열교환기

이중관 관형 열교환기

건물의 공기 조절을 제공하는 냉매 기반 냉각기의 셸 앤드 튜브 열교환기 입구 플레넘 내부 일부 모습

열교환기는 열원과 작동 유체 사이에서 열을 전달하는 데 사용되는 시스템이다. 열교환기는 냉각과 가열 과정 모두에 사용된다.[1] 유체는 혼합을 막기 위해 고체 벽으로 분리될 수도 있고, 직접 접촉할 수도 있다.[2] 열교환기는 공간 난방, 냉동, 공기 조절, 발전소, 화학 공장, 석유화학 공장, 석유 정제소, 천연가스 처리, 하수 처리에 널리 쓰인다. 고전적인 예는 내연기관으로, 엔진 냉각수라고 하는 순환 유체가 라디에이터 코일을 통과하고 공기가 코일 주위를 지나며 냉각수는 식고 유입 공기는 가열된다. 또 다른 예는 전자 장치나 기계 장치에서 발생한 열을 흔히 공기 또는 액체 냉각수인 유체 매질로 전달하는 수동형 열교환기인 방열판이다.[3]

대향류(A) 및 병류(B)

유동 배치에 따라 열교환기는 세 가지 주요 유형으로 분류된다.

1. 병류 열교환기에서는 유체가 열교환기의 같은 끝으로 들어가 서로 나란히 흐른 뒤 반대쪽으로 나간다. 두 유체가 정확히 같은 온도에 도달하도록 할 때에는 효율을 다소 희생하더라도 이 구성이 바람직하다. 열 응력을 줄이고 더 균일한 열전달률을 만들기 때문이다.
2. 대향류 열교환기에서는 유체가 열교환기의 서로 반대쪽 끝으로 들어간다.[4] 대향류 설계는 유량과 온도 차이에 따라 대략 70~90%의 효율을 가지며 가장 효율적이다. 어느 단위 길이에서도 평균 온도 차이가 더 크기 때문에 질량 단위당 열전달 매질로부터 가장 많은 열을 전달할 수 있다.[5] 대향류 교환을 참조한다.
3. 직교류 또는 교차판형 열교환기에서는 유체가 서로 대략 수직으로 흐르며, 공기에서의 효율은 50~70%이다.[5]

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그림 1: 셸 앤드 튜브 열교환기, 단일 패스(1–1 병류)

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그림 2: 셸 앤드 튜브 열교환기, 관측 2패스(1–2 직교류)

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그림 3: 셸 앤드 튜브 열교환기, 셸측 2패스, 관측 2패스(2-2 대향류)

효율을 높이기 위해 열교환기는 두 유체 사이 벽의 표면적을 최대화하고, 열교환기 내부 유체 흐름에 대한 저항(압력 강하)은 최소화하도록 설계된다. 한쪽 또는 양쪽 방향에 핀, 주름, 딤플 또는 루버 같은 열전달 촉진부를 추가하면 표면적을 늘리고 유동을 유도하거나 난류를 발생시켜 효율을 높일 수 있다. 다만 운전 시간에 따라 입자를 가두거나 끌어들이는 촉진부는 막힘, 오염, 저항 증가를 일으킬 수 있으며, 이로 인해 그러한 부재가 없는 열교환기에 비한 초기 효율 이점이 시간이 지나 감소하거나 사라질 수 있으므로 주의해야 한다. 원래의 청정 상태 효율을 회복하려면 설계 효율을 되찾기 위한 예방 정비가 필요할 수 있다.

열전달 표면을 가로지르는 구동 온도는 위치에 따라 달라지지만 근사적인 평균 온도를 정의할 수 있다. 가장 단순한 계에서는 이를 대수 평균 온도차 (LMTD)라고 한다. 때로 LMTD를 직접 알 수 없으므로 NTU 방법을 사용한다.

설계, 제조 규정 및 검증

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열교환기의 설계와 제조에는 사용 지역에 따라 달라지는 수많은 규정이 적용된다.

설계 및 제조 규격에는 ASME 보일러 및 압력용기 규격 (미국), PD 5500 (영국), BS 1566 (영국),[6]EN 13445 (유럽 연합),[7] CODAP (프랑스), 압력 장비 안전 규정 2016 (PER) (영국), 압력 장비 지침 (유럽 연합), NORSOK (노르웨이), TEMA,[8] API 12, API 560,[9] API 660이 있다.[10]

온도 등급

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적용 분야에서 열교환기는 최대 운전 온도에 따라 대략 저온형 또는 고온형으로 나눌 수 있다. 전자는 500–650 °C까지 작동하며 일반적으로 특별한 설계 및 재료 고려가 필요하지 않다. 후자는 1000 °C 또는 1400 °C까지 작동하지만 특별한 설계 및 재료 고려가 필요하다.[11][12][13]

제조 시 검증

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열교환기 제작 공정은 적용 전에 다음 시험으로 검증해야 할 수 있다.

