열교환기의 종류

1. 유체의 흐름 배열에 따른 분류

1) Single Pass HE

유체가 열교환기를 한번만 흘러가는 형태로 구성된 형태를 의미하며, Parallel / Counter / Cross Flow 등이 있다.

 

2) Multi Pass HE

유체가 열교환기의 양쪽 끝을 여러 차례 왕복하며 흐르도록 구성된 형태를 의미하며 가장 일반적인 형태이다. 다관원통(Shell & Tube)형, Plate형, Extended Surface 형식이 대표적이다.

 

 

2. 기하학적 형태(구조)에 따른 분류

1)다관원통식(Shell & Tube) 열교환기

화공 플랜트에서 가장 널리 사용되는 열교환기 형태로 넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있고, 적용 유체 및 재질의 범위가 매우 넓고, 신뢰성과 효율이 높다.

 

그림 a. 단일 shell 통로와 단일 관 통로를 가진 Shell & Tube 열교환기

2) 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기

직경이 다른 두개의 관을 동심원 형태로 구성하여, 내관은 전열관, 외관은 shell인 형태이다. 전열관내 및 외관동체의 환상부에 각각 유체를 흘려서 열교환시키는 구조이다. 구조는 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결 시킬수가 있다. 그러나 전열면적이 증대됨에 따라 다관식에 비해 전열면적당 체적이 커지며 가격도 비싸게 되므로 필요 전열면적이 20m2이하인 소형 열교환기에 많이 사용된다. 이중관식 열교환기에서는 내관 및 외관의 청소점검을 위해 그랜드(Gland) 이음으로 전열관을 분리할 수 있는 구조로 만드는 경우가 많다. 이같은 구조에서는 열팽창과 진동 등의 이유로 이음 부분에서 shell측 유체가 누설되는 경우가 있으므로 shell측 유체는 냉각수와 같은 위험성이 없는 유체 혹은 저압유체를 흘린다.

온도에 의한 열팽창에 자유로운 U자형 전열관과 shell 로 구성되며, 전열관을 쉽게 분리할 수 있는 구조인 머리핀(Hair Pin)형 열교환기도 있다. 전열효과를 증가시키기위해 전열관 외면에 길이 방향으로 핀(fin)을 부착시키거나, 난류를 촉진시킬 수 있는 특수한 모양의 fin을 부착하는 경우도 있다.

그림 b. 이중관형 열교환기. (a)평행유동, (b)대향유동

3) 평판형(Plate Type) 열교환기

유로 및 강도를 고려하여 요철(凹凸)형으로 프레스 성형된 전열판을 여러 장 겹쳐 그 사이로 유체를 흐르게 한 구조의 열교환기이다. 전열판은 분해할수 있으므로 청소가 완전히 되고 보존 점검이 쉬울뿐만 아니라 전열판 매수를 조정하여 용량을 조절할 수 있다. 전열면을 개방할 수 있는 형식은 각 판 사이에 고무나 합성수지 가스켓을 사용하므로 고온 또는 고압용으로서는 적당하지 않다. 액체와 액체와의 열교환에 많이 사용되며 한계사용압력 및 온도는 각각 약 20kg/cm2G, 150℃이다. 충분히 발달된 난류흐름이 형성되므로 열전달 계수가 높아 효율은 좋으나, 식품공정과 같이 자주 세척하여 청결을 유지할 필요가 있는 경우에 주로 사용되며 아래와 같은 경우에는 적절하지 못한 것으로 알려져 있다.

- 0.5mm이상의 고체 입자를 함유한 액체

- 열전달 면적이 2500 m2이상

- 25 kg/cm^2G및 250℃이상

- 상변화가 있는 경우

 

가스켓을 사용하지 않고 용접 또는 납땜에 의해 일체로 제작된 것은 사용압력 및 온도의 제한이 완화 되지만 전열면의 점검이나 청소를 할 수 없으므로 부식성 또는 오염이 심한 유체에는 사용할 수 없다. 최근에는 제작기술의 발달로 전열면의 청소가 가능한 구조의 용접식 Plate 열교환기도 생산이 되고 있다.

