4.2 열교환기의 종류

1. 4.2 열교환기의 종류

2. (1) 사관식 열교환기(submerged-pipe coil heat exchanger) • 탱크내부에 가열용 사관을 장비한 열교환기로서 구조가 간단하고 가격도 저렴하므로 옛날부터 사용 • 소용량, 또는 부식성이 강한 유체를 다루는 경우의 냉각기 등에 종종 사용 • 그림4.7에 보이는 봐와 같이 정밀가공의 필요가 없고 사관으로는 강관, 동관을 비롯하여 가공이 곤란한 도기, 자기, 유리, 고규소 주철, 흑연, 합성수지 등도 사용할 수 있는 이점이 있다. • 관내 유체가 고압의 경우에 특히 편리하나 전열 면적을 외형치수에 비하여 크게 할 수 없는 결점 • 이 때문에 교환열량이 탱크 용량에 비하여 적은, 상시 일정 온도를 유지하고자 하는 저장 탱크 등에 흔히 사용 • 관 형상과 배열은 그림4.8과 같으며 탱크의 형상에 맞추어 원통 탱크에는 코일 관을 주로 이용하고 각형 탱크에는 관 헤더(tube header)를 이용한 평행 관 배열이 사용된다.

3. (2) 개방 액막식 열교환기(open-type heat exchanger) • 주로 냉각용으로 사용되며 그림4.9와 같이 냉각해야 될 유체를 통하는 관을 수평방향으로 배열하고 위로부터 물을 흐르게 하여 관내 유체를 냉각한다. • 직관과 U자 밴드를 이용한 간단한 구조이고 여러 단으로 겹쳐서 용량을 증가할 수 있으며 누설의 염려가 적고 또한 누설하면 즉시 알 수 있으므로 고압 부식성 유체의 냉각에 적합하다. • 고도의 내식성이 요구되는 곳에는 자기제 관이나 흑연관이 사용된다. (3) 2중관식 열교환기(double-pipe heat exchanger) • 관을 두 겹으로 하여 내관 속을 흐르는 유체와 외관과 내관 사이를 흐르는 유체와의 사이에서 열교환을 시킨다. • 내관을 통하는 고압 가스의 가열 및 냉각, 또는 부식성 유체의 열교환에 많이 사용된다. 구조도 비교적 간단하다. • 적당한 유속의 역류형으로 하면 가장 높은 전열효율과 적은 압력손실을 얻을 수 있다. 소용량의 열교환기에 적당 • 2중관식 열교환기에서 주의할 사항은 외관측 유체가 글랜드 부분으로부터 누설할 염려가 있는 점이다. 이 때문에 냉각수와 같이 누설하여도 위험이 없는 유체 또는 저압 유체를 외관으로 통하고 고압유체는 내관을 통하도록 한다.

4. (4) 원통 다관식 열교환기(shell and tube heat exchanger) • 일반적으로 열교환기로 불러지는 것은 대부분이 원통다관식 열교환기이며 가장 흔히 사용되는 형식 • 원통 다관식 열교환기는 동체 내부에 많은 전열관을 갖추고 이들의 관벽을 거쳐서 동체측 유체와 관내 유체간에 열교환을 행하는 것 • 그림4.11에 표준형 원통 다관식 열교환기의 명칭 • 동체 유체는 동체와 동체 덮개 판에 의하여 대기와 절연하고 입구 관으로부터 출구까지 저지판으로 안내되며 그 사이에 전열관과 접촉하여 관내 유체와 열교환을 행한다. 그림4.11 표준 원통 다관식 열교환기

5. - 원통 다관식 열교환기에는 다음과 같은 종류가 있다. • 그림 4.12에 고정 관판식 열교환기(fixed tube-plate heat exchanger)의 예이다. • (a)는 관내 통과수가 1단인 경우이고, (b)는 관내 통과수가 2단인 경우 • 구조상 전열관 외면 및 동체 내부의 검사와 청소를 할 수 없으므로 고정 관판식 열교환기에 있어서는 동측 유체로서 부식성이 적은 것, 또는 침전물, 스케일 등이 생기지 않는 것을 선택할 필요가 있다. 그림 4.12 고정관판식 열교환기 • U자관식 열교환기(U-bend type heat exchanger)의 예 • 전열관을 U자형으로 구부리고 이의 양 끝을 고정 관판에 조립하는 것 • 전열관과 동체는 별개로 되어 있으므로 신축 이음은 필요 없다. • 동일 동체 지름에 대하여 다른 형식보다 많은 전열관을 배치할 수 있는 것도 특징 그림 4.13 U자관식 열교환기

6. 그림4.11는 유동두식 열교환기(floating-head heat exchanger)의 표준형식이며, 전열관은 확관 또는 용접으로 고정관판 및 유동관판에 고정된다. • 동체와 관다발은 열팽창에 대하여 자유이며 관다발은 필요에 따라 동체로부터 뽑아 관내외 및 동체와 더불어 청소, 점검을 할 수 있다. • 고정 관판식 과 U자관식에 비하여 구조가 복잡하고 중량, 제작비 모두 다소 증가하나 흐름의 통과수를 적당히 선택할 수 있으므로 유체 유속을 합리적으로 설계하면 높은 열효율을 얻을 수 있다. • 유동 두(floating head)의 구조에는 그림4.14와 같은 형식들이 있다. 그림 4.14 유동두식 열교환기

7. (5) 재킷식 열교환기(jacket type heat exchanger) • 내연기관의 실린더 냉각형식의 열교환기로서 전열효과를 증가하기 위하여 교반기를 설치하여 내부 유체를 교반하거나 전열면적의 부족을 보충하기 위하여 사관을 병용하기도 한다. • 재킷내부를 청소할 수 없으므로 오염이 적은 수증기, 물, 프레온 및 암모니아 등을 사용 • 이 형식은 일반적으로 열 관류계수가 적고 전열면적에 비하여 설치면적과 내부 용적이 크므로 열 교환기 보다는 오히려 저장 용기 또는 計量槽의 목적으로 사용하는 경우가 많다. (6) 와권식 열교환기(volute type heat exchanger) • 와권상으로 만들어진 특수 형상의 가열체 내부에 고온유체를 흐르게 하고 동체측 유체를 가열하는 구조로서 액체대 액체의 열교환기에 많이 사용 • 제작이 어렵고 보수 및 청소 등 다루기도 번잡하므로 특수 용도에 사용 그림 4.15 와권식 열교환기

8. (7) 평판식 열교환기(plate type heat exchanger) • 그림4.16와 같이 다수의 평판을 일정 간격으로 배치하고 그의 통로 하나 걸러서 마다 각각의 유체를 통하도록 고안된 형식 • 이 형식에서는 흐름의 방향이 직교류, 또는 역류의 어느 것으로도 만들수 있다. • 평판식 열교환기는 압력손실이 적은 것이 특징이며 보일러용 예열기에서 많이 볼 수 있다. • 최근 선박용 열교환기로 많이 사용되는 평판식 열교환기 그림 4.16 평판식 열교환기 - 판형 열교환기의 특징은 동일한 용량의 원통 다관식 열교환기에 비하여 부피와 무게가 작고 열교환기 용량의 변경이 용이한 점이다. 그림 4.17 평판식 열교환기의 가열부 구성 그림 4.18 평판식 열교환기의 구성도