열교환기

3. 종류

열교환기는 사용되는 유체의 상(phase)에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.^[5][6]

• 단상 열교환기: 열교환 과정에서 유체의 상 변화가 없는 경우이다. 액체-액체, 기체-기체 열교환이 이에 해당한다.
• 이상 열교환기: 열교환 과정에서 유체의 상 변화가 일어나는 경우이다. 응축기와 리보일러가 대표적인 예시이다.
• 응축기: 고온의 증기 또는 기체를 냉각하여 액체로 응축시키는 장치이다.^[5][6] 화학 공장, 정유소의 증류탑, 발전소의 표면 응축기 등에서 사용된다.

• 리보일러: 증류탑에 들어오는 원료를 가열하는 데 사용되는 열교환기이다.^[5][6]

• 보일러: 물을 증기로 만드는 열교환기 또는 유사 장치를 말한다. 증기 발생기는 가압경수로형 원자력 발전소에서 1차 계통(원자로)과 2차 계통(증기 터빈) 사이에서 열을 전달하여 증기를 생산하는 특수한 대형 열교환기이다.

3. 1. 유체 흐름에 따른 분류

• '''향류(Counter-current Flow)''': 유체가 반대 방향으로 흐른다. 이는 액체-액체, 응축 및 가스 냉각 응용 분야에 사용된다. 응축 증기를 처리할 때는 일반적으로 수직으로 장착하고, 고농도의 고형물을 처리할 때는 수평으로 장착한다.
• '''나선형 유동/교차 유동(Spiral Flow/Cross Flow)''': 한 유체는 나선형 유동이고 다른 유체는 교차 유동이다. 이 유형의 나선형 열교환기는 나선형 유동 통로가 각 측면에 용접되어 있다. 이 유형의 유동은 교차 유동을 통과하는 저밀도 가스를 처리하여 압력 손실을 피하는 데 적합하다. 한 액체의 유량이 다른 액체보다 상당히 클 경우 액체-액체 응용 분야에 사용할 수 있다.
• '''분포 증기/나선형 유동(Distributed Vapour/Spiral flow)''': 이 설계는 응축기의 설계이며 일반적으로 수직으로 장착된다. 응축수와 비응축성 가스 모두의 과냉각을 처리하도록 설계되었다. 냉각수는 나선형으로 이동하여 상단을 통해 배출된다. 유입되는 고온 가스는 하단 배출구를 통해 응축수로 배출된다.

3. 2. 유체 상(phase)에 따른 분류

3. 3. 구조에 따른 분류

• 이중관 열교환기: 가장 간단한 형태로, 한 유체가 작은 관을 통해 흐르고 다른 유체는 두 관 사이의 환형 공간을 통해 흐른다. 이중관 열교환기는 병류 또는 향류로 구성될 수 있다. 병류는 고온 및 저온 유체가 같은 방향으로 흐르는 것이고, 향류는 반대 방향으로 흐르는 것이다.
• 쉘 앤 튜브 열교환기: 서로 다른 온도의 두 유체가 열교환기를 통해 흐르는데, 한 유체는 관 쪽을 통해 흐르고 다른 유체는 관 바깥쪽, 쉘 안쪽을 통해 흐른다. 베플은 관을 지지하고 유체 흐름을 유도하며 쉘 유체의 난류를 최대화하는 데 사용된다. 튜브 직경, 튜브 두께, 튜브 길이, 튜브 피치, 튜브 배열, 베플 설계 등 다양한 설계 요소가 고려된다.

• 핀튜브 열교환기: 관 내부에 핀을 추가하여 열전달 면적을 늘린 형태이다. 주로 공기와 같이 열전도율이 낮은 유체의 열전달 효율을 높이는 데 사용된다.

• 판형 열교환기: 여러 개의 얇은 열전달 판이 묶여 있는 형태이다. 각 판 쌍은 유체가 흐를 수 있는 채널을 형성하며, 개스킷은 판 사이를 밀봉한다.
• 판과 쉘 열교환기: 판형 열교환기와 쉘 앤 튜브 열교환기 기술을 결합한 형태이다.

