열 교환기.

열교환기는 소스와 작동 유체 간에 열을 전달하기 위해 사용되는 시스템입니다.열교환기는 냉난방 ^[1]공정에서 모두 사용됩니다.혼합을 방지하기 위해 유체가 단단한 벽으로 분리되거나 직접 ^[2]접촉할 수 있습니다.그것들은 난방, 냉동, 에어컨, 발전소, 화학 공장, 석유 화학 공장, 석유 정제 공장, 천연 가스 처리, 하수 처리 등에 널리 사용된다.열 교환기의 전형적인 예는 내연기관에서 찾을 수 있습니다. 내연기관에서는 엔진 냉각수로 알려진 순환 오일이 라디에이터 코일을 통과하고 공기가 코일을 통과하여 냉각수를 냉각시키고 유입 공기를 가열합니다.또 다른 예로는 히트 싱크가 있는데, 이는 전자 또는 기계 장치에 의해 생성된 열을 유체 매체(대부분 공기 또는 액체 냉각수)^[3]로 전달하는 수동형 열 교환기입니다.

흐름 배치

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  그림 1: 셸 및 튜브 열교환기, 싱글패스 (1-1 평행유동)

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  그림 2: 셸 및 튜브 열교환기, 2패스 튜브 측 (1-2 크로스플로)

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  그림 3: 셸 및 튜브 열교환기, 2-패스 셸 측, 2-패스 튜브 측 (2-2 역류)

열교환기는 흐름 배열에 따라 크게 세 가지 분류가 있습니다.병렬 흐름 열 교환기에서 두 유체는 같은 끝에서 교환기로 들어가 서로 병렬로 다른 쪽으로 이동합니다.역류 열교환기에서는 유체가 반대쪽 끝에서 교환기로 들어갑니다.단위 길이에 따른 평균 온도 차이가 더 높기 때문에 단위 질량당 열(전사) 매체에서 가장 많은 열을 전달할 수 있다는 점에서 카운터 전류 설계가 가장 효율적입니다.역류 교환 참조.직류 열교환기에서 유체는 교환기를 통해 서로 거의 수직으로 이동합니다.

효율성을 위해 열 교환기는 두 유체 사이의 벽면적을 최대화하는 동시에 교환기를 통한 유체 흐름에 대한 저항을 최소화하도록 설계되었습니다.또한 교환기의 성능은 한쪽 또는 양쪽 방향으로 핀이나 파편이 추가되어 표면적이 증가하고 유체 흐름이 흐르거나 난류가 발생할 수 있습니다.

열전달 표면의 구동 온도는 위치에 따라 다르지만 적절한 평균 온도를 정의할 수 있습니다.대부분의 단순한 시스템에서는 이것이 "로그 평균 온도 차이"(LMTD)입니다.경우에 따라서는 LMTD에 대한 직접 지식이 제공되지 않고 NTU 방식이 사용됩니다.

종류들

이중 파이프 열 교환기는 업계에서 사용되는 가장 단순한 교환기입니다.한편, 이러한 열교환기는 설계와 유지보수가 모두 저렴하기 때문에 소규모 기업에 적합합니다.한편, 이러한 저효율성은 대규모로 점유되는 높은 공간과 결합되어 현대 산업에서는 쉘, 튜브 또는 판과 같은 보다 효율적인 열 교환기를 사용하게 되었습니다.그러나 이중 파이프 열 교환기는 단순하기 때문에 모든 열 교환기의 기본 규칙이 동일하기 때문에 학생들에게 열 교환기 설계의 기본을 가르치는 데 사용됩니다.

1. 이중관 열교환기 (a) 다른 유체가 2개의 튜브 사이의 고리형 틈새로 유입되면 하나의 유체가 작은 관을 통해 흐른다.이 흐름은 이중관 열교환기의 전류 흐름 또는 병렬 흐름일 수 있다. (b) 같은 지점에서 뜨거운 액체와 차가운 액체가 결합되어 같은 방향으로 흐른 후 같은 끝에서 나오는 병렬 흐름이다.

(c) 대향류로서, 열유체와 냉유체가 합류하여 반대방향으로 흐른 후 반대방향으로 흐른 후, 반대방향으로 흐른 후, 반대방향으로 흐른다.

위 그림은 유체 교환기의 평행 및 역류 방향을 보여줍니다.이 작업을 유사한 조건에서 수행할 경우 병렬 흐름 열 교환기보다 더 많은 열이 역류 장치로 전달됩니다.높은 열전압에서 발생하는 온도차가 크기 때문에 두 열교환기의 온도 프로파일은 병렬 흐름 설계에서 두 가지 중요한 단점을 나타냅니다.이는 파트너십이 냉유체 온도를 높이는 설계라면 명백한 단점임을 의미합니다.두 개의 유체가 정확히 동일한 온도로 배출될 것으로 예상되는 경우 병렬 흐름 구성이 유리합니다.반면 평행 흐름 설계와 비교하여 역류 열 교환기는 더 큰 이점을 가지고 있습니다.열응력을 줄이고 보다 균일한 열전달 속도를 낼 수 있는 곳.

(이) 셸 및 튜브 열교환기

이러한 유형의 열교환기의 주요 구성요소는 튜브 박스, 셸, 프론트 리어 엔드 헤더 및 배플 또는 핀인 것으로 보입니다.

배플은 튜브를 지지하고, 거의 자연스러운 방식으로 튜브로 유체의 흐름을 유도하며, 셸 오일의 난류를 최대화하는 데 사용됩니다.다양한 종류의 배플이 있으며 셸 측력 강하의 허용 유속, 튜브 지지 필요성 및 흐름 유도 진동에 따라 배플 형태, 간격 및 형상을 선택할 수 있습니다.셸 및 튜브 교환기는 여러 가지 종류가 있으며, 흐름 구성과 시공 세부 사항에 차이가 있습니다.

셸 앤 튜브 기술(연소 엔진용 인터쿨러/차지 에어쿨러 등)을 사용하여 공기를 냉각할 때 튜브에 핀을 추가하여 공기 측 열전달 면적을 늘리고 튜브 및 핀 구성을 만들 수 있습니다.

3. 플레이트 열교환기 플레이트 열교환기에는 얇은 형태의 열전사 플레이트가 다발적으로 포함되어 있습니다.각 플레이트 쌍의 개스킷 배열은 두 개의 개별 채널 시스템을 제공합니다.각 한 쌍의 플레이트는 유체가 흐를 수 있는 채널을 형성합니다.쌍은 용접 및 볼트 방식으로 부착됩니다.다음은 열 교환기의 구성 요소를 보여줍니다.

단일 채널에서 개스킷의 구성은 흐름 통과를 가능하게 합니다.따라서 메인 미디어와 세컨더리 미디어는 역류 흐름으로 흐릅니다.개스킷판 열교환기는 파형판으로부터의 열영역을 가진다.개스킷은 플레이트 사이에서 씰 역할을 하며 프레임과 압력 플레이트 사이에 위치합니다.오일은 열 교환기를 통해 역류 방향으로 흐릅니다.효율적인 열성능이 생성됩니다.플레이트는 다양한 깊이, 크기 및 파형 형태로 제작됩니다.플레이트 및 프레임, 플레이트 및 셸, 나선형 플레이트 열 교환기 등 다양한 유형의 플레이트를 사용할 수 있습니다.분배 영역은 전체 열 전달 표면으로 유체의 흐름을 보장합니다.이렇게 하면 고체 표면에 불필요한 물질이 축적될 수 있는 정체 영역을 예방할 수 있습니다.플레이트 간의 높은 흐름 난류는 열 전달을 증가시키고 압력을 감소시킵니다.

