열교환기의 원리와 계산: 열평형·LMTD·ε-NTU법의 이해

열교환기(Heat Exchanger)는 온도가 서로 다른 두 유체 사이에서 열에너지를 전달하는 장치이다. 대부분의 공조냉동용 열교환기에서는 두 유체가 직접 섞이지 않고 금속벽이나 판을 사이에 두고 열을 주고받는다.

열교환기를 이해하는 것이 중요한 이유는 지금까지 배운 열전달 이론이 실제 장치 안에서 모두 연결되기 때문이다. 고온유체에서 벽면까지는 대류, 벽 내부에서는 전도, 다시 벽면에서 저온유체까지는 대류가 발생한다.

\[
\boxed{
\text{고온유체}
\rightarrow
\text{대류}
\rightarrow
\text{전도}
\rightarrow
\text{대류}
\rightarrow
\text{저온유체}
}
\]

따라서 열교환기는 전도·대류·열저항·총괄열전달계수와 대수평균온도차를 실제 설비에 적용하는 종합적인 열전달 장치라고 볼 수 있다.

목차30개 항목

• 공조냉동에서 열교환기는 어디에 사용되는가
• 열교환기 해석의 첫 번째는 열평형이다
• 열용량률 C란 무엇인가
• 열용량률이 크면 왜 온도변화가 작을까
• 유동방향에 따른 열교환기 분류
• 평행류·대향류·직교류 비교
• 구조에 따른 열교환기 종류
• 열교환기의 전체 열전달식
• 열교환기 문제를 푸는 기본 순서
• 총괄열전달계수 U는 어떻게 만들어지는가
• 오염은 왜 열교환기 성능을 떨어뜨리는가
• 제122회 기출이 보여주는 열교환기 계산구조
• LMTD법은 언제 사용하기 좋은가
• 출구온도를 모두 모른다면 어떻게 할까
• 열교환기 유용도 ε
• 최대 열전달량과 Cmin
• NTU란 무엇인가
• 열용량률비 Cr
• 평행류의 ε-NTU 관계
• 대향류의 ε-NTU 관계
• LMTD법과 ε-NTU법 비교
• 복잡한 열교환기에서는 LMTD 보정계수를 사용한다
• 응축기와 증발기는 일반 열교환기와 무엇이 다른가
• 증발기와 응축기의 냉매측 열량식
• 열전달 성능과 압력손실은 함께 봐야 한다
• 전열면적은 클수록 무조건 좋은가
• 열교환기 성능이 저하되는 대표적인 원인
• 열교환기는 지금까지 배운 열전달 이론의 종합이다
• 기술사 답안에서 중요한 포인트
• 시험 직전 핵심 정리

공조냉동에서 열교환기는 어디에 사용되는가

공조냉동설비의 많은 장치는 본질적으로 열교환기이다.

• 증발기
• 응축기
• 냉각코일
• 가열코일
• 브라인 냉각기
• 판형 열교환기
• 전열교환기
• 지역난방용 열교환기

냉동사이클의 증발기는 냉각대상으로부터 열을 받아 냉매가 증발하는 열교환기이고, 응축기는 냉매가 가진 열을 냉각수나 외기로 방출하는 열교환기이다.

\[
\boxed{
\text{증발기}
=
\text{열을 흡수하는 열교환기}
}
\]

\[
\boxed{
\text{응축기}
=
\text{열을 방출하는 열교환기}
}
\]

열교환기 해석의 첫 번째는 열평형이다

열교환기 계산에서 가장 먼저 해야 할 일은 에너지평형을 세우는 것이다.

