4. 열교환기

1. 4. 열교환기 • 4.1 열교환기의 개요 • 열전달의 개념 • 열의 이동을 전열(heat transmission)이라 하며, 여기에는 전도(conduction), 대류(convection), 복사(radiation)의 세가지 형식이 있다. • 전열은 이상의 어떤 형식에서도 온도의 차이가 있는 곳에서 발생하며 열은 고온에서 저온으로 이동한다. • 보일러를 제외한 선박용 열교환기에서는 복사에 의한 열이동의 비율은 매우 작다. 유체와 고체 벽면 사이의 열전달은 주로 대류에 의하지만 복사도 약간 가미된다. • (2) 전도 • 전도에 의한 전열은 어떤 물체의 내부 온도가 균일하지 않거나 또는 온도가 다른 두 개의 물체가 접촉할 경우에 일어나는 현상 • 전도에서 전열을 지배하는 요소는 온도차, 물체의 치수 및 그 물체의 성질 등이고 온도차가 클수록 전열량은 크게 된다. • 열전도에 관한 Fourier법칙은

2. - 따라서 그림 4.1에 의하여 평판에 대하여서는 - 원관에서는 길이 1m당 - 따라서, r=ri일 경우에 t=ti, r=r0일 경우에t=t0의 조건으로 위 식을 적분하면 표 4.1 열전도율 λ의 값

3. (3) 대류 • 대류에 의한 전열은 유체에 고유한 것이며, 기체 또는 액체에서만 일어난다. • 이 전열에서는 기체 또는 액체분자가 차례로 끊임없이 전열면에 도달하여 열교환을 행한다. • 따라서 기체 또는 액체의 운동이 활발하게 될수록 단위 시간당 전열면에 접촉하는 분자수가 증가하므로 전열량은 많아진다. • 대류에 의한 전열량을 많게 할 목적으로 기계적으로 교반 하거나 펌프로 순환시키거나 또는 특수한 방법으로 유체를 운동시키는 일이 종종 행하여지는데 이것을 강제 대류라 하고, 이에 반하여 유체의 운동이 열팽창 기타에 의한 부력으로 자연히 행하여지는 전열형식을 자연대류라 한다.

4. (4) 복사 • 복상에 의한 전열은 온도가 다른 두 개의 표면이 복사선을 투과시키는 물질을 두고 서로 마주 보고 있을 경우에 일어난다. 진공과 순수한 공기는 복사선을 투과하나 대개의 액체는 이것을 투과시키지 않는다. • 복사선이 물체에 도달하였을 경우 그의 일부는 물체표면에서 반사하고 일부는 흡수되어 열로 되어 복사를 받은 물체의 온도를 상승시키며, 일부는 물체를 완전히 투과하여 열로 되지 않는 경우도 있다. • 선박용 열교환기에서 보일러를 제외하고 복사전열의 비율은 작다.

5. (5) 열 관류계수 - 고체를 끼고 온, 냉 유체가 있을 경우의 전열을 열관류(overall heat transfer)라 하며, 이 경우의 전열량 Q는 - 평판 양면의 열 전달율을α, α’, 판의 열 전달율을 λ, 두께를 s라 하면 1매의 평판에서 열 관류계수 κ - 그림4.2와 같은 다층평판에서는 • 위의 식에서 우변 분모의 각 항은 전열저항을 뜻한다. • 열교환기 벽에 유막, 물때에 의한 막 등이 부착하면 다층평판을 형성하는데 이들의 막에 대한 s/λ를 오손계수(fouling factor)라 부름

6. 표 4.2 여러 가지 오염막의 오손계수 - 원관의 열 관류계수는 내반경, 외반경을 r1, r2, 내면과 외면의 열 전달율을 α, α’라 하면 - 열교환기의 관은 전열을 좋게 하기 위하여 관 두께를 엷게 하며 벽두께 δ가 평균반경 rm[=(r1+r2/2]에 비하여 작으므로 위의 식을 변형한 다음 식이 적당하다.