(4) 응축기 및 보일러 2상 열전달계를 이용한 열교환기는 응축기, 보일러 및 증발기이다.응축기는 뜨거운 가스나 증기를 응축점까지 취하여 냉각시켜 기체를 액체 형태로 변환하는 기구입니다.액체가 기체로 변하는 지점을 기화점이라고 하고, 그 반대점을 응축점이라고 합니다.표면 콘덴서는 급수 장치를 포함하는 가장 일반적인 유형의 콘덴서입니다.아래 그림 5는 2패스 표면 콘덴서를 나타내고 있습니다.

증기 밀도가 매우 낮은 터빈 출구의 증기 압력은 유속이 매우 높은 곳에서 낮습니다.터빈에서 콘덴서로의 증기 이동의 압력 감소를 방지하기 위해 콘덴서 유닛이 아래에 배치되어 터빈에 연결됩니다.튜브 내부에서는 냉각수가 병렬로 흐르는 반면, 증기는 상단의 넓은 개구부에서 수직 하향 위치로 이동하여 튜브를 통과합니다.또한 보일러는 열교환기의 초기 적용으로 분류된다.증기 발생기라는 단어는 연소 생성물보다는 뜨거운 액체 흐름이 열의 원천인 보일러 장치를 설명하기 위해 정기적으로 사용되었습니다.보일러는 치수와 구성에 따라 제조됩니다.일부 보일러는 뜨거운 유체만 생산할 수 있는 반면 다른 보일러는 증기 생산을 위해 제조됩니다.

셸 및 튜브 열교환기

셸 및 튜브 열 교환기는 가열되거나 냉각되어야 하는 유체가 들어 있는 일련의 튜브로 구성됩니다.두 번째 유체는 가열되거나 냉각되는 튜브 위를 흐르므로 열을 공급하거나 필요한 열을 흡수할 수 있습니다.튜브 세트는 튜브 다발이라고 불리며, 플레인, 세로 지느러미 등 여러 종류의 튜브로 구성될 수 있습니다.쉘 및 튜브 열 교환기는 일반적으로 고압 용도에 사용됩니다(압력이 30bar 이상이고 온도가 260°^[4]C 이상).이는 쉘 및 튜브 열 교환기가 모양 때문에 견고하기 때문입니다.
셸 및 튜브 열 교환기의 튜브를 설계할 때는 다음과 같은 몇 가지 열 설계 특성을 고려해야 합니다.쉘과 튜브 디자인은 여러 가지 종류가 있을 수 있습니다.일반적으로 각 튜브의 끝은 튜브 시트의 구멍을 통해 천장(물 상자라고도 함)에 연결됩니다.그 튜브들은 직선이거나 U 튜브라고 불리는 U자 모양으로 구부러질 수 있다.

• 튜브 직경:작은 튜브 직경을 사용하면 열 교환기를 경제적이면서 소형화할 수 있습니다.그러나 열교환기가 더 빨리 오염될 가능성이 높고 크기가 작기 때문에 오염의 기계적 청소가 어렵습니다.오염 및 세척 문제를 해결하기 위해 튜브 직경을 크게 사용할 수 있습니다.따라서 튜브 직경을 결정하려면 유체의 사용 가능한 공간, 비용 및 오염 특성을 고려해야 합니다.
• 튜브 두께:튜브 벽의 두께는 일반적으로 다음을 보장하기 위해 결정됩니다.
  • 부식의 여지가 있다
  • 그 흐름에 의한 진동은 저항력이 있다.
  • 축강도
  • 스페어 부품의 가용성
  • 후프 강도(내부 튜브 압력에 견딜 수 있음)
  • 좌굴 강도(쉘 내 과압에 견딜 수 있음)
• 튜브 길이: 열 교환기는 일반적으로 셸 직경이 작고 튜브 길이가 길면 더 저렴합니다.따라서 일반적으로 생산 능력을 초과하지 않으면서 물리적으로 가능한 한 길게 열 교환기를 만드는 것이 목표입니다.그러나 여기에는 설치 현장에서 사용할 수 있는 공간과 필요한 길이의 2배 길이의 튜브를 사용할 수 있어야 하는 등 많은 제한이 있습니다(따라서 튜브를 빼내고 교체할 수 있습니다).또한 가늘고 긴 튜브는 빼거나 교체하기가 어렵습니다.
• 튜브 피치: 튜브를 설계할 때 튜브 피치(즉, 인접한 튜브의 중심 거리)가 튜브 외경의 1.25배 이상이 되도록 하는 것이 실용적입니다.튜브 피치가 클수록 셸 전체 직경이 커지기 때문에 열 교환기가 비싸집니다.
• 튜브 파형: 주로 내부 튜브에 사용되는 이러한 유형의 튜브는 유체의 난류를 증가시키며 열 전달에 있어 효과가 매우 중요하여 더 나은 성능을 제공합니다.
• Tube Layout(튜브 레이아웃): 쉘 내에서 튜브가 배치되는 방식을 나타냅니다.튜브 레이아웃에는 삼각형(30°), 회전 삼각형(60°), 정사각형(90°) 및 회전 정사각형(45°)의 네 가지 주요 유형이 있습니다.삼각형 패턴은 유체가 배관 주위로 더욱 난류적으로 흐르도록 하기 때문에 더 큰 열 전달을 제공하기 위해 사용됩니다.높은 오염이 발생하고 청소가 보다 규칙적인 정사각형 패턴을 사용합니다.
• 배플 설계: 배플은 튜브 번들을 가로질러 유체를 유도하기 위해 셸 및 튜브 열 교환기에 사용됩니다.셸에 수직으로 달려 다발을 잡아 튜브가 긴 길이에 걸쳐 처지는 것을 방지합니다.그들은 또한 튜브의 진동을 막을 수 있다.가장 일반적인 유형의 배플은 세그먼트 배플입니다.반원형 세그먼트 배플은 인접한 배플과 180도 방향으로 배치되어 튜브 번들 사이에서 오일이 위아래로 흐르도록 합니다.셸 및 튜브 열 교환기를 설계할 때 배플 간격은 열역학적으로 매우 중요합니다.배플은 압력 강하 및 열 전달 변환을 고려하여 간격을 두어야 합니다.열경제적 최적화를 위해 배플은 셸 내경의 20% 이하로 간격을 두는 것이 좋습니다.배플 간격이 너무 좁으면 흐름 리다이렉션으로 인해 압력 강하가 커집니다.따라서 배플이 너무 멀리 떨어져 있다는 것은 배플 사이의 모서리에 더 차가운 스팟이 있을 수 있다는 것을 의미한다.또한 배플이 튜브가 처지지 않도록 충분히 가까이 간격을 두는 것도 중요합니다.또 다른 주요 배플 유형은 디스크와 도넛 배플이며, 두 개의 동심원 배플로 구성됩니다.바깥쪽의 넓은 배플은 도넛 모양이고 안쪽 배플은 디스크 모양입니다.이 유형의 배플은 오일이 디스크의 각 측면을 지나 도넛 배플을 통과하도록 강제하여 다른 유형의 유체 흐름을 생성합니다.
• 튜브 및 핀 설계: 셸 앤 튜브 테크놀로지(연소 엔진용 인터쿨러/차지 에어쿨러 등)를 사용하여 공기를 냉각할 경우 공기와 냉유체 간의 열전달 차이가 공기 측 열전달 면적을 증가시킬 필요가 있을 수 있습니다.이 기능을 위해 튜브에 핀을 추가하여 공기 측 열 전달 영역을 늘리고 튜브 및 핀 구성을 만들 수 있습니다.

