열교환기의 원리와 종류

목차

1. 열교환기의 개요

2. 열의 전달방법에 따른 분류

3. 기하학적 형태에 따른 분류

4. 기능에 따른 분류

5. 구조상의 분류

6. 원통다관식 (Shell & Tube Type)열교환기의 종류

7. 열교환기의 원리

8. 열전도 이론

9. 열교환기의 해석

10. 열전달계수 [heat transfer coefficient]

11. 열교환기 설계에서 고려해야 할 점

본문내용

16. Floating Head Cover35. Support Saddle
17. Floating Head Flange36. Lifting Lug
18. Floating Head Backing Device37. Support Bracket
19. Split Shear Ring38. Weir
39. Liquid Level Connection
7. 열교환기의 원리
열교환기는 직접가열 방식이 아니라 간접 가열 또는 냉각방식이다. 난방용 보일러로 온수를 겸용으로 사용할 때에도 보일러 내에 달려있는 일체형 열교환기도 있고 별도로 사용하는 관형 열교환기 및 판형열교환기가 있으며 그 용도는 매우 다양하다.
1) 온수를 사용하고자 할 때
2) 온도제어를 자유롭게 하고자 할 때
3) 서로 다른 매체를 제어하고자 할 때
4) 냉각을 시키고자 할 때
5) 폐열을 이용해서 온도를 높이고자 할 때
등으로 그 용도는 이루 헤아릴 수조차 없다.
가) 직접전달방식 : 열이 교환되는 매체가 직접 접촉 되는 방식이다.
단, 매체가 서로 혼합되어 버리지 않는 경우에 한한다. 이러한 교환기의 일례로서 물이 공기와 직접 접촉됨으로써 냉각되는 냉각탑이 있다.
나) 간접전달방식 : 이 방식은 두 물체 사이의 격리벽을 통해 열이 전달되는 방식이다.
8. 열전도 이론
물리학적인 자연이 법칙에 따르면 한 계통 내의 에너지는 항상 평형 상태에 이를 때까지 흐르게 되어 있다. 열은 열교차가 있는 한 고열체에서 저열체로 옮아간다. 열교환기는 열이 평형 상태에 이르려는 이러한 원리에 의한 것이다. 판형 열교환기의 경우 열은 열의 면을 통해 고열체에서 저열체로 확산된다. 그러므로 일정한 에너지의 수위에 있는 액체나 기체를 가영 또는 냉각하는 것이 가능한 것이다. 일교차는 곧 유동에너지와 같다.
1) 열은 항상 고열체에서 저열체로 이동한다.
2) 물체 사이의 온도차는 항상 존재한다.
3) 고열체에서 빼앗겨진 열의 양은 저열체에서 받아들인 열의 양과 같다.
(단, 주변에 빼앗긴 열은 무시한다.)
가) 항류 : 열교환 장치의 양쪽 끝에서 두 유체가 들어가 그 장치 내에서 서로 반대방향으로 흐르는 흐름
(그림 a) 항류 (Counter Flow)
나) 평행류 : 열교환 장치의 같은 끝부분에서 두 유체가 들어가고 그 방향이 같은 흐름
(그림 b) 병류 또는 평행류 (Parallel Flow)
위 그림들에서 향류 배열에서는 유체들이 서로 반대쪽으로 들어가서 반대방향으로 흐르고, 서로 반대 반향으로 나온다. 평행류 배열에서는 고온 및 저온의 유체가 같은 쪽으로 들어가서, 같은 방향으로 흐르고, 같은 쪽으로 나온다. 향류 및 평행류에 대한 온도 분포는 다음 그림과 같다.
(그림 c) 병류 및 향류에 대한 온도 분포
9. 열교환기의 해석
