열교환기

열교환기 원리

열 에너지는 두 물체 사이에 온도 차이가 존재하는 한, 열 평형점에 도달할 때까지 뜨거운 물체에서 차가운 물체로 이동합니다. 열교환기는 이 평형점을 찾는 원리로 작동합니다. 판형 열교환기에서 열은 뜨거운 유체와 차가운 유체를 분리하는 열전달 판을 통해 전달되기 때문에 에너지 차이가 적은 경우에도 유체를 가열하거나 냉각할 수 있습니다. 두 유체 사이의 열 전달 이론의 바탕은 다음과 같습니다.

• 열은 항상 고온에서 저온으로 이동한다.
• 두 물체 사이에는 항상 온도 차이가 존재한다.
• 열복사를 고려하지 않는다면 고온의 물체가 잃는 열의 양과 저온의 물체가 얻는 열의 양이 같다.

열전달의 종류

열전달 방법에는 세 가지가 있습니다.

열은 전자기 복사에 의해 전달됩니다. 태양광이 전자기파의 형태로 지구에 도달하여 대기와 지표에 흡수되는 것이 그 예입니다.

전도는 원자 또는 분자가 운동할 때 고체 또는 정지된 유체를 통해 열 에너지가 이동하며 전달되는 것으로 손난로나 전기 장판이 그 예입니다.

대류는 유체의 한 부분이 다른 부분과 혼합될 때 에너지가 전달되는 것으로 에어컨에 의한 냉난방이 대표적인 대류 현상입니다.

열교환기의 종류와 구조

열교환기는 한 유체에서 다른 유체로 열을 지속적으로 이동시키는 장치로 두 가지 유형이 있습니다.

혼합되지 않는 두 유체가 직접 접촉하는 유형입니다. 그 예로 물과 공기가 직접 접촉하여 냉각되는 냉각탑이 있습니다.

벽면에 의해 분리된 두 유체가 이 벽면을 통해 열을 교환하는 유형입니다.

간접 접촉식 열교환기에는 플레이트, 멀티튜브 및 나선형을 포함한 여러 유형이 있습니다. 판형 열교환기는 종종 가장 효율적인 장치이며 열 전달 문제에 대한 최상의 솔루션을 제공합니다.

쉘앤튜브 열교환기	스파이럴 열교환기	판형 열교환기

판형열교환기와 쉘앤튜브 열교환기

다양한 산업에서 활용되던 쉘앤튜브 열교환기는 더욱 우수한 성능과 내구성을 자랑하는 판형열교환기로 교체되고 있습니다. 판형 열교환기가 같는 특장점을 소개합니다. 

• 얇은 전열판

  • 판형 열교환기의 전열판 두께는 일반적으로 0.4-0.8mm로 다중 튜브 열교환기보다 얇고 열전달 저항이 적어 열교환 효율이 우수합니다.

• 유체난류효과

  • 난류 효과는 고온측과 저온측 유체 사이의 전열 효율을 향상시킵니다. 그 결과, 높은 전체 열전달 계수를 얻어 필요한 열전달 면적을 줄일 수 있어 콤팩트한 열교환기를 제작할 수 있습니다. 또한 이 효과는 전열 표면의 먼지를 자체적으로 세정하는 효과를 제공하여 먼지의 부착을 억제합니다. 결과적으로 장비 세정 간격이 길어져 빈도를 줄이고 기계 가동 시간을 최대화할 수 있게 합니다.

• 동일한 열교환 용량을 가진 다중 튜브 열교환기와 판형 열교환기가 요구하는 유지 보수 공간을 비교해 보면 다중 튜브 열교환기의 1/3~1/5만 있으면 설치가 가능할 정도로 판형 열교환기는 소형화가 가능합니다. 따라서 장비의 일체화를 지원하기도 쉬워지고 무게도 가벼워 설치에 관련된 제반 비용이 절감되는 효과를 얻을 수 있습니다.

• 조임 볼트를 제거하기만 하면 장치를 쉽게 열 수 있어 모든 전열판을 쉽게 검사하고 세정할 수 있습니다.

• 특수 초콜렛 패턴은 플레이트 전체에 높은 난류를 발생시켜 오염물 부착을 억제합니다.

