열교환기

1. 개 요
석유화학장치산업에서 제품의 생산원가를 절감하기 위해서는 열에너지를 효율적으로 사용해야 한다.
이것은 효율적인 연소뿐만 아니라 열에너지의 효율적인 전달도 포함한다.
Heater 에서 불을 땔 때에 유분으로 전달되는 열이 많으면 많을수록 전체 연료비는 적어지고,

특히 뜨거운 제품의 유체의 열을 찬흐름으로 효율적으로 전달해 주어야 제조원가를 낮출 수 있는 것이다.
근래에 들어 에너지의 효율적인 관리에 대한 요구가 극대화 되면서 열에너지의 중요성이 대두 되었다.

 

1) 열의 종류
(1) 현열 : 물질의 온도를 변화하게 하는 열
(2) 잠열 : 물질의 상을 변화하게 하는 열
(3) 기화열 : 액상에서 기상으로 변화 시키는데 필요한 (현/잠)열
(4) 응축열 : 기상에서 액상으로 변화시키는데 필요한 (잠/현)열

 

2) 열전달의 개념
온도가 다른 두물체를 접촉시키면 온도가 높은 물체로부터 온도가 낮은 쪽으
로 열은 이동한다.
마침내 두물체의 온도는 같아지게 되며, 결국 열적 평형상태에 도달하게 된
다.
열의 흐름에 의한 열전달 기구는 세가지로서 전도, 대류, 복사등이 있다.
(1) 전도
전도는 물체내의 온도구배가 존재할 때 물체내의 분자의 운동이 뜨거운
곳으로부터 낮은 곳으로 옮겨져 나갈 때에 일어난다.

(2) 대류
대류에 의한 열흐름은 유체의 이동에 의한 것이다.
가) 강제대류
외부의 힘으로 유체가 흐르고 이 유체의 벽과의 사이에서 전열이 되는 것
이며, 이것을 강제대류에 의한 전열이라고 한다
나) 자연대류
온도차에 의해, 즉 유체의 밀도차에 의해 유체의 흐름이 생겨서 벽과의
사이에서 전열이 되는 것이며, 이것을 자연대류에 의한 전열이라고 한다.
(3) 복사
열에너지는 전도에 있어서와 같이 물질내에서 전달될 수도 있고 또 대류
에서 처럼 이동하는 물질에 따라 운반될 수도 있다.
열에너지는 또한 물질이 없을 때에도 전달될 수 있으며, 이것이 바로 복
사열이다. 즉, 복사는 전자파에 의하여 에너지가 공간을 통하여 전달되는
현상이다. 예를 들면 태양열이 지구에 미치는 열을 말할 수 있다.
2. 열교환기의 정의
열교환기란 공정의 Flow 를 구성하는 고정장치물의 일종으로서, 기· 액상의
원재료, 반제품, 제품인 유체가 포함하고 있는 열을 Tube 또는 Plate 의 형
태를 지닌 전열면을 통해 Cooling Water, Air, 원재료, 반제품, 제품유체 상호
간에 열전달을 일으켜 Heating, Cooling, Condensing 등의 기능을 수행하는
설비이다.

3. 열교환기의 종류 및 특성
1) 사용목적에 따른 분류
(1) Heater : 유체를 가열하여 필요한 온도까지 유체온도를 상승시키는 목적으
로 사용
(2) Pre-Heater : 유체에 미리 열을 줌으로써 다음단계의 효율을 양호하게 할
목적으로 사용
(3) Super-Heater : 유체를 재차 가열하여 과열상태로 하기 위함.
(4) Vaporizer : 액체를 가열하여 증발시켜서 발생한 증기를 사용하고자 할 때
사용
(5) Reboiler : 장치중에서 응축된 액체를 재차 가열, 증발시킬 목적으로 사용
(6) Cooler : 유체를 냉각하여 필요한 온도까지 낮출 목적으로 사용

(7) Chiller : 빙점이하인 저온으로 냉각시킬 목적으로 사용
(8) Condenser : 응축성 기체를 냉각하여 액화시키는 목적에 사용. 특히
Steam 을 응축시켜 물로 만드는 열교환기를 복수기라 한다.
(9) Heat Exchanger : 협의의 열교환기이며 유체간의 열교환을 시켜서 동시에
한쪽을 가열, 다른 쪽을 냉각시키는 목적에 사용하는
열교환기를 말함.
2) 구조상의 분류
(1) Shell & Tube Type 열교환기
가) Floating Type Heat Exchanger
Tube Bundle 의 Rear End Head Type 에 따라 분류되는 것으로서 대형 중·
저압유체를 Service 하기에 적합한 열교환기로서 비교적 유지보수가 용이하
다. Stationary Head, Shell, Rear End Head 의 조합에 따라 다양한 형식의 열
교환기가 있다. Tube 의 열팽창을 Floating Head 가 늘어남으로서 흡수한다.
온도차가 큰 열교환에 주로 사용한다.

 

[그림 1] Floating Type Heat Exchanger

 

나. Fixed Type Heat Exchanger
Tube Bundle 의 Floating Head 부위가 없이 Tube Sheet 가 Shell 에 완전히
고정 설치된 열교환기로 부식성이 적은 고압의 유체를 Service 하는데 적합
하고, 청소와 같은 일반 정비작업은 용이하나 Shell Side 의 청소, Tube 의
부분교체 및 Retubing 이 매우 어렵다

 

[그림 2] Fixed Type Heat Exchanger

다. U-Tube Type Heat Exchanger
Tube Bundle 의 Rear End 부위가 U-Bending 되어 있어 Tube Side 의 유체
가 Stationary Tube Front End 에서 In,Out Service 되는 것이 특징으로 중·
고압의 유체를 Service 하는데 적합하나 분리, 조립이 어렵고 Outer Tube
Layer 를 제외한 Tube 의 부분교체가 불가능하며 Tube Bundle Rear End
의 Bending 때문에 운전시 진동이 유발될 수 있다.

 

[그림 3] U-Tube Type Heat Exchanger