[열시스템 설계] 열교환기 분석 및 최적 설계 프로젝트 준비

서론

1차 과제의 목적과 필요성은
제약조건 하에서 Shell&Tube 열교환기를 설계하고 시험하여 최대의 효율을 높이고 평가 하는 것이었다. 정해진 재료들과 규격을 이용하여 최대의 효율을 내는 것이 이 과제의 주제였다.

요즈음 자원 및 에너지 절약은 국가적인 중요 과제일 뿐만 아니라 기업 및 가정에 이르기까지 인식돼야 될 문 제이다. 최근에는 화학 플랜트부터 가전제품에 이르기까지 에너지 절약의 사상이 보급되어서 설계 철학으로써 원가 절감의 문제와 더불어 필수적으로 제품에 대하여 검토되고 있다. 모든 에너지의 변환이 최종적으로 열에너지로 변한다는 것을 생각하면, 열에너지의 전달, 전송 등의 효율 향상은 매우 중요한 과 제이다. 그중 에너지 절약이나 원가 절감을 할 때 주목되는 장치 중 하나가 열교환기이다. 그 열교환기를 이용한 단위 비용당 열 교환량을 최대화 하도록 열교환기를 설계하고 제작하는 과제였다.

과제 관련된 기술 현황 분석

*국내 기술 현황
- 고온용 plate-fin 열교환기
고온용 plate-fin 열교환기인 리큐퍼레이터(Recuperator)의 핵심기술은 고온부 열원으로부터 효과 적으로 열을 회수할 수 있는 콤팩트형 열교환기 설계, 고온부 조건에서 장시간 작동할 수 있는 내구성 향상 기술이다. 또한, 고가의 내열소재를 활용하면서도 저가격 제품 생산이 가능한 제작 기술이다. 높은 효율과 비교적 작은 크기와 무게 때문에 항공, 자동차 및 극저온용 등으로 광범 위하게 사용되고 있는 열교환기종류이다. 해외에서는 약 25~100 MW급 재열기 및 인터쿨러 (Intercooler)를 개발하여 시장을 독점하고 있다.

- 에너지 플랜트용 열교환기
마이크로 채널 열교환기는 구조의 우수한 열적성능을 가지면서 플랜트에 적용 가능한 용량으로 대형화하기에 적합한 구조로 평가받고 있다. 열교환기의 특성길이가 1μm 에서 1mm 사이의 채널을 가지는 열교환기를 말하며 단위 체적 당 전열면적이 크므로 우수한 열전달 성능을 가지며 이에 따라 소형 경량화가 가능하다는 장점이 있다.

- 배열회수용 판형 열교환기
배열회수용 판형 열교환기는 자원의 재순환, 재생에너지 시장에 이슈인 각종 배(폐)열 회수 발전, 지열, 해양온도차 발전의 체적효율을 극대화하고, 작동유체의 특성에 맞는 열교환기이다.

- 열교환기 세정 시스템
열교환기 튜브 내벽의 오염물질(Fouling)을 제거하여 열전달 효율 및 운전 시 소모되는 에너지를 절약할 수 있는 기술이다.

*열교환기 이론적 종류
열교환기란, 서로 온도가 다르고, 고체벽으로 분리된 두 유체 사이에 열교환을 수행하는 장치를 열교환 기라 하며, 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수 등에 널리 이용된다. 열교환기에는 구조상 다관식 열교환기, 2중관식 열교환기, 액막식 열교환기, 코일식 열교환기, 판형 열교환기 등이 있다.

- 다관식 열교환기는 금속관을 다수 늘어 놓아 관외와 관내(관측)에 흐르는 두 유체 사이에서 열교 환을 하는 것으로, 가로형으로 한 것이 많다. 열전달 계수를 크게 하기 위해서 몸통측 유체를 관에 직각 방향으로 닿도록 몸통 유로에 나선상의 방해판을 설치한 것이 있으며, 또 같은 목적을 위해서 몸통측이나 관측의 유로를 열교환기 내에서 몇 번 왕복시키도록 다회로로 한 것도 많다. 또 관과 몸통과의 온도차에 의한 신축은 무리없이 흡수할 수 있는 구조로 되어 있다. 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있으므로 적용범위가 매우 넓고 신뢰성과 효율이 높다.

