열교환기의 종류 및 개요

열교환기의 종류 및 개요

 

1. 개 요
양 유체간에 열 에너지를 유효하게 전도와 대류의 열전달을 통하여 이동시키는 기기로써, 석유화학공업,

일반 화학공업 및 식품 설비 등에서 많이 사용되고 있는 설비임.

열교환기는 사용 목적상 고온 물질의 열을 재이용하기 위하여 회수하는 목적과 반응을 제어하기 위하여

온도 조건을 유지하는 역할을 한다.

 

　
2. 열교환기의 종류

2.1 사용상의 종류
2.1.1 가열기(Heater)

유체를 가열하여 필요한 온도까지 유체온도를 상승시키는 목적에 사용하는 열교환이며,

피가열 유체의 상변화(相變化)는 일으키지 않는다.

가열원은 스팀 또는 장치중의 폐열 유체가 사용된다. 일반적으로 STEAM을 가열원(Heating source)으로 사용할 경우에는

Steam이 갖는 잠열을 피가열 유체에 주어서 가열하는 수가 많고, Steam은 이것 때문에 응열(凝熱)하여 유체가 된다.

즉, 상변화를 일으킨다.

 

2.1.2 예열기(Preheater)

유체를 가열하여 유체온도를 상승시키는 목적에 사용하는 점에서는 가열기와 동일하지만, 유체에 미리 열을 가함으로써

다음조작으로 효율을 양호하게 하기 위해 사용하는 열교환기임.

 

2.1.3 과열기(過熱器, Super-Heater)

유체를 가열하며 유체온도를 상승시키는 목적에 사용하는 점에서는 가열기와 동일 하지만, 유체를 재차 가열하여

과열상태로 하기 위해 사용하는 열교환기이며, 일반적으로 유체는 기체 상태임.

2.1.4 증발기(蒸發器, Vaporizer or Evaporator)

유체를 가열하여 잠열(潛熱)을 주어 증발시켜서 발생한 증기를 사용하는 목적의 열교환기와

증기를 제거한 나머지의 농축액(濃縮液)을 사용하는 목적의 열교환기가 있으며,

피가열유체는 액체에서 기체로 변한다.

즉, 상변화(相變化)를 일으킴.

 

2.1.5 리보일러(Re-boiler)

장치중에서 응축한 액체를 재차 가열하여 증발시킬 목적으로 사용되는 열교환기임.

장치 조작상 발생한 증기만을 송출할 목적으로 사용되는 열교환기와 유체 및 발생한 증기의 혼합유체를

농출할 목적으로 사용하는 열교환기가 있음.

 

2.1.6 냉각기(冷却器, Cooler)

유체를 냉각하여 필요한 온도까지 유체온도를 강하시키는 목적에 사용하는 열교환기이며,

피냉각유체의 상변화는 없음. 냉각원은 하수, 우물물, 해수 등이 사용되고 있지만

최근 냉각수의 부족으로 공기를 사용하는 경우도 있다.

 

2.1.7 침냉기(沈冷器, Chiller)

유체를 냉각하여 필요한 온도까지 유체온도를 강하시키는 점에서는 냉각기와 동일하지만,

유체냉각온도는 냉각기의 대기 온도 전후인 것에 대해, 침냉기(chiller)는 빙점(氷点) 이하인

대단히 저온까지 냉각시키는 목적에 사용되는 열교환기임.

냉각원은 액체 암모니아, 액체 프레온 등의 냉매(冷媒)를 사용하여 피냉각 유체에서 기화열을 탈취하여

액체에서 기체로 변한다.

 

2.1.8 응축기(凝縮器, Condenser)

응축성 기체를 냉각하여 잠열(潛熱)을 탈취하여 변화시키는 목적에 사용되는 열교환기이며,

피냉각체는 기체에서 변한다. Steam을 응축시켜서 물로 만드는 열교환기는 복수기(復水器)라고 한다.

2.1.9 열교환기(熱交換器, Heat Exchanger)

협의(俠義)의 열교환기이며 두 유체간의 열교환을 시켜서 동시에 한쪽을 가열, 다른쪽을 냉각시키는 목적에

사용하는 열교환기임.

 

2.2 구조상의 종류
사용목적에 따라 조작상태에 적합한 성능을 발휘하게끔 그 형식에 의해 분류된다.

2.2.1. 관형상(管形狀)의 熱交換器
전열부(電熱部)에 관을 사용(使用)하는 열교환기임

① 단관식 열교환기(Single-pipe Heat Exchanger) : 전열부의 직관을 사용하여 Return Bend와 조합해서

교환열량에 필요한 전열면적의 직관을 사관형(蛇管形)으로 조립하는 형상의 열교환기로써

i. 종형으로하여 상부로부터 냉각수를 적하(滴下)시켜 전열관내의 유체를 냉각하는트롬본형 냉각기(개방液膜式열교환기)
ii. 횡형으로하여 탱크(TANK) 저판(底板)전체면에 Steam을 유통해서 탱크內의 유체를 가열하는

TANK가열기.

iii. 사각인 BOX내에 사관(蛇管)을 종횡(縱橫)으로 줄지어서 설치하고, BOX내에 냉각수를 유입하여

전열관내의 유체를 냉각하는 상자형(箱子形)냉각기.

iv. 전열면의 관을 Coil형태로 말아서 용기내에 삽입(揷入)하여 관내 유체와 용기내 유체를 열교환시키는

코일형 열교환기등이 있다.

