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에너지관리기사 열설비 · 열교환장치의 종류와 성능관리

Heat Exchanger Types and Performance

열교환 장치는 두 유체 사이에 열을 주고받게 하는 장치이고, 전열량은 총괄 전열 계수 U · 전열 면적 A · 대수 평균 온도차의 곱이다. 셸 앤 튜브식 · 판형 · 공랭식의 구조와 특징, 관벽에 쌓인 오염이 U 를 떨어뜨리는 과정(1/Ud = 1/Uc + Rf)을 다룬다. 첫 그림은 고른 형식의 구조도이고, 형식 버튼으로 셸 앤 튜브 · 판형 · 공랭식을 바꿔 볼 수 있다. 둘째 그림은 오염 계수 Rf 에 따라 U 가 떨어지는 곡선이고, Rf 슬라이더를 옮기면 오염 뒤 U 와 성능 유지율이 바뀐다.

오염되면 열교환 성능이 떨어진다

열교환 장치는 두 유체 사이에 열을 전달한다. 전열량은 총괄 전열 계수 U, 전열 면적 A, 대수 평균 온도차의 곱이다. 운전 중 관벽에 스케일 · 슬러지가 쌓이면 오염 계수 Rf가 더해져 U 가 떨어지므로, 이를 관리하는 것이 성능 관리의 핵심이다.

🔥 전열량의 세 인자
①전열량 Q = U·A·ΔTm(총괄 전열 계수 × 면적 × 대수 평균 온도차)
②U 가 높을수록, 면적이 넓을수록, 온도차가 클수록 전열이 크다
③오염(fouling)은 열저항을 더해 U 를 떨어뜨린다
④대수 평균 온도차(LMTD)는 대향류가 평행류보다 커서 유리하다

구조별 종류 바꿔 보기

🔎 셸 앤 튜브식
원통 셸 안에 전열관을 여러 개 넣은 형식이다. 고온 · 고압에 강하고 용량이 크지만, 청소 · 정비를 위한 공간이 필요하다.

오염 계수로 총괄 전열 계수 저하 보기

0.3
오염 뒤 U
Ud = 435 W/m²K
Rf=0.00030 m²K/W
성능 유지율
87 %
청정 상태와 견준 값
📏 오염의 손해
①Rf 는 관벽에 쌓인 스케일 · 슬러지의 열저항이다
②U 가 떨어지면 같은 면적으로 열을 다 넘기지 못해 성능이 떨어진다
③설계할 때 오염 여유(fouling factor)를 미리 넣어 면적을 키운다
④정기 세정(화학 · 기계)으로 Rf 를 낮게 유지하는 것이 성능 관리이다

핵심 공식

오염 뒤 총괄 전열 계수
1Ud = 1Uc + Rf
Uc = 청정, Ud = 오염, Rf = 오염 계수(열저항)
전열량
Q = U·A·ΔTm
총괄 전열 계수 × 전열 면적 × 대수 평균 온도차
대수 평균 온도차
ΔTm = ΔT1 - ΔT2ln(ΔT1 / ΔT2)
입출구 온도차의 로그 평균(대향류가 유리)

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①종류는 셸 앤 튜브(고온 고압 · 대용량) · 판형(작은 부피 · 분해 청소) · 공랭식(냉각수 불필요)
②전열량 Q = U·A·ΔTm
③오염되면 1/Ud = 1/Uc + Rf 로 U 가 떨어진다
④오염 계수 Rf 는 열저항이고, 정기 세정으로 관리한다
⑤대향류 LMTD 가 평행류 LMTD 보다 커서 전열에 유리하다
📝 대표 기출유형
①[기출유형] Uc = 500, Rf = 0.001 m²K/W 일 때 Ud 는? (답: 1/(1/500 + 0.001) ≒ 333 W/m²K)
②[기출유형] 단위 체적당 전열 면적이 커서 작게 만들 수 있는 형식은? (답: 판형)
③[기출유형] Q = U·A·ΔTm 에서 오염이 커지면 Q 는? (답: U 가 줄어 Q 도 준다)
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