확장 표면 열교환기(Extended surface heat exchangers)
가스 또는 액체를 사용하는 열교환기에서 유체측의 열전달 계수는 매우 낮다. 따라서, 전열을 향상시키기 위해서는 전열 면적의 증대가 요구되어, 유체측의 전열면 밀도를 증가시키기 위해서 부속물 또는 휜 등이 사용되고 있다. 이와 같은 열교환기를 확장 표면 열교환기라 한다. 확장 표면에서의 열전달 계수는 휜이 없는 경우에 비해 높아질 수도 있고 낮아질 수도 있다. 확장 표면 열교환기는 일반적으로 플레이트 휜형과 튜브형으로 나눌 수 있다.
(1) 플레이트-핀 열교환기(Plate-fin heat exchangers)
열교환 유체가 가스-가스의 경우에는 열전달률이 열교환벽의 양측에서 거의 같게 된다. 또한, 기체의 열전달률이 작기 때문에 열교환기의 전열 면적을 가능한 크게 하기 위해서는 아래 그림과 같은 플레이트-핀이 서로 중첩하는 구조의 열교환기를 사용한다. 이 열교환기에서 일반적으로 사용되는 핀으로서는 평판 핀(plain fin), 파상 핀(wave fin), 단속면 핀(interrupted fin) 등이 있다. 평판 핀에서는 온도 경계층이 흐름방향으로 발달하기 때문에 열전달률은 크지 않고, 압력 손실도 그다지 크지 않다. 파상 핀에서는 유체의 흐름이 파상면에 따라 방향이 변화되므로 경계층이 얇아지기도 하고, 끊어지기도 하여 열전달률 및 압력 강하가 높게 된다. 단속면 핀에는 루버(louver), 오프셋(offset), 구멍(perforate) 등이 있지만, 어떠한 것도 경계층은 보다 격렬하게 절단되므로 열전달률 및 압력 손실은 파상 핀의 경우보다 크게 된다. 플레이트-핀형은 열교환기 코어의 단위 체적당의 전열 면적을 크게 하는 것이 비교적 쉽기 때문에 콤팩트 열교환기의 주요 형식으로 되어 있다. 플레이트형 열교환기는 발전소에서 널리 사용되며, 추진 동력 플랜트, 공기 조화, 폐열 회수 시스템 등에 사용된다.
(2) 튜브-핀 열교환기(Tube-fin heat exchangers)
핀-튜브형 또는 핀 부착 관형이라고도 하며, 기본적으로는 관과 그 외측에 설치된 핀으로 구성되어 있다. 핀과 관과의 접합 방법으로서는 핀에 가공된 구멍에 미리 삽입한 전열관을 확관시키거나, 관에 핀을 나선상으로 부착시키는 방법 등이 널리 이용되고 있다. 핀은 일반적으로 관외측에 설치되며, 널리 사용되는 핀의 종류는 아래 그림에 나타내고 있다. 핀 부착 열교환기 내에서의 유체의 흐름은 유로 형상이 단순한 경우를 제외하고는 일반적으로 흐름의 박리, 재부착 또는 와류 발생 등을 동반하여 극히 복잡한 형상을 이루게 된다. 따라서, 열전달률 및 압력 손실의 정량적인 관계는 전열면 형상 마다의 실험 결과에 크게 의존하여야 한다.
(3) 히트 파이프 열교환기(Heat pipe heat exchangers)
이것은 개체별 휜 튜브 열교환기나 플래트 핀 튜브 열교환기와 비슷한 형태라고 할 수 있지만, 튜브가 히트 파이프라는 특징을 가진다. 히트 파이프식 열교환기는 히트 파이프를 전열소자로 사용하고, 그 관군 배열을 정렬 또는 엇갈리게 하여 설치되어 있다. 그 중간에는 관 판이 설치되어 한쪽에 고온 유체, 다른 한쪽에는 저온 유체가 일반적으로는 대향류로 흐르면서 유체간의 열교환을 하게 된다. 양 유체는 히트 파이프와 접촉하는 구조로 되어 있어 양측에 확대 전열면을 이용할 수 있으며, 기체-기체의 열교환에 사용되는 경우가 많다. 용도로서는 산업용 노의 폐열을 회수하여 노의 연소용 공기나 도입 외기의 예열 또는 다른 장치의 예열이나 난방용으로 사용된다. 또한, 부식성 가스나 습기 등을 포함한 환경에 설치된 밀폐 전자 제어반의 냉각에 이용된다.
히트 파이프식 열교환기의 특징은 구조가 간단하고, 단위 체적당의 전열 면적이 비교적 크기 때문에 소형․경량이며, 종래의 열교환기에 비해 압력 손실이 작아 기존의 설비에도 그대로 부착하여 사용할 수 있다.
