열교환기란?
열교환기는 공기나 물과 같은 유체 사이에서 열을 이동시키는 기기입니다.
열교환기를 사용하는 대표적인 기기는 에어컨으로, 냉매와 공기 사이의 열교환을 통해 실내 온도를 조절하는 기계입니다. 다양한 구조가 개발되어 있으며, 열교환에 사용하는 유체에 따라 적절히 선택해야 합니다.
열교환기 사용 용도
열교환기는 가전제품부터 산업용까지 다양한 용도로 사용되고 있다. 다음은 열교환기 사용 용도의 일례입니다.
- 가정용 에어컨 등 공조기기 및 온수기
- 자동차 라디에이터
- 냉동식품 공장의 상업용 냉장고
- 공정계 공장의 가스 온도 관리
- 증기 터빈의 응축기 및 절탄기 등
- 컴퓨터의 CPU 냉각용
가정에서는 에어컨이나 냉장고에 열교환기가 사용됩니다. 실내 또는 창고 내의 열을 이동시켜 요구되는 온도를 유지합니다. 또한, 온수기나 바닥 난방에도 열교환기가 사용되는 경우가 있습니다.
산업 분야에서도 열교환기의 활용 사례는 무궁무진합니다. 산업용 용광로가 있는 공장 등에서는 공업용수나 해수를 사용하여 열교환기로 재킷을 냉각시키면서 사용합니다. 발전 플랜트 등 인프라 설비에서도 많이 사용되며, 증기 발전의 응축기도 열교환기의 일종입니다.
컴퓨터의 냉각에는 방열판과 같은 열교환기가 사용됩니다. 이는 다수의 방열판을 설치한 제품으로, 발열 매체에 직접 설치하여 외기 대기를 냉각 매체로 하는 장비입니다.
열교환기의 원리
열교환기는 배관과 핀으로 구성됩니다.
배관은 과열 또는 냉각할 매체를 흘려보내는 구조물입니다. 일반적으로 금속으로 제작되며, 스테인리스 스틸, 구리 등 용도에 따라 다양한 제품이 판매되고 있습니다. 열원이 되는 유체를 흐르게 하는 경우 열매배관, 냉각원이 되는 유체를 흐르게 하는 경우 냉매배관이라고 합니다.
핀은 열을 효율적으로 발산하기 위한 구조물입니다. 전열성 등이 우수한 알루미늄이 많이 사용됩니다. 배관 등에 대해 주름 모양으로 설치됩니다.
저온 유체와 고온 유체가 흐르는 방향에 따라 역류형과 병류형 두 가지로 나뉩니다. 서로 반대 방향으로 흐르면 역류형, 같은 방향으로 흐르면 병류형입니다. 일반적으로 역류형이 더 효율적으로 열교환이 가능한 것으로 알려져 있습니다.
열교환기의 종류
구조의 종류로는 다관식 열교환기, 판형 열교환기, 나선형 열교환기 등이 대표적이다. 이외에도 에어핀식, 핀튜브식, 코일식 등이 있습니다.
1. 다관식 열교환기
다관식 열교환기는 두꺼운 원통형 튜브와 그 원환 내부에 있는 얇은 다수의 원통형 튜브로 구성됩니다. 열교환하고자 하는 유체를 굵은 원환에 흘려보내고, 냉매나 냉각수 등을 가는 원관에 흘려보내 열교환을 합니다. 각각의 배관은 칸막이로 구분되어 있어 각 유체가 섞이지 않고 상호간에 열교환이 이루어집니다.
2. 판형 열교환기
특수 가공된 금속 전열판을 여러 장 겹쳐서 고온의 유체와 저온의 유체가 교대로 판을 사이에 두고 흐르는 열교환기입니다.
이 열교환기는 난류 효과를 쉽게 얻을 수 있어 높은 열교환율을 얻을 수 있다. 또한, 컴팩트한 디자인으로 설치 위치에서 문제가 생기지 않는다는 장점도 있습니다. 전열판을 겹겹이 쌓아 올리는 구조로 공정 요구사항에 따라 개수를 변경할 수 있습니다. 단, 유체의 점도가 높은 유체나 입자가 포함된 유체에서는 플레이트 간 막힘이 발생하여 사용이 어렵습니다.
3. 나선형 열교환기
두 종류의 유체가 섞이지 않는 소용돌이 모양의 유로에서 두 유체 간 열교환을 하는 열교환기입니다.
유로 내부는 단일 유로로 되어 있어 열교환기 벽에 물질이 부착되어도 벽면에서 벗겨낼 수 있습니다. 유로 폭이 짧아지고 유속이 증가하기 때문이다. 따라서 불순물이 함유된 유체의 열교환에 적합합니다.
4. 에어핀식 열교환기
튜브와 팬으로 구성된 열교환기입니다. 냉각 시 사용됩니다. 냉각하고자 하는 유체를 튜브에 흘려보내고, 팬의 힘으로 공기를 흘려보내어 냉각합니다.
5. 핀 튜브형 열교환기
튜브형 튜브에 핀(전열판)을 설치하여 전열 면적을 늘린 열교환기입니다. 에어컨의 열교환기에 사용됩니다.
6. 코일식 열교환기
전열 튜브를 코일 모양으로 만들고 외부를 원통 등으로 둘러싸는 열교환기입니다. 냉각 또는 가열 매체를 넣어 튜브 측과 열을 교환합니다.