• 판형핀 열교환기: 핀이 포함된 "샌드위치형" 통로를 사용하여 효율을 높인 형태이다. 주로 저온 서비스에 사용된다.
• (동적) 스크레이핑 표면 열교환기: 고점도 제품, 결정화 공정, 증발 및 고파울링 응용 분야에 주로 사용된다. 표면을 지속적으로 긁어 파울링을 방지한다.
• 직접 접촉 열교환기: 분리벽 없이 두 상의 고온 및 저온 유체 사이에서 열 전달이 일어나는 형태이다.
• 마이크로채널 열교환기: 수력 직경이 1mm 미만인 다공성 튜브와 핀으로 구성된 다중 통과 병렬 흐름 열교환기이다.
• 헬리컬 코일 열교환기(HCHE): 공간 활용도가 높고, 저유량 조건에서 효율적이다.
• 스파이럴 열교환기(SHE): 두 개의 평평한 표면이 코일 형태로 감겨 역류 배열의 두 채널을 형성한다.

3. 4. 용도에 따른 분류

• 폐열 회수 장치(WHRU): 고온 가스 흐름(가스터빈, 디젤 엔진 배기가스, 산업 폐가스 등)에서 열을 회수하여 물이나 오일 등의 작동 매체로 전달한다.
• 유기 랭킨 사이클(ORC) 폐열 회수 장치: 물보다 낮은 온도에서 끓는 냉매(암모니아, 펜타플루오로프로판, 톨루엔 등)를 사용하여 저온에서 효율적인 열 회수를 가능하게 한다. 냉매는 증발기에서 가열되어 과열 증기를 생성하고, 터빈에서 팽창하며 열에너지를 운동 에너지로 변환, 전기 발전기에서 전기로 변환된다. 이후 냉매는 응축되어 펌프를 통해 증발기로 돌아가는 사이클을 반복한다.
• 냉동 및 공조: 냉동 및 공조 시스템에서 열교환기는 '에어 코일' 또는 '코일'이라고 불리며, 냉동 사이클에서 응축기 역할을 한다. 일반적으로 지느러미관형(finned tube type)이며, 수정된 교차흐름 배열을 사용한다.
• HVAC 코일: 액체 측에는 물, 물-글리콜 용액, 증기, 냉매 등이 사용된다. 가열 코일에는 온수와 증기가, 냉각 코일에는 냉각수와 냉매가 주로 사용된다. 냉매를 사용하는 경우 냉각 코일은 증발기, 가열 코일은 응축기가 된다.
• DX 코일: 냉매의 직접 팽창을 사용하는 HVAC 코일로, 일부는 "마이크로채널" 유형이다.
• 응축수: 냉각 코일에서 공기 중 수분이 응축되어 발생하는 물을 응축수라고 하며, 냉각 코일 설계 시 잠열(수분) 및 현열(냉각) 부하를 고려해야 한다.
• 동결 방지: HVAC 코일은 동결 조건에 노출될 수 있으므로, 동결 방지 설계가 중요하다.
• 열교환 지느러미: 움푹 들어간 부분을 통해 응축을 제어하여 물 분자가 냉각된 공기에 남아 있도록 한다.
• 직접 연소 보일러: 주택에서 사용되는 일반적인 직접 연소 보일러의 열교환기는 스탬핑된 강판으로 만들어진 가스-공기 열교환기이다. 연소 생성물은 열교환기의 한쪽을 통과하고, 가열될 공기는 다른 쪽을 통과한다. 열교환기 파손 시 연소 생성물이 유입될 수 있으므로 주의해야 한다.
• 나선형 열교환기: 파스퇴르화, 소화기 가열, 열회수, 예열, 유출수 냉각 등에 사용된다. 슬러지 처리의 경우 다른 유형의 열교환기보다 크기가 작은 경향이 있다.
• 폐수 처리: 혐기성 소화조 내 최적 온도를 유지하여 미생물 성장을 촉진, 오염 물질 제거에 기여한다. 이중관 열교환기, 판형 열교환기 등이 사용된다.
• 항공기: 엔진 오일 시스템의 열을 이용하여 차가운 연료를 가열, 연료 효율을 높이고 연료 내 물의 동결 가능성을 줄인다.
• 보일러: 증기 발생을 위한 가열 용도로 사용되는 열교환기이다.
• 공기 예열기: 보일러 배기가스의 열로 연소용 공기를 예열한다.
• 급수 예열기(절탄기): 보일러 배기가스의 열로 보일러 급수를 예열한다.
• 과열기: 포화증기를 가열하여 과열증기로 만든다.
• 재열기: 증기 터빈에서 일을 한 증기를 다시 가열하여 재열 사이클 터빈을 회전시킨다.
• 수냉벽
• 증기발생기: 가압경수로에서 원자로를 순환하는 1차냉각재의 열로 2차냉각재인 경수를 끓여 증기터빈을 구동한다.
• 복수기: 랭킨 사이클에서 수증기를 냉각하여 물로 되돌린다.
• 식품/화학/냉장: 식품 제조, 화학약품 제조, 냉장 보관 등 산업용 냉각/가열/냉장에 사용된다.
• 증발기: 액체를 가열하여 기체로 만든다.
• 응축기: 기체를 냉각하여 액체로 만든다.
• 냉각탑: 액체-대기 열교환기 중 냉각에 사용된다.
• 가열탑: 액체-대기 열교환기 중 가열에 사용된다.
• 냉동기: 냉장/냉동 보관용 냉장고 등에 사용된다.
• 공기 조화:
• 팬코일 유닛: 난방·냉방에 사용되는 송풍기와 에어 필터가 장착된 물-공기 열교환기이다.
• 실내기: 난방·냉방에 사용되는 송풍기와 에어 필터가 장착된 냉매-공기 열교환기이다.
• 방열기: 수증기나 고온수를 이용하여 자연 대류나 복사에 의해 온도를 유지한다.
• 방열 패널: 면적이 넓고 주로 복사에 의한 열전달을 하는 것. 온돌 난방 등.
• 환기: 배기와 급기의 열교환을 통해 열 부하를 줄인다. 에어필터로 전처리된 공기를 통과시켜 열교환 요소를 보호한다.
• 전열교환기: 열과 함께 수분(습도)을 교환한다.
• 현열교환기: 습기를 배출하고 온도를 유지하기 위해 사용된다.
• 운송 수단: 선박, 차량, 항공기 등 연료 연소 방식의 원동기를 가진 운송 수단에 사용된다. 소형·경량, 진동/충격에 강해야 하며, 자세/중력가속도 변화에 따른 효율 변화/고장이 없어야 한다.
• 내연기관 자동차(ICEV):
• 라디에이터: 수냉식 엔진의 부동액(롱라이프 쿨런트(LLC))용
• 오일 쿨러: 엔진오일, 파워 스티어링 유체, 변속기 오일(수동, 자동, 무단변속기), 디퍼렌셜 기어 오일, 파워 테이크오프 기어 오일용
• 인터쿨러: 과급된 흡기용
• 에바포레이터/콘덴서(응축기): 자동차 에어컨 냉매용
• 히터 코어: 수냉식 엔진의 온수 난방용^[46][47]
• 열교환기: 공냉식 엔진의 배기열 난방기
• 기타: 브레이크액은 주행풍으로, 드럼 브레이크는 브레이크 드럼 핀으로 방열 효과를 높인다.