선박용 및 가혹한 용도에 특히 적합한 고정관 수냉식 열교환기는 황동 쉘, 동관, 황동 배플 및 단조 황동 일체형 엔드 ^{[citation needed]}허브로 조립할 수 있습니다.(참조: 열교환기의 구리).

플레이트형 열교환기

또 다른 유형의 열 교환기는 플레이트 열 교환기입니다.이러한 교환기는 표면적이 매우 크고 열 전달을 위한 작은 유체 유로가 있는 얇고 약간 분리된 여러 개의 플레이트로 구성됩니다.개스킷 및 브레이징 기술의 발전으로 플레이트형 열 교환기가 점점 실용화되었습니다.HVAC 어플리케이션에서는 이러한 유형의 대형 열교환기를 플레이트 앤 프레임이라고 부릅니다.오픈 루프에서 사용되는 경우 이러한 열교환기는 일반적으로 개스킷 타입으로 정기적인 분해, 청소 및 검사가 가능합니다.딥 브레이징, 진공 브레이징 및 용접 플레이트 종류와 같이 영구 접합 플레이트 열 교환기의 유형은 다양하며, 이러한 유형은 종종 냉동과 같은 폐쇄 루프 용도로 지정됩니다.플레이트 열교환기는 사용되는 플레이트의 종류와 플레이트의 구성도 다릅니다.일부 플레이트에는 "쉐브론", 딤플 또는 기타 패턴이 찍혀 있을 수 있으며, 다른 플레이트에는 가공된 핀 및/또는 홈이 있을 수 있습니다.

쉘 및 튜브 교환기와 비교했을 때 적층 플레이트 배열은 일반적으로 부피와 비용이 낮습니다.또 다른 차이점은 플레이트 교환기는 셸과 튜브의 중압과 고압에 비해 일반적으로 저압에서 중압의 유체를 공급한다는 것입니다.세 번째 중요한 차이점은 플레이트 교환기는 크로스 전류 흐름보다 역류 흐름을 더 많이 사용하므로 접근 온도 차이, 고온 변화 및 효율이 향상된다는 것입니다.

플레이트 및 셸 열교환기

세 번째 유형의 열교환기는 플레이트 및 셸 열교환기로, 플레이트 열교환기와 셸 및 튜브 열교환기 기술을 결합한 것입니다.열 교환기의 심장에는 원형 플레이트를 누르고 절단하여 용접한 완전 용접 원형 플레이트 팩이 포함되어 있습니다.노즐은 플레이트 팩('플레이트 측' 유로)으로 유입 및 유출되는 흐름을 운반합니다.완전히 용접된 플레이트 팩은 외부 쉘로 조립되어 두 번째 흐름 경로('쉘 측')를 생성합니다.플레이트 및 셸 기술은 높은 열 전달, 고압, 높은 작동 온도, 소형 크기, 낮은 오염 및 근접 접근 온도를 제공합니다.특히 개스킷 없이 완전히 작동하므로 고압 및 온도에서 누출에 대한 보안을 제공합니다.

단열 휠 열 교환기

네 번째 유형의 열교환기는 중간 유체 또는 고체 저장소를 사용하여 열을 유지한 다음 열교환기의 다른 쪽으로 이동하여 방출됩니다.단열 휠은 고온 및 저온 유체를 통해 미세한 나사산이 회전하는 대형 휠과 유체 열 교환기로 구성됩니다.

플레이트 핀 열교환기

이러한 유형의 열 교환기는 장치의 효율성을 높이기 위해 핀이 들어 있는 "모래로 된" 통로를 사용합니다.이 설계에는 직진 핀, 오프셋 핀, 웨이브 핀 등 다양한 핀 구성과 교차 흐름 및 역류가 포함됩니다.

판 및 핀 열 교환기는 일반적으로 높은 열 전달 효율을 제공하는 알루미늄 합금으로 제작됩니다.이 재료를 사용하면 시스템이 낮은 온도차이로 작동하여 장비의 무게를 줄일 수 있습니다.판 및 핀 열 교환기는 주로 천연가스, 헬륨 및 산소 액화 플랜트, 공기 분리 플랜트 및 모터 및 항공기 엔진과 같은 운송 산업과 같은 저온 서비스에 사용됩니다.

플레이트 및 핀 열 교환기의 장점:

• 특히 가스 처리에서 높은 열전달 효율
• 넓은 열전달 영역
• 셸 및 튜브 열교환기보다 무게가 약 5배 가볍습니다.
• 높은 압력에도 견딜 수 있다

플레이트 및 핀 열 교환기의 단점:

• 통로가 매우 좁기 때문에 막힐 수 있음
• 통로를 청소하기 어렵다
• 알루미늄 합금은 수은 액체 연화 오류의 영향을 받기 쉽습니다.

핀 튜브 열교환기

튜브 기반 열 교환기의 핀 사용은 작동 유체 중 하나가 저압 가스일 때 일반적이며, 자동차 라디에이터 및 HVAC 공기 응축기와 같이 주변 공기를 사용하여 작동하는 열 교환기에 일반적으로 사용됩니다.핀은 열을 교환할 수 있는 표면적을 극적으로 증가시켜 공기와 같은 열전도율이 매우 낮은 유체에 열을 전달하는 효율성을 향상시킵니다.핀은 일반적으로 매우 얇은 핀의 길이를 따라 튜브에서 열을 전달해야 하므로 일반적으로 알루미늄 또는 구리로 만들어집니다.

핀 튜브 교환기의 주요 구조 유형은 다음과 같습니다.

• 균일한 간격의 금속판 스택이 핀 역할을 하며 튜브는 핀의 미리 절단된 구멍을 통해 압착됩니다. 일반적으로 튜브 주변의 핀이 변형되어 열 접촉이 잘 됩니다.이는 HVAC 공기 코일과 대형 냉동 콘덴서의 전형적인 구조입니다.
• 지느러미는 연속 스트립으로 개별 튜브에 나선형으로 감겨진 다음, 튜브를 둑에서 조립하거나, 뱀 모양의 패턴으로 구부리거나, 큰 나선형으로 감을 수 있습니다.
• 지그재그 금속 스트립은 평평한 직사각형 튜브 사이에 끼워져 있으며, 종종 열 및 기계적 강도를 높이기 위해 납땜되거나 함께 납땜됩니다.이는 수냉 라디에이터와 같은 저압 열 교환기에서 흔히 볼 수 있습니다.일반 편평형 튜브는 고압에 노출되면 팽창하고 변형되지만 편평형 마이크로 채널 튜브는 ^[5]이 구조를 고압에 사용할 수 있습니다.

가스로의 고효율 열전달이 필요한 경우 쉘-관 열교환기 내부의 튜브에 적층핀 또는 나선형 구조를 사용할 수 있습니다.

전자기기 냉각에서는 히트 싱크, 특히 히트 파이프를 사용하는 히트 싱크는 적층 핀 구조를 가질 수 있습니다.

베개판 열교환기

베개판 열교환기는 낙농업계에서 대형 직팽창 스테인리스강 벌크 탱크에서 우유를 냉각하기 위해 일반적으로 사용됩니다.탱크의 거의 모든 표면적을 탱크 외부에 용접된 파이프 사이에 틈이 생기지 않고 이 열교환기와 통합할 수 있습니다.베개 플레이트는 탱크 안에 쌓아올린 평평한 플레이트로도 만들 수 있습니다.플레이트의 표면이 비교적 평평하기 때문에 특히 멸균된 경우 세척이 용이합니다.