다관형

- 이중관식 열교환기는 2중관의 내관과, 내관과 외관 사이 고리 부분에 흐르는 온도가 다른 두 유 체 사이에서 열교환을 하는 것으로, 내관 대 외관의 굵기는 1¼~2~2½, 2 : 3, 3 : 4(각각 인치)가 표준이다. 따라서 배관 계통에 부속시키는 것이 간단하고 널리 사용된다. 전열면적을 증가시키 기 위해서 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결시킬 수 있다.  액막식 열교환기는 직렬로 연결한 몇 단인가의 수평 관군의 상부에서 찬물을 부어 관 표면상 을 박막상으로 흘러 떨어지는 냉각수에 의해 관내 유체를 냉각하는 것이다. 구조가 간단하고 정밀가공을 필요로 하지 않으며 화학공업 전반에 사용되고 있다.

이중관형

- 코일식 열교환기는 통 안의 액을 가열 또는 냉각하는 경우, 통 안에 담근 사관(蛇管)에 의해 열 교환을 하는 것으로, 구조가 간단하고 저렴하기 때문에 많이 사용되고 있다.

코일식 (좌)코일형, (우)소용돌이형

- 판형 열교환기에는 최근에 많이 사용되는 열교환기로 다수의 평판을 일정한 간격으로 세워놓고 한칸씩 건너서 각각의 유체를 통과시켜 열교환을 하는 형식이며, 고난류 유동에 의한 열교환 효율향상, 경량화 높은 사용 압력, 동력에 의한 저항성이 높다.

판형

과제 수행 내용 및 결과

*문제의 해석

- 이론적 접근

동일한 입구/출구 온도에 대해 대향류가 동일한 열전달 계수에 대해 정해진 열전달율을 달성하는데 평행류보다 적은 표면적으로 가능하다. 즉, 같은 표면적이라면 대향류가 평행류보다 열전달율이 높아 효율이 높아진다. 그리고 NTU가 클수록 대향류의 효율이 높아지는 것을 위 그림을 통해 알 수 있다. 효율(ε)는 𝑞/𝑞𝑚𝑎𝑥 이다.
열전도율(𝑞)는 𝐶ℎ (𝑇ℎ1 − 𝑇ℎ2)로 표현되며 열전도율을 크게 하기 위해 열교환을 통해 고온 입구와 출구의 온도 차가 커야 한다. 따라서, 고온 유체의 질량 유량을 최대한 줄 여야 한다. 질량 유량 (𝑚) 은 𝜌𝑉𝑚𝐴𝑐로 표현되며 결국 𝑉𝑚을 줄여야 한다. 따라서, 구리관의 모양을 주어진 조건 하에 변화를 주고 전열 면적을 높이며 관 마찰을 늘려 야한다 그리고 열교환의 효율을 높이는 방법 중 ‘fin’이라는 부속 부품을 넣어 효율을 높이는 방법이 있다. 현재 많은 열 교환기에는 관에 fin이 달리 ‘fin tube’라는 것을 사용한다. 이 것은 관 외부 의 면적과 마찰을 일으켜 효율을 높이고, 난류를 발생시킨다. 이것은 곧 유체의 혼합을 일으켜 열교환을 높여준다.

Fin Tube

- 실험적 접근
이론적 접근을 통해 효율을 높이기 위해서 ‘대향류’, ’질량 유량을 줄이기 위한 관의 마찰 증대’, ’fin의 설치로 인한 난류 발생’ 등 크게 3가지 요소를 뽑을 수 있다. 따라서 이 조건을 모두 만족하는 관과 Shell을 만들어야 효율을 극대화할 수 있을 것이라고 판단하고 설계하였다.