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열교환기(heat exchanger)는 액체나 기체 등의 유체(보통 냉매)를 가지고 서로 다른 온도차를 이용하여 열을 효율적으로 이동시키는 장치로써, 가열 및 냉각의 목적으로 사용됩니다.
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Shell \u0026 Tube 열교환기의 구조
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원리 기 열교환 [6XUMS3]
열전달계수 [heat transfer coefficient] 11 가열기 냉각기 증발기 응축기 등에 사용되며 유체에 열을 주기 열교환기 원리 열교환기는 직접가열 방식이 …
Source: 158.vini-biodinamici.roma.it
Date Published: 5/28/2021
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- Author: RPE’s PV \u0026 Tank – 플랜트 장치설계 채널
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- Date Published: 2022. 4. 28.
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열교환기(heat exchanger)
열교환기(heat exchanger)는 액체나 기체 등의 유체(보통 냉매)를 가지고 서로 다른 온도차를 이용하여 열을 효율적으로 이동시키는 장치로써, 가열 및 냉각의 목적으로 사용됩니다. 열교환기는 냉장고, 에어컨, 발전소, 냉각탑, 컴퓨터, 자동차의 라디에이터, 살균기 등에 다양하게 사용됩니다.
위의 그림은 스파이럴 열교환기로써 역류방식의 회전형 열교환기로써 열효율이 좋습니다.
서로 다른 온도의 유체를 서로 같은방향 또는 반대방향(역류)으로 이동시켜 열교환을 시킬 수 있는데, 이때 서로의 온도가 평형을 이루거나 역전하게되며 열교환을 이룹니다. 같은방향보다는 역류방향이 더 효율이 좋습니다.
<그림출처 : Heat exchanger - 위키백과>
위의 그림은 판형열교환기로써 서로 다른 온도의 유체를 엊갈리게 순환시킴으로써 서로의 온도가 전도되어 열교환을 발생시키는 장치입니다.
이상적인 열교환기는 기체와 액체의 상변화를 통한 온도의 변화에 따른 순환시스템을 이용하는 것입니다. 에어컨이나 냉장고 등은 기체와 액체의 상변화과정을 거치면서 잠열의 흡수와 방출을 통하여 주변온도의 변화를 일으킵니다.
에어컨의 냉매는 증발기를 빠져나오면서 고온, 고압의 기체 냉매가 되며, 다시 콘덴서를 빠져나오면서 저온, 저압의 액체 냉매가 됩니다.
위의 그림은 에어컨의 실외기인 콘덴서(응축기)입니다. 보통 콘덴서안에 컴프레서(압축기)가 내장되어 있습니다. 에어컨(냉장고)에서 컴프레서와 콘덴서의 기능을 보면, 컴프레서는 기체를 압축시켜 고온과 고압의 기체가 되게 합니다. 고온과 고압의 기체는 콘덴서를 지나가면서 잠열을 방출하며 주변을 뜨겁게하고 자신은 차가워지며 액체가 됩니다(액화된다). 즉, 콘덴서는 고온과 고압의 기체(냉매)를 압축시켜 액체로 만드는 장치입니다. 액체로 만드는 이유는 추후에 실내기인 증발기에서 액체가 기체가 되면서 증발잠열(기화열)에 의해 주변의 열을 빼앗아 주변을 차갑게하기 위함입니다. 이것이 반복되는 구조입니다. 콘덴서(응축잠열)와 증발기(증발잠열)는 서로 대칭이며, 컴프레서와 팽창밸브는 서로 대칭이 되는 기능을 합니다. 에어컨은 기체를 압축시키는 컴프레서(보통 검은색의 핸드볼공처럼 생김)에서 에너지(전력)를 많이 소모합니다.
응축기 : 기체 → 액체, 자신은 차가워지며 주변의 온도를 상승, 에어컨 실외기
압축기와 응축기는 한 세트.
증발기 : 액체 → 기체, 자신은 뜨거워지며 주변의 온도를 하강, 에어컨 실내기
팽창밸브와 증발기는 한 세트.