이중관 열교환기에서는 작은 관의 내부에 온수가 흐르고 두관 사이의 환상공간(annular space)에 냉수가 흐른다. 이때 온수가 잃은 열량과 냉수가 얻은 열량은 다음과 같다.
온수가 잃은 열량(입력) = QhρhCph × ( Thi - Tho ) [ W ]
냉수가 얻은 열량(출력) = QcρcCpc × ( Tco - Tci ) [ W ]
동력 손실 = 온수가 잃은 열량 - 냉수가 얻은 열량 [ W ]
[ % ]
이중관 열교환기의 총합열전달계수는 식은 다음과 같다.
이와 같이 LMTD에 의하여 얻어진 총열량과 입력과의 비를 ηh,, 출력과의 비를 ηc라 정의하고 계산한다.
10. 열전달계수 [heat transfer coefficient]
대류열전달(고체표면과 이에 접촉하는 유체 사이의 열전달)의 열전달량을 구할 때의 비례상수. 대류열전달의 열전달량을 구하는 식은 대류열전달의 양호와 불량을 나타내는 척도가 된다.
여기서 는 고체의 표면온도(K), 는 유체온도(K), 는 열전달면적(㎡)이다. 열전달계수는 고체의 형태, 유체의 성질, 흐름의 상태, 유체의 상변화의 유무 등에 따라 복잡하게 변화한다. 또, 위치에 따라서도 변화하므로 실제로는 평균열전달계수로서 취급하는 경우와 국소열전달계수로서 취급하는 경우가 있다. 그리고 고체 벽을 사이에 둔 두 유체 사이의 열전달량을 구할 때는 총괄열전달계수가 이용된다.
11. 열교환기 설계에서 고려해야 할 점
공정 및 동력산업 또는 이와 관련된 업체에서는 열교환기를 구매하는 데 있어서 여러 제조업체가 제공하는 가격 및 제품 규격을 참조하여 기성제품들을 구매한다. 항공 산업이나 전자 산업 등과 같이 좀 더 전문화된 경우에는 특수한 설계가 요구된다. 열교환기가 생산 설비의 일부분일 경우에는 표준 품목을 구매할 수도 있다. 혹은 가격 문제나 생산량이 충분히 보장된다면 특별히 설계하여 제작할 수도 있다.
열교환기를 구매하기 위해 기성 제품을 선택하거나 특별한 응용을 위해 설계하거나 모든 경우에 항상 다음 사항들을 고려해야 한다.
1) 열전달 요구 조건
2) 가격
3) 크기
4) 압력 강하 특성
열전달 요구 조건은 열교환기 설계나 선택에 있어 반드시 만족해야하는 조건이다. 2~4번의 조건은 상대적인 비중을 갖는 조건이다. 유체가 열교환기 내를 고속으로 통과하는 경우에는 열전달계수는 증가하지만 열교환기 내에서의 큰 압력 강하로 인해 펌핑 비용이 더 많이 들게 된다. 열교환기 면적이 증가하면 열전달계수가 반드시 클 필요가 없다. 그러나 수용할 수 있는 열교환기의 크기 제한이 있을 수 있고, 열교환기가 커지면 더 많은 제작비용이 들게 된다. 최적설계를 위해서는 이와 같은 사항들을 고려해서 조심스럽게 판단해야 할 것이다.
여기까지 열교환기의 종류와 특징 등에 대해서 조사를 했는데 여러 역학적 개념이 많이 들어가고 특히 유체역학이 많이 들어가 역학의 개념도 많이 알아야 한다는 것을 알 수 있었다. 매번 어렵게만 느껴졌던 역학이었는데 실무에서도 쓰인다면 나중에 내 발전을 위해서라도 정확히 알아둬야겠다는 생각이 들었다.
이번 방학은 현장실습으로 인해 이론적으로나 실무적으로도 굉장히 많은 도움이 되는 계기가 되었다. 다만 조금 아쉬운 점은 시간적인 문제 때문에 깊숙이 파고들 수 있는 여유가 없었기에 하루빨리 취업하여 다른 사람들과 함께 일하는 날을 기대하는 수밖에 없었다.

키워드

열교환기,   유체 ,   열전달,   방열기,   형식