열교환기의 응용은 일상생활에서 난방을 위한 열 핀, 증기 터빈 장치의 냉응기, 우주 로켓의 오일 냉각기 등 매우 광범위하다. 화학, 석유, 전력, 원자력 산업에도 널리 사용되고 있습니다. 주요 역할은 공정에 필요한 미디어의 특정 온도를 보장하고 에너지 활용도를 높이는 주요 장비 중 하나입니다.
열 교환기는 히터, 냉각기 및 냉응기와 같은 독립형 장치일 수 있습니다. 암모니아 합성탑의 열 교환기와 같은 공정 장비의 일부일 수도 있습니다.
제조 기술과 과학 수준의 제한으로 인해 초기 열 교환기는 단순한 구조로만 사용할 수 있었고, 열 전달 면적이 작고, 뱀 튜브 열 교환기와 같은 부피가 컸다. 제조 기술이 발달함에 따라 껍데기 열교환기가 점차 형성되어 단위 부피 열 전달 면적뿐만 아니라 열 전달 효과도 좋아 이미 공업 생산의 전형적인 열교환기이다.
판형 열 교환기는 1920 년대에 나타나 식품공업에 사용되었다. 판형 호스팅 열 교환기는 구조가 치밀하고 열 전달 효과가 좋아 다양한 형태로 발전했다. 1930 년대 초에 스웨덴은 처음으로 나선판 열 교환기를 제조했다. 그런 다음 영국은 구리와 그 합금으로 납땜을 통해 판날개식 열교환기를 만들어 항공기 엔진의 열을 식히는데 사용한다. 1930 년대 말, 스웨덴은 최초의 판껍데기 열교환기를 만들어 펄프 공장에 사용했다. 이 기간 동안, 강한 부식성 매체의 열 전달 문제를 해결하기 위해, 사람들은 신소재로 만든 열교환기에 주목하기 시작했다.
1960 년대를 전후해 우주기술과 최첨단 과학의 급속한 발전으로 각종 효율적이고 컴팩트한 열교환기가 절실히 필요했다. 펀치, 땜납 접합 및 밀봉 기술의 발전과 함께 열 교환기의 제조 공정이 더욱 개선되어 소형 판형 열 교환기의 왕성한 발전과 광범위한 응용이 촉진되었습니다. 또한, 1960 년대 이후, 전형적인 쉘 및 튜브 열교환 기는 고온 및 고압 조건에서의 열 전달 및 에너지 절약 요구를 충족시키기 위해 더욱 발전했습니다. 1970 년대 중반에는 열전도를 강화하기 위해 열관 개발을 바탕으로 열관 열교환기를 만들었다.
열 전달 방식에 따라 열 교환기는 혼합, 재생 및 칸막이의 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
혼합식 열 교환기는 냉열유체의 직접 접촉과 혼합을 통해 열을 전달하는 열 교환기로, 접촉식 열 교환기라고도 합니다. 두 유체의 혼합 열 전달 후 반드시 제때에 분리해야 하기 때문에, 이 열 교환기는 기체와 액체 사이의 열 전달에 적합하다. 예를 들어 화학공장, 발전소용 냉각탑, 뜨거운 물은 위에서 아래로 뿜어져 나오고, 찬 공기는 아래에서 위로 빨아들인다. 물막이나 충전재의 물방울과 물방울 표면에서는 뜨거운 물과 차가운 공기가 서로 접촉하여 열을 교환하고, 뜨거운 물이 냉각되고, 찬 공기가 가열되고, 두 유체의 밀도 차이를 통해 제때에 분리된다.
재생식 열교환기는 냉열유체를 이용하여 재생실에서 재생기 (충전재) 표면을 번갈아 흐르게 하여 열을 전달하는 열교환기 (예: 초점로 아래의 재생실에서 공기를 예열하는 열 교환기) 입니다. 이런 열교환기는 주로 고온 배기가스의 열을 회수하고 이용하는 데 쓰인다. 냉에너지 회수를 목적으로 하는 유사한 설비를 저축기라고 하며, 공기분리장치에 많이 쓰인다.
