열교환기의 종류

 

열교환기(Heat Exchanger)란 서로 온도가 다르고, 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이에 열교환을 수행하는 장치를 말하며, 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수 등에 널리 이용된다.

 

 

열교환기의 종류

 

기능에 따른 분류

1) 열교환기 (Heat Exchanger)

좁은 의미의 열교환기는 일반적으로 상변화가 없는, 두 공정 흐름사이에 열을 교환하는 장치를 말하고, 넓은 의미로는 냉각기, 응축기등을 포함한다.

2) 냉각기 (Cooler)

냉각수등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 냉각한다.

3) 응축기 (Condenser)

냉각수등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 부분응축 (Partial Condensation)또는 총응축 (Total Condensation)시키기 위한 열교환기로서 열전달의 메카니즘은 주로 응축에 의해 이루어 지며, Heat Duty또한 응축열이 주가 된다.

4) 재비기 (Reboiler)

스팀등의 가열매체를 이용하여 증류탑의 바닦에서 유입되는 공정유체를 Boiling시켜 증기를 발생시킴으로써 증류탑으로 공급되어야 할 열을 전달하는 열교환기로서 증기발생은 단일상 또는 2상 혼합물로 할 수 있다.

5) 증발기 (Evaporator)

용액의 질을 향상 시키기 위해, 스팀등을 이용하여 증발에 의해 용매를 제거 시키는 열교환기이다.

6) 예열기 (Preheater)

공정으로 유입되는 유체를 가열하는 열교환기이며, 이때 가열매체는 공정유체 또는 스팀등을 이용한다.

7) 2상 흐름 열교환기 (Two Phase Flow Heat Exchanger)

2상의 혼합물이 Shell측 또는 Tube측으로 흐르는 열교환기를 말하며, 응축기와 재비기 등으로 구별된다.

 

 

기하학적 형태에 따른 분류

 

1) 원통다관식 (Shell&Tube) 열교환기

가장널리 사용되고 있는 열교환기로 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있으므로 적용범위가 매우 넓고, 신뢰성과 효율이 높다.

<그림 1> 단일셀 통로와 단일관 통로를 가진 Shell&Tube 열교환기 (직교유동-대향유동 조작 양식)

 

 

2) 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기

외관 속에 전열관을 동심원상태로 삽입하여 전열관내 및 외관동체의 환상부에 각각 유체를 흘려서 열교환시키는 구조이다. 구조는 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결 시킬수가 있다. 그러나 전열면적이 증대됨에 따라 다관식에 비해 전열면적당의 소요용적이 커지며 가격도 비싸게 되므로 전열면적이 20 ㎡ 이하의 것에 많이 사용된다.

이중관식열교환기에서는 내관 및 외관의 청소점검을 위해 그랜드 이음으로 전열관을 떼낼수 있는 구조로 하는수가 많다. 이같은 구조에서는 열팽창․진동 기타의 원인으로 이음부분에서 동측유체가 누설되는수가 있으므로 동측유체는 냉각수와 같은 위험성이 없는 유체 혹은 저압유체를 흘린다. U자형전열관과 관상동체 및 동체커버로 이루어지며 전열관은 온도에 의한 신축이 자유롭고 관내를 빼낼 수 있는 이중관 헤어핀형 열교환기기 있다. 또 전열효과를 증가시키기위해 전열관 외면에 핀(fin)을 부착시킨 것도 있다.

<그림 2> 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기 (a)평행유동, (b)대향유동

 

3) 평판형 (Plate Type)열교환기

유로 및 강도를 고려하여 요철(凹凸)형으로 프레스성형된 전열판을 포개서 교대로 각기 유체가 흐르게 한 구조의 열교환기이다. 전열판은 분해할수 있으므로 청소가 완전히 되고 보존점검이 쉬울뿐만 아니라 전열판매수를 가감함으로써 용량을 조절할 수 있다. 전열면을 개방할 수 있는 형식의 것은 고무나 합성수지가스켓을 사용하고 있으므로 고온 또는 고압용으로서는 적당하지 않다. 액체와 액체와의 열교환에 많이 사용되며 한계사용압력 및 온도는 각각 약 5kg/㎠, 150℃이다.

주로 식품공정과 같이 자주 세척하여 청결을 유지할 필요가 있는경우에 사용되며 아래와 같은 경우에는 적절하지 못하다.

- 0.5mm이상의 고체 입자를 함유한 액체
- 열전달 면적이 2500 ㎡ 이상
- 25 kg/㎠G 및 250℃이상
- 상변화가 있는 경우
- 유체의 속도 0.1m/sec이하인 경우

가스켓을 사용하지 않고 용접 또는 납땜에 의해 일체로 제작된 것은 온도의 제한이 완화 되지만 전열면의 점검이나 청소를 할 수 없으므로 부식성 또는 오염이 심한 유체에는 사용할 수없다.

<그림 3> 평판형 (Plate Type)열교환기

 

 

4) 공냉식 냉각기(Air Cooler)

냉각수 대신에 공기를 냉각유체로 하고 팬을 사용하여 전열관의 외면에 공기를 강제통풍시켜 내부유체를 냉각시키는 구조의 열교환기이다. 공기는 전열계수가 매우 작으므로 보통 전열관에는 원주핀이 달린 관이 사용된다. 공냉식열교환기에는 튜브 Bundle에 공기를 삽입하는 삽입통풍형과 공기를 흡입하는 유인통풍형이 있다. 냉각식열교환기는 냉각수가 필요없으므로 (수원보호의 필요가 없으므로)최근 그 이용이 급격히 증가되고 있다. 그러나 넓은 설치면적이 필요하며 건설비가 비싸고, 관에서의 누설을 발견하기 어렵고, 전열관의 교환이 곤란한 점등의 단점이 있다.

<그림 4> 공냉식 냉각기(Air Cooler)

 

 

5) 가열로 (Fired Heater)

액체 혹은 기체연료를 버너를 이용하여 연소시키고 이 때 발생하는 연소열을 이용하여 투브내의 유체를 가열하는 방식이다. 가장 큰 열량을 얻을 수 있으며 열전달 메카니즘은 복사 및 대류를 포함하므로 설계하기가 매우 어렵다. 공해의 문제가 있으나 매우 큰 열량을 얻기 위한 공정에서 많이 쓰인다.

 

<그림 5> 가열로 (Fired Heater)

6) 코일식 (Coil Type) 열교환기

탱크나 기타 용기내의 유체를 가열하기 위하여 용기내에 전기 코일이나 스팀 라인을 넣어 감아둔 방식이다. 교반기를 사용하면 열전달 계수가 더욱 커지므로 큰 효과를 볼 수 있다.

<그림 6> 코일식 (Coil Type) 열교환기