베개 플레이트는 탱크 또는 선박의 두꺼운 표면에 용접된 얇은 금속 판 또는 함께 용접된 두 장의 얇은 판을 사용하여 구성할 수 있습니다.플레이트의 표면은 점의 규칙적인 패턴 또는 용접 라인의 뱀 모양의 패턴으로 용접됩니다.용접 후 밀폐된 공간을 충분한 힘으로 가압하여 얇은 금속이 용접부 주위로 돌출되도록 함으로써 열교환기 액체가 흐를 수 있는 공간을 제공하고 금속으로 이루어진 팽창된 베개의 특징을 형성합니다.

폐열 회수 장치

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폐열 회수 장치(WHRU)는 뜨거운 가스 흐름에서 열을 회수하면서 작동 매체(일반적으로 물 또는 오일)로 전달하는 열 교환기입니다.뜨거운 가스 흐름은 가스터빈 또는 디젤 엔진에서 나오는 배기 가스 또는 산업 또는 정유 공장에서 나오는 폐가스일 수 있습니다.

업계에서 일반적으로 대용량 및 온도 가스 흐름을 사용하는 대형 시스템은 폐열 회수 장치의 증기 랭킨 사이클(SRC)을 활용할 수 있지만, 이러한 사이클은 소형 시스템에 비해 너무 비쌉니다.저온 시스템에서 열을 회수하려면 증기와는 다른 작동 유체가 필요합니다.

유기 랭킨 사이클(ORC) 폐열 회수 장치는 물보다 낮은 온도에서 끓는 냉매를 사용하여 저온 범위에서 더 효율적일 수 있습니다.대표적인 유기 냉매는 암모니아, 펜타플루오로프로판(R-245fa, R-245ca), 톨루엔입니다.

냉매는 증발기의 열원에 의해 끓어 올라 과열된 증기를 생성합니다.이 유체는 터빈에서 팽창하여 열에너지를 운동 에너지로 변환하고, 이는 전기 발전기에서 전기로 변환됩니다.이 에너지 전달 프로세스는 응축되는 냉매의 온도를 낮춥니다.사이클이 닫히고 펌프를 사용하여 오일을 증발기로 다시 보냅니다.

동적 스크래핑 표면 열교환기

또 다른 유형의 열 교환기는 "(동적) 긁힌 표면 열 교환기"라고 불립니다.이는 주로 고점도 제품, 결정화 공정, 증발 및 고분할 용도로 가열 또는 냉각에 사용됩니다.표면의 지속적인 스크래핑으로 인해 긴 주행 시간이 달성되므로 오염을 방지하고 공정 중 지속 가능한 열 전달 속도를 달성할 수 있습니다.

상변화 열교환기

열교환기는 유체를 단상으로 가열 또는 냉각하는 것 외에 액체를 가열하여 증발(또는 끓임)하거나 증기를 냉각하여 액체로 응축하는 응축기로 사용할 수 있습니다.화학 공장 및 정유 공장에서는 증류탑에서 유입되는 사료를 가열하는 데 사용되는 리보일러가 열 교환기입니다.^[6][7]

증류 장치는 일반적으로 응축기를 사용하여 증기를 다시 액체로 응축합니다.

증기 구동 터빈을 사용하는 발전소는 일반적으로 물을 증기로 끓이기 위해 열 교환기를 사용합니다.물로부터 증기를 생산하기 위한 열 교환기 또는 이와 유사한 장치를 보일러 또는 증기 발생기라고 합니다.

가압수형 원자로라고 불리는 원자력발전소에서는 특수 대형 열교환기가 1차(리액터 플랜트) 시스템에서 2차(증기 플랜트) 시스템으로 열을 전달하여 그 과정에서 물로부터 증기를 생성한다.이것들은 증기 발생기라고 불린다.증기 구동 터빈을 사용하는 모든 화석 연료 및 원자력 발전소에는 터빈의 배기 증기를 재사용을 ^[8][9]위해 응축수(물)로 변환하는 표면 응축기가 있다.

화학 및 기타 공장의 에너지 및 냉각 용량을 절약하기 위해, 재생 열 교환기는 냉각되어야 하는 스트림에서 증류 냉각 및 리보일러 공급 예열과 같이 가열되어야 하는 다른 스트림으로 열을 전달할 수 있습니다.

이 용어는 또한 구조 내에 상변화가 있는 물질을 포함하는 열 교환기를 지칭할 수 있습니다.이러한 상태 간의 부피 차이가 작기 때문에 보통 고체에서 액체 상태입니다.이 상변화는 일정한 온도에서 발생하기 때문에 효과적으로 완충제 역할을 하지만 열 교환기는 여전히 추가 열을 수용할 수 있습니다.이를 조사한 한 가지 예는 고출력 항공기 전자제품에 사용하기 위한 것이다.

다상 흐름 방식으로 작동하는 열 교환기는 Ledineg 불안정성의 영향을 받을 수 있습니다.

직접 접촉식 열교환기

직접 접촉식 열 교환기는 ^[10]분리벽이 없는 상태에서 2상 온기와 냉기 흐름 간의 열 전달을 수반합니다.따라서 이러한 열 교환기는 다음과 같이 분류할 수 있습니다.

• 가스 – 액체
• 불용성 액체 – 액체
• 고체 액체 또는 고체 – 기체

대부분의 직접 접촉 열 교환기는 기체와 액체 사이에서 낙하, 필름 또는 스프레이 형태로 열이 전달되는 기체 – ^[4]액체 범주에 속합니다.

이러한 유형의 열 교환기는 주로 에어컨, 가습, 산업용 온수 난방,^[11] 수냉 및 응축 공장에서 사용됩니다.

단계[12]	연속 단계	추진력	상변화	예
가스 – 액체	가스	중력	아니요.	스프레이 기둥, 충전 기둥
			네.	냉각탑, 낙하액적 증발기
		강제적인	아니요.	스프레이 냉각기/소금기
		액체 흐름	네.	스프레이 응축기/증발기, 제트 응축기
	액체.	중력	아니요.	버블 컬럼, 구멍 뚫린 트레이 컬럼
			네.	버블 칼럼 응축기
		강제적인	아니요.	가스 스파거
		가스 흐름	네.	직접 접촉 증발기, 수중 연소

마이크로채널 열교환기

마이크로채널 열교환기는 매니폴드(흡입구 및 출구), 유압 직경이 1mm 미만인 멀티포트 튜브 및 핀의 세 가지 주요 요소로 구성된 멀티패스 병렬 흐름 열교환기입니다.일반적으로 모든 요소는 제어 가능한 분위기 브레이징 프로세스를 사용하여 함께 브레이징됩니다.마이크로채널 열교환기는 핀형 튜브 ^{[citation needed]}열교환기에 비해 높은 열전달비, 낮은 냉매 충전량, 소형 크기 및 낮은 공기측 압력 강하가 특징입니다.마이크로채널 열 교환기는 자동차 라디에이터, HVAC 업계의 콘덴서, 증발기 및 냉각/난방 코일로 자동차 산업에서 널리 사용됩니다.

