열교환기에 대해서

열교환기에 대해서

열교환기는 온도가 다른 유체의 에너지를 효율적으로 이동시켜 교환하는 장치입니다.

열은 온도가 높은 유체에서 낮은 유체로 이동하는 성질이 있는데, 그 성질을 이용하여 유체의 가열과 냉각을 목표로 하는 것입니다.

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고온에서 저온으로 유체(기체나 액체)를 이동시키는 기계

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열교환기는 공산품으로 제조현장에서 매우 다양하게 사용되는 장치입니다.

열교환기의 역할은 열을 전도시키는 것입니다만, 일반적으로 열은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 성질이 있습니다.

그 성질을 열교환기는 이용하여 열을 전도시키고 있는 것입니다.

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산업용 보일러 및 증기발생기, 냉장고, 에어컨 등에 활용

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열교환기는 산업용 보일러와 증기 발생기에 사용되고 있습니다.

그러나, 그것들은 산업용, 공업용 기기이기 때문에, 친숙하지 않습니다.

우리 가까이에 있는 곳에서 열교환기가 사용되고 있는 것이 바로 에어컨과 냉장고입니다.

알기 쉬운 예로 에어컨을 들어보겠습니다.

에어컨은 실내 기기와 실외기로 구성되어 있습니다.

이 실내기와 실외기 사이에는 유체가 다니고 있는 것입니다.

이 유체는 온도가 올라가면 기화하기 쉬운 것입니다.

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에어컨에서는, 유체는 액체 상태로 실내기에 들어옵니다.

그래서 실내의 열에 의해 기체가 되는 것입니다.

이 때 기화열이 발생하는데, 기화열은 실내 공기의 열을 빼앗습니다.

그로 인해 차가워진 공기가 냉풍이 되어 실내 기기로부터 실내로 보내지는 것입니다.

이 냉기가 실내를 식혀준다는 거죠.

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그래서 실외기는 어떤 기능을 하느냐 하면, 기화된 유체는 실외기에 들어옵니다.

여기에서 실외에 열을 방출함으로써 기체가 액체로 돌아가 그 액체가 다시 실내기로 보내지는 것입니다.

이것이 에어콘내에서의 열교환기의 기능이라는 것입니다.

열교환기의 주요 종류

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열교환기는 대략적으로 보일러, 증기 발생기, 복수기, 공조기, 차량용 등 다양한 용도로 사용되고 있습니다.여기에서는 열교환기의 종류와 재질에 대해 설명하겠습니다.

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셸&튜브형, 플레이트형, 플로팅 헤드형 등

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셀&튜브형(다관식열교환기)

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셀(원통)과 많은 튜브(전열관) 안에 각각 유체를 통과시킵니다.

상호간에 열 교환을 하는 구조의 열교환기입니다.

액체와 액체 사이에서 이루어지는 열교환기의 대표적인 것입니다.

통 안에는 많은 관이 늘어서 있어서요.

다관식 열교환기라고 불리기도 합니다.

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플레이트형

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전열판이 되는 요철 상태로 프레스 된 금속판을 여러 겹 겹 겹칩니다.

거기에 번갈아 온도차가 있는 유체가 흐르고, 셀&튜브형보다 가볍고 콤팩트한 것이 특징입니다.

셀&튜브형의1/5크기로거의동등한열전도력을얻는우위성이있습니다.

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셀&튜브형과 플레이트형의 비교이지만, 셀&튜브형은 상기와 물로 열 교환을 할 경우에 적합합니다.

대형화하기 쉽기 때문에 대형 플랜트 등 큰 설비에서 이용되고 있습니다.

한쪽 플레이트 식이지만 물과 물로 열 교환을 하는 경우가 매우 우수합니다.

셀&튜브형보다경량화하기쉬워컴팩트하게사용하고싶은장면에서중용됩니다.

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핀 튜브식 열교환기

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튜브상의전열관에전열판(핀)을장착한열교환기입니다.

전열 면적을 더 늘린 것을 바로 핀 튜브라고 부르고 있습니다.

핀튜브식 열교환기는 전열관 내외의 열교환이 목적입니다.

전열관에는 액체가 있고, 그 액체의 열과 관외의 기체의 열교환이지만, 가까운 곳에서는 에어컨이 이런 타입입니다.

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나사선식 열교환기

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2장의 전열판을 스파이럴 형상으로 감아 두 개의 가늘고 긴 유로 단면이 있는 열교환기입니다.

1형과 2형의 두 종류가 있습니다.