4. 열교환기 효율

열교환기 온도효율은 유체의 이동 전후 온도가 다를 때, 실제 이동 열량과 최대 가능 이동 열량과의 비이다. 열 교환기의 열 교환 효과나 능력을 비교할 수 있다.^[43][44]

단순 열교환기는 열적으로 연결된 유체 흐름이 있는 두 개의 직선 파이프로 생각할 수 있다.^[43][44] 파이프의 길이를 ''L''로 하고, 열용량 $C\_i$ (단위 질량당, 단위 온도 변화당 에너지)를 갖는 유체를 운반하며, 같은 방향으로 파이프를 통과하는 유체의 질량 유량을 $j\_i$ (단위 시간당 질량)으로 한다. 여기서 아래첨자 ''i''는 파이프 1 또는 파이프 2에 적용된다.

파이프의 온도 분포는 $T\_1(x)$ 와 $T\_2(x)$ 이며, ''x''는 파이프를 따라 측정한 거리이다. 정상 상태를 가정하므로 온도 분포는 시간의 함수가 아니다. 또한 한 파이프의 작은 유체 부피에서 발생하는 열 전달은 같은 위치에 있는 다른 파이프의 유체 요소로만 이루어진다고 가정한다. 즉, 파이프 내의 온도 차이로 인한 파이프를 통한 열 전달은 없다. 뉴턴의 냉각 법칙에 의해 작은 유체 부피의 에너지 변화율은 그것과 다른 파이프의 해당 요소 사이의 온도 차이에 비례한다.