마이크로 열교환기, 마이크로 스케일 열교환기 또는 마이크로 구조화 열교환기는 일반적인 치수가 1mm 미만인 측면 구속 상태에서 유체가 흐르는 열교환기입니다.이러한 제한은 가장 일반적인 마이크로 채널로, 유압 직경이 1 mm 미만인 채널은 마이크로 채널은 마이크로 채널입니다.마이크로채널 열교환기는 금속 또는 ^[13]세라믹으로 만들 수 있습니다.마이크로채널 열교환기는 다음과 같은 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.

• 고성능 항공기 가스터빈^[14] 엔진
• 히트 펌프^[15]
• 마이크로프로세서 및 마이크로칩^[16] 냉각
• 공기 조화^[17]

HVAC 및 냉동 공기 코일

열교환기의 가장 광범위한 용도 중 하나는 냉동 및 공기조절입니다.이 등급의 열 교환기는 일반적으로 공기 코일 또는 종종 서펜틴 내부 튜브 또는 냉동 시 응축기 때문에 코일이라고 불리며 일반적으로 핀 튜브 유형입니다.액체 대 공기 또는 공기 대 액체 HVAC 코일은 일반적으로 변경된 직교류 배열입니다.차량에서 열 코일은 종종 히터 코어라고 불립니다.

이러한 열교환기의 액체측에서 일반적인 유체는 물, 물-글리콜 용액, 증기 또는 냉매입니다.가열 코일의 경우, 온수와 증기가 가장 일반적이며, 이 가열된 유체는 예를 들어 보일러에 의해 공급됩니다.냉각 코일의 경우 냉수와 냉매가 가장 일반적입니다.냉각수는 잠재적으로 매우 멀리 있는 냉각기에서 공급되지만 냉매는 가까운 응축 장치에서 공급해야 합니다.냉매를 사용할 때 냉각 코일은 증발기이고, 가열 코일은 증기 압축 냉동 사이클에서 응축기입니다.이러한 직접 팽창 냉매를 사용하는 HVAC 코일을 일반적으로 DX 코일이라고 합니다.일부 DX 코일은 "마이크로 채널"^[5] 유형입니다.

HVAC 코일의 공기 쪽에서는 가열에 사용되는 코일과 냉각에 사용되는 코일에 상당한 차이가 있습니다.심리측정학으로 인해 냉각된 공기는 매우 건조한 공기 흐름을 제외하고 종종 습기가 응축됩니다.약간의 공기를 가열하면 그 공기 흐름의 수분 수용 능력이 높아집니다.따라서 가열 코일은 공기 쪽 습기 응결을 고려할 필요가 없지만 냉각 코일은 특정 잠재(습기) 부하와 분별(냉각) 부하를 처리할 수 있도록 적절히 설계 및 선택해야 합니다.제거되는 물은 응축수라고 불린다.

많은 기후에서 물 또는 증기 HVAC 코일은 동결 조건에 노출될 수 있습니다.물이 얼면 팽창하기 때문에 이 박막형 열교환기는 교체하기 어렵고 다소 비싸지만 한 번 얼리면 쉽게 손상되거나 파괴될 수 있습니다.따라서 코일의 동결 보호는 HVAC 설계자, 설치자 및 운영자의 주요 관심사입니다.

열교환 핀 내에 움푹 들어간 부분이 도입되어 응결이 제어되어 물 분자가 차가운 공기 ^[18]중에 남아 있게 됩니다.

많은 주택에서 흔히 볼 수 있는 직접 연소로의 열 교환기는 '코일'이 아닙니다.대신 일반적으로 스탬프강 판금으로 제조되는 가스 대 공기 열 교환기입니다.연소 생성물은 이러한 열 교환기의 한 쪽을 통과하고, 공기는 다른 쪽을 통과하여 가열됩니다.따라서 균열된 열 교환기는 연소 생성물이 거주 공간에 유입될 수 있으므로 즉각적인 주의가 필요한 위험한 상황입니다.

헬리컬 코일 열교환기

이중 파이프 열 교환기가 가장 설계하기 간단하지만 다음과 같은 경우에는 헬리컬 코일 열 교환기(HCHE)를 선택하는 것이 좋습니다.

• 나선형 열교환기(SHE)와 마찬가지로 HCHE의 주요 장점은 공간을 매우 효율적으로 사용할 수 있다는 것입니다. 특히 공간이 한정되어 있고 충분한 직선 파이프를 설치할 ^[19]수 없는 경우에는 더욱 그렇습니다.
• 저유량(또는 층류) 조건에서는 일반적인 셸 및 튜브 교환기가 낮은 열전달 계수를 가지며 ^[19]비경제적이 됩니다.
• 유체 중 하나에 압력이 낮은 경우, 일반적으로 다른 공정 ^[19]장비에서 압력 강하가 누적되어 발생합니다.
• 유체 중 하나에 다상(용액, 액체 및 기체) 구성 요소가 포함되어 있어 작동 중에 작은 ^[20]직경의 튜브를 꽂는 등의 기계적 문제를 일으키는 경향이 있습니다.이러한 다상 유체에 대한 헬리컬 코일의 청소는 셸 및 튜브에 대한 것보다 더 어려울 수 있습니다. 그러나 헬리컬 코일 유닛의 청소 빈도는 줄어듭니다.

이것들은 1970년대 초부터 찰스 E에 의해 발명된 HCHE 장치를 사용하여 대형 액체 금속 고속 증식로용 나트륨 시스템에서 열을 교환하는 방법으로 원자력 산업에서 사용되어 왔다. 보드맨과 존 H.^[21] 저머입니다Ramachandra K를 사용하는 것과 같이 모든 유형의 제조 산업을 위한 HCHE를 설계하는 몇 가지 간단한 방법이 있습니다. 인도 및 Scott S의 Patil(등) 방법. 미국의 ^[19][20]하라부르다법.

단, 내부 열전달계수 추정, 코일 외부 주변의 흐름 예측 및 일정한 열유속 ^[22]추정에 기초하고 있습니다.

나선형 열교환기

일반적인 HCHE의 수직 흐름을 수정하려면 셸을 다른 코일 튜브로 교체하여 두 유체가 서로 평행하게 흐를 수 있도록 하고 다른 설계 ^[23]계산을 사용해야 합니다.나선형 열교환기(SHE)는 나선형(코일형) 튜브 구성을 나타낼 수 있으며, 일반적으로 이 용어는 역류 배열로 두 개의 채널을 형성하기 위해 코일형(코일형)된 평평한 표면을 가리킵니다.2개의 채널 각각은 1개의 긴 곡선 경로를 가지고 있습니다.한 쌍의 유체 포트는 나선형 외측 암에 접선 방향으로 연결되어 있으며 축방향 포트는 공통이지만 ^[24]선택 사항입니다.

SHE의 주요 장점은 공간을 매우 효율적으로 사용할 수 있다는 것입니다.열교환기 설계의 잘 알려진 트레이드오프에 따라 이 속성은 종종 활용되고 부분적으로 재할당되어 다른 성능 향상을 얻을 수 있습니다.(주목적인 트레이드오프는 자본비용과 운영비용입니다.)소형 SHE를 사용하면 설치 면적이 작아지기 때문에 전체 자본 비용을 절감할 수 있습니다.또한 대형 SHE를 사용하면 압력 강하, 펌핑 에너지 절감, 열효율 향상 및 에너지 비용 절감을 실현할 수 있습니다.

건설

나선형 채널의 시트 간 거리는 롤링 전에 용접된 스페이서 스터드를 사용하여 유지됩니다.주 나선형 팩이 롤링되면 상단 및 하단 모서리가 번갈아 용접되고 각 단부는 본체에 볼트로 볼트로 고정되는 개스킷 플랫 또는 원뿔형 커버에 의해 닫힙니다.이렇게 하면 두 유체가 혼합되지 않습니다.모든 누출은 주변 커버에서 대기 ^[25]또는 동일한 유체가 포함된 통로로 이루어집니다.