• 열역학적 성능 (SAE J3094[14] 등)
• 적용 시 최대 압력의 선택된 배수에서 파열 시험(예상값 또는 측정값)
• 누설 시험(헬륨, 기체 또는 정수압 충전)
• 압력 맥동, 선택한 목표 압력과 온도에서의 사이클 수
• 선택한 목표 온도에서의 열 침지(ASTM D3045,[15] 등)
• 선택한 목표 온도에서의 저온 충격(ASTM D5420,[16] 등)
• 열충격, 선택한 목표 온도 범위에서의 사이클 수
• 부식
  • 지정 유체를 사용한 내부[17][18][19][20]부식 분석
  • 외부 염수 분무
• 진동 시험대에서의 진동[21]
  • 주어진 진폭과 방향을 사용한 주파수 범위별 공진
  • 장비 설치 시 발생할 것으로 예상되는 진동 프로파일(과거 자료 또는 측정값)을 사용한 고가속 수명 시험

열교환기는 고유한 설계를 갖지만 일반적으로 다음과 같은 큰 범주에 속한다.

• 이중관
• 셸 앤드 튜브
• 관 및 핀(핀 부착 판)
• 판 및 핀
• 판 및 셸
• 단열 휠
• 필로우 플레이트
• 직접 접촉

이중관 열교환기는 가장 단순한 열교환기로, 가장 낮은 비용과 유지보수를 가능하게 한다. 과거에는 적용 분야에서 널리 사용되었으나, 모든 열교환기에 적용되는 기본 물리 법칙이 같기 때문에 כיום에는 주로 학생에게 열교환기 설계의 기초를 가르치는 데 사용된다. 낮은 효율과 비교적 큰 크기로 인해 현대 산업은 셸 앤드 튜브 또는 판형 같은 더 효율적인 열교환기로 사용을 전환했다.

한 유체가 더 작은 관을 흐르는 동안 다른 유체는 두 관 사이의 환상 간극을 흐른다. 이 유동은 이중관 열교환기에서 병류 또는 대향류일 수 있다.

위 그림은 유체 열교환기의 병류 및 대향류 유동 방향을 보여 준다.

셸 앤드 튜브 열교환기

셸 앤드 튜브 열교환기

셸 앤드 튜브 열교환기는 가열하거나 냉각해야 하는 유체를 담은 일련의 관으로 이루어진다. 외부 셸 안의 두 번째 유체가 가열 또는 냉각되는 관 위를 흘러 필요한 열을 제공하거나 흡수한다. 관들의 묶음은 관 다발이라 하며 평관, 세로 핀관, 굽은 관, U자관 등 여러 유형의 관으로 구성될 수 있다. 셸 앤드 튜브 열교환기는 형태상 견고하므로 일반적으로 고압·고온 적용 분야(압력 30 bar 초과, 온도 260°C 초과)에 사용된다.[22] 셸 앤드 튜브 설계에는 다양한 변형이 있을 수 있으나 제작은 TEMA 같은 산업 표준에 따라 수행해야 한다.[23] 일반적으로 각 관의 끝은 관판의 구멍을 통해 플레넘(때로 물 상자라고 함)에 연결된다.

핀 부착 관/미세채널

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관 기반 열교환기에서 핀의 사용은 작동 유체 중 하나가 저압 기체일 때 흔하며, 자동차 라디에이터와 HVAC 공기 응축기처럼 주변 공기를 이용해 작동하는 열교환기에서 전형적이다. 핀은 열교환 가능한 표면적을 크게 늘려 공기처럼 열전도율이 매우 낮은 유체로 열을 전달하는 효율을 높인다. 핀은 보통 매우 얇고 관에서 핀 길이 방향으로 열을 전도해야 하므로 일반적으로 알루미늄이나 구리로 만든다.

미세채널/다중 패스 병렬 유동 열교환기는 매니폴드(입구 및 출구), 수력 직경이 1 mm 미만인 다포트 관, 그리고 핀의 세 가지 주요 요소로 구성된다. 모든 요소는 일반적으로 제어 분위기 브레이징 공정으로 조립된다. 미세채널 열교환기는 핀 부착 관 열교환기와 비교하여 높은 열전달비, 적은 냉매 충전량, 소형 크기 및 낮은 공기측 압력 강하가 특징이다.[인용 필요] 미세채널 열교환기는 자동차 산업에서 자동차 라디에이터로, 그리고 HVAC 산업에서 응축기, 증발기, 냉각·가열 코일로 널리 사용된다.