열교환기가 정상상태로 운전되고 외부로의 열손실을 무시할 수 있다면 고온유체가 잃은 열량과 저온유체가 얻은 열량은 같다.

\[
\boxed{
\text{고온유체가 잃은 열}
=
\text{저온유체가 얻은 열}
}
\]

고온유체에 대해서는

\[
\boxed{
\dot Q
=
\dot m_hc_{p,h}
\left(
T_{h,i}-T_{h,o}
\right)
}
\]

저온유체에 대해서는

\[
\boxed{
\dot Q
=
\dot m_cc_{p,c}
\left(
T_{c,o}-T_{c,i}
\right)
}
\]

이므로 열평형식은

\[
\boxed{
\dot m_hc_{p,h}
\left(
T_{h,i}-T_{h,o}
\right)
=
\dot m_cc_{p,c}
\left(
T_{c,o}-T_{c,i}
\right)
}
\]

가 된다.

열교환기 계산에서는 이 식을 이용해 먼저 열교환량 또는 알려지지 않은 출구온도를 구하는 경우가 많다.

열용량률 C란 무엇인가

열교환기에서는 질량유량과 비열을 하나로 묶어 열용량률(Heat Capacity Rate)이라는 값을 자주 사용한다.

\[
\boxed{
C
=
\dot m c_p
}
\]

단위는

\[
C
\;:\;
\mathrm{W/K}
\]

이다.

고온유체와 저온유체의 열용량률은 각각

\[
C_h
=
\dot m_hc_{p,h}
\]

\[
C_c
=
\dot m_cc_{p,c}
\]

이다.

이를 사용하면 열교환량은 다음과 같이 간단하게 표현할 수 있다.

\[
\dot Q
=
C_h
\left(
T_{h,i}-T_{h,o}
\right)
\]

\[
\dot Q
=
C_c
\left(
T_{c,o}-T_{c,i}
\right)
\]

열용량률이 크면 왜 온도변화가 작을까

열용량률의 물리적 의미는 다음 관계를 보면 쉽게 이해할 수 있다.

\[
\Delta T
=
\frac{\dot Q}{C}
\]

같은 열량을 전달받더라도 C가 큰 유체는 온도가 적게 변한다.

\[
\boxed{
C\uparrow
\quad\Rightarrow\quad
|\Delta T|\downarrow
}
\]

반대로 열용량률이 작은 유체는 같은 열을 주고받을 때 온도변화가 크게 나타난다.

\[
\boxed{
C\downarrow
\quad\Rightarrow\quad
|\Delta T|\uparrow
}
\]

이 개념은 뒤에서 배우는 열교환기 유용도와 ε-NTU법에서도 중요하다.

유동방향에 따른 열교환기 분류

열교환기는 두 유체가 어떤 방향으로 흐르는지에 따라 평행류, 대향류와 직교류로 구분할 수 있다.

평행류 Parallel Flow

평행류에서는 고온유체와 저온유체가 같은 방향으로 흐른다.

고온유체  → → → → →

저온유체  → → → → →

입구에서는 두 유체의 온도차가 크지만 열교환이 진행되면서 두 온도가 서로 가까워지기 때문에 출구 쪽에서는 온도차가 작아지기 쉽다.

따라서 열교환기 전체의 평균 온도구동력이 상대적으로 작아지는 경우가 많다.

대향류 Counter Flow

대향류에서는 두 유체가 서로 반대방향으로 흐른다.

고온유체  → → → → →

저온유체  ← ← ← ← ←

대향류는 열교환기 전체에 걸쳐 두 유체 사이의 온도차를 비교적 균일하게 유지할 수 있다.

같은 네 개의 입·출구 온도조건이 두 유동배치에서 모두 가능한 경우 일반적으로 대향류의 LMTD가 평행류보다 크게 나타난다.

\[
\Delta T_{\mathrm{lm,counter}}
>
\Delta T_{\mathrm{lm,parallel}}
\]

따라서 같은 열량과 같은 총괄열전달계수에서는

\[
A
=
\frac{\dot Q}
{U\Delta T_{\mathrm{lm}}}
\]

이므로 필요한 전열면적이 더 작아질 수 있다.

직교류 Cross Flow

직교류에서는 두 유체가 서로 거의 직각방향으로 흐른다.

