열교환기heat exchanger
요약 화력발전소·핵발전소, 가스 터빈, 가열장치, 공기조절기, 냉동장치, 화학산업 등에 사용되는 보일러·증발기·과열기·응축기·냉각기 등의 장치. 열교환기는 기본적으로 2가지 액체가 흐르는 서로 다른 관의 경계면에서 열이 관의 벽을 통해 전달되는 원리를 이용한다. 대용량의 열교환기는 관들의 다발을 이용하여 두 유체 중 한쪽 유체가 흐르게 한다. 관들은 외각틀에 싸여 있으며 그 사이의 공간으로 다른 유체가 흐르도록 하여 열교환 작용이 잘 일어나도록 한다.
열교환기
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개요
두 가지의 액체가 든 관을 이용해서 한쪽의 열을 다른 쪽으로 전달하는 장치. 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(냉각장치).
작동원리
열교환기의 기본 원리는 보통 동축(同軸)으로 배열된 2개의 관으로 설명된다. 큰 관과 그 안에 들어 있는 작은 관 안에는 2가지 유체가 들어 있고, 각각의 입구와 출구가 있다. 찬 유체가 내관을 통해 흐르고 뜨거운 유체가 내관과 외관 사이에 있는 환상(環狀)의 공간을 통해 같은 방향으로 흐를 때, 이를 평행흐름이라고 한다. 그 안에서 열은 내관(가열표면)의 벽을 통해 찬 유체로 전달된다.
열 교환을 통해 뜨거운 유체에서 찬 유체로 열이 전달되면서 열교환기의 입구에서 있었던 유체간의 온도차는 출구에서 대폭 줄어든다. 이 때 뜨거운 유체가 잃은 열량은 찬 유체가 얻은 열량과 같다. 열교환기는 한 유체의 흐르는 방향이 바뀌면 역흐름으로 동작한다. 역흐름의 구성은 찬 유체의 출구온도가 뜨거운 유체의 출구온도보다 클 수 있다는 장점이 있다. 게다가 같은 열량을 전달할 경우 평행흐름보다 더 작은 표면적을 필요로 한다. 이것은 주어진 열속(熱束)과 입구온도에서 역흐름 열교환기의 평균 온도차가 평행흐름 열교환기보다 더 크기 때문이다.
보다 큰 열교환기는 관들의 다발을 이용하여 두 유체 중 한쪽 유체가 흐르게 한다. 관들은 외각틀에 싸여 있으며 그들 사이의 공간으로 다른 유체가 흐른다. 관의 외부에서 흐르는 유체는 다발 내부를 흐르는 유체의 총체적인 흐름의 방향과 같은 방향이거나 또는 반대방향이 되도록 할 수 있다. 또다른 방식으로는 찬 유체를 가열면을 형성하는 관(내부관)들과 평행하게 흐르도록 분포시키고, 그 관들의 끝부분에서 다시 모이게 하는 방식이 있다.
핵반응로에서 연료막대는 관을 대치하며 막대 주위로 흐르는 찬 유체는 핵분열과정에서 생성되는 열을 흡수한다. 같은 방법으로 전기저항열선이 들어 있는 막대는 막대 사이의 교환기를 통해 흐르는 유체에 열을 공급한다.
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.
종류
우주선에 사용되기 위해서는 특별한 형태의 열교환기가 개발되어야 했다. 이들 우주선은 진공에서 동작하므로 열은 전도나 대류에 의해서 전달될 수 없다. 여기서의 열전달은 열복사라고 불리는 또다른 과정에 의해 실행되어야 한다.
그와 같은 열교환기에 적용되는 열전달 과정은 지구가 태양으로부터 에너지를 받는 과정과 같다. 복사에 의한 에너지 전달은 특히 고온에서 유효하다. 고온에서 동작하는 장치(예를 들어 증기 보일러나 가스 터빈)의 열전달은 전도성과 대류성 열전달에 복사를 더해서 일어난다. 특별한 목적으로 열교환기를 제작할 경우, 열교환기의 중량, 사용한 물질, 투입된 노동력으로 인한 초기 비용은 필요한 전력에 소비되는 운영비와 균형을 이루어야 한다.