• 가스켓 판형 열교환기는 프레임에 전열판이 내장되는 구조라서 전열판의 수를 늘리거나 줄이는 방법으로 용량을 쉽게 조절할 수 있습니다. 플레이트를 제거하는 것은 볼트를 제거하는 것만큼이나 쉽습니다.

• 다중 튜브 열교환기에 비해 유체 보유량(홀드)이 매우 적기 때문에 작동 조건의 변화에 신속하게 반응하고 유량 온도도 정밀하게 제어할 수 있습니다.

• 압력 용기에 적용되지 않습니다.

• 유체 낭비를 줄이고 비용을 절감합니다.

전열 플레이트 재질

알파라발 판형 열교환기는 유체, 온도 및 압력과 같은 다양한 운전 조건에 맞게 다양한 재질로 제공됩니다. 운전 요구 사항에 가장 적합한 재료를 선택할 수 있습니다.

플레이트 재질 

(*1) 254SMO 는 핀란드 Outokump S.p.A.의 등록상표입니다

(*2) Hastelloy는 Haynes Inc.의 등록상표입니다.

열교환기 설계에 필요한 열전달 계산

다음 6가지 매개변수는 액체/액체 열교환기의 전열 계산을 수행하는 데 중요합니다.

1. 총부하열량 (전열량)
2. 저온 및 고온 유체의 유량
3. 저온 및 고온 유체의 입구 및 출구 온도
4. 저온 및 고온 유체의 허용 압력 손실
5. 최대 작동 온도(설계 온도)
6. 최대 작동 압력(설계 압력)

교환되는 열의 양은 다음 공식으로 구합니다.

Q = k ＊A ＊LMTD

Q = 교환된 열량, kW = kJ/s  {kcal/h}

k = k값; 총괄 전열 계수 (Overall Heat Transfer Coefficient OHTC), kW/(m²･K)  {kcal/(m²･h･℃)}

 👆 더 높은 k값 = 더 효율적인 열전달 

A = 열전달 면적 (m²)  ※목표는 이 값을 최소화하는 것입니다.

LMTD = 대수 평균 온도차,  K  {℃}

 👆 온도 차이로 인해 열전달이 이루어집니다.

 👆 LMTD는 열교환되는 두 매체의 평균 온도차를 의미합니다. 

LMTD（대수 평균 온도차)는 다음 공식을 사용하여 계산합니다.

열교환기에는 대항류와 평행 두 종류의 유체 흐름 방향이 있는데 액체/액체의 경우는 대항류를 사용하면 보다 효율적인 열교환이 가능합니다. 전열량공식 Q=k*A*LTMD를 고려하면, 대항류에서 LTMD가 크기 때문에 열교환량(Q)과 총 열전달계수(k)가 같을 때 열전달 면적(A)을 줄일 수 있습니다.

또한 대항류의 경우, 고온 출구 온도가 저온 출구 온도보다 낮을 수 있으므로(온도 교차 가능), 매우 효율적인 열교환이 가능합니다. 다음에서 동일한 온도 조건(고온측: 90°C 입구 / 출구 45°C, 저온측: 입구 20°C/출구 45°C)에서 반대 흐름과 평행 흐름에 대해 얻은 LMTD를 살펴보면 대항류에 의해 LMTD를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있습니다.

LMTD = (50-25) / ln(50/25) = 25 / ln 2 = 36.1℃

LMTD = (70-5) / ln(70/5) = 65 / In 14 = 24.6℃

총괄 전열계수(k)는 열 흐름의 효율을 나타내는 척도로, 유체의 물리적 특성(밀도, 비열, 열전도율, 점도), 사용되는 열교환기의 종류, 열전달부의 유속, 플레이트 재질 및 두께, 오염 계수를 이용해 효율을 종합한 것입니다. 총괄 전열계수는 W/(^m2・K) 또는 kcal/(^m2・h·°C)로 표시됩니다

k값은 다음 공식으로 계됩니다.

더 높은 k-값을 얻으면 같은 양의 열로 더 작은 열 전달 영역(A)에서 열을 교환할 수 있어 열 교환기의 효율성이 증가합니다. 이것을 위해 높은 난류와 얇은 경계막으로 열 저항 값을 낮춰 높은 a 값을 가져야 합니다.

