사용

    

2중관식 열교환기에서 110℃의 뜨거운 기름이 파이프 속으로 들어가고 20℃의 물이 관외부로 흘러가 열교환을 하여 물은 75℃로 더워져 나가고 기름은 100℃로 온도가 내려 간다. 이 때, 병류일 때와 향류일 때에 대하여 각각 평균 온도차를 구하여라.

• 병류일 때

= 110 - 20 = 90℃, = 100- 75 = 25℃

 

 ∴ =

• 향류일 때

 





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(4) 다관식 열교환기(shell and tube heat exchanger)

• 여러 개의 곧은 관 또는 U자관을 원통형의 동체(shell) 속에 설치한 것으로 관 밖으로 흐르는 유체와 관 속의 유체 사이에 열전달이 이루어지는 장치

그림 Ⅲ-16 셀-튜브형 열교환기의 구조

• 열교환기의 대표적인 것으로, 부피에 비하여 열전달 넓이가 커서 열전달 효과가 우수하여  각종 화학 공업에 광범위하게 이용,
• 형식으로는 고정 관판형, U자형, 유동 관판형 등

  

• 관판(tube sheet)은 고정되어 움직이지 않음, 관 팽창에 대하여 아무런 설비가 되어 있지 않는 단점
• 액체 사이의 온도차가 적을 때 사용

그림 Ⅲ-17 고정 관판형 열교환기

• 관판의 한쪽 끝이 고정되어 있고, 다른쪽 끝은 관(tube)의 팽창에 대비하여 자유롭게 움직일 수 있도록 되어 있음.
• 두 가지 액체 사이의 온도차가 클 때 사용

그림 Ⅲ-18  유동 관판형 열교환기

• 전열관에 U자형을 사용한 관속의 관판을 원통용기의 쉘끝단에 플랜지 이음으로 고정하고, 전열관은 쉘과 관계없이 유체온도에 의한 신축이 자유로이 작동되어야 하며, 관속을 쉘에서 인발해서 청소 및 점검할 수 있는 구조의 열교환기.
• 두 액체 사이의 온도가차 클 때 사용

그림 Ⅲ-19  U자형 열교환기

(4) 기타 열교환기

• 와권식 열교환기(volute type heat exchanger)
• 와권상으로 만들어진 특수 형상의 가열체 내부에 고온 유체를 흐르게 하고 동체 측 유체를 가열하는 구조로서 액체 대 액체의 열교환기에 많이 사용
• 제작이 어렵고 보수 및 청소 등 다루기도 번잡하므로 특수 용도에 사용

그림 Ⅲ-20 와권식 열교환기

• 재킷식 열교환기(jacket type heat exchanger)
• 내연기관의 실린더 냉각형식의 열교환기로서 전열효과를 증가하기 위하여 교반기를 설치하여 내부 유체를 교반하거나 전열면적의 부족을 보충하기 위하여 사관을 병용하기도 한다.
• 재킷내부를 청소할 수 없으므로 오염이 적은 수증기, 물, 프레온 및 암모니아 등을 사용
• 이 형식은 일반적으로 열 관류계수가 적고 전열면적에 비하여 설치면적과 내부 용적이 크므로 열 교환기 보다는 오히려 저장 용기 또는 계량조(計量槽 )목적으로 사용하는 경우가 많다
• 평판식 열교환기(plate type heat exchanger)
• 다수의 평판을 일정 간격으로 배치하고 그의 통로 하나 걸러서 마다 각각의 유체를 통하도록 고안된 형식
• 이 형식에서는 흐름의 방향이 직교류, 또는 역류의 어느 것으로도 만들수 있다.
• 평판식 열교환기는 압력손실이 적은 것이 특징이며 보일러용 예열기에서 많이 볼 수 있다.
• 최근 선박용 열교환기로 많이 사용되는 평판식 열교환기
• 판형 열교환기의 특징은 동일한 용량의 원통 다관식 열교환기에 비하여 부피와 무게가 작고 열교환기 용량의 변경이 용이한 점이다.

그림 Ⅲ-21 (a) 평판식 열교환기 (b) 평판식 열교환기의 가열부 구성

(c) 평판식 교환기의 구성도

• 공냉식 냉각기(Air Cooler)
• 냉각수 대신에 공기를 냉각유체로 하고 팬을 사용하여 전열관의 외면에 공기를 강제  통풍시켜 내부유체를 냉각시키는 구조의 열교환기
• 공기는 전열계수가 매우 작으므로 보통 전열관에는 원주핀이 달린 관이 사용
• 공냉식 열교환기에는 튜브 Bundle에 공기를 삽입하는 삽입 통풍형과 공기를 흡입하는 유인 통풍형이 있다.
• 공냉식 열교환기는 냉각수가 필요 없으므로 (수원보호의 불필요) 최근 그 이용이 급격히 증가되고 있다. 그러나 넓은 설치면적이 필요하며 건설비가 비싸고, 관에서의 누설을 발견하기 어렵고, 전열관의 교환이 곤란한 점 등의 단점이 있다.

그림 Ⅲ-21 공냉식 냉각기

(5) 관 배열 및 방해판

• 다관식 열교환기에서는 열전달을 좋게 하기 위하여 관 배열 및 내부에 방해판을 설치하거나 열팽창에 대비하여 유동 두 구조를 설치
• 관배열 방식은 정방형식과 삼각형식, 경사진정방형식 위치 고정

그림 Ⅲ-22 관의 배열 형태

• 삼각형식으로 위치를 고정시켜 주면 정방형식보다 많은 관을 배열할 수 있고 열전달 속도도 크다.

• 방해판(baffles) : 관 외 유체의 유속을 감소시키기 위해 사용

그림 Ⅲ-23 반달형 방해판

• 열전달 면적을 크게 하기 위하여 핀 관이라는 판을 부착시켜 열전달 속도를 증가시킨다.

그림 Ⅲ-24  다양한 모양의 핀관

 

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