미세 열교환기, 미세 규모 열교환기 또는 미세구조 열교환기는 하나 이상의 유체가 전형적 치수가 1 mm 미만인 측방 구속부 안에서 흐르는 열교환기다. 가장 전형적인 구속부는 미세채널이며, 이는 수력 직경이 1 mm 미만인 채널이다. 미세채널 열교환기는 금속 또는 세라믹으로 만들 수 있다.[38]

상변화 적용

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2상 열전달 시스템을 사용하는 열교환기에는 응축기, 보일러 및 증발기가 있다. 응축기는 뜨거운 기체 또는 증기를 받아 응축점까지 냉각하고 기체를 액체 형태로 바꾸는 장치다. 액체가 기체로 변하는 지점은 기화라고 하며, 반대 과정은 응축이라고 한다. 표면 응축기는 급수 장치를 포함하는 가장 흔한 응축기 유형이다.

유체를 단일 상에서 단순히 가열하거나 냉각하는 것 외에도, 열교환기는 액체를 가열하여 증발(또는 비등)시키는 데 쓰이거나, 응축기로서 증기를 냉각하고 응축시켜 액체로 만드는 데 쓰일 수 있다. 화학 공장과 정제소에서 증류 탑으로 들어가는 공급물을 가열하는 재비기는 흔히 열교환기다.[43][44]

폐열 회수 장치에서

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폐열 회수 장치 (WHRU)는 뜨거운 기체 흐름에서 열을 회수하여, 보통 물 또는 오일인 작동 매질로 전달하는 열교환기다. 뜨거운 기체 흐름은 가스 터빈이나 디젤 엔진의 배기가스 또는 산업이나 정제소의 폐가스일 수 있다.

고점도 제품에서

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또 다른 유형의 열교환기는 "(동적) 스크레이프드 서피스 열교환기"라고 한다. 이는 주로 고점도 제품의 가열 또는 냉각, 결정화 공정, 증발 및 고오염 적용 분야에 사용된다. 표면을 지속적으로 긁어 오염을 피하고 공정 중 지속 가능한 열전달률을 달성하므로 긴 운전 시간을 얻을 수 있다.

유지보수, 검사 및 시험

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열교환기의 안전 유지 및 검사 주기 설정은 위험 평가 또는 더 넓게는 우수 제조 관리 기준의 결과일 수 있다.[54] 많은 산업은 우유, 식품, 맥주, 의약품 유효 성분 등 제품을 냉각하기 위해 열교환기를 사용하며, 이들은 FDA 또는 CFIA 같은 관리 기관에 의해 더 엄격하고 규정 중심으로 관리될 수 있다.[55]

열교환기는 최적 성능을 위해 관형 비파괴 검사 및 기타 기법으로 유지할 수 있으며, 여러 검사 및 시험 방법을 이용해 교차 오염 또는 누설을 방지할 수 있다.

• 볼트, 체결구, 연결부, 셸, 표면, 개스킷, 핀, 팬 및 구조물 등의 육안 검사(저비용)
• 균열에 대한 침투 탐상
• 압력과 헬륨, 공기, 염료 등을 이용한 기체 누설 시험
• 정수압 시험
• 초음파 검사(UT)를 통한 잔여 벽 두께 및 부식 정도 확인
• 전도성의 와전류 검사
• 자속 누설 검사(MFL)
• 내부 관찰용 보어스코프 또는 파이버스코프
• 압력 강하 분석
• 열 성능 기록

오염 유지보수

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판 및 프레임 열교환기는 분해하여 주기적으로 청소할 수 있다. 관형 열교환기는 산 세척, 샌드블라스팅, 고압수 분사, 탄환 세척 또는 드릴 로드 등의 방법으로 청소할 수 있다.

오염은 불순물이 열교환 표면에 침적될 때 발생한다. 이러한 불순물의 침적은 시간이 지남에 따라 열전달 효과를 크게 떨어뜨릴 수 있으며, 다음과 같은 원인으로 발생한다.

• 낮은 벽면 전단 응력
• 낮은 유체 속도
• 높은 유체 속도
• 반응 생성물 고체의 침전
• 높은 벽면 온도에 따른 용해 불순물의 침전

자연에서의 사례

사람의 비강은 열교환기 역할을 한다. 차가운 공기를 들이마시고 따뜻한 공기를 내쉰다. 얼굴 앞에 손을 대고 먼저 코로, 그다음 입으로 숨을 내쉬면 그 효과를 확인할 수 있다. 코로 내쉰 공기는 현저히 더 차갑다.[62][63]

"대향류" 열교환기는 물고기, 고래 및 기타 해양 포유류의 순환계에서 자연적으로 나타난다. 따뜻한 피를 피부로 운반하는 동맥이 차가운 피를 피부에서 운반하는 정맥과 얽혀 있어, 따뜻한 동맥혈이 차가운 정맥혈과 열을 교환한다. 이로써 차가운 물에서 전체 열 손실이 줄어든다.