              공기
               ↓
               ↓
               ↓
물 또는 냉매 → → → → →
               ↓
               ↓

대표적인 예가 핀-튜브 공조코일이다. 관 내부에서는 냉수나 냉매가 흐르고 공기는 관군을 가로질러 통과한다.

직교류는 두 유체가 혼합되는지 여부와 실제 유로구조에 따라 열교환 특성과 해석방법이 달라질 수 있다.

평행류·대향류·직교류 비교

구분	평행류	대향류	직교류
유동방향	같은 방향	반대 방향	거의 직각
온도차 분포	출구에서 작아지기 쉬움	비교적 균일	유로구조에 따라 다름
LMTD 특성	상대적으로 작음	상대적으로 큼	보정이 필요한 경우가 있음
대표 적용	일부 이중관	이중관·판형	공조코일·공랭식 응축기

구조에 따른 열교환기 종류

열교환기는 구조에 따라서도 여러 형태로 나뉜다.

이중관식 열교환기

이중관식(Double Pipe Heat Exchanger)은 하나의 관 내부에 또 다른 관을 설치한 비교적 단순한 열교환기이다.

외관
┌────────────────────────┐
         ← 저온유체            
│───────────────────┐   
           고온유체 →       
│───────────────────┘   

└────────────────────────┘

한 유체는 내부관을 흐르고 다른 유체는 두 관 사이의 환상공간을 흐른다.

구조와 해석이 비교적 단순하고 평행류 또는 대향류를 명확하게 구성할 수 있다는 장점이 있다.

반면 큰 열교환 용량에서는 필요한 관 길이가 길어져 장치가 커질 수 있다.

셸앤튜브 열교환기

셸앤튜브(Shell and Tube) 열교환기는 하나의 큰 원통형 셸 내부에 여러 개의 전열관을 설치한 구조이다.

          Shell
┌────────────────────────┐
│  →   ○ ○ ○ ○ ○                           │
       ○ ○ ○ ○ ○        
│      ○ ○ ○ ○ ○   ←                       │
└────────────────────────┘
         Tube bundle

한 유체는 관 내부인 Tube Side를 흐르고 다른 유체는 관 외측의 Shell Side를 흐른다.

수냉식 응축기나 수냉각기 등 공조냉동설비에서 중요하게 사용된다.

판형 열교환기

판형 열교환기(Plate Heat Exchanger)는 얇은 금속판을 여러 장 적층하여 판 사이에 유로를 형성한다.

고온 → │││││││
        ↕↕↕↕↕↕
저온 ← │││││││

좁은 유로와 넓은 전열면적을 이용하므로 단위체적당 전열면적이 크고 장치를 비교적 콤팩트하게 구성할 수 있다.

지역난방과 냉온수 계통 등에서 활용할 수 있다.

핀-튜브 열교환기

핀-튜브(Fin-Tube) 열교환기는 관 외부에 많은 핀을 설치해 전열면적을 증가시킨 구조이다.

공기측은 물이나 냉매측에 비해 대류열전달계수가 작은 경우가 많기 때문에 공기측 면적을 증가시키는 것이 효과적이다.

공기 → → → → →

|||||||||||||||  Fin
──○──○──○──○──  Tube
|||||||||||||||

공기 → → → → →

대표적으로 냉각코일, 가열코일, 공랭식 응축기와 유니트쿨러에 사용한다.

열교환기의 전체 열전달식

열교환기의 전열성능은 지금까지 배운 총괄열전달계수와 LMTD를 사용해 표현할 수 있다.

\[
\boxed{
\dot Q
=
UA\Delta T_{\mathrm{lm}}
}
\]

기호	의미	SI 단위
Q̇	열교환량	W
U	총괄열전달계수	W/(m²·K)
A	전열면적	m²
ΔTlm	대수평균온도차	K

이 식은 다음과 같이 이해할 수 있다.

\[
\boxed{
\text{열교환량}
=
\text{전체 전열성능}
\times
\text{전열면적}
\times
\text{온도 구동력}
}
\]

열교환기 문제를 푸는 기본 순서

기술사 계산문제에서는 다음 순서를 고정해두는 것이 좋다.

