유체의 수에 따른 분류
(Classification according to number of fluids)
가열, 냉각, 열회수 그리고 열방출 등의 과정은 두 유체 사이의 열의 전달을 내포하고 있다. 대부분은 두 유체를 사용하는 열교환기이지만, 3 유체 열교환기는 극저온(cryo- genic)이나 화학 공정 등에서 널리 사용되고 있다. 그러나, 3 유체나 다수의 유체를 이용하는 열교환기의 설계는 대수학적으로 복잡하기 때문에 일반적으로 수치적인 접근 방식을 사용하고 있다.
표면 조밀에 따른 분류
(Classification according to surface compactness)
단위 체적당의 전열 면적이 큰 열교환기를 콤팩트 열교환기(compact heat exchanger)라고 한다. 이러한 열교환기는 휜이 달린 관들 또는 평판들의 밀집된 배열의 형태를 가지며, 사용하는 한 유체가 기체이므로 작은 대류 열전달 계수를 가지는 특성이 있는 곳에 사용된다. 그러나, 이 열교환기는 특정한 구조 형식이 존재하지 않고, 개략적인 기준으로 적어도 단위 체적당 700㎡ 이상의 전열 면적을 가진 열교환기를 콤팩트 열교환기라 한다. 또한, 단위 면적당 약 3,000㎡ 이상의 전열 면적을 가진 열교환기를 층류 열교환기, 단위 면적당 약 10,000㎡ 이상의 전열 면적을 가진 열교환기를 마이크로 열교환기(micro heat exchanger)라 한다. 여기서, 단위 체적당의 전열 면적(A/V)을 전열면 밀도 β(area density)라고 한다.
열교환기의 표면 전열면 밀도의 스펙트럼을 그림 2-2에 나타내었다. 그림 하부에는 열전달 표면 전열면 밀도(㎡/㎥) β와 수력 직경(hydraulic diameter) Dh를 나타내고 있다.
Fig 5.1에서 특수한 전열 표면을 가진 쉘엔튜브 열교환기, 플레이트 열교환기, 플레이트-휜 열교환기, 재생기(regenerator) 그리고 튜브-휜 열교환기 등의 전열면 밀도 β는 다음과 같이 정의된다.
여기서, A는 전열 면적이고, V는 열교환기 체적 그리고 첨자 h, c는 고온과 저온 유체를 나타낸다. 이와 같은 열교환기의 각각의 전열면 밀도 β1, β2, β3 들은 수력 직경(Dh)를 이용하면 β=3,333/Dh와 같이 하나의 표현으로 나타낼 수 있다. 이와 같은 정의를 이용하면 쉘엔튜브 열교환기는 관 직경이 5㎜로서 콤팩트 열교환기에 가깝게 된다. 또한, 인간의 폐는 0.19㎜의 세관으로 이루어져 있어 전열면 밀도가 약 17,500㎡/㎥에 상당하는 가장 콤팩트한 열물질 전달기라 할 수 있다.
따라서, 콤팩트 열교환기는 소형․경량화가 필요한 항공기용 열교환기로서 최초에 실용되어, 그 후 자동차․공조 장치 등의 열교환기나 가스 터빈․플랜트의 재생기 등 소형․고성능을 필요로 하는 분야에 많이 사용되고 있다.
구조 형상에 따른 분류
(Classification according to construction features)
열교환기를 구조 형상에 따라 분류하면, 크게 관형, 플레이트형, 확장 표면형 그리고 축열형 열교환기로 분류할 수 있다.
1. 관형 열교환기(Tubular heat exchangers)
이 열교환기는 일반적으로 원형관으로 조립되어 있다. 열교환기의 코어(core) 형상을 관 직경, 길이, 배열에 따라 쉽게 변화시킬 수 있으므로 열교환기 설계시 상당한 자유도를 가지고 있다. 관형 열교환기는 상대적으로 압력이 높은 환경이나 두 유체 사이의 압력차가 큰 곳에 있다. 초기의 관형 열교환기는 액-액, 액-이상류(증발 또는 응축)의 열전달에 응용되었고, 또한, 작동 온도와 압력이 높은 곳이나 파울링 문제가 심각한 곳에도 사용되어진다. 이러한 열교환기는 쉘엔튜브, 이중관(double-pipe) 그리고 나선(spiral)형 열교환기로 나눌 수 있다.
(1) 쉘엔튜브 열교환기(Shell and tube heat exchangers)
쉘엔튜브 열교환기는 아래에 나타낸 바와 같이 원형의 쉘 속에 원형관들이 설치되어 있다. 한쪽의 유체는 원형관 내부를 통해 흐르고, 다른 한 유체는 원형관을 가로질러 흐르거나 또는 원형관을 따라 평행하게 흐른다. 이 열교환기의 주요 구성 부분으로서는 관, 쉘, 전면 헤드(front-end head), 후면 헤드(rear-end head), 배플(baffle) 그리고 관 판(tube sheet) 등이다.
표준적인 쉘, 전면 헤드, 후면 헤드의 형상을 나타내고 있다. 특히, 쉘엔튜브 열교환기는 석유 정제 플랜트, 화학 플랜트, 발전 플랜트 등의 액-액, 비등하는 유체와 액체, 응축하는 유체와 액체, 비등하는 유체와 응축하는 유체의 열교환에 많이 사용되고 있다. 사용되는 전열관으로서는 외경이 16, 19, 22, 25.4㎜의 것이 많이 사용되며, 쉘내의 배플은 흐름의 제어와 함께 전열관을 지지하는 역할을 한다. 아래 그림에서는 쉘엔튜브 열교환기에서 사용되는 여러 가지 배플의 형태를 나타낸다
(2) 이중관 열교환기(Double-pipe heat exchangers)
이 열교환기는 관을 이중으로 만들어 이것을 코일형으로 조립한 것이다. 한 유체는 내측의 관을 통해 흐르고, 또 다른 유체는 대향 유동 방향으로 관 사이로 흐르게 된다. 이 열교환기에서 유체의 분배상의 문제는 없으며, 또한 열교환기의 분해에 의해 열교환기내의 청결성을 유지하기 쉽다. 이중관 열교환기는 전 열전달 표면(total transfer surf- ace)이 50㎡ 정도의 적은 열용량을 필요로 하는 곳에 일반적으로 사용된다.
(3) 나선형 튜브 열교환기(Spital tube heat exchangers)
이 열교환기는 쉘에 적합한 하나 혹은 다수의 나선형 전열관의 구조로 되어 있다. 나선형관의 열전달은 직관보다 매우 크고 열팽창에 따른 문제는 없지만, 열교환기내의 청결성을 유지하기가 거의 불가능하다.
