【열교환기】 열교환기의 최대 교환 열량은?

열교환기를 설치하여 공장에서 나오는 배출열을 효과적으로 이용하는 것은 에너지 절약 대책으로서 효과적입니다.
그럼, 열교환기를 설치하면 최대 어느정도까지 열을 회수할 수 있는 것일까요?
이번에는 열교환기의 최대 교환 열량을 주제로 정리해 보도록 하겠습니다..

1. 열교환기의 최대 교환 열량
   열교환기를 이용하여 어디까지 열을 회수할 수 있는지는 역류(향류)인지 병류인지에 따라 달라집니다.

 

1-1. 역류(向流향류)의 경우

가장 많은 역류(향류)의 경우, 열교환기로 교환할 수 있는 최대열량은 대수평균온도차를 취할수 없게되는 포인트까지입니다.
예를들어, 열교환기를 흐르는 두 유체의 입구온도가 정해져 있었다고 합시다.
만일 한 유체의 열교환기 출구온도를 정해주면 교환열량 계산에서 다른 유체의 출구온도는 마음대로 결정됩니다.

 

·         저온측 입구온도 ：T1
·         저온측 출구온도 ：T2=x
·         저온측 비열 ：c1
·         저온측 유량 ：m1
·         고온측 입구온도 ：T3
·         고온측 출구온도 ：T4=y
·         고온측 비열 ：c2
·         고온측 유량 ：m2

임의로 결정해서 하는 쪽의 온도를 x(=T2), 다른 쪽 유체의 출구 온도를 y(=T4)라고 하면, y는 다음 식으로 나타낼 수 있습니다.

이 값을 바탕으로, 대수평균온도차(対数平均温度差)를 계산해 보겠습니다.

 
x와 y를 각각 대수평균온도차식(対数平均温度差式)에 적용하면 다음과 같은 식이 됩니다.

x의 값을 작게 해 나가면, 어느 타이밍에 대수 평균 온도차를 취할 수 없게 됩니다.
이 포인트가 열교환기에서 회수할 수 있는 열량이 최대가 됩니다. 즉, 더 이상 열 회수를
실시하면 고온 측과 저온 측의 온도가 역전되어 버린다는 포인트입니다.
아무리 교환 효율을 높여도 20℃의 물에서 80℃를 10℃까지 식힌다는 것은 불가능합니다.
온도는 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다는 열역학 제2법칙(엔트로피 증대의 법칙)에 어긋납니다.
 

1-2. 병류의 경우

병류의 경우는 두 유체의 온도차가 없어지는 포인트가 최대 교환 열량이 됩니다.
이곳은 대수 평균 온도차(対数平均温度差)가 아닌 열 계산만으로 산출할 수 있습니다.
아까와 마찬가지로, 한쪽 유체의 출구 온도를 결정하여, 다른 쪽 유체의 출구 온도를 계산합니다.

x = y가 되는 포인트에서 두 유체의 온도차가 없어져, 더 이상의 열교환을 할 수 없게 됩니다.
이 두 가지 식을 보면 역류(향류)쪽이 열교환 효율이 높다는 것을 알 수 있습니다.

2. 전열 면적 계산 방법

각각의 유체의 입출 온도를 계산할 수 있다면, 필요한 전열 면적을 계산할 수 있습니다.
전열면적 계산방법에 대해서는 "열교환기의 전열 면적 계산 방법”의 블로그  ( https://tjchung55.tistory.com/14774233) 을 참조하세요.

최대까지 열교환을 시키려면, 상당히 큰 열교환기가 필요한 경우가 많습니다.
실제로는, 설치 가능한지도 포함해 장점과 비용의 절충을 하면서 출구 온도를 확정시킵니다.
 

◆요약・정리

• 회수할 수 있는 최대 열량은 역류(향류)와 병류로 바뀐다
• 역류(향류) 쪽이 회수 열량은 커진다
• 열량을 계산할 수 있으면 필요 전열 면적을 알 수 있다

열 계산은 언뜻 복잡해 보이지만, 하고 있는 계산은 거의 동일하기 때문에 엑셀 등을 이용하여 계산하면 그다지 어렵지 않습니다.
조금이라도 여러분의 열계산에 대한 이해가 깊어졌으면 좋겠습니다.