<그림출처 : Heat pump and refrigeration cycle - 위키백과>
실외기를 작동시키지않거나 고장이 나면, 실내기가 차가워지지 않는데, 그이유는 에어컨의 핵심부품이며 가장 비싼 부품인 실외기에 있는 컴프레서에서 기체를 고온과 고압으로 만들어야하며, 또한 콘덴서에서 최대한 열을 방출해줘야만 그만큼 냉매의 온도를 떨어뜨려 증발기에서 증발시킬때 주변의 열을 흡수하여 실내를 차갑게 할 수 있기 때문입니다.
줄-톰슨 효과로 인하여 헬륨, 수소, 네온을 제외한 대부분의 기체들은 이상기체가 아니므로 기체에서 액체가 될때 열을 방출하며 주변을 뜨겁게 합니다. 냉매들은 이와반대로 액체에서 기체가 될때 열을 잘 흡수하며 주변을 아주 차갑게 하는 것인데, 냉매는 이러한 수축과 팽창의 기능이 아주 뛰어난 유체입니다(위상의 변화가 크다). 이상기체들은 반응성이 약하므로 냉매로써의 기능은 없습니다. 공기는 환경오염이 없지만 위상변화가 작고 효율이 낮아 냉매로는 부적절합니다. 냉매가 갖추어야할 주된 특성은 다소 낮은 비등점(끓는점), 높은 기화열(액체가 기체가 될 때 외부에서 흡수하는 열), 응축시키기 쉬움 등입니다. 물과 알코올은 냉매로는 잘사용하지 않지만 굳이 비교하자면(물이 냉매로 사용 불가능한 것은 아니다), 알코올이 물보다 비등점이 낮지만, 물이 알코올보다 기화열이 높기 때문에 장단점이 있습니다. 물은 기화열이 높아 냉매로써는 아주 우수하지만 끓는점이 너무 높습니다. 일반적인 냉매들은 물보다도 기화열이 낮지만, 끓는점이 영하이어서 냉매로 많이 사용됩니다(상온에서 기체상태).
냉장고와 에어컨은 단열압축, 등온방열, 단열팽창, 등온흡열로 이루어지는 역카르노사이클이며, 저온열원에서 열을 흡수하여 고온열원에서 열을 방열하는 사이클을 가집니다. 이를 증기압축냉동사이클이라고도 합니다.
<강제송풍 습식냉각탑>
원자력발전소 등에서 고온의 원자로 등을 식히기 위해 사용된 뜨거워진 액체를 다시 차가운 액체로 재사용하기위해 사용되는 냉각탑(cooling tower)은 일종의 열교환기로써 에어컨의 실내기인 증발기와 유사한 기능을 합니다. 뜨거워진 액체를 분출시키면 증기가 배출되고 이때 액체가 기체가 되면서 증발에 필요한 주변의 열에너지를 흡수하며 주변의 뜨거운 액체는 차가워집니다. 물은 냉각탑 아래로 떨어지며 증발현상을 돕기위해 밑에서 공기를 불어넣습니다. 이과정에서 액체의 일부는 증기로 손실됩니다.
<그림출처 : CoolingTower - 위키미디어>
위의 그림들은 습식냉각탑의 작동원리로써 직교류형(crossflow)와 향류형(counterflow) 방식입니다. 기본적으로 작동유체와 증발유체가 같은 증발냉각의 원리를 이용합니다. 증발냉각은 증발잠열의 원리를 이용하는 것은 같지만 순환냉매를 사용하며 4단계의 상태를 구분하는 에어컨과 냉장고의 증기압축냉동과는 다릅니다. 증발냉각은 유리잔의 뜨거운물에서 증기형태의 기체가 증발되면서 주변의 물의 온도가 식는 것과 같은 원리입니다.
<그림출처 : Geothermal power - 위키백과>
지열발전은 땅속의 온천 등의 뜨거운 물을 이용하여 증기로 만들고 이를 발전시키며, 다시 응축기나 냉각탑을 통해 온도를 낮추어 다시 땅속으로 주입합니다.
