열교환장치의 종류와 성능관리

Heat Exchanger Types and Performance

전열량은 U·A·LMTD의 곱이고, 오염이 U를 깎아요. 오염계수 관리가 곧 성능 유지 관리예요. 열교환장치 운전·정비 판단의 숫자 축이에요. 오염계수를 바꿔 U와 전열 성능 저하를 확인해 봐요.

열을 주고받는 장치, 오염되면 성능이 떨어진다

열교환장치는 두 유체 사이에 열을 전달합니다. 전열량은 총괄전열계수 U, 전열면적 A, 대수평균온도차의 곱입니다. 운전 중 관벽에 스케일·슬러지가 쌓이면 오염계수 Rf가 더해져 U가 떨어지므로, 이를 관리하는 것이 성능관리의 핵심입니다.

🔥 전열량의 세 인자

①전열량 Q = U·A·ΔTm (총괄전열계수 × 면적 × 대수평균온도차)

②U가 높을수록, 면적이 넓을수록, 온도차가 클수록 전열이 크다

③오염(fouling)은 열저항을 더해 U를 떨어뜨린다

④대수평균온도차(LMTD)는 대향류가 평행류보다 유리

구조별 종류 토글

🔎 셸앤튜브식

원통 셸 안에 다수의 전열관을 넣은 형식. 고온·고압에 강하고 대용량. 청소·정비를 위한 공간이 필요.

오염계수로 총괄전열계수 저하 보기

오염계수 Rf (×0.001 m²K/W)0.3

오염 후 U

U_d = 435 W/m²K

Rf=0.00030 m²K/W

성능 유지율

87 %

청정 대비

📏 오염이 주는 손해

①Rf는 관벽에 쌓인 스케일·슬러지의 열저항

②U가 떨어지면 같은 면적으로 열을 다 못 넘겨 성능 저하

③설계 시 오염여유(fouling factor)를 미리 반영해 면적을 키운다

④정기 세정(화학·기계)으로 Rf를 낮게 유지하는 것이 성능관리

핵심 공식

오염 후 총괄전열계수

1U_d = 1U_c + R_f

Uc=청정, Ud=오염, Rf=오염계수(열저항)

전열량

Q = U·A·ΔT_m

총괄전열계수 × 전열면적 × 대수평균온도차

대수평균온도차

ΔT_m = ΔT₁ - ΔT₂ln(ΔT₁ / ΔT₂)

입출구 온도차의 로그평균(대향류가 유리)

핵심 정리와 시험 포인트

🎯 시험 포인트

①종류: 셸앤튜브(고온고압·대용량)·판형(콤팩트·분해청소)·공랭식(냉각수 불필요)

②전열량 Q = U·A·ΔTm

③오염 시 1/Ud = 1/Uc + Rf → U 저하

④오염계수 Rf는 열저항, 정기 세정으로 관리

⑤대향류 LMTD > 평행류 LMTD (전열 유리)

📝 대표 기출문제

①[기출유형] Uc=500, Rf=0.001 m²K/W일 때 Ud는? (답: 1/(1/500+0.001) ≒ 333 W/m²K)

②[기출유형] 단위체적당 전열면적이 커 콤팩트한 형식은? (답: 판형)

③[기출유형] Q=U·A·ΔTm에서 오염이 커지면 Q는? (답: U 감소로 Q 감소)