1. 열평형을 이용해 열교환량 \(\dot Q\)를 구한다.
2. 필요하면 반대쪽 출구온도를 구한다.
3. 평행류인지 대향류인지 유동방식을 확인한다.
4. 열교환기 양 끝의 온도차 \(\Delta T_1\), \(\Delta T_2\)를 구한다.
5. LMTD를 계산한다.
6. 총괄열전달계수 U를 확인한다.
7. \(A=\dot Q/(U\Delta T_{\mathrm{lm}})\)로 필요한 전열면적을 구한다.

\[
\boxed{
\dot Q
\rightarrow
T_{\mathrm{out}}
\rightarrow
\Delta T_1,\Delta T_2
\rightarrow
\Delta T_{\mathrm{lm}}
\rightarrow
U
\rightarrow
A
}
\]

총괄열전달계수 U는 어떻게 만들어지는가

열교환기 내부에는 하나의 열저항만 존재하는 것이 아니다.

예를 들어 전열관을 사이에 둔 열교환기는 다음과 같은 저항으로 구성할 수 있다.

고온유체
   │
   ↓ 내측 대류저항
오염층
   ↓ 내측 오염저항
관벽
   ↓ 전도저항
오염층
   ↓ 외측 오염저항
   ↓ 외측 대류저항
저온유체

전체 열저항은

\[
\boxed{
R_{\mathrm{total}}
=
R_{\mathrm{conv},i}
+
R_{f,i}
+
R_{\mathrm{wall}}
+
R_{f,o}
+
R_{\mathrm{conv},o}
}
\]

이다.

총괄열전달계수와의 관계는

\[
\boxed{
UA
=
\frac{1}{R_{\mathrm{total}}}
}
\]

이다.

즉 U는 열교환기의 여러 열저항을 하나의 성능값으로 압축한 계수라고 이해할 수 있다.

오염은 왜 열교환기 성능을 떨어뜨리는가

수냉식 응축기나 증발기 전열면에는 운전시간이 증가하면서 스케일이나 슬라임 등의 오염층이 형성될 수 있다.

오염층은 추가적인 열저항으로 작용한다.

\[
R_f\uparrow
\]

그러면 전체 열저항이 증가한다.

\[
R_{\mathrm{total}}\uparrow
\]

따라서

\[
UA
=
\frac{1}{R_{\mathrm{total}}}
\]

관계에 의해 U가 감소한다.

\[
U\downarrow
\]

결과적으로 같은 전열면적과 온도조건에서는 열교환량이 감소한다.

\[
\boxed{
\text{오염}
\rightarrow
R_f\uparrow
\rightarrow
U\downarrow
\rightarrow
\dot Q\downarrow
}
\]

제122회 기출이 보여주는 열교환기 계산구조

제122회에서는 로우핀관을 사용하는 관외 증발식 만액식 셸앤튜브 수냉각기를 대상으로 외측 전열면적, 내·외측 전열면적비, 냉수측·냉매측 열전달률과 오염계수를 주고 계산하도록 출제됐다.

문제에서는 다음 항목을 순서대로 요구했다.

• 외측 전열면적 기준 열통과율
• 냉각능력
• 냉수 유량
• 냉매 증발온도

이 문제의 핵심은 단순한 하나의 공식이 아니다.

\[
\boxed{
\text{개별 열저항}
\rightarrow
U
\rightarrow
\dot Q
\rightarrow
\text{유량·온도}
}
\]

라는 열교환기 해석의 전체 구조를 이해해야 한다.

LMTD법은 언제 사용하기 좋은가

LMTD법은 열교환기의 입구와 출구온도를 알고 있거나, 열평형을 통해 출구온도를 쉽게 계산할 수 있을 때 매우 유용하다.