대개는 전기 에너지의 형태인 동력은 열교환기에서 유체의 압력강하를 막는 데 소비되어야 한다. 열교환기를 최적화하는 문제에 많은 연구가 행해졌다. 일반적으로 관의 지름과 관 사이의 여유 공간이 작으면 초기 비용과 운영비가 줄어든다는 것이 알려졌다.
재생식 열교환기
재생식 열교환기는 다공성 물질을 통해서 뜨겁고 찬 유체가 교대로 관을 따라 흐른다. 열은 뜨거운 유체가 통과하여 흐르는 동안 다공성 물질(맥석)에 저장되며, 찬 유체가 지나갈 때는 다공성 물질로부터 찬 유체로 열이 방출된다.
맥석은 판금·그물망·섬유 또는 다른 성분으로부터 여러 가지 방법을 통해서 만들 수 있다. 세라믹이나 유리 같은 비금속 물질도 사용되었다.
단위부피당 표면적은 작은 크기를 가진 많은 경로를 만듦으로써 매우 크게 할 수 있다. 이것으로 소형 열교환기가 만들어진다. 두 유체의 교대적인 흐름은 적당한 시간에 두 유체의 입구관과 출구관을 개폐하는 밸브에 의해 조절할 수 있다. 또는 두 유체의 경로를 통해서 맥석이 회전하는 방식으로 열교환기를 설계할 수 있다. 그러한 열교환기는 1930년대 무렵부터 시작해 증기 발전설비에 자주 사용되었다. 이 열교환기는 소형이기 때문에 자동차·비행기 또는 다른 운송수단에 동력을 전달하는 가스 터빈에 적당하다.
열 파이프
열 파이프라고 하는 또다른 종류의 열교환기가 최근에 많은 관심을 끌었는데, 이것은 가능한한 온도 차이를 작게 유지하면서 비교적 먼 거리에 열을 전달하는 데 쓰인다.
열 파이프는 양끝이 막힌 공동(空洞)의 관으로 이루어져 있고 원하는 온도에서 끓는 액체에 부분적으로 채워져 있다. 관의 한쪽 끝은 뜨거운 영역에 담겨 있고 다른 쪽 끝은 차가운 영역에 담겨 있다. 이의 목적은 관을 통해서 뜨거운 영역에서 차가운 영역으로 열을 전달하는 것이다. 이 과정은 관의 낮은쪽 끝이 뜨거운 영역에 담겨져 수직으로 세워져 있다고 가정할 수 있다.
액체는 관의 낮은쪽 끝을 채우며 뜨거운 영역의 온도가 액체의 증발온도(또는 끓는점)를 넘으면 끓기 시작한다. 액체의 증기가 쌓이면 관의 낮은 쪽 끝 부분의 압력이 증가한다. 이로 인해 증기는 위로 올라가며 찬 영역의 온도가 끓는점보다 낮기 때문에 응축하게 된다. 응축된 액체는 중력으로 인해 관의 내벽을 타고 흘러내린다. 이와 같은 방식으로 액체의 정상순환이 유지된다. 열은 액체를 증발시키는 데 필요하며 끓는 과정에서 뜨거운 영역으로부터 증발열을 얻는다.
유체가 응축될 때는 똑같은 양의 열이 방출되며 차가운 영역으로 전달된다. 결과적으로 유체의 순환으로 따뜻한 영역에서 찬 영역으로 열의 전달이 이루어진다. 1939년에 독일의 기술자 E. 슈미트는 이같은 열전달기구가 그 작동유체가 임계점에 가까울 때 특히 유효하다는 것을 실험으로 증명했다.
