열교환기3

목차

1. 목적
2. 이론
3. 실험 장치 및 시약
4. 실험방법
5. 토의 및 고찰
6. 참고사항
7. 참고문헌

본문내용

보다 짧은 관, 그리고 팽창 문제에 대한 만족한 해결책은 다중 통과구조에서 실현성이 있다. 다중통과구조에서는 유체통로의 단면적을 감소시켜 유속이 증가하면, 열전달계수는 그에 상당하는 증가가 따르게 된다. 단점은 교한기가 약간 더 복잡하게 되고, 큰 유속과 입구- 출구 손실의 증가 때문에 그 장치를 통한 마찰손실이 증가되는 것이다. 가장 경제적인 설계는 관에서 펌핑에 소요되는 동력비 증가분이 장치비 감소분으로 상쇄되는 그런 속도를 요구한다. 너무 낮은 속도는 펌핑동력이 절감되나, 지나치게 큰 교환기가 요구된다. 너무 큰 속도는 초기 교환기 비용이 절감되나, 동력비에서 그것을 보충하는 것보다 더 큰 비용이 들게 된다.
다중통과 교환기에서는 짝수개의 관측 통과를 사용하게 된다. 동체측은 단일통과나 다중통과일 수도 있다. 보통 구조는 동체측 액체가 단일 동과이고 간측 액체가 2-통고인 1-2 평해-향류 교환기이다. 이와 같은 교환기는 아래의 그림과 같다.
◎ 2-4교환기
1-2교환기는 중요한 제한조건을 가지고 있다. 평행류통과 때문에, 이 교환기는 한 유체의 출구온도가 다른 유체의 입구온도에 근접되게 할 수 없다. 같은 제한조건을 다른 방법으로 설명하면, 1-2교환기의 열회수가 그 기본 구조상 빈약한 것이다.
더 좋은 열회수는 2-동체 통과(2-shell pass)가 되도록 원통 길이에 따라 장애판을 부착함으로써 얻을 수 있다. 이런 종류의 2-2교환기는 이중관 열교환기의 성능과 거의 같으나, 동체측 장애판비용 때문에 2-2교환기는 자주 쓰이지 않는다. 아주 많이 쓰이는 보통 형이 2-4교환기인데, 이것은 2-동체측 통과와 4-관측 통과를 가진 것이다. 이런 형의 교환기는 2-관측통과이고, 같은 유속으로 조작되는 1-2교환기보다 역시 더 큰 속도와 더 큰 통괄 열전달계수값을 준다. 2-4교환기의 한 예는 아래의 그림과 같다.
◎다관 원통형 열교환기
다관 원통형 열교환기는 화학장치에서는 가장 널리 사용되고 있는 열교환기로서 저장(저庄)은 물론 고장(高庄)까지 저온 및 고온에서 관계없이 재료의 허용 사용범위 내에서 가열 냉각 및 증발응축의 모든 용도에 적용할 수 있으므로 신뢰도가 높고 효율도 좋다. 보통 전열관을 수평으로 한 횡치형(橫置形)으로 사용되지만 설치면적에 제한을 받을 경우 증발조작을 행할 경우 기타 전열관을 수직으로 하는 것이 성능상 유리한 경우에는 종치형(縱置形)을 사용한다. 구분은 다수의 전열관을 관판에 용접 등으로 고정시킨 관속을, 원관 용기에 삽입한 구조이며 관판과 동과의 연겸분의 형식으로 고정 관판식, 유동두식, u자관식으로 나누어진다.
a. 고정 관판식
양측의 관판은 동에 용접 또는 기타의 방법으로 고정되고 전열관은 고정관판에 용접 등의 방법으로 장착되어 있다. 동측의 청소를 할 수 없으므로 오염이 심한 유체나 부식성이 있는 유체를 동부에 흘리려면 적함하지 않다. 다관 원통형 열교환기 중에서도 가장 간단한 형식이며 제작비가 싸므로 동측의 오염이 적은 경우에는 유리하다. 동측, 관측 양유체의 온도차가 100℃이상 되는 경우 또는 온도차가 적어도 동과 전열관의 재질이 다르고 동과 관의 온도 변화에 의한 신정(伸廷)의 차가 커지는 경우에는 동에 신정(伸廷)이음을 설치할 필요가 있다.