셀프 클리닝

나선형 열 교환기는 고형물이 포함된 유체의 가열에 자주 사용되며, 따라서 열 교환기 내부에 오염되는 경향이 있습니다.저압 강하를 통해 SHE는 파울링을 더 쉽게 처리할 수 있습니다.SHE는 "셀프 클리닝" 메커니즘을 사용합니다. 이 메커니즘은 오염된 표면이 국소적으로 유체 속도를 증가시켜 오염된 표면의 드래그(또는 유체 마찰)를 증가시켜 막힘을 제거하고 열 교환기를 청결하게 유지하는 데 도움이 됩니다."열전달 표면을 구성하는 내부 벽이 상당히 두껍기 때문에 SHE는 매우 견고하고 까다로운 ^{[citation needed]}환경에서도 오랫동안 지속될 수 있습니다."또한 쉽게 세척할 수 있으며, 압력 세척으로 오염 물질이 쌓이는 것을 제거할 수 있는 오븐처럼 열립니다.

셀프 클리닝 워터 필터는, 카트리지나 백을 셧다운 하거나 교환할 필요 없이, 시스템을 청결하고 가동시키기 위해서 사용합니다.

흐름 배치

나선형 열교환기의 흐름에는 크게 세 가지 유형이 있습니다.

• 역류: 유체는 반대 방향으로 흐릅니다.액상, 응축 및 가스 냉각 용도로 사용됩니다.장치는 보통 증기를 응축할 때 수직으로 장착하고 고농도의 고형물을 취급할 때 수평으로 장착합니다.
• Spiral Flow/Cross Flow: 하나는 Spiral Flow이고 다른 하나는 Cross Flow입니다.나선형 열교환기의 각 측면에는 나선형 유로가 용접되어 있습니다.이러한 유형의 흐름은 교차 흐름을 통과하는 저밀도 가스를 처리하는 데 적합하며 압력 손실을 방지합니다.한 액체가 다른 액체에 비해 상당히 큰 유량을 가질 경우 액체를 응용할 때 사용할 수 있습니다.
• 분산 증기/나선형 흐름:이 디자인은 콘덴서의 설계이며, 일반적으로 수직으로 장착되어 있습니다.응축수 및 비응축수 모두의 과냉각에 대응하도록 설계되었습니다.냉각수는 나선형으로 움직이며 상단을 통해 배출됩니다.유입된 뜨거운 가스는 바닥 출구를 통해 응축수로 남습니다.

적용들

나선형 열 교환기는 저온 살균, 디지에스터 가열, 열 회수, 예열(환열기 참조) 및 폐수 냉각과 같은 용도에 적합합니다.슬러지 처리의 경우 SHE는 일반적으로 다른 유형의 ^{[citation needed]}열 교환기보다 작습니다.이것들은 열을 전달하는 데 사용됩니다.

선택.

관련된 많은 변수 때문에 최적의 열 교환기를 선택하는 것은 어렵습니다.수동 계산은 가능하지만 일반적으로 여러 번 반복해야 합니다.따라서 열교환기는 시스템 설계자(일반적으로 엔지니어) 또는 장비 공급업체 중 하나)에 의해 컴퓨터 프로그램을 통해 선택되는 경우가 많습니다.

적절한 열교환기를 선택하기 위해 시스템 설계자(또는 장비 공급업체)는 먼저 각 열교환기 유형에 대한 설계 한계를 고려해야 합니다.비용이 주요 기준인 경우가 많지만, 몇 가지 다른 선택 기준이 중요하다.

• 고압/저압 한계
• 열성능
• 온도 범위
• 제품혼합(액체/액체, 미립자 또는 고액체)
• 교환기를 통해 압력이 떨어집니다.
• 유체 유량
• 청결성, 유지보수 및 수리
• 공사에 필요한 재료
• 향후 확장 가능성과 용이성
• 구리, 알루미늄, 탄소강, 스테인리스강, 니켈 합금, 세라믹, 폴리머 및 티타늄과 같은 재료 선택.

소형 코일 기술은 HVAC 업계에서 표준으로 채택되어 온 원형 구리 튜브와 알루미늄 또는 구리 핀을 갖춘 기존 크기의 콘덴서 및 증발기 코일보다 열 전달 속도가 우수하기 때문에 현대 에어컨 및 냉동 시스템에서 더욱 인기를 끌고 있습니다.소경 코일은 차세대 친환경 냉매가 요구하는 높은 압력에도 견딜 수 있습니다.에어컨 및 냉동 제품에는 구리 마이크로홈과^[26] 납땜 알루미늄 마이크로채널이라는 ^{[citation needed]}두 가지 소경 코일 기술이 현재 사용 가능합니다.

올바른 열교환기(HX)를 선택하려면 다양한 열교환기 유형 및 장치가 작동해야 하는 환경에 대한 지식이 필요합니다.일반적으로 제조업에서는 최종 제품을 생산하기 위해 하나의 공정 또는 시스템에 여러 가지 유형의 열 교환기가 사용됩니다.예를 들어 예열을 위한 주전자 HX, '캐리어' 유체를 위한 이중 파이프 HX, 최종 냉각을 위한 플레이트 및 프레임 HX 등이 있습니다.열 교환기의 유형과 작동 요건에 대한 충분한 지식이 있으면 프로세스를 ^[27]최적화하기 위해 적절한 선택을 할 수 있습니다.

감시 및 유지보수

시판되는 열교환기의 온라인 모니터링은 전체 열전달 계수를 추적하여 이루어집니다.전체 열전달 계수는 파울링으로 인해 시간이 지남에 따라 감소하는 경향이 있습니다.

열교환기 유속과 온도에서 전체 열전달계수를 주기적으로 계산함으로써 열교환기 소유자는 열교환기를 청소하는 것이 경제적으로 매력적인지를 추정할 수 있습니다.

플레이트 및 튜브형 열교환기의 무결성 검사는 전도율 또는 헬륨 가스 방법으로 현장에서 테스트할 수 있습니다.이러한 방법은 플레이트 또는 튜브의 무결성을 확인하여 교차 오염 및 개스킷 상태를 방지합니다.

열교환기 튜브의 기계적 무결성 모니터링은 와전류 시험과 같은 비파괴 방법을 통해 수행할 수 있다.

파울링

열교환 표면에 불순물이 쌓이면 오염이 발생합니다.이러한 불순물이 퇴적되면 시간이 지남에 따라 열 전달 효과가 현저하게 저하될 수 있으며, 그 원인은 다음과 같습니다.

• 낮은 벽 전단 응력
• 낮은 유체 속도
• 높은 유체 속도
• 반응생성물 고체침전
• 벽온도 상승에 따른 용존불순물 침전

열교환기 오염 속도는 입자 증착 속도에서 재진입/억제를 뺀 값에 따라 결정됩니다.이 모델은 Kern과 Seaton에 의해 1959년에 처음 제안되었습니다.