α₁ : 고온측 유체와 열전달면 사이의 열전달계수 W/(m²･K)  {kcal/(m²･h･℃)}

α₂ : 콜드사이드 유체와 그 열전달면 사이의 열전달계수 W/(m²･K)  {kcal/(m²･h･℃)}

δ : 열전달면의 두께 ｍ

λ :  금속의 열전도도 W/(m･K)  {kcal/(m･h･℃)}

δ / λ : 벽 저항

Rf : 오염계수 m²･K/W  {m²･h･℃/kcal}

• 총열량

대기로의 열 발산을 고려하지 않는다면 한 유체의 열 함량 감소는 다른 유체의 열 함량 증가와 같습니다. 열 전달량(Q)은 kW 또는 kcal/h로 표시됩니다.

• θ 값

θ 값은 한쪽 유체의 △T와 LMTD 간의 관계에 의해 결정됩니다. 

 （δt＝한 유체의 입구 온도와 출구 온도 차이）

• 유량

무게 또는 부피로 표현할 수 있습니다. 질량 유량의 단위는 kg/s 또는 kg/h이고 체적 유량의 경우 l/min 또는 m³/h입니다. (체적 단위를 중량 단위로 변환하려면 체적 유량에 밀도를 곱하십시오)

• 밀도

밀도(ρ)는 kg/^m3로 표시되는 단위 부피당 질량입니다.

• 비열

비열 (Cp)은 물질 1kg의 온도를 1 ° C 높이는 데 필요한 에너지의 양을 의미합니다. 물의 비열은 18°C에서 4.186kJ/(kg·K) {1.0kcal/(kg·°C)}입니다.

• 열전도율

열전도율(λ)은 유체에서 열이 얼마나 잘 전달되는지를 측정한 것으로 W/(m·K)로 표시됩니다. 열전도율이 높을수록 열 전도가 쉽습니다.

• 점도

점도(μ)는 유체가 흐르는 용이성을 측정한 것으로, 센티푸아즈(CP) 또는 센티스토크(cst)로 표시됩니다. 점도가 작을수록 흐르기 쉽습니다.

• 압력강하

압력 강하(ΔP)는 판형 열교환기의 크기와 직접적인 관련이 있습니다. 높은 압력 강하(ΔP)는 높은 난류 효과, 얇은 경계막 및 높은 열 전달을 일으키는 동시에 유체 이송 비용을 증가시킵니다. 최대 허용 압력 강하를 높이고 펌프 동력의 운영 비용이 수용 가능한 경우 열교환기를 작고 저렴하게 설계할 수 있습니다.

• 오염 계수

오염 계수(Rf)는 마진 계수(%) 또는 오염 계수로 표현되며 마진을 나타냅니다. 판형 열교환기는 다중 튜브 열교환기보다 더 높은 난류를 얻도록 설계할 수 있으며, 이는 일반적으로 동일한 사양일 때 더 작은 오염 계수로 충분하다는 것을 의미합니다. 판형 열교환기 설계의 마진은 일반적으로 약 10-20 % 라고 합니다.

 👆 오염은 아래와 같은 현상을 일으킵니다.

• 열전달 감소
• 압력 강하 증가
• 플레이트 재질 손상
• 유체 분배 불량 야기

열교환기와 관련된 오염 유형 및 대책에 대한 안내입니다.  일반적으로 판형 열교환기는 쉘앤튜브 열교환기보다 더 높은 난류 효과 및 전단력을 가지고 있어 오염 발생을 줄이고 보다 효율적인 열 교환을 통해 스케일링 및 결정화의 위험을 줄입니다

• 오염물
  • 돌, 나뭇가지, 깡통, 물고기와 같은 큰 입자가 열교환기를 막아 유지보수 비용 증가, 작동 중단, 열교환 성능 저하 및 부식 등의 문제를 야기
  • 해수,강물,냉각탑수, 공정 유체 등 
  • 대책 : 방지를 위해 스트레이너와 필터 사용 
• 생물
  • 조류 및 박테리아 같은 미생물이 전열판에서 성장하여 막힘을 유발
  • 대책 : 적절한 세정 (CIP) 
• 스케일링
  