 

4) 공냉식 열교환기(Air Cooled Heat Exchanger)

주로 냉각 전용 열교환기로서, 냉각수를 사용하는 대신 공기를 냉각유체로 하고 팬을 사용하여 전열관의 외면에 공기를 강제통풍시켜 내부유체를 냉각시키는 구조의 열교환기이다. 공기는 열용량이 물에 비해 매우 작으므로 보통 전열관에는 원주 방향으로 핀을 부착한 관이 사용된다. 공냉식열교환기에는 튜브 Bundle 전단에서 공기를 부는 방식인 압입통풍형과 Bundle 후단에서 공기를 흡입하는 유인통풍형이 있다. 냉각식열교환기는 냉각수가 필요없으므로 최근 그 이용이 급격히 증가되고 있다. 그러나 Shell & Tube 형에 비해 설치면적이 비교적 넓고, 소요 전열면적이 크기 때문에 가격이 비싸고, 외부 공기의 온도변화에 따른 열전달 효율제어와 겨울철 동결 가능성 등의 단점이 있다.

 

5) 가열로 (Fired Heater)

버너를 이용하여 액체 또는 기체연료를 연소시켜, 이때 발생하는 연소열로 직접 관 내의 유체를 가열하는 방식이다. 연소열을 직접 이용하므로 열전달 효율이 좋으며, 가장 큰 열량을 얻을 수 있다. 그러나 열전달은 복사와 대류가 함께 작용하는 복합 열전달을 고려해야하므로 설계하기가 매우 어렵고, 배출가스로 인한 공해유발의 가능성도 설계시 고려해야 한다.

 

6) Spiral 열교환기

탱크나 기타 용기내의 유체를 가열하기 위하여 용기내에 전기 코일이나 steam coil을 설치한 방식이다. 용기 내에 교반기(agitator)를 사용하면 강제대류 효과에 의해 열전달 계수가 더욱 커지므로 큰 효과를 볼 수 있다.

 

3. 기능에 따른 분류

1) 열교환기 (Heat Exchanger)

좁은 의미의 열교환기는 일반적으로 상변화가 없이 열을 교환하는 장치를 말하고, 넓은 의미로는 냉각기, 응축기등을 포함한다.

 

2) 냉각기 (Cooler)

냉각수등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 냉각한다.

 

3) 응축기 (Condenser)

온도가 낮은 유체나 냉각수등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 부분응축 (Partial Condensation) 또는 완전히 응축(Total Condensation)시키는 열교환기를 말한다.

 

4) 증발기 (Evaporator)

용액의 농도 또는 질를 향상 시키기 위해, 고온유체 또는 steam등의 가열매체를 이용하여 용매를 증발시켜, 제거하는 열교환기이다.

 

5) 재비기 (Re-boiler)

Hot oil 또는 steam과 같은 가열매체를 이용하여 증류탑 하부의 액체를 계속적으로 증발시켜, 증류탑의 운전에 필요한 열량을 하부에서 연속적으로 공급하는 특수한 목적의 열교환기이다.

공급 열량은 주로 발생 증기의 량으로 조절하며, 유체의 유동은 별도로 외부에서 공급하는 동력없이 열사이폰(thermosiphon) 원리에 따라 저절로 이루어지도록 하는 방식(Thermosiphon Reboiler)이 일반적이다.

 

6) 예열기 (Preheater)

공정으로 유입되는 유체를 미리 가열하는 열교환기이며, 이때 가열매체는 공정유체 또는 steam 등을 이용한다.

 

7) 폐열 회수기 (Waste Heat Recovery HE)

모든 공정이 완료되어 시스템의 외부로 나가는 유체가 보유하고 있는 열에너지를 회수하여 프랜트 전체의 에너지 효율을 향상시키기 위한 목적의 열교환기를 말한다.