일반적인 석탄 화력 발전소의 도해
1. 냉각탑 10. 증기 조절밸브 19. 과열기 2. 냉각수 펌프 11. 고압 증기터빈 20. 통풍용 송풍기 3. 3상 송전선 12. 탈기기 21. 재열기 4. 3상 승압 변압기 13. 급수가열기 22. 공기 흡입기 5. 3상 발전기 14. 석탄 운반장치 23. 이코노마이저 6. 저압 증기터빈 15. 저탄기 24. 공기예열기 7. 복수기 펌프 16. 석탄 분쇄기 25. 집진기 8. 복수기 17. 보일러 증기 드럼 26. 통풍 촉진용 송풍기 9. 중간 압력 증기터빈 18. 석탄 바닥재 모음장채 27. 굴뚝
<그림출처 : 화력발전소 - 위키백과>
협의의 의미에서 열교환기는 두 유체의 온도를 바꾸어주거나 뜨거운 것을 회수하거나 차가운 것을 회수하는 장치이고, 광의의 의미에서 열교환기는 가열기, 냉각기, 응축기(복수기), 조절밸브, 냉각수 등을 모두 포함하는 장치입니다. 위의 발전소들은 열의 온도차나 열에너지를 이용하여 전기에너지로 바꾸는 장치입니다. 이과정에서 열교환기나 냉각탑 등을 통해 뜨거운 유체는 차가운 유체가 되어 계속 순환과정을 거칩니다.
화력 발전소의 효율은 증기의 절대 온도의 비율에 제한되어 있어, 효율을 높이기 위해서 증기를 고온 및 고압으로 만드는 것이 중요합니다. 과거에는 물대신에 수은을 이용한 화력 발전소 실험이 있었는데, 수은은 물보다 더 높은 온도를 가지면서도 더 낮은 압력으로 발전하는 것이 가능하였으나, 수은의 독성과 낮은 열순환능력으로 인해서 사용되지 않습니다.
<그림출처 : 랭킨사이클 - 위키백과>
세계에서 생산되는 발전소의 전력 중 약 90%가 위와 같은 랭킨사이클(rankine cycle)을 통해 생산됩니다. 랭킨사이클은 압축과정과 팽창과정의 비체적의 차이를 최대로 하기 위하여 기체와 액체 사이의 상변화를 이용하며, 열이 공급되거나 방출될때 온도의 변화가 클수록 사이클의 효율이 증가합니다. 발전소의 장비에는 여러가지로 구성되어 있지만, 가장 핵심적인 장비는 4가지인데, 이는 랭킨사이클의 열역학적인 특성을 구분할 수 있는 음양태소의 사상체질 시스템으로 볼 수 있습니다.
열교환기 구조,기능,용도 알아보기
케로아빠
열교환기란?
열교환기란 온도가 높은 물체에서 낮은 물체에 효율적으로 열을 이동시키기 위해 사용하는 장치로써 액체와 기체 등의 유체를 취급합니다. 즉 열교환기는 가열 및 냉각 등의 용도로 사용됩니다. 열교환기는 고열량의 물체와 저열량의 물체가 상호간에 열을 교환할 수 있도록 만들어진 기계장치로 이해하시면 됩니다. 그럼 이런 열교환 장치는 어디에 쓰일까요? 우리가 쉽게 알 수 있는 용도로는 온수를 사용하고자 할 때, 온도제어를 자유롭게 하고자 할 때, 서로 다른 매체를 제어하고자 할 때, 냉각을 시키고자 할 때, 폐열을 이용해서 온도를 높이고자 할 때 등 다양한 용도에서 사용됩니다.
열교환기는 건물의 냉난방용으로 사용되는 보일러에서 온수를 공급하는 온수가열기, 벙커유를 예열하는 오일히터, 배기가스의 폐열을 이용하는 과열기, 절탄기, 공기 예열기 등이 있습니다. 또 냉방용으로는 증발기, 응축기, 냉각탑 등이 열교환기의 원리를 이용한 장치들입니다.
열교환기의 다양한 기능과 용도
히터(Heater)
유체를 가열해 필요한 온도까지 온도를 상승시키는 목적으로 사용됩니다.
프리 히터(Pre-Heater)
유체에 미리 열을 줌으로써 다음 단계의 효율성을 높이기 위한 예열의 목적입니다.
슈퍼 히터(Super-Heater)
유체를 재차 가열해 과열 상태로 만드는 것을 목적으로 사용됩니다.
