열교환기란 무엇인가요?

열교환기는 온도가 다른 두 유체 사이에서 열을 교환하는 장치를 말합니다.

열교환기의 기능은 열교환을 목적으로 할 수도 있다. 즉, 일정 시간 내에 특정 유체 간에 일정량의 열이 교환되는 것은 폐열 활용을 위한 열 회수의 목적일 수도 있습니다. 온도 상승으로 인한 압력 상승을 방지하여 일부 장비가 손상될 수 있습니다. 열교환기의 기능은 다르며 설계, 선택 및 작동 조건도 다릅니다.

열 교환기의 기본 요구 사항은 열 교환기가 열 교환 요구 사항을 충족해야 한다는 것입니다. 즉, 필요한 열 교환량과 열매체 온도를 충족해야 합니다. 열 교환기는 열 손실이 적고 높아야 합니다. 열 교환 효율이 작아야 하며 기계적 강도가 충분하고 부식 및 손상에 대한 저항력이 강해야 하며 구조가 합리적이어야 하며 작업이 안전하고 신뢰할 수 있어야 합니다. 부품 사이의 온도 상승으로 인한 열 응력이 없어야 합니다. 열 교환기가 파손되지 않아야 합니다. 제조, 설치 및 수리가 용이해야 하며, 장비의 전체 ​​수명 주기에 걸쳐 총 투자가 이루어져야 합니다. 작아야 합니다(총 투자에는 장비 및 보조 장치의 초기 투자 비용과 운영 및 유지 관리 비용이 포함됩니다). 급수 시스템의 열교환기는 스케일 제거가 쉬워야 하며 종종 서로를 제한합니다. 동시에 만족시키기 어렵기 때문에 열교환기 프로젝트의 주요 요구 사항을 충족하기 위해 특정 상황에 초점을 맞춰 열교환기를 선택해야 합니다. 열교환기 고장률이 낮고, 난방은 계절적 부하이기 때문에 유지보수에 필요한 시간은 충분하다.

급탕 시스템의 난방 중단은 큰 영향을 미치지 않을 것이기 때문에 열교환기는 장비 없이 사용할 수 있습니다. 열 교환기 수의 선택과 단일 장치의 용량 결정은 열 부하의 단계적 증가에 맞춰 조정되어야 하며 난방 공급의 신뢰성을 고려해야 합니다.

열교환기는 작동 원리에 따라 서로 다른 열교환 매체에 따라 물-물 열교환기와 증기-물 열교환기로 나눌 수 있으며 파티션 유형, 직접 접촉 유형, 재생식으로 나눌 수 있습니다. 유형 및 히트파이프형 열교환기.

열교환기는 일상생활에서 난방에 사용되는 방열판, 증기터빈 장치의 응축기, 우주 로켓의 오일 쿨러 등 모두 열교환기에 속한다. 또한 화학, 석유, 전력, 원자력 등 산업 분야에서도 널리 사용됩니다. 주요 기능은 공정 중 매체에 필요한 특정 온도를 보장하는 것이며 에너지 활용도를 향상시키는 주요 장비 중 하나이기도 합니다.

열교환기는 히터, 냉각기, 응축기 등과 같은 별도의 장치일 수도 있고, 산업 현장의 열교환기와 같은 특정 공정 장비의 구성요소일 수도 있습니다. 암모니아 합성탑.

제조 기술과 과학 수준의 한계로 인해 초기 열교환기는 뱀관 열교환기와 같이 열 전달 면적이 작고 부피가 크고 무게가 무거운 단순한 구조만 채택할 수 있었습니다. 제조 기술의 발전에 따라 쉘 앤 튜브 열교환기가 점차 형성되었습니다. 이는 단위 부피당 큰 열 전달 면적을 가질 뿐만 아니라 우수한 열 전달 효과를 가지고 있습니다. 생산.

판형 열교환기는 1920년대에 등장해 식품 산업에 사용됐다. 튜브 대신 플레이트로 만든 열교환기는 구조가 콤팩트하고 열전달 효과가 좋기 때문에 다양한 형태로 개발되어 왔습니다. 1930년대 초 스웨덴은 최초의 나선형 판형 열교환기를 만들었습니다. 그런 다음 영국에서는 브레이징을 사용하여 항공기 엔진에서 열을 발산하는 데 사용되는 구리와 그 합금 재료로 만든 판형 열교환기를 만들었습니다. 1930년대 후반에 스웨덴은 펄프 공장에서 사용되는 최초의 판형 및 쉘형 열교환기를 제조했습니다. 이 기간 동안 부식성이 높은 매체의 열교환 문제를 해결하기 위해 사람들은 새로운 재료로 만들어진 열교환기에 주목하기 시작했습니다.

1960년대에는 우주기술과 첨단과학의 급속한 발전으로 스탬핑, 브레이징, 실링 기술의 발전과 함께 다양한 고효율 소형 열교환기가 절실히 필요했다. , 열교환기 열교환기의 제조 공정이 더욱 개선되어 소형 판형 열교환기의 활발한 개발과 광범위한 적용이 촉진되었습니다. 또한 1960년대 이후에는 고온, 고압 조건에서 열교환과 에너지 절약의 요구를 충족시키기 위해 일반적인 쉘 앤 튜브 열교환기도 더욱 개발되었습니다. 1970년대 중반에는 열전달을 향상시키기 위해 히트파이프에 대한 연구개발을 바탕으로 히트파이프 열교환기가 탄생하게 되었다.

열교환기는 열 전달 방식에 따라 하이브리드형, 재생형, 파티션형 등 3가지 유형으로 나눌 수 있다.