액체와 액체 사이에 실시하는 열 교환이 1 형, 콘덴서가스 쿨러로 사용되는 것이 2 형입니다.

오염되지 않고 콤팩트성이 뛰어나며 고성능 열교환기입니다.

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재질의 종류

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열교환기는 주로 핀과 관으로 구성되어 있으며, 그 핀 재료로는 가공성·내식성·강도·열전도성이 뛰어난 것이 요구되며, 현재 대부분의 열교환기에서는 알루미늄이 사용되고 있습니다.

알루미늄 재질은 최근 가공성 면에서 순도가 저하된 재료가 사용되게 되었습니다.

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게다가 드로레스화, 휘발성 프레스유 사용등의 가혹한 가공 조건에 대응하기 위해, 알루미늄 이외의 원소를 적극적으로 가한 재료가 실용화되고 있습니다.

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열교환기를 도입할 때 알아두어야 할 수식

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공장의 설비 중에서 물질의 온도를 조정하는 열교환기라는 공업 기기는 매우 중요한 기기 중 하나입니다.

공업 기기로서의 열교환기는 친숙하지 않기 때문에 설명이 어렵지만, 가까이 있는 것이라면, 우리 생활 속에서 물건을 따뜻하게 하는 데 스토브나 오븐레인지를 사용하고 식히는데 냉장고를 사용합니다.

이것도 열교환의 간단한 원리입니다만, 공장과 같은 큰 설비로 가정과 같은 것을 하려고 하면, 톤 단위가 되므로 가열한다·식히는 것은 매우 효율이 나빠져 버립니다.

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스토브로 데우는 것은 그만큼 더 열을 버리는 것이 되고, 냉장고에서 식히는 것도 마찬가지로 열을 버리고 있다는 것입니다.

열교환기는 그 쓸데없는 부분도 낭비 없이 활용함으로써 효율적으로 열에너지를 이동시키는 것입니다.

여기에서는 열교환기 도입에 필요한 수식을 설명합니다.

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·열교환기내의 온도분포, 평균온도차 등

열교환기 내의 온도분포

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온도가 낮은 곳에서 온도를 높이고 싶은 유체를 '저온 유체', 온도가 높은 곳에서 온도를 낮추고 싶은 유체를 '고온 유체'라고 부릅니다.

여기에서는 C를 "저온 유체"의 물리량, "고온 유체"의 물리량에는 H의 첨자를 붙여 수식을 표현합니다.

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저온유체의 유량은 WC[kg/s], 비열은 CpC[J·kg-1·K-1]

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열교환기를 정면으로 보았을 때, 향해 왼쪽 배관 출입구 '1'로 하고, 오른쪽 배관 출입구를 '2'로 합니다.

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지점1을 출입하는 고온유체의 온도를 TH1, 저온유체의 온도를 TC1

지점2'를 출입하는 고온유체의 온도를 TH2, 저온유체의 온도를 TC2

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라고 합니다.

임의의 지점의 고온 유체 온도를 TH, 저온 유체의 온도를 TC로 표기합니다.

게다가 그 온도차를 ΔT라고 합니다.

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평균 온도차

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열교환기에서의 교환열량 Q[W]는 내관과 외관 간의 총괄열전달계수를 U[W·m-2·K-1], 전열면적을 A[m2]로 하면 아래의 식으로 표시됩니다.

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Q=UA△T

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이때의 △T를 로그 평균 온도차이라고 부릅니다.

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열교환기 설계에 필요한 수식은 다양하고 내용도 복잡합니다.

그래도 열교환기의 열수지 수식을 이해함으로써 특정 지점에서의 고온유체와 저온유체의 온도차를 구할 수 있습니다.

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열교환기는 공산품 제조에 필수적인 기기

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열교환기라고 하면 익숙하지 않아서 우리 생활에 필요 없는 것이라는 이미지도 있을 수 있습니다.

그러나 생활에서도 절대적인 필수품이 되고 있는 냉장고와 에어컨은 열교환기가 매우 중요한 기능을 해주고 있습니다.

생활 속에서, 보다 쾌적하게 지내기 위해서 환기 설비라고 하는 것입니다만, 이것이 공장내에서의 입지가 되면 대규모 설비가 되어, 공산품의 제조에 없어서는 안 되는 기능을 해 주는 것입니다.

품질관리나 공정관리에 매우 중요한 기능을 하고 그 기능을 효율적으로 하기 위해 열교환기를 설계할 때는 수식이 필요합니다.

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