02. 열교환기

학습 목표

•  열교환 장치의 종류와 특성을 이해할 수 있다.

•  열교환 방법을 이해하고, 실습을 통하여 기능을 익힐 수 있다.

열교환 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-01. 스파이얼 열교환기

• 열교환기 : 일반적으로 저온과 고온의 유체 사이를 주로 금속 벽을 사이에 두고 두 유체가 간접적으로 접촉하여 열교환이 일어나게 하는 방법을 이용하는 장치

그림 Ⅲ-02. 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.

(1)  단관식 열교환기

• 열전달부에 곧은 관을 사용하여 U자형 연결관과 조합해서 평행형으로 연결해서 조립한 열교환기
• 단관식 열교환기의 종류

• 탱크가열기 : 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

(2) 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-03 이중관식 열교환기

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

                                    (a) 병류에서의 온도 분포                                                ( b) 향류에서의 온도 분포

그림 Ⅲ-04  병류와 향류에서의 온도 변화

• 병류 : 뜨거운 유체와 찬 유체가 열교환 장치속에서 서로 같은 방향으로 흐를 것

• 초기 온도차가 커서 열전달 속도가 크므로 급속한 열전달을 원할 때 사용

• 향류 : 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

• 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

    

예제 Ⅲ-11)

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.

풀이)

        병류일 때 = 110 - 20 = 90℃, = 100- 75 = 25℃

            

        ∴ =

    향류일 때

                       

                    

(3) 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-5 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

   고정 관판형 열교환기

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

그림 Ⅲ-6 고정 관판형 열교환기

  유동 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-7  유동 관판형 열교환기

U자형 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.

그림 Ⅲ-8  U자형 열교환기

 

1.1.1.1.1.7. 관배열

• 관배열 방식은 정방형식과 삼각형식, 경사진정방형식 위치 고정

그림 Ⅲ-9 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-10 반달형 방해판

• 핀관 : 열전달 면적을 크게 하기 위해 사용