b. 유동두식(遊動頭式)
전열관은 고정관 판 및 유동관 판에 용접 등으로 고정되어 있다. 동(胴)과 관속(管束)은 열팽창에 대해서는 자유이며 관속은 쉽게 삽입(揷入)또는 발출(拔出)할 수 있다. 오염이 많은 유체는 관측(管側)에 양유체가 같은 정도의 오염성이라면 장력이 높은 쪽을 관측에 흘린다. 이것은 관측이 청소가 쉬우며 관측에 고장유체(高庄流體)를 흘리는 것이 구조적으로 염가로 될 수 있기 때문이다. 또 부식성의 유체도 관측에 흘린다. 이 형식의 열교환기는 설계조건 및 운전 조건에 대해 가장 융통성이 크지만 구조가 복잡하고 비용이 높은 단점이 있다.
c. u자 형식
전열관을 u자형으로 굽혀 관단을 도나판에 부착시킨 것이다. 동(胴)과 관(管)은 별개로 되어 있으므로 열 팽창에 대한 고려는 필요가 없다. 관판도 고정관판 만으로 되므로 유동두 식보다 구조가 간단하고 가격도 비교적 싸게 된다. 그러나 동의 청소는 관속의 발출은 쉬우나 관내는 u자관이므로 청소가 곤란한다. 따라서 관측유체는 오염이 적은 것이라야 한다. 또 전열관의 구조로 관의 교환은 외측을 빼고 내부의 일부분만을 행할 수는 없다. 보통 u자관의 굽힘의 최소반경은 전열관 외경의 2배로 하고 있다. 보통 굽힘 가공 후의 관의 살두께의 감소는 피할 수가 없으므로 직관의 경우보다는 두꺼운 전열관을 사용해야 하는 단점이 있다.
◎특수 열 교환기
a. 플레이트식 열교환기
유로 및 강도를 고려하여 요철형으로 프레스 성형괸 전열판을 포개서 교호(交互)로 각기 유체가 흐르도록 한 구조의 열교환기이다. 전열판은 분해할 수 있으므로 청소가 완전히 되고 보호 점검이 쉬울뿐 아니라 전열 판매 수를 늘이거나 줄임으로 용량을 조절할 수 있다. 전열면을 개방할 수 있는 형식의 것은 고무나 합성수지 가스켓을 사용하고 있으므로 고온 또는 고장용(高庄用)으로는 적당하지 않다. 액체와 액체와의 열교환에 많이 사용되며 한게 사용장력 및 온도는 각각 약 5kg/㎠ , 150℃ 이다. 가스켓을 사용하지 않고 용접 또는 납땜으로 일체로 제작된 것은 온도의 제한이 완화되지만 전열면의 점검이나 청소를 할수 없으므로 부식성 또는 오염이 심한 유체에는 사용할 수 없다.
b 소용돌이식 열교환기
대상(帶狀)의 두장의 평판을 소용돌이 상으로 가공하여 두 개의 유체통로를 형성시킨 열교환기이다. 구조상 열팽창에 대한 고려가 필요없고 유체의 흐름은 균등하여 장력손실이 없는데 비해 전열계수가 크므로 전열 면적에 비해 소형의 열 교환기가 얻어진다. 보통 용접구조 이므로 청소, 보수가 어렵다, 장력은 보통 10kg/㎠ 까지 사용된다.
8. 참고문헌
▶ 단위 조작(Unit Operation of Chemical Engineering)
▶ 열교환기 이론과 설계 - 민의동 저(창원 1991)
▶ Chemical Engineering hand book
▶신한공업 (internet)

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열교환기,   병류,   향류