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시설관리/설비 운영

열교환기의 효율적관리로 건물에너지 절약하자.

빌딩이나 사무실에는 기본적으로 난방, 냉방, 온수 시설이 되어 있습니다. 이것을 담당하는 기계가 열교환기 입니다. 건물의 보일러라고 쉽게 생각할 수도 있지만, 실제로는 다양한 종류와 방식이 있지요. 이 열교환기에 대해 잘 이해를 하고 있어야 건물의 에너지 낭비를 막을 수 있습니다.

1. 열교환기의 개념

열역학 법칙에 의해 고온 물체의 열을 저온의 물체로 이동하는 열의 관계를 상용화한 것을 열교환기(heater exchanger)라고합니다. 또한 열교환기는 고열량의 물체와 저열량의 물체가 상호 열을 교환할 수 있도록 만들어진 기계적 장치라고도 합니다. 건물에서 냉.난방을 위해 필수적인 보일러에서 사용되는 열교환기는 온수를 만드는 온수 가열기와 벙커유를 예열하는 오일히터, 배기가스의 폐열을 이용하는 과열기, 절탄기, 공기 예열기 등이 있고, 냉방에서는 증발기, 응축기, 냉각탑 등이 열교환기에 속합니다.

2. 열교환기의 종류

가. 쉘 앤 튜브식 열교환기(shell and tub heater exchanger)
난방 및 온수용으로 가장 많이 사용하고 있는 쉘 앤 튜브식 열교환기는 원통형의 쉘 내부에 다수의 관군을 삽입한 형태입니다. 쉘의 내부에 가열하는 물질을 코일에 열매를 통과시켜 열교환을 하는 형태입니다.

쉘 앤 튜브식 열교환기 내부구조

63빌딩에 설치된 쉘앤튜브식 열교환기

1)고정관판식
제작비가 비교적 싼 편이나 전열관이 양쪽 관 판에 고정되어 있으므로 동체 측의 청소가 불가능 하고 두 유체의 온도차가 100도 이상인 경우 동체측에 열팽창을 흡수할 수 있는 장치를 해 주어야 합니다.

2)유동두식
제작비가 고정 관판식에 비해 비싸거나 열팽창에 대해 자유롭고 내부를 쉽게 청소 할 수 있습니다. 고정관판식과 마찬가지로 방해판을 설치하여 열효율을 높여 줍니다.

3) U자관식
유동두식에 비하여 제작이 간편하고 제작비가 저렴하나 U자 모양이어서 기계청소가 어렵습니다.

나. 이중관식 열교환기(double pip heater exchanger)
대구경관에 수구경관을 삽입하여 각각의 관에 가열 유체와 열매를 통과시키 열을 교환합니다. 구조가 간단하고 가격이 저렴하며, 고압용으로 제작이 가능하고 전열면의 증감이 자유로워 규모가 작은 건물에서 많이 사용합니다.

이중관식 열교환기 내부구조


다. 판형 열교환기
여러 개의 판을 조합하여 각 각의 면으로 유체와 열매를 통과시켜 열을 교환하는 형태입니다. 유로 및 강도를 고려하여 요철형으로 프레스 성형된 전열판을 포개어 교대로 각각의 유체가 흐르는 구조의 열교환기입니다.
고무 또는 합성수지제 가스켓을 사용하기 때문에 고압 및 고온용으로 적합하지는 않지만, 전열판은 쉽게 분해 청소를 할 수 있고, 보수점검이 용이하며, 전열판의 개수의 증감에 따라 용량의 조절이 가능하며, 컴펙트하여 설치 공간이 많이 필요하지 않아 냉.난방, 약품, 식품, 화학공업 설비에서도 많이 사용되고 있습니다.

판형 열교환기 내부구조

63빌딩에 설치된 판형 열교환기

1) 플레이트식 열교환기
유체의 통로 등을 고려하여 판이 조밀하게 배열되어 있으며, 열매와 유체는 그 판과 판사이를 통과하면서 열을 교환합니다. 특징으로는 세관 및 점검이 용이해 유로 면적이 적게 차지하며, 가장 효율적인 열교환 방식입니다.

2) 플레이트판식 열교환기
파형판과 평판을 교대로 겹친 형태로 전열면적이 크고 무게가 가볍습니다.

3) 스파이럴형 열교환기
두 장의 전열판을 일정한 간격 상태에서 시계 태엽 모양으로 감아서 오염저항 및 저유량에서 심한 난류 등이 발생되는 곳에서 사용합니다. 열팽창이 심하게 발생하는 곳에서도 견딜수 있고 이물질 등이 함유된 유체나 고점도를 가진 유체에 적합하며 보일러 열교환기나 냉동의 콘덴서로도 사용할 수 있습니다.

라. 기타 열교환기
대표적인 3가지 외에 다관식 열교환기, 브록식 열교환기, 쟈케트식 열교환기, 공냉식 열교환기 등이 있습니다.
1) 다관식 열교환기는 온도, 압력 제한없이 냉각, 가열, 증발 및 응축의 모든 용도로 사용할 수 있지만, 설치 면적이 크게 차지하고 유지보수 비용이 높습니다.

2) 브록식 열교환기는 부식성이 서로 다른 약품의 열교환용으로 사용하므로 금속 재료의 선택이 어렵고 황산, 염산의 열교환에 적합하나 한정적으로 사용됩니다.

3) 쟈케이트식 열교환기는 저장탱크나 반응기의 동체를 쟈케트화 시킨 구조이며, 열교환 효율이 낮아 액체의 온도를 일정하게 사용하는 건물에 적용합니다.

4) 공냉식 열교환기는 냉각수 대신 공기를 냉각 매체로 사용하는 열교환기로서 물 탱크나 냉각수 수질관리 등이 필요 없으나, 설치면적이 크게 차지하고 비용과 소음이 심하며, 효율이 낮은 단점을 지니고 있어 제한된 장소가 아니면 설치가 용이하지 않습니다.

건물에서 가장 많이 사용되는 열교환기는 난방 및 온수용으로는 쉘 앤 튜브식이며, 냉방용으로는 판형 열교환기가 주를 이루며 가장 효율적입니다. 또한 건물마다 냉방장비가 설치되어 부속설비로 열교환기 설비가 있으나, 이에 대한 이해가 부족하고 관리가 소홀해 장비의 수명과 열효율이 떨어지는 것이 사실입니다. 그러므로 효율적인 에너지 사용을 위해서는 열교환기의 종류와 특징을 잘 알고 관리하는 것이 더욱 필요합니다.

사진출처 : 한화63시티



정우용 | 한화63시티 63운영팀 과장
안녕하십니까? 63운영팀 정우용 과장입니다. 저는 63빌딩 내 기계설비 운영 업무를 20년간 수행하면서 축적된 노하우를 바탕으로 기계설비 공사, 에너지 진단 및 에너지 절감 TF팀을 운영하고 있습니다. 현장에서 도움이 될 수 있는 기계 관련 지식과 정보를 함께 공유하려고 합니다.