:$\backslash frac\{du\_1\}\{dt\}=\backslash gamma(T\_2-T\_1)$

:$\backslash frac\{du\_2\}\{dt\}=\backslash gamma(T\_1-T\_2)$

(이는 같은 방향의 병렬 흐름과 반대 온도 기울기에 대한 것이지만, 향류 열교환 향류 열교환의 경우 $\backslash gamma(T\_1-T\_2)$ 앞의 두 번째 방정식에서 부호가 반대이다.) 여기서 $u\_i(x)$는 단위 길이당 열에너지이고, γ는 두 파이프 사이의 단위 길이당 열 연결 상수이다. 이 내부 에너지의 변화는 유체 요소의 온도 변화를 초래한다. 흐름에 의해 운반되는 유체 요소의 시간 변화율은 다음과 같다.

:$\backslash frac\{du\_1\}\{dt\}=J\_1\; \backslash frac\{dT\_1\}\{dx\}$

:$\backslash frac\{du\_2\}\{dt\}=J\_2\; \backslash frac\{dT\_2\}\{dx\}$

여기서 $J\_i=\{C\_i\}\; \{j\_i\}$는 "열 질량 유량"이다. 열교환기를 지배하는 미분 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다.

:$J\_1\backslash frac\{\backslash partial\; T\_1\}\{\backslash partial\; x\}=\backslash gamma(T\_2-T\_1)$

:$J\_2\backslash frac\{\backslash partial\; T\_2\}\{\backslash partial\; x\}=\backslash gamma(T\_1-T\_2).$

계가 정상 상태이므로 시간에 대한 온도의 편미분은 없으며, 파이프를 따라 열 전달이 없으므로 열 방정식에서와 같이 ''x''에 대한 이계도함수는 없다. 이 두 개의 결합된 일계 미분 방정식을 풀면 다음과 같다.

:$T\_1=A-\backslash frac\{Bk\_1\}\{k\}\backslash ,e^\{-kx\}$

:$T\_2=A+\backslash frac\{Bk\_2\}\{k\}\backslash ,e^\{-kx\}$

여기서 $k\_1=\backslash gamma/J\_1$, $k\_2=\backslash gamma/J\_2$,

:$k=k\_1+k\_2$

(이는 병렬 흐름에 대한 것이지만, 향류의 경우 $k\_2$ 앞의 부호가 음수이므로, 만약 $k\_2=k\_1$ 이라면, 두 반대 방향에서 같은 "열 질량 유량"일 경우, 온도 기울기는 일정하고 온도는 위치 ''x''에 선형적으로 변하며 열교환기를 따라 일정한 차이 $(T\_2-T\_1)$를 갖는다. 이는 향류 설계 향류 열교환이 가장 효율적인 이유를 설명한다.)

그리고 ''A''와 ''B''는 아직 결정되지 않은 두 개의 적분 상수이다. $T\_\{10\}$ 와 $T\_\{20\}$ 를 x=0에서의 온도로 하고, $T\_\{1L\}$ 와 $T\_\{2L\}$ 를 x=L에서 파이프 끝의 온도로 한다. 각 파이프의 평균 온도를 다음과 같이 정의한다.

:$\backslash overline\{T\}\_1=\backslash frac\{1\}\{L\}\backslash int\_0^LT\_1(x)dx$

:$\backslash overline\{T\}\_2=\backslash frac\{1\}\{L\}\backslash int\_0^LT\_2(x)dx.$

위의 해를 사용하면 이 온도는 다음과 같다.

::

위의 온도 중 두 개를 선택하면 적분 상수가 제거되어 다른 네 개의 온도를 찾을 수 있다. 단위 길이당 내부 에너지 변화율에 대한 식을 적분하여 전달되는 총 에너지를 구한다.

