열교환기

열교환기(熱交換器, heat exchanger)는 두 개 또는 그 이상의 유체 사이에서 열을 교환할 수 있게 고안된 장치를 말한다.

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개요

열교환기는 유체의 냉각 또는 유체의 온도를 높이는 난방의 목적으로 서로 다른 유체의 열을 교환할 수 있도록 사용된다. 열교환기에 있어서 유체에 열을 주는데 사용되는 전열 매체를 열매(熱媒), 반대로 열을 뺏는 데 사용되는 것을 냉매(冷媒)라고 한다. 흔히 잘 알고 있는 열교환기는 바로 라디에이터이다. 라디에이터는 엔진의 과열을 막기 위해, 워터 자켓을 통해 순환되는 냉각수를 외부 공기를 이용해 냉각시켜서 엔진이 적절한 온도에서 작동될 수 있도록 돕는다. 이 외에 에어컨 컴프레서에서 나온 고온 고압의 기체 냉매를 저온 고압 액체 냉매로 바꾸는 콘덴서, 자동변속기 속에서 작동 유체 역할을 하는 오일을 냉각시키는 자동변속기 오일 냉각장치, 터보차저를 통해 가열된 공기를 냉각시켜 엔진 출력 상승을 도와주는 인터쿨러 등이 있다. 자동차는 다양한 열교환기를 이용해 엔진과 미션, 에어컨 시스템에서 사용하는 냉매를 냉각시킨다.

종류

라디에이터

라디에이터는 자동차나 항공기, 기차 등 엔진의 내연기관에 사용되는 냉각용 열교환기이다. 엔진을 통해 열을 전달받은 냉각수가 라디에이터를 순환하며 엔진에서 발생된 높은 열을 대기중으로 방출 시키는 역할을 한다. 기능적인 특징으로 인해 방열기 또는 방열장치 등으로 불리기도 한다. 라디에이터는 엔진의 온도를 유지시켜 주는 중요한 장치 중 하나로, 냉각수의 순환으로부터 전달된 열을 일정 수준으로 유지시키며 대기 중으로 방출하는 기능을 한다. 따라서 대부분 주행풍을 최대로 활용하기 위하여 차량의 엔진 앞쪽에 설치한다. 라디에이터는 크게 탱크와 핀, 튜브로 구성된다. 일반적으로 양쪽 출입구 쪽에 냉각수를 저장하는 탱크가 설치된다. 탱크 중간에는 냉각수가 지나가는 수직 또는 수평 구조의 튜브와 열 교환이 쉬운 성질을 가진 핀을 용접한 라디에이터 코어가 위치한다. 라디에이터는 냉각수가 흐르는 방향에 따라 크게 다운플로, 크로스플로, U턴플로 방식으로 구분할 수 있다. 다운플로는 냉각수 탱크를 라디에이터 상하로 배치하고, 뜨거운 물은 위로, 차가운 물은 아래로 흐르는 대류의 원리와 중력의 원리를 이용하여 냉각수를 위에서 아래로 흐르게 하는 방식이다. 가장 많이 사용되는 일반적인 라디에이터 방식이다. 이에 비해 크로스플로와 U턴플로는 라디에이터 좌우에 탱크를 배치하여 냉각수를 가로로 흐르게 하는 방식이다. 이는 다운플로 방식에 비해 방열 면적을 넓혀 열교환 효과를 높일 수 있는 장점이 있다. 하지만 유체가 옆으로 흐르는 만큼 유동 저항이 크고, 이에 따라 워터 펌프의 성능이 상대적으로 크게 요구된다.

