열교환기 열의 이동

(1) 개요

 두 유체 사이의 열관류에 의해서 열을 한 유체로부터 다른 유체로 전달되는 장치이다.
일반적으로 가열이나 냉각을 하기 위한 역할을 하고 비등이나 응축은 일어나지 않으며 보일러 분야에 사용되는 열교환기에는 배기가스 여열을 이용하는 과열기, 재열기, 절탄기, 공기예열기와 벙커-C유를 예열하는 오일 프리히터, 온수를 만드는 온수 가열기 등이 있다.

 

(2) 유체의 흐름에 의한 분류

-병류식 : 고온 유체와 저온 유체의 흐름이 같은 방향인 형식이다.

-향류식 : 고온 유체와 저온 유체의 흐름이 반대 방향인 형식이다.

 

(3) 형태에 의한 분류

-쉘 앤 튜브식(Shell and tube type)

 다수의 튜브를 원통형의 쉘 내부에 삽입시켜 튜브 내에는 열매를, 쉘 내부에는 가열할 유체를 통과시켜 열교환의 목적을 이루는 것이다. 공정두부, 동체부, 후두부의 모양에 따라 고정관 판식, 유동두식, U자관식 등으로 세분화형 분류한다.

- 이중관식(Double pipe type) 열교환기

  지름이 작은 관을 지름이 큰 관에 끼워 넣은 형태로 각각의 관에 가열 유체와 열매를 통과시켜 열교환의 목적을 이루는 것이다. 구조가 간단하고 고압에도 사용이 가능하고, 전열면의 증감이 자유롭지만 내관에서 누설이 발생하면 보수가 어렵다.

- 판형(Plate type) 열 교환기

  여러 개의 전열판을 조립하여 한쪽은 열매를 다른 쪽 면은 가열할 유체를 통과시켜 열교환의 목적을 이루는 것이다. 분해 및 보수점검, 청소 등이 용이하고 전열판 증감에 의하여 용량조절이 가능하고 콤팩트하여 설치공간을 적게 차지하므로 널리 사용되고 있다.

-스파이럴형(Spiral type) 열교환기

  일정한 간격을 유지하고 있는 2장의 전열판을 시계의 태엽 모양을 감아 나간 것으로 오염저항 및 저유량에서 난류가 심하게 발생하는 곳에서 사용된다.

-코일형(Coil type) 열교환기

  전열관을 스프링과 같은 모양으로 감은 관다발을 원통형 압력용기에 넣어 전열관 내의 열매와 압력용기 내의 유체 사이에 열교환을 시키는 형식이다.

 

(4) 열교환기 전열량

- 대수평균 온도차

  고온유체와 저온유체가 전열면을 사이에 두고 흐르면서 열교환을 할 때 두 유체의 온도차를 산술적으로 계산했을 경우 정확한 유체의 온도차를 정할 수 없어 대수평균 온도차를 구하여 열전달량을 계산한다.

-병류식 : △t1= 고온 유체 입구온도- 저온유체 입구 온도

              △t2= 고온유체 출구온도- 저온유체 출구 온도

-향류식: △t1= 고온 유체 입구온도- 저온유체 출구 온도

              △t2= 고온유체 출구온도- 저온유체 입구 온도

공식 : △tm=△t1-△t2/ ln(△t1/△t2),   Q=K F △tm  

Q:전열량[kal/h] 

F:전열면적[㎡]

△tm:대수평균오도차[℃]

-▶효율을 향상하는 방법

- 유체의 유속을 빠르게 한다.

-유체의 흐름 방향을 향류로 한다.

-열전도율이 높은 재료를 사용한다.

-두 유체의 온도차를 크게 한다.

-전열면적을 크게 한다.

 

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열의 이동

(1) 열의 이동 방법

 열의 이동은 고온 물체에서 저온 물체로 이동하는 것으로서, 열의 이동방법은 전도, 대류, 복사의 3가지 방법이 있다.

온도차가 클수록 열의 이동속도는 빠르다.

전도(Conduction)

- 고체 내부에서의 열 이동 현상으로 물체는 움직이지 않고 열이 고온에서 저온으로 이동한다. (푸리에의 법칙)

대류(Convection)

- 유체에서의 열 이동 현상으로 열을 갖는 유체 자신이 직접 열을 갖고 이동한다. (뉴턴의 냉각법칙)

-> 자연대류, 강제 대류

복사(Radiation)

- 고온 물체와 저온 물체와의 사이에 복사선에 의해 고온부에서 저온부로 열이 이동하는 현상이다. (스테판-볼츠만 법칙)

 

(2) 열전도율

 물체 안을 전도에 의해 열이 이동하는 비율로서 고체의 양쪽면 온도차가 1 [℃] 일 때 1시간에 1 [㎡] 단면을 지나 길이 1 [m]의 거리에 전달한 열량이다. [kcal/h.m.℃]

 

(3) 열전달률

 고체면과 유체와의 사이의 열의 이동으로서, 단위면적 1 [㎡]

[kcal/h.㎡.℃]

 

(4) 열관류율

열이 한 유체에서 벽을 통하여 다른 유체로 전달되는 현상을 말하며 열통과라고도 한다. [kcal/h.㎡.℃]