원유 교환기 오염상업용 원유 정제에서는 원유를 증류탑에 들어가기 전에 21°C(70°F)에서 343°C(649°F)로 가열합니다.일련의 셸 및 튜브 열 교환기는 일반적으로 용광로에서 가열하기 전에 원유를 260°C(500°F)까지 가열하기 위해 원유와 다른 오일 흐름 간에 열을 교환합니다.아스팔텐 불용성으로 인해 이들 교환기의 거친 쪽에서 오염이 발생합니다.원유의 아스팔텐 용해성의 성질은 위헤와 ^[28]케네디에 의해 성공적으로 모델링되었다.조잡한 예열열차에서 불용성 아스팔텐의 침전은 Kern과 Seaton의 연구를 확장한 Ebert와 Panchal에^[29] 의해 1차 반응으로 성공적으로 모델링되었습니다.

냉각수 오염냉각수 시스템은 오염되기 쉽습니다.냉각수에는 일반적으로 높은 총 용해 고형분 함량과 부유 콜로이드 고형분 함량이 있습니다.용존 고형물의 국부적 침전은 벌크 유체 온도보다 높은 벽온도로 인해 열교환 표면에서 발생한다.낮은 유체 속도(3ft/s 미만)로 부유물이 열 교환 표면에 정착할 수 있습니다.냉각수는 세척이 용이하기 때문에 일반적으로 셸과 튜브 교환기의 튜브 쪽에 있습니다.오염을 방지하기 위해 설계자는 일반적으로 냉각수 속도가 0.9m/s 이상이고 벌크 유체 온도가 60°C(140°F) 미만으로 유지되도록 합니다.오염 제어를 위한 다른 접근법은 생물 살충제 및 항스케일 화학 물질의 "블라인드" 도포와 정기적인 실험실 테스트를 결합합니다.

유지

플레이트 및 프레임 열 교환기는 정기적으로 분해하고 청소할 수 있습니다.관형 열 교환기는 산성 세척, 샌드 블라스팅, 고압 워터 제트, 총알 세척 또는 드릴 로드 등의 방법으로 세척할 수 있습니다.

열교환기용 대규모 냉각수 시스템에서는 열교환기기의 오염을 최소화하기 위해 정화, 화학약품 첨가, 시험 등의 수처리를 사용한다.열교환 및 기타 기기의 오염 및 부식을 최소화하기 위해 발전소 등의 증기시스템에 다른 수처리도 사용된다.

바이오 오염을 방지하기 위해 다양한 업체들이 수생 발진 기술을 사용하기 시작했습니다.화학물질을 사용하지 않는 이 기술은 열 교환기의 저압 강하를 제공하는 데 도움이 되었습니다.

설계 및 제조 규제

열교환기의 설계 및 제조에는 수많은 규정이 있으며, 이러한 규정은 사용 지역에 따라 달라집니다.

설계 및 제조 코드에는 ASME 보일러 및 압력 용기 코드(US), PD 5500(영국), BS 1566(영국),^[30] EN 13445(EU), CODAP(프랑스), 압력 장비 안전 규정 2016(PER)(영국), 압력 장비 지침(EUE NORSOK)이 포함됩니다.

자연에서

인간

사람의 코는 열교환기 역할을 하며, 차가운 공기가 흡입되고 따뜻한 공기가 배출됩니다.얼굴 앞에 손을 대고 숨을 내쉬면 효과가 나타납니다. 코로 먼저, 입으로.코로 내쉬는 공기가 상당히 차갑다.^[32][33]이 효과는 예를 들어 추운 날씨에 얼굴에 스카프를 두르고 숨을 쉬는 등 옷과 함께 강화될 수 있다.

외부 고환을 가진 종에서, 고환의 동맥은 팜피니폼 플렉서스라고 불리는 정맥의 그물로 둘러싸여 있습니다.이것은 고환으로 향하는 혈액을 식히는 동시에 돌아오는 혈액을 다시 가열합니다.

조류, 물고기, 해양 포유류

"반류" 열 교환기는 물고기, 고래 및 다른 해양 포유류의 순환 시스템에서 자연적으로 발생합니다.따뜻한 피를 운반하는 피부 동맥은 차가운 피를 운반하는 피부에서 나오는 정맥과 얽혀 따뜻한 동맥 혈액이 차가운 정맥 혈액과 열을 교환하게 된다.이것은 차가운 물에서 전체적인 열 손실을 줄여줍니다.많은 양의 물이 고래의 입을 ^[34][35]통해 흐르기 때문에 열 교환기는 수염고래의 혀에도 있습니다.물 건너는 새들은 몸에서 다리를 통해 물 속으로 들어가는 열 손실을 제한하기 위해 이와 유사한 시스템을 사용한다.

경동맥 리트

경동맥 리트는 일부 유제류에서 역류 열교환 기관이다.뇌로 가는 경동맥을 타고 올라가는 혈액은 혈관망을 통해 흐릅니다. 여기서 열은 코에서 내려오는 차가운 혈액의 정맥으로 배출됩니다.경동맥 리트는 Thomson's Gazel이 몸의 나머지 부분보다 거의 3°C(5.4°F) 더 차갑게 뇌를 유지할 수 있도록 해주므로, 치타보다 뛰어다니는 것과 같은 대사 열 생성의 폭발을 견딜 수 있도록 도와줍니다(그 동안 체온이 뇌가 ^[36]작동할 수 있는 최대 온도를 초과합니다).

업계에서는

열 교환기는 대규모 산업 공정의 냉난방 모두에 널리 사용됩니다.사용되는 열교환기의 유형과 크기는 유체의 종류, 위상, 온도, 밀도, 점도, 압력, 화학 성분 및 기타 다양한 열역학 특성에 따라 공정에 맞게 조정할 수 있습니다.

많은 산업 공정에서 에너지 낭비 또는 열 흐름이 고갈되고 있습니다. 열 교환기를 사용하여 이 열을 회수하고 프로세스에서 다른 스트림을 가열하여 사용할 수 있습니다.이 방법은 열 교환기에서 다른 스트림으로 공급되는 열이 더 비싸고 환경에 더 해로운 외부 공급원에서 나오기 때문에 업계에서 많은 비용을 절약합니다.

열교환기는 다음을 포함한 많은 산업에서 사용됩니다.

• 폐수 처리
• 냉동
• 와인과 맥주 만들기
• 석유 정제
• 원자력

폐수 처리에서 열 교환기는 오염 물질을 제거하는 미생물의 성장을 촉진하기 위해 혐기성 굴착기 내에서 최적의 온도를 유지하는 데 중요한 역할을 합니다.이 용도에 사용되는 일반적인 유형의 열 교환기는 이중 파이프 열 교환기와 플레이트 및 프레임 열 교환기입니다.

기내

상용 항공기에서는 엔진 오일 시스템에서 열을 받아 차가운 ^[37]연료를 가열하는 데 열 교환기가 사용됩니다.이를 통해 연료 효율이 개선될 뿐만 아니라 구성 ^[38]요소의 연료 동결에 물이 갇힐 가능성을 줄일 수 있습니다.

현재 시장 및 전망

2021년 175억 달러로 추산되는 전 세계 열 교환기 수요는 향후 몇 년 동안 매년 약 5%의 견고한 성장을 보일 것으로 예상된다.시장 가치는 2030년까지 270억 달러에 이를 것으로 예상된다.환경 친화적인 옵션에 대한 욕구가 증가하고 사무실, 소매 부문 및 공공 건물의 개발이 증가함에 따라 시장 ^[39]확대가 이루어질 것입니다.

단순 열교환기 모형

단순한 열 교환은^[40][41] 열적으로 연결된 유체 흐름이 있는 두 개의 직선 파이프라고 생각할 수 있습니다.$열용량{\displaystyle {}_{}}$ $(단위당$ 질량당 에너지 $온도$ 변화)$$의 유체를 운반하는 파이프의 길이를 L로 하고 파이프를 통과하는 유체의 질량 유속을 $(단위당 질량$수)$$로 $합니다{\displaystyle {}_{}}$. 여기서 첨자 i는 pi에 적용됩니다.pe 1 또는 파이프 2.