베이퍼라이저(Vaporizer)
액체를 가열해 증발시켜 이때 발생한 증기를 이용하는 것을 목적으로 사용합니다.
리보일러(Reboiler)
장치 중 에서 응축된 액체를 다시 가열하고 이를 증발시킬 목적으로 사용합니다.
쿨러(Cooler)
유체를 냉각해 필요한 온도 아래로 낮추는 것을 목적으로 사용합니다.
칠러(Chiller)
빙점 이하 저온으로 냉각시킬 목적으로 사용합니다.
콘덴서(Condenser)
응축 기체를 냉각해 액화시키는 목적에 사용합니다. 특히 스팀을 응축시켜 물로 만드는 열교환기로 복수기라고 부릅니다.
열 교환기(Heat Exchanger)
유체간의 열 교환을 시켜서 동시에 한쪽을 가열, 다른 쪽을 냉각시키는 목적에 사용하는 열교환기를 말합니다.
2상 흐름 열교환기 (Two Phase Flow Heat Exchanger)
2상의 혼합물이 Shell측 또는 Tube측으로 흐르는 열교환기를 말하며 응축기와 리보일러 등으로 구별됩니다.
열교환기의 작동 원리
판형열교환기의 작동원리
▶ 뜨거운 물이 상단으로 투입돼 열교환기를 지나 열을 빼앗기고 아래로 돌아 나갑니다. 후면의 찬 물은 하단으로 투입돼 열교환기를 지난 후 열을 얻어 상단으로 나갑니다. 여기서 열판과 열판 사이는 뜨거운 물과 찬 물이 교차로 이동하며 열 전달을 가능하도록 합니다.
▶ 열교환기는 온도가 서로 다른 유체를 접근시켜 유체의 열을 서로 상호 교환하는 역할의 장치를 말합니다. 위 그림의 판형 열교환기는 열판을 이용해 열교환이 발생하도록 만든 구조이다. 열판 사이로 한쪽 면은 뜨거운 유체. 다른 면은 상대적으로 온도가 낮은 차가운 유체를 통과시켜 뜨거운 유체의 열이 차거운 매체로 전달되도록 설계된 열교환 장치입니다.
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열교환기의 효율적관리로 건물에너지 절약하자.
1. 열교환기의 개념
2. 열교환기의 종류
빌딩이나 사무실에는 기본적으로 난방, 냉방, 온수 시설이 되어 있습니다. 이것을 담당하는 기계가 열교환기 입니다. 건물의 보일러라고 쉽게 생각할 수도 있지만, 실제로는 다양한 종류와 방식이 있지요. 이 열교환기에 대해 잘 이해를 하고 있어야 건물의 에너지 낭비를 막을 수 있습니다.열역학 법칙에 의해 고온 물체의 열을 저온의 물체로 이동하는 열의 관계를 상용화한 것을 열교환기(heater exchanger)라고합니다. 또한 열교환기는 고열량의 물체와 저열량의 물체가 상호 열을 교환할 수 있도록 만들어진 기계적 장치라고도 합니다. 건물에서 냉.난방을 위해 필수적인 보일러에서 사용되는 열교환기는 온수를 만드는와 벙커유를 예열하는, 배기가스의등이 있고, 냉방에서는등이 열교환기에 속합니다.난방 및 온수용으로 가장 많이 사용하고 있는 쉘 앤 튜브식 열교환기는 원통형의 쉘 내부에 다수의 관군을 삽입한 형태입니다. 쉘의 내부에 가열하는 물질을 코일에 열매를 통과시켜 열교환을 하는 형태입니다.
쉘 앤 튜브식 열교환기 내부구조
63빌딩에 설치된 쉘앤튜브식 열교환기
1)고정관판식
제작비가 비교적 싼 편이나 전열관이 양쪽 관 판에 고정되어 있으므로 동체 측의 청소가 불가능 하고 두 유체의 온도차가 100도 이상인 경우 동체측에 열팽창을 흡수할 수 있는 장치를 해 주어야 합니다.
2)유동두식
제작비가 고정 관판식에 비해 비싸거나 열팽창에 대해 자유롭고 내부를 쉽게 청소 할 수 있습니다. 고정관판식과 마찬가지로 방해판을 설치하여 열효율을 높여 줍니다.