히터

히터는 고온의 냉각수를 이용하여 자동차 실내를 난방시키는 열교환기이다. 히터는 자동차 공조장치의 기본 부품으로, 추운 겨울에 자동차 실내를 난방하는 역할 외에도 유리창의 성에를 제거하는 등 운전자의 편의 및 안전운전에 도움을 준다. 히터의 구조는 라디에이터와 유사하다. 초창기에 개발한 리본 셀룰러형은 황동판을 성형하여 용접한 것으로, 북미에서 사용되었다. 라운드튜브 플레이트 핀형은 알루미늄 소재를 이용한 기계확판 방식으로, 탱크에는 주로 플라스틱 수지가 사용되고 유럽과 일본의 일부 자동차에 사용되었다. 라디에이터와 마찬가지로 오벌튜브 코게이트 핀형이 일반적으로 사용되고 있으며, 소재도 구리에서 알루미늄 재질로 바뀌었다. 탱크도 알루미늄 소재를 사용하여 히터의 각 부품을 일체로 브레이징할 수 있도록 하여 제품의 제조 원가가 낮춰졌다.

증발기

증발기는 응축기에서 응축된 냉매가 팽창밸브에서 팽창되어 증발기를 통과하면서 액체 상태에서 기체 상태로 상변화를 할 때 발생되는 증발잠열이 공기와 열교환을 함으로써 자동차 실내를 냉방시키는 열교환기이다. 또한, 유리창의 습기를 신속히 제거하여 운전자의 안전운전을 돕는 중요한 역할을 한다. 크로스핀형은 튜브에 플레이트 형상의 핀을 적층시켜 조립한 형태로, 유럽에서 주로 사용했다. 서펜타인형은 여러 개의 작은 유로를 가진 편평한 냉매 튜브를 절곡하여 코아를 형성하고, 튜브 사이에 핀을 삽입한 형태로 장착 공간에 대한 대응성은 좋으나 코아를 통과하는 냉매 측의 저항이 큰 것이 단점이다. 드로운컵형은 라미네이트형이라고도 하며, 프레스 성형된 플레이트를 접합하여 냉매와 유로를 형성하고 그 플레이트 사이에 핀을 삽입한 형태이다. 생산성과 성능이 기존의 다른 형태보다 우수하다.

응축기

응축기는 기체를 포화온도 이하로 냉각시켜 액체로 만드는 열교환기이다. 크게 직접 접촉식(Direct Contact)과 일반적으로 많이 사용되는 간접 접촉식(In-direct Contact)으로 구분한다. 직접 접촉식 응축기는 냉각재(coolant)를 증기와 직접 접축시키는 방식이다. 기계적으로 간단한 구조에 저렴하지만, 냉각재와 증기가 서로 섞여도 문제가 없는 곳에만 사용할 수 있다. 접촉식은 유체의 혼합과 응축이 동시에 이루어지므로, 비접촉식에 비해 단위 체적당 열전달율이 매우 높은 것이 특징이다. 직접 접촉식은 기체를 액체가 담긴 큰 용기(pool)에 직접 뿌려서 응축을 시키는 방식인 풀 응축기(Pool Condenser), 냉각 액체를 기체에 직접 뿌려서 응축시키는 스프레이 앤 트레이(Spray and Tray Condenser) 응축기가 있다. 액체를 노즐에서 가능한 작고 골고루 분사하여 가능한 전열면적을 키우고 액적 유지 시간을 길게 하는 것이 중요하다. 트레이 응축기는 액체를 밑에서 위로 뿌려 증기와 대향류(counter current)를 이루도록 해서 효율이 보다 좋게 하는 방식이다. 비접촉식 응축기는 냉각재와 증기가 직접 접촉하지 않도록 고체 벽을 통해 열을 전달시키는 방식이다. 거의 모든 형태의 열교환기 종류가 사용되고 있고, 원통 다관형이 제일 많이 사용되는 형태이다.

