열교환기의 종류 및 특성
서로 온도가 다르고, 고체벽으로 분리된 유체들 사이의 열교환 프로세스는 많은 공업 응용 분야에서 일어나고 있다.
이 열교환을 수행하는데 사용되는 장치를 열교환기라 칭하며, 난방, 공기 조화, 동력 발생, 폐열 회수 그리고 화학 공정 등에서 찾아볼 수 있다.
그리고, 산업용 열교환기의 형태와 기능은 전달 과정, 유체의 수, 열전달 표면의 조밀 정도, 구조상의 특징, 흐름 배열 그리고 열전달 메카니즘에 따라 분류 할수 있다.
간접 접촉 열교환기 (Indirect contact heat exchangers)
간접 접촉형 열교환기에서 유체는 분리된 채로 흐르며, 열은 분리된 고체벽이나 혹은 과도적인 방식으로 고체벽의 내외부를 통하여 전달된다. 따라서, 유체 사이의 직접적인 열전달은 없다고 할 수 있다. 이와 같은 형태의 열교환기는 직접 전달형, 저장형 그리고 유동층 열교환기로 크게 분류된다.
(1) 직접 전달형 열교환기(Direct transfer type heat exchangers)
분리된 고체벽을 통해 고온 유체로부터 저온 유체로 열의 연속적인 흐름이 있다. 비록 열교환기내에서 동시에 두 유체의 흐름이 필요하지만, 각각의 유체가 분리된 관로를 흐르고 있기 때문에 두 유체의 직접적인 혼합은 없다.
(2) 저장형 열교환기(Storage type heat exchangers)
저장형 열교환기에서는 두 유체가 동일 유로를 통하여 흐르고 있으며, 열은 간헐적으로 흐른다. 열전달 표면(혹은 유로)은 일반적으로 다공질(cellular) 구조로 되어 있으며, 이를 매트릭스(matrix)라고도 한다. 고온 가스가 열전달 표면 위를 흐르면, 고온 가스의 열에너지는 매트릭스에 저장된다. 이렇게 저장된 열에너지는 조금 뒤에 흐르는 저온의 가스에 전달된다. 따라서, 저장형 열교환기에서 열은 직접 전달형의 열교환기와 같이 벽을 통해 연속적으로 전달되지 않고, 매트릭스 벽체를 통하여 열의 저장과 방출을 반복한다.
(3) 유동층 열교환기(Fluidized bed heat exchangers)
유동층 열교환기에서 열교환기의 한 면은 미세한 고체 물질의 층(bed)에 담겨진다. 즉, 열교환기의 관다발(tube bundle)을 미세한 모래(sand)나 석탄(coal) 입자층 속에 주입하는 것이다. 만약 층의 상부 유체의 속도가 적으면 고체 미립자는 고정된 위치에 그대로 존재하게 되어, 유체는 층 사이를 통해 흐르게 된다. 그러나, 상부 유체의 속도가 클 경우에는 고체 입자가 유체와 함께 움직이게 된다. 유체의 흐름을 적당한 속도로서 유지하면, 층의 상부 항력은 층 입자(bed particles)의 무게보다 약간 높게 된다. 그 결과, 고체 입자들은 층 체적(bed voulme)의 증가와 함께 표류하게 되어 층은 액체와 함께 움직이게 된다. 이때, 층을 통한 유체의 압력 강하는 유량에 관계없이 일정하다. 유동층 열교환기의 일반적인 응용은 건조, 혼합, 흡착, 원자로 공학, 석탄 연소 그리고 폐열 회수 등의 시스템에 이용되고 있다.
직접 접촉 열교환기(Direct contact heat exchangers)
직접 접촉 열교환기에서 두 유체는 직접 접촉하면서 열을 교환하고 분리된다. 따라서, 직접 접촉 열교환기의 열전달 및 물질 전달은 증발 냉각, 정류(rectification) 등에 일반적으로 응용된다. 또한, 드물게 현열(sensible heat)만의 전달에도 응용되고 있다. 특히, 상변화(phase change)는 열전달률을 향상시키므로 직접 접촉 열교환기에서는 간접 접촉식에 비하여 매우 높은 열전달률을 달성할 수 있다. 또한, 직접 접촉 열교환기는 비용이 싸고, 파울링의 문제가 없다는 장점을 지니고 있지만, 두 유체의 흐름이 직접 접촉하는 곳에서만 사용되어야 하는 한계성을 가지고 있다.
(1) 비혼합 유체 열교환기(Immiscible fluid heat exchangers)
이와 같은 열교환기에서는 혼합하지 않는 두 유체의 흐름이 직접 접촉을 일으킨다. 이 유체들은 단지 현열 만을 가지고 있으며(단상 유체), 액체의 응축, 증발을 일으킨다. 일반적으로 물 혹은 공기를 이용한 유기물 증기(organic vapor) 및 유 증기(oil vapor)의 응축, 증발에 사용되는 전형적인 예이다.
(2) 가스-액 열교환기(Gas-liquid heat exchangers)
한 유체가 가스이고(일반적으론 공기), 다른 유체는 매우 낮은 압력의 액체(일반적으론 물)을 이용한 열교환기로서 에너지 교환 후에는 쉽게 분리된다. 액체의 냉각이나 기체의 가습에 응용되고 있으며, 또한 이 열교환기에서 에너지 전달의 90% 이상이 물질 전달에 의한 것이다. 강제 혹은 자연 통풍 기류식 수냉각탑은 가스-액 열교환기의 가장 대표적인 예이다.
(3) 액-증기 열교환기(Liquid-vapor heat exchangers)
이 형태는 전형적으로 냉각수를 사용하여 증기를 부분적 또는 전체적으로 응축시키거나 혹은 열교환기에서 직접 접촉을 통하여 물이 폐열 증기에 의해 가열된다. 이러한 형태의 열교환기는 전력 플랜트에서 일부 사용되고 있다.