1960년에 그는 임계점에 가까운 암모니아나 이산화탄소로 채워진 관은 같은 크기, 같은 온도차인 고체 구리막대보다 뜨거운 영역과 찬 영역 사이에서 전달하는 열량이 4,000배 이상 크다는 것을 보고했다. 이와 같은 종류의 장치는 뜨거운 영역이 차가운 영역의 밑에 위치하는 수직구조로만 동작한다. 이 한계는 1942년에 제너럴모터스사의 R.고글러에 의해 개선되었다. 그는 관의 내벽을 덮는 심지, 즉 다공성 맥석을 포함시켰다.
심지는 많은 모세관 경로를 갖기 때문에, 모세관현상으로 인해 관의 방향이 어디로 향하든 관계없이 관의 차가운 쪽에서 뜨거운 쪽으로 심지를 통해 액체가 전달된다. 심지의 뜨거운 쪽에서 작동유체는 계속 증발하지만 모세관력이 끊임 없이 증발된 액체를 되돌린다. 고글러가 고안한 장치는 널리 알려지지 않았기 때문에 로스앨러모스 과학연구소의 G.M.그로우버가 1963년 그것을 다시 기술했다.
그는 이 장치를 '열 파이프'라고 했으며 우주선의 발전설비에서 열을 전달하는 데 사용하자고 제안했다. 이 장치가 유효한 것은 관의 벽을 통해서 열을 전달시키기 위해 아주 작은 온도차가 필요하다는 사실이다. 게다가 증기로 열을 전달하는 것은 거의 온도차를 필요로 하지 않는다. 이런 식으로 아주 큰 열량을 극히 작은 온도차로 긴거리를 전달할 수 있다.
그 예로 지름 2.5㎝, 길이 69㎝의 열 파이프를 이용해서 측정하기 어려울 정도로 작은 온도차로 11kW의 열속을 전달하기도 한다. 작은 온도차로 큰 열량을 전달하는 능력은 열 파이프의 주요한 특성이다. 이 장치는 그외 또다른 유용한 특징들이 있는데 뜨거운 쪽 또는 차가운 쪽의 열이 전달되는 표면적이 넓이에 관계 없이 동작한다는 것이다.
열이 한 장소에 모이면 열 파이프를 통해 제거되어 넓은 영역으로 분포된다.
이 현상은 전자장비를 소형화하는 데 중요하다. 그런 장비에서 열은 부산물로 생기는데 열 파이프가 많은 열을 장비 내부로부터 흡수하여 냉각기류에 의해 쉽게 제거될 수 있는 곳으로 전달시킨다. 따라서 전자장비를 소형으로 만들 수 있다. 열이 파이프를 통해 아주 작은 온도차로 전달될 수 있다는 사실은 일정한 온도유지가 필요한 공업용 장비에 응용할 수 있다는 것을 뜻하며 우주비행에서 유용한 것으로 밝혀졌다.
열 파이프는 궁극적으로 시간당 전달해야 할 열량에 관계 없이 거의 일정한 온도로 동작하므로 제거해야 할 열량이 변하더라도, 여러 장비의 온도를 일정하게 유지하는 데 쓰인다. 열 파이프는 0℃ 이하에서 2,000℃ 부근까지 넓은 범위의 온도에서 동작하도록 설계될 수 있다. 이것은 파이프에 들어갈 액체와 파이프의 재질을 잘 선택하면 된다. 메탄올, 아세톤, 물, 플루오르화된 탄화수소, 수은, 리튬, 납, 비스무트 그리고 여러 무기염들이 작동유체로 사용되었다. 파이프 자체는 유리·세라믹·구리·스테인리스 강·니켈·텅스텐·몰리브덴·탄탈·그리고 여러 합금으로 만들어졌다. 심지는 소결된 다공성 물질, 직조 망사, 유리섬유, 세로홈이 있는 물질, 그리고 이들 구조의 조합으로 이루어졌다.
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