하이브리드 열교환기는 차가운 유체와 뜨거운 유체의 직접적인 접촉과 혼합을 통해 열을 교환하는 열교환기, 접촉열교환기라고도 합니다. 두 유체는 혼합 및 열교환 후 적시에 분리되어야 하므로 이러한 유형의 열교환기는 기체와 액체 유체 간의 열교환에 적합합니다. 예를 들어, 화학공장이나 발전소에서 사용되는 냉각수탑에서는 충전재의 수막 표면이나 물방울과 물의 표면에 뜨거운 물은 위에서 아래로 분사되고 찬 공기는 아래에서 위로 흡입됩니다. 물방울, 뜨거운 물과 찬 공기가 서로 접촉하여 열교환을 하고, 뜨거운 물이 냉각되고, 찬 공기가 가열된 다음, 두 유체 자체의 밀도 차이에 따라 두 유체가 시간적으로 분리됩니다.

재생열교환기는 차가운 유체와 뜨거운 유체를 이용하여 재생기 내부의 재생기(충진재) 표면을 교대로 흐르면서 코크스로 공기재생기 아래에서 예열하는 등 열교환을 하는 열교환기이다. 이러한 유형의 열교환기는 주로 고온 배기가스의 열을 회수하고 활용하는 데 사용됩니다. 이와 유사한 냉에너지 회수를 목적으로 하는 장비를 재생기(regenerator)라고 하며 주로 공기분리장치에 사용된다.

격벽형 열교환기의 차가운 유체와 뜨거운 유체는 견고한 격벽으로 분리되어 있으며, 열교환기는 격벽을 통해 열교환을 하므로 이러한 형태의 열교환기라고도 합니다. 열교환기는 가장 일반적으로 사용됩니다.

격벽형 열교환기는 전열면의 구조에 따라 튜브형, 플레이트형, 기타형으로 나눌 수 있습니다. 코일형 열교환기, 슬리브형 열교환기, 쉘 앤 튜브 판형 열교환기를 포함한 관형 열교환기는 튜브 표면을 열전달 표면으로 사용합니다. 판형 열교환기, 나선형 판형 열교환기, 판형 열교환기, 판형 및 쉘 열교환기, 우산형 열교환기 등을 포함한 다른 유형의 열교환기는 긁힌 표면과 같은 특정 특수 요구 사항을 충족하도록 설계된 열교환기입니다. 열교환기, 회전 디스크 열교환기 및 공기 냉각기 등

열 교환기에서 유체의 상대 흐름 방향에는 일반적으로 하류와 역류가 포함됩니다. 하류로 흐를 때 두 유체 사이의 온도차는 입구에서 가장 크고 열전달 표면을 따라 점차 감소하며 출구에서 가장 작은 온도차에 도달합니다. 역류 흐름 동안 열 전달 표면을 따라 두 유체 사이의 온도 차이는 더욱 균일하게 분포됩니다. 차가운 유체와 뜨거운 유체의 입구와 출구 온도가 일정하다는 조건에서 두 유체 사이에 상 변화가 없을 때 역류 흐름 사이의 평균 온도 차이가 가장 크고 하류 흐름 사이의 평균 온도 차이가 가장 작습니다.

동일한 열전달량을 완료한 조건에서 역류를 사용하면 열전달 면적이 변하지 않으면 평균 온도차가 증가하고 열교환기의 열전달 면적이 줄어들 수 있습니다. , 역류를 사용하면 가열 또는 냉각이 발생할 수 있습니다. 전자는 장비 비용을 절감할 수 있고, 후자는 운영 비용을 절감할 수 있으므로 설계나 생산 시에는 역류 열교환을 최대한 활용해야 합니다.

차가운 유체와 뜨거운 유체 중 둘 다 또는 하나가 상변화(비등 또는 응축)할 때 상변화 동안 기화잠열만 방출 또는 흡수되며 유체 자체의 온도는 변하지 않습니다. 따라서 유체의 입구 온도와 출구 온도는 동일합니다. 이때 두 유체의 온도 차이는 유체의 흐름 방향 선택과 관련이 없습니다. 순방향 흐름과 역류의 두 가지 흐름 방향 외에도 교차 흐름 및 배플 흐름과 같은 흐름 방향도 있습니다.

열전달 과정에서는 분리벽형 열교환기의 열저항을 줄여 열전달계수를 높이는 것이 중요한 문제이다. 열저항은 주로 격벽 양면의 전열면에 붙어 있는 얇은 유체층(경계층이라고 함)과 열교환기 사용 시 벽 양면에 형성된 먼지층에서 발생합니다. 벽 열 저항은 상대적으로 작습니다.

유체의 유속과 난류를 높이면 경계층이 얇아지고 열 저항이 줄어들며 열 전달 계수가 높아질 수 있습니다. 그러나 유체 유량을 늘리면 에너지 소비가 증가하므로 설계 시 열 저항을 줄이는 것과 에너지 소비를 줄이는 것 사이에서 합리적인 조정이 이루어져야 합니다. 먼지의 열 저항을 줄이려면 먼지 형성을 지연시키고 열 전달 표면을 정기적으로 청소하십시오.

일반적으로 열교환기는 금속 재료로 만들어지며, 그 중 탄소강과 저합금강이 주로 중압 및 저압 열교환기를 제조하는 데 사용되며 스테인리스강은 주로 다양한 내식성 조건에서 사용됩니다. 온도 스테인레스 스틸은 고온 및 저온에 견디는 재료로도 사용될 수 있으며, 구리, 알루미늄 및 그 합금은 주로 저온 열교환기를 만드는데 사용되며, 니켈 합금은 가스켓 부품을 만드는 데 사용됩니다. , 일부 비금속 재료가 흑연 열 교환기, 불소 수지 열 교환기 및 유리 열 교환기와 같은 비금속 재료의 내식성 열 교환기를 만드는 데 적합하기 시작했습니다.