산업 및 시장

열교환기는 대규모 산업 공정의 냉각과 가열 모두에 산업 전반에서 널리 사용된다. 사용되는 열교환기의 유형과 크기는 유체의 종류, 상, 온도, 밀도, 점도, 압력, 화학 조성 및 다양한 열역학적 특성에 따라 공정에 맞게 조정할 수 있다.

많은 산업 공정에서는 에너지가 낭비되거나 열 흐름이 배출된다. 열교환기를 사용하면 이 열을 회수하여 공정의 다른 흐름을 가열하는 데 활용할 수 있다. 열교환기가 다른 흐름에 공급하는 열은 그렇지 않으면 더 비싸고 환경에 더 해로운 외부 공급원에서 얻어야 하므로, 이 관행은 산업계의 비용을 크게 절감한다.

열교환기는 다음을 포함한 다양한 산업에서 사용된다.

• 폐수 처리
• 냉동
• 와인 및 맥주 제조
• 석유 정제
• 원자력

간단한 열교환기 모형

간단한 열교환[71][72]은 열적으로 연결된, 유체가 흐르는 두 개의 직선 관으로 생각할 수 있다. 관의 길이는 같고 _L_이며, 열용량 $C_{i}$ (단위 질량당 단위 온도 변화당 에너지)를 가진 유체를 운반한다고 하자. 두 관에서 같은 방향으로 흐르는 유체의 질량 유량은 $j_{i}$ (단위 시간당 질량)이며, 아래첨자 _i_는 관 1 또는 관 2에 적용된다.

관의 온도 분포는 $T_{1}(x)$ 및 $T_{2}(x)$이고, 여기서 _x_는 관을 따라 잰 거리다. 온도 분포가 시간의 함수가 되지 않도록 정상 상태라고 가정한다. 또한 한 관의 작은 유체 체적에서 나오는 유일한 열전달은 같은 위치의 다른 관에 있는 유체 요소로 향한다고 가정한다. 즉, 해당 관의 온도 차이로 인한 관을 따른 열전달은 없다. 뉴턴의 냉각 법칙에 따르면 작은 유체 체적의 에너지 변화율은 그 유체와 다른 관의 대응 요소 간 온도 차이에 비례한다.

{rac {du_{1}}{dt}}=\gamma (T_{2}-T_{1}) {rac {du_{2}}{dt}}=\gamma (T_{1}-T_{2})

이는 같은 방향의 병류 및 반대 온도 구배에 대한 식이다. 대향류 열교환에서는 두 번째 식의 $\gamma (T_{1}-T_{2})$ 앞 부호가 반대가 된다. 여기서 $u_{i}(x)$는 단위 길이당 열에너지이고 γ는 두 관 사이의 단위 길이당 열 연결 상수다. 내부 에너지 변화는 유체 요소의 온도 변화를 초래한다. 유동에 실려 이동하는 유체 요소의 시간 변화율은 다음과 같다.

{rac {du_{1}}{dt}}=J_{1}{rac {dT_{1}}{dx}} {rac {du_{2}}{dt}}=J_{2}{rac {dT_{2}}{dx}}

여기서 $J_{i}={C_{i}}{j_{i}}$는 "열 질량 유량"이다. 이제 열교환기를 지배하는 미분방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

J_{1}{rac {\partial T_{1}}{\partial x}}=\gamma (T_{2}-T_{1}) J_{2}{rac {\partial T_{2}}{\partial x}}=\gamma (T_{1}-T_{2}).

계가 정상 상태이므로 시간에 대한 온도의 편미분은 없고, 관을 따른 열전달도 없으므로 열 방정식에서 보이는 _x_에 대한 이계 미분도 없다. 이 두 개의 결합된 일계 미분방정식을 풀면 다음을 얻는다.

T_{1}=A-{rac {Bk_{1}}{k}}\,e^{-kx} T_{2}=A+{rac {Bk_{2}}{k}}\,e^{-kx}

여기서 $k_{1}=\gamma /J_{1}$, $k_{2}=\gamma /J_{2}$,

$$k=k_{1}+k_{2}$$

이며 _A_와 _B_는 아직 결정되지 않은 두 적분 상수다. $T_{10}$과 $T_{20}$을 x=0에서의 온도, $T_{1L}$과 $T_{2L}$을 x=L에서 관 끝의 온도라고 하자. 각 관의 평균 온도는 다음과 같이 정의한다.

$${\overline {T}}_{1}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{1}(x)dx$$ $${\overline {T}}_{2}={\frac {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{2}(x)dx.$$

에너지 보존에 따라 두 에너지의 합은 0이다. ${\overline {T}}_{2}-{\overline {T}}_{1}$라는 양은 _대수 평균 온도차_로 알려져 있으며, 열교환기가 열에너지를 전달하는 효과를 나타내는 척도다.

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