칸막이 열 교환기의 냉열 유체는 솔리드 칸막이로 분리되어 칸막이를 통해 열을 전달하므로 표면식 열 교환기라고도 하며 가장 널리 사용됩니다.
열 전달면의 구조에 따라 칸막이 열 교환기는 튜브, 판 및 기타 유형으로 나눌 수 있습니다. 열관 열 교환기는 뱀관 열 교환기, 전선관 열 교환기 및 쉘 열 교환기를 포함한 튜브 표면을 열 전달면으로 사용합니다. 판형 열 교환기는 판형 열 교환기, 나선형 판 열 교환기, 판 날개 열 교환기, 판형 열 교환기 및 우산 열 교환기를 포함한 판형 열 교환기를 열 전달면으로 사용합니다. 다른 유형의 열교환 기는 스크레이퍼 열교환 기, 회전판 열교환 기 및 공기 냉각기와 같은 특정 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다.
일반적으로 열 교환기에서의 유체의 상대 흐름은 하류와 역류의 두 가지로 나눌 수 있다. 하류에서 두 유체는 입구에서 온도차가 가장 크며, 열전면을 따라 점차 감소하여 출구까지의 온도차가 가장 적다. 역류에서는 두 유체가 열전도 표면을 따라 온도차가 균일합니다. 냉열유체 수출입 온도가 변하지 않는 조건 하에서 두 유체 간에 상전이가 발생하지 않을 때 역류할 때 최대 평균 온도차는 하류에서 가장 작다.
같은 열 전달의 경우 역류는 평균 온도차를 증가시키고 열 교환기의 열 전달 면적을 줄일 수 있다. 열 전달 면적이 변하지 않으면 역류를 사용할 때 난방 또는 냉각 유체의 소비를 줄일 수 있습니다. 전자는 설비비용을 절약할 수 있고, 후자는 운영비용을 절약할 수 있으므로, 설계나 생산에 역류열을 가급적 이용해야 한다.
냉열유체가 상전이 (비등 또는 응축) 될 때, 상전이 시 기화 잠열만 방출하거나 흡수하기 때문에 유체 자체의 온도는 변하지 않기 때문에 유체의 수출입 온도는 동일하며, 두 유체의 온도차는 유체 흐름의 선택과 무관하다. 하류와 역류 두 가지 흐름 외에도 오류와 굴절이 있다.
열 전달 과정에서 칸막이 열 교환기의 열 저항을 줄여 열 전달 계수를 높이는 것은 중요한 문제이다. 열 저항은 주로 열 교환기가 사용될 때 칸막이 양쪽의 열 전달면에 붙어 있는 얇은 유체 층 (경계층이라고 함) 과 벽 양쪽에 형성된 먼지 레이어에서 발생합니다. 금속 벽의 열 저항은 상대적으로 작다.
유체의 속도와 교란을 높이면 경계층을 얇게 하고, 열 저항을 줄이고, 열 전달 계수를 높일 수 있다. 그러나 유체 유속을 높이면 에너지 소비량이 증가하므로 설계에서 열 저항을 줄이고 에너지 소비를 줄이는 것이 합리적이어야 합니다. 먼지 열 저항을 줄이기 위해 먼지 형성을 늦추고 열 전달 표면을 정기적으로 세척해 볼 수 있다.
일반 열 교환기는 모두 금속재료로 만들어졌으며, 그 중 탄소강과 저합금강은 중저압 열 교환기를 만드는 데 많이 사용된다. 스테인리스강은 주로 서로 다른 부식 방지 조건에 사용되며, 오스테 나이트 스테인리스강은 고온 및 저온 내성 소재로도 사용할 수 있습니다. 구리, 알루미늄 및 그 합금은 주로 저온 열교환 기 제조에 사용됩니다. 니켈 합금은 고온에서 사용됩니다. 개스킷 부품을 만드는 것 외에도, 일부 비금속 재질은 흑연 열 교환기, 불소 플라스틱 열 교환기, 유리 열 교환기 등 부식에 내성이 있는 열 교환기를 만드는 데도 사용된다.