열교환기 양 끝에서

\[
\Delta T_1,\quad\Delta T_2
\]

를 구할 수 있다면

\[
\Delta T_{\mathrm{lm}}
=
\frac{
\Delta T_1-\Delta T_2
}{
\ln(\Delta T_1/\Delta T_2)
}
\]

를 계산한 뒤

\[
\dot Q
=
UA\Delta T_{\mathrm{lm}}
\]

을 사용할 수 있다.

출구온도를 모두 모른다면 어떻게 할까

열교환기의 두 입구온도와 유량, 비열, U와 A는 알고 있지만 출구온도를 모르는 경우가 있다.

이 경우 LMTD를 계산하려면 출구온도가 필요하고, 출구온도를 구하려면 열교환량을 알아야 하므로 계산이 서로 얽힌다.

이러한 성능해석에서 유용한 방법이 ε-NTU법이다.

열교환기 유용도 ε

열교환기 유용도 또는 효과도(Effectiveness) ε는 실제 열교환량이 이론적으로 가능한 최대 열교환량의 어느 정도인지를 나타낸다.

\[
\boxed{
\varepsilon
=
\frac{
\dot Q
}{
\dot Q_{\mathrm{max}}
}
}
\]

따라서

\[
0
\le
\varepsilon
\le
1
\]

이다.

최대 열전달량과 Cmin

먼저 두 유체의 열용량률을 계산한다.

\[
C_h
=
\dot m_hc_{p,h}
\]

\[
C_c
=
\dot m_cc_{p,c}
\]

이 중 작은 값을 \(C_{\min}\), 큰 값을 \(C_{\max}\)라고 한다.

이론적으로 가능한 최대 열전달량은

\[
\boxed{
\dot Q_{\mathrm{max}}
=
C_{\min}
\left(
T_{h,i}-T_{c,i}
\right)
}
\]

이다.

열용량률이 작은 유체는 같은 열량을 주고받을 때 온도변화가 더 크다.

\[
\Delta T
=
\frac{\dot Q}{C}
\]

따라서 열용량률이 작은 유체가 먼저 상대 유체의 입구온도라는 이론적 한계에 도달하므로 최대 열전달량을 \(C_{\min}\)이 결정한다.

NTU란 무엇인가

NTU는 Number of Transfer Units, 즉 전달단위수이다.

\[
\boxed{
NTU
=
\frac{
UA
}{
C_{\min}
}
}
\]

NTU는 무차원수이다.

\(UA\)는 열교환기 자체의 전체 전열능력을 나타내고, \(C_{\min}\)은 온도변화가 큰 쪽 유체의 열용량률을 나타낸다.

따라서 같은 열용량률 조건에서 NTU가 커지면 일반적으로 열교환기의 유용도도 증가하는 방향으로 작용한다.

열용량률비 Cr

두 유체의 열용량률 관계는 열용량률비 \(C_r\)로 표현한다.

\[
\boxed{
C_r
=
\frac{
C_{\min}
}{
C_{\max}
}
}
\]

따라서

\[
0
\le
C_r
\le
1
\]

이다.

열교환기의 유동형태가 정해지면 유용도는 일반적으로

\[
\boxed{
\varepsilon
=
f
\left(
NTU,C_r
\right)
}
\]

형태로 표현할 수 있다.

평행류의 ε-NTU 관계

평행류 열교환기의 표준 관계는 다음과 같다.

\[
\boxed{
\varepsilon
=
\frac{
1-e^{-NTU(1+C_r)}
}{
1+C_r
}
}
\]

따라서 출구온도를 알지 못하더라도 U, A, 유량과 비열을 알고 있다면 NTU와 \(C_r\)를 계산하여 ε를 구할 수 있다.

이후 실제 열교환량은

\[
\boxed{
\dot Q
=
\varepsilon
\dot Q_{\mathrm{max}}
}
\]

으로 구한다.