 

② 이중관식 열교환기(Dauble-pipe Heat Exchanger) : 전열관외 유체를 포함 하는 용기에 관을 사용하고,

전열관내 및 외관동(外管胴)과의 환상부(環狀部)에 각각 유체를 유통시켜 열교환시키는 구조의 열교환기임.

i. 이중 고정형 열교환기(Fixed Type Double-pipe Heat Exchanger) : 전열관과 관상동(管狀胴)으로 되어있고,

胴兩端(동양단)은 전열관에 용접 고정된 열교환기임.

ii. 이중관 헤어핀형 열교환기(Hair-pin Type Double pipe Heat Exchanger): U자형 전열관과 관상동(管狀胴) 및

Shell Cover로 되어있고 전열관은 온도에 의한 신축이 자유로이 되며,

또 내관을 빼낼 수 있으므로 Shell측 유체의 오염이 심하여 청소가 필요한 경우에 많이 사용.

③ 다관식 열교환기(Multi-tube Heat Exchanger) : 다수의 전열관을 접속할 경우에 단관식의 Return Bend 대신

칸막이실을 설치하여 관판(Tube sheet)에 확관 또는 용접등으로 고착한 관속(管束)을 용기에 넣는 구조의 열교환기임.

i. 다관 트롬본형 냉각기(Multi-pipe Trombone Cooler) : 단관식에 비하여 전열관내의 유체가 많을 경우에 사용

ii. 공냉식 열교환기(Air coiled Heat Exchanger) : 다수의 전열관을 장치한 관속(管束)과 Fan으로 되어 있으며,

전열관 외면에 공기를 강제 통풍시켜서 내부유체를 냉각시키는 구조의 열교환기

 

④ 다관원통식 열교환기(Shell and Tube Heat Exchanger) : 관판과 동(胴)과의 연결구조에 따라 고정관판식,

유동두형, U자관형등의 열교환기가 있으며, 사용유체의 압력, 온도, 오염, 기타의 조건을 고려해서 선택한다.

i. 固定管板形 熱交煥器 (Fixed Tube sheet Type Heat Exchanger) : 관속의 관판을 원통용기의 동체 양끝단에 용접,

기타의 방법으로 고정한 구조의 열교환기. 신축을 흡수할 필요가 있을 경우에는

그림처럼 Expansion joint등을 부착할 수도 있다.

ii. 遊動頭形 熱交換器 (Floating Head Type Heat Exchanger) : 관속 한쪽의 관판을 원통용기의 Shell끝단에

Flange 이음으로 고정하고, 반대쪽 관판은 유체의 온도에 의해 전열관이 신축하여도 그 이동에 대처할 수 있을 구조로

또, 관속을 Shell로부터 빼내어 청소 및 점검할 수 있는 구조의 열교환기임.

iii. U字形 熱交煥器 (U tube Type Heat Exchanger) : 전열관에 U자형을 사용한 관속의 관판을 원통용기의 Shell끝단에

Flange 이음으로 고정하고, 전열관은 Shell과 관계없이 유체온도에 의한 신축이 자유로이 작동되어야 하며,

관속을 Shell에서 인발해서 청소 및 점검할 수 있는 구조의 열교환기.

 

2.2.2. 전열부가 Plate형상인 열교환기

전열부에 평판(平板), 파판(破板), Press성형에 의한 특수 요철(凹凸)을 설치한 Plate등을 사용하는 구조의 열교환기.

평판 전열면을 원통형으로 말아서 원통 용기를 이중구조로 한 Jacket形, 소용돌이形으로 말은 Spiral形등이 있으며,

일반적으로 전열판은 내부식성의 재질을 사용한다.

① Plate식 열교환기(Plate Heat Exchanger) : 유로(流路) 및 강도를 고려하여 요철(凹凸)형으로 프레스 성형한

전열판을 겹치고, 교대로 각각의 유체가 흐르게 하는 구조의 열교환기.

② Plate Fin 열교환기(Plate Fin Heat Exchanger) : 파판(破板)과 평판(平板)을 교대로 겹쳐 접착하여 조립한 구조의 열교환기.

③ Spiral형 열교환기(Spiral Heat Exchanger) : 2매의 절연판을 일정한 간격으로 유지하며 소용돌이형이 되어

2개의 유로(流路)를 구성한 구조물의 열교환기.

④ 쟈케트형 열교환기(Jacket Heat Exchanger) : 원통용기보다 큰 원통용기를 삽입하여, 그 환상부(環狀部)에

가열 또는 냉각용 유체를 유통(流通)시켜 내부원통용기의 Shell 및 Head뚜껑을 전열면으로한 구조의 열교환기이며,

이 환상부를 Jacket라 한다.

 

2.2.3. 전열부가 블록형상의 열교환기

전열부가 블록형이며 유체가 흐르는 구멍이 있어서 이 구멍을 통과하는 사이에 열교환하는 구조의 열교환기.

블록재질로는 불침투성 흑연(黑鉛)등이 있으며, 황산(黃酸)이나 염산(鹽酸)등인 유체에 사용된다.