:$\backslash frac\{dU\_1\}\{dt\}\; =\; \backslash int\_0^L\; \backslash frac\{du\_1\}\{dt\}\backslash ,dx\; =\; J\_1(T\_\{1L\}-T\_\{10\})=\backslash gamma\; L(\backslash overline\{T\}\_2-\backslash overline\{T\}\_1)$

:$\backslash frac\{dU\_2\}\{dt\}\; =\; \backslash int\_0^L\; \backslash frac\{du\_2\}\{dt\}\backslash ,dx\; =\; J\_2(T\_\{2L\}-T\_\{20\})=\backslash gamma\; L(\backslash overline\{T\}\_1-\backslash overline\{T\}\_2).$

에너지 보존에 의해 두 에너지의 합은 0이다. $\backslash overline\{T\}\_2-\backslash overline\{T\}\_1$ 의 값은 ''대수 평균 온도차''로 알려져 있으며, 열에너지를 전달하는 열교환기의 효율성을 측정하는 척도이다.

온도 효율($\epsilon$)은 열교환기 내에서 발생하는 최대 온도차에 대한 유체의 출입구 온도차의 비를 나타낸다. 고온 유체(h)와 저온 유체(c)의 입구(1)와 출구(2) 온도를 이용하여 다음과 같이 정의된다.

:$\backslash varepsilon\_\backslash mathrm\{h\}:=\backslash frac\{t\_\{\backslash mathrm\; h1\}-t\_\{\backslash mathrm\; h2\}\}\{t\_\{\backslash mathrm\; h1\}-t\_\{\backslash mathrm\; c1\}\},\backslash quad$

\varepsilon_\mathrm{c}:=\frac{t_{\mathrm c2}-t_{\mathrm c1}}{t_{\mathrm h1}-t_{\mathrm c1}}

열전달 단위수(NTU)는 열전도율과 열용량 유량의 비를 나타내는 무차원 수이다. 고온 유체와 저온 유체에 대해 각각 다음과 같이 정의된다.

:$\backslash text\{NTU\}\_\backslash mathrm\{h\}:=\backslash frac\{KF\}\{c\_\backslash mathrm\{h\}G\_\backslash mathrm\{h\}\},\backslash quad$

\text{NTU}_\mathrm{c}:=\frac{KF}{c_\mathrm{c}G_\mathrm{c}}

여기서,

• $t$ : 유체 온도
• $K$ : 열전도율
• $F$ : 열교환 면적
• $c$ : 유체의 열용량
• $G$ : 유체의 질량 유량

4. 1. 온도 효율

• $t$ : 유체 온도
• $K$ : 열전도율
• $F$ : 열교환 면적
• $c$ : 유체의 열용량
• $G$ : 유체의 질량 유량

전달되는 총 에너지는 단위 길이당 내부 에너지 변화율을 적분하여 구할 수 있으며, 에너지 보존에 의해 두 에너지의 합은 0이다. $\backslash overline\{T\}\_2-\backslash overline\{T\}\_1$는 ''대수 평균 온도차''로, 열교환기의 효율성을 측정하는 척도이다.

4. 2. 열전달률 (Overall Heat Transfer Coefficient)

단위 길이당 내부 에너지 변화율에 대한 식을 적분하여 전달되는 총 에너지를 구한다.

:$\backslash frac\{dU\_1\}\{dt\}\; =\; \backslash int\_0^L\; \backslash frac\{du\_1\}\{dt\}\backslash ,dx\; =\; J\_1(T\_\{1L\}-T\_\{10\})=\backslash gamma\; L(\backslash overline\{T\}\_2-\backslash overline\{T\}\_1)$

:$\backslash frac\{dU\_2\}\{dt\}\; =\; \backslash int\_0^L\; \backslash frac\{du\_2\}\{dt\}\backslash ,dx\; =\; J\_2(T\_\{2L\}-T\_\{20\})=\backslash gamma\; L(\backslash overline\{T\}\_1-\backslash overline\{T\}\_2).$

에너지 보존에 의해 두 에너지의 합은 0이다. $\backslash overline\{T\}\_2-\backslash overline\{T\}\_1$ 의 값은 ''대수 평균 온도차''로 알려져 있으며, 열에너지를 전달하는 열교환기의 효율성을 측정하는 척도이다.