냉각기

냉각기는 유체의 상태 변화 없이 온도만 내리기 위한 목적으로 사용되는 열교환기이다. 냉각 열원으로는 냉각수, 해수, 공기, 냉매 등이 많이 사용되며, 플랜트 내 다른 공정 유체를 사용하는 경우도 많다. 그리고 현장에서 사용하는 용도를 자세히 설명하기 위한 용어를 추가해서 부르기도 한다. 예를 들어 트림 냉각기는 요구 온도까지 냉각이 안 돼서 추가로 설치하는 냉각기를 뜻한다. 공랭식 냉각기 다음에 냉각수를 이용하는 냉각기에서 온도를 더 낮추는 경우가 대표적이며, 최근에는 냉각수 사용량을 줄이기 위해 공랭식 후에 수냉식 냉각기를 많이 적용한다. 중간/후냉각기는 압축기에서 기체 가압 시 함께 올라간 온도를 내리기 위해 사용한다. 압축기의 압축비가 큰 경우, 중간 냉각기를 설치하고 단수를 늘리면 전체 압축에 필요한 동력을 크게 절감할 수 있다. 기체에 수증기 등 증기가 포함된 경우 이슬점 온도 이하로 냉각 되면, 내부 증기가 응축되므로 냉각기의 전체 열량 계산 시 응축 잠열을 누락하지 않도록 주의가 필요하다.

관련 부품

냉각팬

열교환기가 외부에서 자동차로 들어오는 공기의 흐름을 이용해 냉각 작용을 시키는데, 만약 자동차가 정지한 상태에서 엔진이 작동하면 공기 흐름이 거의 없어서 열교환기의 성능이 현저히 감소하게 된다. 이런 단점을 보완하는 부품이 바로 냉각팬(Cooling Fan)이다. 냉각팬은 열교환기에 필요한 공기의 흐름을 만드는 역할을 한다. 자동차의 엔진 과열을 막고, 탑승자에게 시원한 바람을 제공한다. 냉각팬은 직류전원을 이용해 팬 날개를 회전시키는 모터와 날개, 발생시킨 공기의 이동을 원활하게 도와주는 덮개와 풍량제어장치로 구성된다. 통상적인 쿨링팬의 구조는 평소에 흔히 사용하는 선풍기와 반대되는 구조를 가지고 있다. 앞쪽에 있는 열교환기에 바람을 보내기 위해 더 앞쪽에 있는 공기를 빨아들이는 것이다. 바람을 일으켜 더위를 식혀 주는 역할을 한다는 점에서 선풍기와 냉각팬은 완벽하게 일치한다. 초기 자동차에는 엔진을 식히기 위해 라디에이터와 냉각팬만 장착됐다. 하지만 최신 차량에는 여러 편의 장치가 추가되면서, 부가적으로 냉매를 사용하는 여러 열교환기를 장착해 냉각팬 역할도 커지면서 그 중요성도 더욱 부각되고 있다. 냉각팬은 날개 위치에 따라 공기를 이동시키는 방식이 다르다. 푸시 타입은 날개가 전방에서 외부 공기를 자동차 내부로 밀어 넣는 형태이고, 풀 타입은 날개가 자동차 내부에 위치하면서 외부 공기를 빨아들이는 형태이다. 냉각팬 한 개나 두 개를 이용하는 경우도 있다. 최근에는 하나의 대형 팬을 이용해 외부 공기를 빨아들여 냉각을 돕는 싱글 풀타입 팬이 많이 적용된다. 모터와 팬이 돌아가면서 생기는 진동과 소음을 획기적으로 줄인 고성능 냉각팬도 속속 등장하고 있다.

참고자료

• 〈열교환기〉, 《네이버 지식백과》
• 양종석 기자, 〈(카&테크) 자동차 열 교환기와 냉각팬〉, 《전자신문》, 2015-07-09
• 휠라이프, 〈"라디에이터" -자동차의 열교환 장치-〉, 《네이버 포스트》, 2017-08-17
• HX, 〈플랜트 열교환기 종류 - (VI) 용도 별 분류〉, 《네이버 블로그》, 2021-03-16
• 김기효, 김태성, 〈자동차 열교환기의 기술개발 동향〉, 《대한설비공학회》, 1996-04

같이 보기

• 열
• 교환
• 기계
• 교환기
• 냉각팬
• 라디에이터

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