대향류의 ε-NTU 관계

\(C_r\neq1\)인 대향류 열교환기에서는 표준적으로 다음 관계를 사용할 수 있다.

\[
\boxed{
\varepsilon
=
\frac{
1-e^{-NTU(1-C_r)}
}{
1-C_r
e^{-NTU(1-C_r)}
}
}
\]

기초 학습단계에서는 이 결과식을 암기하기보다 다음 세 가지 정의를 먼저 확실히 이해하는 것이 중요하다.

\[
\boxed{
\varepsilon
=
\frac{
\dot Q
}{
\dot Q_{\mathrm{max}}
}
}
\]

\[
\boxed{
NTU
=
\frac{
UA
}{
C_{\min}
}
}
\]

\[
\boxed{
C_r
=
\frac{
C_{\min}
}{
C_{\max}
}
}
\]

LMTD법과 ε-NTU법 비교

구분	LMTD법	ε-NTU법
주요 용도	전열면적 산정·설계	주어진 열교환기의 성능해석
출구온도	주로 알고 있거나 계산 가능	출구온도를 몰라도 해석 가능
핵심값	ΔTlm	ε, NTU, Cr
기본식	Q̇ = UAΔTlm	Q̇ = εQ̇max

기술사 기초학습에서는 먼저 LMTD법을 확실히 이해하고 ε-NTU법은 열교환기 성능해석의 확장개념으로 이해하는 것이 좋다.

복잡한 열교환기에서는 LMTD 보정계수를 사용한다

실제 셸앤튜브 열교환기나 다중패스 열교환기는 완전한 평행류나 대향류와 다른 유동배치를 가질 수 있다.

이 경우에는 이상적인 대향류 LMTD에 보정계수 F를 적용하여

\[
\boxed{
\dot Q
=
UA
F
\Delta T_{\mathrm{lm}}
}
\]

형태로 해석할 수 있다.

보정계수 F의 구체적인 결정방법은 열교환기의 패스 구성과 온도조건에 따라 달라지므로 실제 설계에서는 해당 열교환기의 해석방법 또는 보정선도를 사용해야 한다.

응축기와 증발기는 일반 열교환기와 무엇이 다른가

일반적인 두 단상유체 열교환기에서는 양쪽 유체의 온도가 모두 변화한다.

그러나 증발기나 응축기의 냉매는 일정 압력에서 상변화한다고 가정하면 포화온도가 거의 일정하게 유지되는 구간이 존재한다.

예를 들어 증발기에서는 다음과 같이 생각할 수 있다.

공기   20℃ ─────────→ 10℃

냉매   -5℃ ────────── -5℃
            증발

냉매는 많은 열을 흡수하면서 상변화하지만 온도변화는 작을 수 있다.

이 때문에 냉매측의 열량을 단순히 \(\dot mc_p\Delta T\)만으로 표현하기 어려운 경우가 있다.

증발기와 응축기의 냉매측 열량식

냉동사이클에서는 냉매의 상태변화가 포함되므로 엔탈피차로 열량을 계산하는 것이 일반적이다.

증발기의 냉동능력은

\[
\boxed{
\dot Q_e
=
\dot m_r
\left(
h_{\mathrm{out}}-h_{\mathrm{in}}
\right)
}
\]

이다.

응축기의 방열량은

\[
\boxed{
\dot Q_c
=
\dot m_r
\left(
h_{\mathrm{in}}-h_{\mathrm{out}}
\right)
}
\]

이다.

그러나 전열면적 측에서는 여전히

\[
\boxed{
\dot Q
=
UA\Delta T_{\mathrm{lm}}
}
\]

관계를 사용할 수 있다.

즉 냉매측 열평형은 엔탈피차로 계산하고, 열교환기 전열성능은 U와 LMTD로 연결한다.

열전달 성능과 압력손실은 함께 봐야 한다

열교환기의 유체속도를 증가시키면 대류열전달계수 h가 증가하고 U도 증가하는 방향으로 작용할 수 있다.

\[
V\uparrow
\rightarrow
h\uparrow
\rightarrow
U\uparrow
\]

그러나 유속이 증가하면 유체의 압력손실도 커진다.

\[
V\uparrow
\rightarrow
\Delta P\uparrow
\]

압력손실이 증가하면 펌프나 팬의 소비동력도 증가한다.