7. (6) 열교환기에서 유체 유동 방향과 열전달량의 관계 • 열교환기(heat exchanger)를 대별하면 관류식과 축열실의 두 종류가 있다. • 관류식 열교환기에서는 차단벽을 통하여 어떤 유체로부터 다른 유체로 직접 전열이 행하여진다. 이때문에 두 개의 유체는 동시에 열교환기 내를 흐를 필요가 있다. • 축열식 열교환기에서는 열을 방출하는 유체와 수열하는 유체를 교대로 흐르게 하고 가열 유체로부터 흡수 축적한 열을 수열 유체에 주므로 양 유체의 적절한 조작이 필요하다. • 선박용 열 교환기는 모두 관류식이다. • 열 교환기의 전열형식에는 온, 냉 양유체가 흐르는 방향에 따라 다음과 같은 기본 형식이 있다. • ① 역류형(counter flow type): • 온, 냉 양 유체가 역방향으로 흐름 • ② 병류형(parallel flow type): • 양 유체가 같은 방향으로 흐름 • ③ 직교형(cross flow type): • 냉, 온 양유체가 직교하여 흐르는 형

8. - 온체, 냉체의 온도를 T,t라 하고 입구와 출구의 첨자를 1,2로 나타내고 G:온체 유량 kfg/h, C:온체 비열 kcal/kgfoC, G’:냉체 유량 kgf/h, C’: 냉체 비열 kcal/kgfoC라 하면 온체 방열량은 - 냉체 수열량은 이며 열교환기로부터 외부로 열의 방출이 없다고 가정하면 Q=Q’ 이다. - 그림4.5와 같이 역류와 병류 전열에서 T1및 GC가 각각 같다고 가정하면, 역류전열에 있어서의 온체 출구는 온도가 상승하기 전의 찬 입구 냉체에 접하므로 역류전열의 온체 출구온도 T2는 병류 전열 T2보다 낮다. 따라서 상식으로 부터Q(역류)>Q(병류)로 된다. • 마찬가지로 t1, G’C’를 각각 같다고 가정하면 역류 전열의 t2는 온도강하 전의 온체 입구에 접하므로 병류 전열의 t2보다 높다. 따라서 Q’(역류)>Q’(병류)이다. • 그러므로 열교환기 내부 유체 유동이 역류가 되도록 설계하는 것이 일반적

9. (7) 선박에서 열교환기의 용도 • 선박에서는 열교환기가 여러 가지 용도로 사용되고 있는데, 대표적인 예를 들면 다음과 같다. • 증발기(evaporator): 액체를 증발시킬 목적으로 사용되는 것이며 발생한 증기를 이용하기 위하는 것과 잔류 농축액을 얻기 위한 목적으로 사용되는 것이 있다. 전열부외에 증기 모둠을 설치하는 것이 보통이며 이 때문에 외관이 원통 다관식 열교환기와 다른 경우가 많다. • 예열기(preheater): 유체를 예열하여 열효율의 증대를 꾀하기 위하여 사용되며 일반적으로 보일러 급수 예열기와 같이 앞에사 사용장소나 유체명을 붙여서 호칭하는 경우가 많다. • 가열기(heater): 유체를 가열하여 온도를 상승시킬 목적으로 사용 • 과열기(super-heater): 가열된 유체에 더욱 열을 가하여 과열상태로 하는 것이다. • 재비기(再沸器)(re-boiler): 응축액을 재차 가열하여 증발시킬 목적으로 사용되는 것 • 응축기(condenser): 응축성 기체를 응축 액화할 목적으로 사용되며 수증기를 응축하여 물로 하는 것을 특히 복수리라 한다. • 냉각기(cooler): 유체를 냉각하여 온도의 강하를 꾀하는 목적으로 사용된다. • 심냉기(深冷器)(chiller): 암모니아, 프레온 등과 같은 냉매를 사용하여 유체를 매우 낮은 온도까지 냉각시킬 목적으로 사용