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열교환기
熱交換器 heat exchanger 뜨거운 유체에서 찬 유체로 열을 전달하여 뜨거운 유체의 에너지를 감소시키고 찬 유체의 에너지를 증가시키는 장치(→ 색인 : 열전달, 온도). 개요 열교환기는 여러 다른 형태로 제작되며 다방면의 기술에 광범위하게 사용된다. 예를 들면 화력발전소·핵발전소, 가스 터빈, 가열장치, 공기조절기, 냉동장치 그리고 화학산업에 사용된다. 특별한 형태의 열교환기가 인공위성과 우주선을 위해 개발되었다. 열교환기는 특별한 목적을 위해 쓰일 때는 다른 이름들로 불린다. 따라서 보일러·증발기·과열기·응축기·냉각기 등이 모두 열교환기를 의미한다 (→ 색인 : 냉각장치). 작동원리
열전달 방법 열교환기에서 뜨거운 유체로부터 찬 유체로 열을 전달하는 데는 여러 물리적 과정이 포함되어 있다. 고체의 벽을 통하여 한 표면에서 다른 쪽 표면으로 열이 흐르는 과정을 열전도라고 한다. 이것은 특별한 방법으로 시각화해야 한다. 즉 벽의 각 원자는 그 에너지를 낮은 온도의 이웃 원자에게 줌으로써 벽의 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 열에너지를 전달한다. 이 열속을 만드는 데 필요한 온도차이는 벽의 두께, 벽표면의 면적, 그리고 벽의 열전도율과 관계가 있다.(→ 열전도). 유체에서 고체 표면으로의 열전달은 부분적으로 전도에 의해 일어난다. 그런데 그 열전달에는 유체가 열교환기를 통해 이동하면서 열도 같이 따라서 이동하는 과정이 부가된다. 이 과정은 대류라고 부르며 흐름의 성격에 의존한다. 자연에서 발생하는 흐름에는 2가지 형태가 있다. 하나는 층류(層流)라고 불리며 유체의 입자들이 서로 나란히 매끄럽게 움직이는 것이다. 또다른 하나인 난류(亂流)의 조건에서는 파동과 소용돌이가 계속해서 생겼다가 없어지곤 한다. 이러한 소용돌이가 평균적인 흐름에 겹쳐지면 유체입자들이 계속해서 혼합된다. 관 내부의 흐름이 층류 또는 난류인가는 관의 지름, 유체의 속도, 유체의 점성과 관계가 있다. 속도와 관의 지름이 작고 점성이 클 때의 흐름은 층류적인 경향을 띤다. 예를 들면 층류는 기름냉각기에서 나타나는데 이는 기름의 점성이 크기 때문이다. 물과 같은 액체 또는 기체를 사용하는 열교환기는 대개 난류로 동작한다. 유체 내에서 관벽으로의 층류의 열전달은 주로 전도로 일어난다. 따라서 열전달은 유체의 열전도율과 관의 지름에 의해 결정된다. 액체는 기체보다 열전도율이 상당히 크며 따라서 더 빨리 열을 전달한다. 액상(液狀) 금속은 특히 큰 열전도율을 갖기 때문에 작은 온도차로 큰 열량을 전달해야 하는 공학적 응용분야에 쓰인다. 핵반응로 중에서도 열전달 매체로서 액상금속을 사용하는 것이 있다. 위에 설명된 난류의 혼합과정은 유체 내에서 관벽으로 열을 전달하는 3번째 기구이다. 이 과정이 유체의 속도에 크게 의존하는 것은 이해가능한 일이다. 따라서 난류에서의 열전달은 층류에서보다 더 크다.
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열교환기
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