평판, 원관 등의 고체 열전달면을 매개로 두 유체 사이에서 열교환이 이루어지는 경우, 국소 열전달면의 열량은 다음과 같이 표현된다.^[48]

:

\frac{1}{K} &= \frac{1}{h_h} + \frac{\delta}{k_w} + \frac{1}{h_c}, \qquad \mathrm{etc.}\end{align}

여기서 는 열전달율, 는 두 유체의 국소 온도차, 와 는 각 유체 측의 열전달률(열경계면 전달계수), 와 는 고체 격벽의 두께와 열전도율이다. 운전을 계속하면 두 열전달면에 오염물이 부착되어 열량이 점차 감소하므로 설계 시에는 별도로 이 열전달 저항도 고려해야 한다.

열교환기 각 부분에서 열전달율이 일정하고 각 유체의 비열도 일정하다고 가정하면, 전체 열량은 아래 식으로 주어진다.

:

&=KF\Delta t_\mathrm{m} \end{align}

여기서,

: : 열전달율

: : 열전달 면적

: : 고온 유체 입구에서 두 유체의 온도차

: : 고온 유체 출구에서 두 유체의 온도차

이다. 또한 은 로그 평균 온도차이다.

열전달률(경막 열전달 계수) 계산식에는 여러 가지가 제안되어 있으며, 그 예를 하나 소개한다. 다음 식은 무차원화를 수행하여 다음 매개변수로 기술한다.

: $Nu:=\backslash frac\{hD\}\{k\}$ ：누셀트 수

: $Re:=\backslash frac\{DG\}\{\backslash mu\}$ ：레이놀즈 수

: $Pr:=\backslash frac\{c\backslash mu\}\{k\}$ ：프란틀 수

: $\backslash frac\{D\}\{L\}$ ：관경-관장비

: $\backslash phi:=\backslash frac\{\backslash mu\}\{\backslash mu\_\backslash mathrm\{w\}\}$ ：점도 기울기 함수

여기서,

: ：관측 경막 열전달 계수(내면 기준)

: ：열교환관 내경

: ：관측 질량 속도

: ：관측 평균 온도에서 유체의 열전도율

: ：관측 평균 온도에서 유체의 비열

: ：관측 평균 온도에서 유체의 점도

: ：관벽 온도에서 유체의 점도

: ：열교환관 길이

이다.

• 관식 열교환기(Sieder-Tate)
• * 층류 영역
• *: $Nu=1.86\; \backslash left\backslash \{Re\backslash cdot\; Pr\backslash cdot\; \backslash frac\{D\}\{L\}\backslash right\backslash \}^\backslash frac\{1\}\{3\}\backslash cdot\; \backslash phi^\{0.14\}$
• * 난류 영역
• *: $Nu=0.027\; Re^\{0.8\}\backslash cdot\; Pr^\backslash frac\{1\}\{3\}\backslash cdot\; \backslash phi^\{0.14\}$

4. 3. 대수 평균 온도차 (LMTD)

4. 4. 열전달 단위수 (NTU)

• 향류형: $\backslash varepsilon\_\backslash mathrm\{c\}=\backslash frac\{1-\backslash exp[-(1-R)\backslash text\{NTU\}\_\backslash mathrm\{c\}]\}\{1-R\backslash exp[-(1-R)\backslash text\{NTU\}\_\backslash mathrm\{c\}]\}$
• 병류형: $\backslash varepsilon\_\backslash mathrm\{c\}=\backslash frac\{1-\backslash exp[-(1+R)\backslash text\{NTU\}\_\backslash mathrm\{c\}]\}\{1+R\}$

5. 설계 및 유지보수

열교환기의 열전달 효과는 유체의 속도가 클수록 증가하지만, 이때 압력 손실도 동시에 커진다. 이는 펌프 등의 동력 증가로 이어지므로 바람직하지 않으며, 일반적으로 압력 손실이 특정 값 이내에 들어오도록 설계된다.

열교환기 설계에는 소정의 열전달/유동 특성, 운전 기간, 유체 누출 방지, 열응력 및 진동에 대한 내구성, 경제성 등이 요구된다. 형식은 다양하지만, 설계 압력 및 온도에 견딜 수 있는 것을 우선 선정하며, 수력직경(구조)는 유체의 오염 부착 정도와 제거 요구에 따라 결정된다. 열전달량은 서로 다른 두 유체의 경막 열전달 계수에 의존하며, 핀 부착, 관내 난류 촉진용 삽입물(인서트) 등을 통해 개선할 수 있다.

