HEAT EXCHANGER

1. 이중관 열교환기 (Double-pipe Heat Exchanger)의 작동 원리

열교환기는 온도가 서로 다르고 고유한 유체가 직접 섞이지 않고 격벽을 사이에 두고 열에너지를 교환하도록 하는 장치입니다. 그 중 이중관 열교환기는 하나의 관 내부에 다른 관을 동심원으로 배치하여 내관 내부와 외관(環狀, Annulus) 공간으로 각각 유체를 흘려보내는 가장 단순하고 기본적인 형태입니다.

• 평행류 (Parallel Flow): 두 유체가 동일한 방향(좌측에서 우측)으로 흘러 들어가는 배치로, 아무리 면적을 키워도 고온 유체의 출구 온도가 저온 유체의 출구 온도보다 낮아질 수 없다는 한계가 있습니다.
• 대향류 (Counter Flow): 두 유체가 서로 정반대 방향으로 마주 보며 주행하는 배치입니다. 평균 온도차를 일정하게 유지하여 전열 효율이 월등히 뛰어나며, 출구측 온도가 역전될 수 있는 독보적 이점을 지닙니다.

2. LMTD(대수평균온도차) 및 ε-NTU 해석 공식

열교환기 설계 및 성능 예측에는 크게 **LMTD법**과 **유용도-NTU(ε-NTU)법**이 활용됩니다.

① 총 전열량 공식:

q = U × A × LMTD  [W]

여기서 U는 총괄 열전달 계수(W/m²·K), A는 전열 면적(m²), LMTD는 다음식으로 정의되는 대수평균 온도차입니다.

LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)  [°C]

• 대향류: ΔT1 = T_h,in - T_c,out ,   ΔT2 = T_h,out - T_c,in
• 평행류: ΔT1 = T_h,in - T_c,in ,   ΔT2 = T_h,out - T_c,out

② ε-NTU법 (출구 온도를 모를 때 유용):

열용량율 C_h = m_h × cp_h, C_c = m_c × cp_c 중 작은 쪽을 C_min, 큰 쪽을 C_max라 합니다. 이때 최대 전달 가능한 열량 q_max = C_min × (T_h,in - T_c,in)이며, 실제 전달 열량은 유용도 ε을 곱해 구합니다 (q = ε × q_max).

NTU = U × A / C_min

유용도 ε은 흐름 형태와 C_r = C_min / C_max 비에 의존하는 함수식으로 완벽히 유도됩니다.

3. 총괄 열전달 계수 (U-Value)의 공학적 의미

총괄 열전달 계수 U는 튜브 벽면을 경계로 일어나는 내벽 대류, 벽체 전도, 외벽 대류 및 스케일 오염 저항(Fouling Factor)을 종합한 총괄적인 관통 열전달률입니다. 내외경 면적 변화가 미미한 이중관의 경우 저항의 직렬 합산으로 표기됩니다:

1/U ≈ 1/h_in + t/k_tube + 1/h_out

따라서 튜브 내부에 물과 같이 대류막 계수(h)가 높은 유체를 사용하더라도 외부가 가스나 오일과 같은 불량 전열 유체라면 총괄 U값은 병목 현상에 의해 최저 대류계수 수준으로 낮아지게 됩니다. 시뮬레이터를 통해 가스 및 오일 환경을 모방한 저효율 성능 시험도 수행할 수 있습니다.