3) U자관식
유동두식에 비하여 제작이 간편하고 제작비가 저렴하나 U자 모양이어서 기계청소가 어렵습니다.
대구경관에 수구경관을 삽입하여 각각의 관에 가열 유체와 열매를 통과시키 열을 교환합니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하며, 고압용으로 제작이 가능하고 전열면의 증감이 자유로워 규모가 작은 건물에서 많이 사용합니다.
이중관식 열교환기 내부구조
여러 개의 판을 조합하여 각 각의 면으로 유체와 열매를 통과시켜 열을 교환하는 형태입니다. 유로 및 강도를 고려하여 요철형으로 프레스 성형된 전열판을 포개어 교대로 각각의 유체가 흐르는 구조의 열교환기입니다.고무 또는 합성수지제 가스켓을 사용하기 때문에 고압 및 고온용으로 적합하지는 않지만, 전열판은 쉽게 분해 청소를 할 수 있고, 보수점검이 용이하며, 전열판의 개수의 증감에 따라 용량의 조절이 가능하며, 컴펙트하여 설치 공간이 많이 필요하지 않아 냉.난방, 약품, 식품, 화학공업 설비에서도 많이 사용되고 있습니다.
판형 열교환기 내부구조
63빌딩에 설치된 판형 열교환기
1) 플레이트식 열교환기
유체의 통로 등을 고려하여 판이 조밀하게 배열되어 있으며, 열매와 유체는 그 판과 판사이를 통과하면서 열을 교환합니다. 특징으로는 세관 및 점검이 용이해 유로 면적이 적게 차지하며, 가장 효율적인 열교환 방식입니다.
2) 플레이트판식 열교환기
파형판과 평판을 교대로 겹친 형태로 전열면적이 크고 무게가 가볍습니다.
3) 스파이럴형 열교환기
두 장의 전열판을 일정한 간격 상태에서 시계 태엽 모양으로 감아서 오염저항 및 저유량에서 심한 난류 등이 발생되는 곳에서 사용합니다. 열팽창이 심하게 발생하는 곳에서도 견딜수 있고 이물질 등이 함유된 유체나 고점도를 가진 유체에 적합하며 보일러 열교환기나 냉동의 콘덴서로도 사용할 수 있습니다.
1) 다관식 열교환기는 온도, 압력 제한없이 냉각, 가열, 증발 및 응축의 모든 용도로 사용할 수 있지만, 설치 면적이 크게 차지하고 유지보수 비용이 높습니다.
2) 브록식 열교환기는 부식성이 서로 다른 약품의 열교환용으로 사용하므로 금속 재료의 선택이 어렵고 황산, 염산의 열교환에 적합하나 한정적으로 사용됩니다.
3) 쟈케이트식 열교환기는 저장탱크나 반응기의 동체를 쟈케트화 시킨 구조이며, 열교환 효율이 낮아 액체의 온도를 일정하게 사용하는 건물에 적용합니다.
4) 공냉식 열교환기는 냉각수 대신 공기를 냉각 매체로 사용하는 열교환기로서 물 탱크나 냉각수 수질관리 등이 필요 없으나, 설치면적이 크게 차지하고 비용과 소음이 심하며, 효율이 낮은 단점을 지니고 있어 제한된 장소가 아니면 설치가 용이하지 않습니다.
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대표적인 3가지 외에 다관식 열교환기, 브록식 열교환기, 쟈케트식 열교환기, 공냉식 열교환기 등이 있습니다.건물에서 가장 많이 사용되는 열교환기는 난방 및 온수용으로는 쉘 앤 튜브식이며, 냉방용으로는 판형 열교환기가 주를 이루며 가장 효율적입니다. 또한 건물마다 냉방장비가 설치되어 부속설비로 열교환기 설비가 있으나, 이에 대한 이해가 부족하고 관리가 소홀해 장비의 수명과 열효율이 떨어지는 것이 사실입니다. 그러므로 효율적인 에너지 사용을 위해서는 열교환기의 종류와 특징을 잘 알고 관리하는 것이 더욱 필요합니다.
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