복수의 열교환기를 직렬로 연결하면 온도 효율, 유체 속도/열전달 성능 향상, 저렴한 금속 재료 선택, 내압 부재 두께 및 중량 감소 등의 효과를 기대할 수 있다. 서모사이폰 증발기에서는 안정 운전 및 고비점 성분 잔류/유효 온도차 감소 회피를 위한 증발량 비율 설정이 중요하며, 낙하액막식 증발기에서는 열교환관 벽면이 마르지 않도록 충분한 양의 액체 순환/공급을 확인해야 한다.

운동에너지 값 관리를 통해 유동에 기인하는 마모 발생 및 부적절한 유로 설계를 회피하고, 기상/기액 2상류의 음속 유역 설계에서는 마하수를 작게 하는 것이 바람직하다. 열교환기 설계 시에는 열전달 여유, 유체 유동 제한, 흐름 방향, 설치, 문제 회피 등을 확인해야 한다.

5. 1. 설계

5. 2. 유지보수

6. 한국의 열교환기 산업

2021년 기준 175억 달러로 추산되는 세계 열교환기 시장은 향후 몇 년 동안 연평균 약 5%의 견조한 성장을 경험할 것으로 예상된다.^[42] 시장 가치는 2030년까지 270억 달러에 달할 것으로 예상된다.^[42] 친환경 옵션에 대한 수요 증가와 사무실, 소매 부문 및 공공 건물의 개발 증가에 따라 시장 확장이 성장할 것으로 예상된다.^[42]

6. 1. 주요 기업

6. 2. 연구 개발 동향

7. 관련 법규

열교환기의 설계 및 제조에는 여러 규정이 있으며, 사용 지역에 따라 다르다.

설계 및 제조 코드에는 다음이 포함된다: ASME 보일러 및 압력 용기 코드(미국); PD 5500(영국); BS 1566(영국);^[32] EN 13445(EU); CODAP(프랑스); 2016년 압력 장비 안전 규정(PER)(영국); 압력 장비 지침(EU); NORSOK(노르웨이); TEMA;^[33] API 12; 및 API 560.

에너지절약 및 이용합리화에 관한 법률에서는 에너지 절약을 위해 열의 단계적 이용 및 회수를 적극적으로 실시하고 열교환기를 적절히 관리하여 효율적으로 사용하도록 규정하고 있다.

보일러 및 압력용기 안전규칙은 내부 압력이 높아지는 것은 압력용기로서 설치 및 운용에 관해 규제하고 있다.

고압가스 안전관리법은 고압가스를 사용하는 것의 취급에 관한 법률이다.

참조

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_[2] 서적 Heat Exchangers: Selection, Rating and Thermal Design CRC Press
_[3] 논문 Constructal Design of Circular Multilayer Microchannel Heat Sinks https://dx.doi.org/1[...]
_[4] 서적 Heat Exchanges: Selection, Design and Construction Longman Scientific and Technical
_[5] 서적 Distillation Design McGraw-Hill
_[6] 서적 Perry's Chemical Engineers' Handbook McGraw-Hill
_[7] 웹사이트 Air Pollution Control Orientation Course http://www.epa.gov/o[...]
_[8] 웹사이트 Energy savings in steam systems http://kolmetz.com/p[...] 2007-09-27
_[9] 서적 Chemical Engineering – Design (SI Units), Volume 6 Pergamon Press
_[10] 서적 Process Heat Transfer CRC Press Inc
_[11] 문서 Table: Various Types of Gas – Liquid Direct Contact Heat Exchangers
_[12] 논문 The design, fabrication, and evaluation of a ceramic counter-flow microchannel heat exchanger
_[13] 논문 Enhanced design of cross-flow microchannel heat exchanger module for high-performance aircraft gas turbine engines
_[14] 논문 Experimental investigation of the surface temperature and water retention effects on the frosting performance of a compact microchannel heat exchanger for heat pump systems
_[15] 논문 Hybrid nanofluids with temperature-dependent properties for use in double-layered microchannel heat sink; hydrothermal investigation
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