파이프의 온도 프로파일은 T ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$($x ){$ displaystyle $T_{1}(x)}$ 및$$ ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$2 ($)$입니다.x 는 파이프를 따른 거리입니다.온도 프로파일이 시간의 함수가 되지 않도록 안정된 상태를 가정합니다.또한 한 파이프에 있는 소량의 유체로부터 동일한 위치에 있는 다른 파이프에 있는 유체 요소로의 열 전달만이 유일한 것으로 가정합니다. 즉, 해당 파이프의 온도 차이로 인해 파이프를 따라 열이 전달되지 않습니다.뉴턴의 냉각 법칙에 따라 적은 양의 유체의 에너지 변화율은 뉴턴과 다른 파이프의 해당 요소 간의 온도 차이에 비례합니다.

${\displaystyle {du_{1}} {dt}}=\displays (T_{2}-T_{1})}$

$({displaystyle {du_{2}} {dt}}=\displays (T_{1}-T_{2})})$

(이는 같은 방향과 반대 온도 구배에서의 평행 흐름의 경우이지만 역류 열교환의 경우 $\delta {\displaystyle }$ $T1$- $T2) 앞$의 두 번째 등식에서 부호는 반대입니다. $여기$서 ${\displaystyle u_{}}$ i${\displaystyle {}_{}}$($)$ ${$$display$ style$$$u_i}$ $$($x)$는 열 p 에너지입니다.er 단위 길이 및 θ는 두 파이프 사이의 단위 길이당 열 연결 상수입니다.이러한 내부 에너지의 변화는 유체 요소의 온도 변화를 초래합니다.유량에 따라 운반되는 유체 요소의 시간 변화율은 다음과 같습니다.

$({displaystyle {du_{1}}{dt}}=J_{1}{\frac {dT_{1}}{dx}})$

$({displaystyle {du_{2}} {dt}}=J_{2}{\frac {dT_{2}} {dx}})$

$여기$서 ${\displaystyle {Ji}_{}}$ $=$ ${\displaystyle {}_{}{}_{}}$ $(\$}={$C_{i}}{j_{i}})$는 "표준 질량 유량"입니다.이제 열 교환기를 제어하는 미분 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

${\displaystyle J_{1}{\frac {\partial x}}=\flac(T_{2}-T_{1})$

${\displaystyle J_{2}{\frac {\partial x}}=\flac(T_{1}-T_{2}).}$

시스템이 정상 상태이기 때문에 시간에 따른 온도의 편파생물은 없으며, 파이프를 따라 열전달이 없으므로 열 방정식에 있는 것과 같은 x의 두 번째 유도체는 없습니다.이들 2개의 결합 1차 미분방정식은 다음과 같이 풀 수 있다.

${\displaystyle T_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}},e^{-kx}}$

${\displaystyle T_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}},e^{-kx}}$

$여기$서 k 1 $=$ / ${\displaystyle {J\mathrm{}}_{}}$1 {\$displaystyle k_{1}=\displaystyle$ /$J_{$1$\},$ ${\displaystyle {k\mathrm{}}_{}}$ 2 $=$/ / ${\displaystyle {J\mathrm{}}_{}}$2 {\$displaystyle k_{2}=\displaystyle$ / $J_{2$

${\displaystyle k=k_{1}+k_{2}}$

(이것은 평행 흐름의 경우이지만 역류 흐름의 경우 $앞$의 부호({${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {k\_\mathrm{}}_{}}$${2})$가 음수이므로 ${\displaystyle {k2\mathrm{}}_{}}$ $=$ k1$({$}=$k_{1$이면 양쪽 방향의 "질량 흐름 속도"이 동일하면 온도 구배는 일정하고 x의 선형 위치는 c이다.교환기를 따라 실질적인 차이$({\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$2 - $)(\displaystyle (T_{2}-T_{1})$로, 역류 설계 역류 교환이 가장 효율적인 이유를 설명함)

A와 B는 아직 결정되지 않은 적분 상수이다.${\displaystyle {\mathrm{T}}_{}}$ 10$({$ $및$ ${\displaystyle {\mathrm{T}}_{}}$ 20$({$을 x=0으로 하고 ${\displaystyle {T\mathrm{}}_{}}$ 1 $({$})로 합니다.$L}}$ $및$ ${\displaystyle {\mathrm{T2}}_{}}$L {\$style$ T_${2$}$L})$ 파이프$$ 끝의 온도는 x=L이다.각 파이프의 평균 온도를 다음과 같이 정의합니다.

${\displaystyle {T}_{1}=black {1}{L}\int _{0}^{L}T_{1}(x)dx}$

$({displaystyle {T}_{2}=black {1}{L}}\int _{0}^{L}T_{2}(x)dx})$

위의 솔루션을 사용하면 이 온도는 다음과 같습니다.

${\displaystyle T_{10}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}$	${\displaystyle T_{20}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}$
${\displaystyle T_{1L}=A-{\frac {Bk_{1}}{k}}e^{-kL}}$	${\displaystyle T_{2L}=A+{\frac {Bk_{2}}{k}}e^{-kL}}$
${\displaystyle {T}_{1}=A-{\frac {Bk_{1}}{k^{2}L}}}(1-e^{-kL})}$	${\displaystyle {T}_{2}=A+{\frac {Bk_{2}}{k^{2}L}}}(1-e^{-kL}).}$

위의 두 가지 온도 중 하나를 선택하면 적분 상수가 제거되므로 나머지 네 가지 온도를 찾을 수 있습니다.단위 길이당 내부 에너지의 시간 변화율에 대한 식을 통합하여 전달된 총 에너지를 구한다.

${\displaystyle {dU_{1}}{dt}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{1}{dt}},dx=J_{1}(T_{1L}-T_{10}=\gamma L({\overline {T}_{1}-{1})$

${\displaystyle {dU_{2}}{dt}=\int _{0}^{L}{\frac {du_{2}{dt}},dx=J_{2}(T_{2L}-T_{20})=\gamma L({\overline {T}_{1}-{2}-{2}-{2}-{2})}-{line}}}}}}-{line}}} {line}}}:{line}{line}{{L}}} {\} {\}}$

에너지를 보존함으로써 두 에너지의 합은 0이 된다.$T{\displaystyle {\stackrel{}{}2}_{\mathrm{}}}$2 - ${\displaystyle {\stackrel{}{}1}_{\mathrm{}}}$1 { $displaystyle { displaystyle$ { $T$} $_ {$2} - { \$overline${ T$$$}}$ _ {1}$$} quantity 、 Log 평균 온도차로 알려져 있으며, 열교환기의 열 에너지 전달 효과를 나타내는 척도이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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• 도간 에리너(2005), '쉘 및 튜브 열 교환기를 위한 배플 간격의 온도 경제적 최적화', 에너지 절약 및 관리, 제47권, 제11-12호, 1478-1489페이지.
• G.F. 휴이트, G.L.샤이어스, T.R.Bott(1994) 프로세스 열전달, CRC Press, Inc, 미국

외부 링크

• Curlie의 열교환기
• 셸 및 튜브 열교환기 교육용 설계 소프트웨어(PDF)
• EU 압력 장비 가이드라인
• 더 많은 전기 항공기 전력 시스템 애플리케이션을 위한 열 관리 개념(PDF)