  • 용해된 염을 포함하는 유체가 가열 또는 냉각되면 용해도가 변하고 전열판에 염이 침착
  • 대책 : 높은 전단력으로 설계, 수처리 및 정기적인 CIP 수행 
• 미세입자
  • 미세 입자가 열전달 표면에 부착되어 열전달 계수 감소, 열교환기 성능 저하 
  • 필터로 제거하기 어렵고, CIP 세정시 화학 세재로 세척해도 용해가 어려움 
  • 대책 : 압력 강하를 최대한 증가시키기 위해 난류 효과, 전달력을 증가시킬 필요 있음 
• 분자
  • 식품 및 유기 응용 분야에서 발생, 분자의 파괴 또는 중합으로 인해 분자가 플레이트에 부착
  • 압력 강하를 최대한 증가시키기 위해 난류 효과, 전단력 증가 필요 
  • 대책 : 플레이트 온도의 허용치를 확인, 평행 흐름으로 온도 낮춤 

위의 모든 값은 판형 열교환기 유형 선정 및 전열 면적 선정과 관련이 있습니다. 전열판 재료의 선정은 열교환 효율 외에도 강도 및 부식성과 많은 관련이 있기 때문에 중요한 요소입니다. 판형 열교환기의 경우 스테인리스, 티타늄, 254SMO(*1), 하스텔로이 합금(*2), 등이 일반적인 소재입니다.

(*1) : 254SMO는 Outokump Sdn. Bhd.의 등록상표입니다.
(*2) : Hastelloy는 Haynes S.A.의 등록상표입니다.

판형 열교환기는 온도차가 작아도 열을 전달할 수 있고 전열판의 두께(0.4-0.8mm)를 줄일 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 높은 난류 효과에 의해 α의 값을 높일 수 있습니다. 그 결과, 액체/액체 열교환의 경우 일반적인 쉘 및 튜브 열교환기에 비해 약 3-5배(증발, 응축 등의 2상 흐름의 경우 약 2-3배 높음)의 전체 전열 계수 K의 값을 채택할 수 있습니다.

또한 위에서 언급했듯이 판형 열교환기의 크기와 가격에 영향을 미치는 중요한 매개변수는 허용 압력 강하와 LMTD 값입니다. 대부분의 경우 허용 압력 강하와 LMTD 값이 증가함에 따라 열교환기가 더 작아집니다. 특히, 폐열 회수 용도의 경우, 열교환기의 비용(설치비를 포함한 설치비와 유지보수를 포함한 운영비의 합계)과 회수 열량에 따른 비용, 투자 회수 기간이 중요합니다.

판형 열교환기의 성능 계산은 전열판의 프레스 형상, 판형 유동 거리 및 허용 압력 강하와 같은 다양한 조건의 영향을 받습니다. 알파라발은 판형 열교환기를 위한 자체 설계 소프트웨어를 개발했습니다.

열교환기 선정

Gas to Liquid 판형 열교환기 

고온 가스 및 증기가 있는 응용 분야에 이상적이며 최대 750°C의 온도를 처리할 수 있습니다. shell-and-tube 타입에 비해 압도적인 소형화가 가능합니다.

스파이럴 열교환기

고진공 증기 응축기 등 모든 용도로 맞춤 설계가 가능합니다.

AlfaCond 콘덴서

저압 및 진공 상태의 증발 및 증류 시스템을 위해 개발된 제품으로 shell-and-tube콘덴서에 비해 압도적으로 작고 오염을 줄입니다.

● 금속을 부식시키는 경우

Diabon 판형열교환기 

● 구리를 부식시키는 경우

AlfaNova 열교환기　

가스켓 열교환기 　

Compabloc 열교환기　

스파이럴 열교환기 　

● 가스켓에 데미지를 주는 경우

 브레이징 열교환기 　

Compabloc 열교환기 　

스파이럴 열교환기　

스파이럴 열교환기 

표면 스크레이핑식 열교환기

와이드갭 열교환기

가스켓 열교환기

브레이징 열교환기

Compabloc 열교환기

스파이럴 열교환기