따라서 실제 열교환기 설계에서는 단순히 열전달률을 최대화하는 것이 아니라 열전달성능과 압력손실 사이의 균형을 찾아야 한다.

\[
\boxed{
\text{열전달 성능}
\quad\leftrightarrow\quad
\text{압력손실}
}
\]

전열면적은 클수록 무조건 좋은가

열전달식만 보면

\[
\dot Q
=
UA\Delta T_{\mathrm{lm}}
\]

이므로 A가 증가하면 열교환량도 증가한다.

그러나 전열면적이 커지면 장치의 크기와 재료비, 설치공간과 유지관리 부담도 증가한다.

따라서 열교환기 설계의 목적은 가능한 한 큰 장치를 만드는 것이 아니라 필요한 열교환성능을 합리적인 크기와 비용으로 확보하는 것이다.

열교환기 성능이 저하되는 대표적인 원인

실제 열교환기에서는 설계 당시의 성능이 계속 유지되는 것은 아니다.

• 스케일 및 오염
• 유량 감소
• 공기혼입
• 유체의 편류
• 핀 오염
• 전열면 손상
• 적상 및 결빙

특히 오염은 열저항을 증가시키고 총괄열전달계수 U를 떨어뜨리는 대표적인 성능저하 원인이다.

열교환기는 지금까지 배운 열전달 이론의 종합이다

전도
Q̇ = -kA dT/dx
       ↓
대류
Q̇ = hAΔT
       ↓
열저항
Q̇ = ΔT/R
       ↓
총괄열전달계수
UA = 1/Rtotal
       ↓
LMTD
ΔTlm
       ↓
열교환기
Q̇ = UAΔTlm
       ↓
열평형
Q̇ = ṁcpΔT
       ↓
전열면적·출구온도·용량 계산

따라서 열교환기를 단순히 장치의 종류로만 공부하면 열전달 이론과 분리되어 버린다.

핵심은 유체측의 에너지평형과 전열측의 열전달식을 동시에 만족시키는 것이다.

\[
\boxed{
\dot Q
=
\dot mc_p\Delta T
=
UA\Delta T_{\mathrm{lm}}
}
\]

상변화 냉매에서는 유체측 열량을 엔탈피차로 계산하여 같은 열교환량과 연결한다.

기술사 답안에서 중요한 포인트

열교환기 문제가 출제되면 먼저 온도가 다른 두 유체 사이에서 열을 전달하는 장치라는 정의와 기본 열전달 경로를 간단히 제시하는 것이 좋다.

이후 문제의 성격에 따라 열평형식, 총괄열전달계수 U, LMTD와 전열면적 관계를 연결한다.

유동방식을 묻는다면 평행류·대향류·직교류의 간단한 개념도와 온도분포를 함께 제시하면 효과적이다.

계산문제에서는 열평형을 먼저 적용하고, 미지의 출구온도 → LMTD → 전열면적 순서로 계산하는 것이 안전하다.

셸앤튜브나 실제 냉동기 열교환기에서는 오염저항과 전열면적 기준, 다중패스에 따른 LMTD 보정 여부까지 검토하면 답안의 완성도가 높아진다.

시험 직전 핵심 정리

• 열교환기는 온도가 다른 두 유체 사이에서 열을 전달하는 장치이다.
• 기본 열평형은 고온유체가 잃은 열과 저온유체가 얻은 열이 같다는 것이다.
• 열용량률은 \(C=\dot mc_p\)이며 C가 클수록 같은 열량에 대한 온도변화가 작다.
• 열교환기의 기본 전열식은 \(\dot Q=UA\Delta T_{\mathrm{lm}}\)이다.
• 대향류는 같은 조건에서 일반적으로 평행류보다 큰 평균 온도구동력을 확보할 수 있다.
• U는 대류·관벽·오염 등 전체 열저항을 종합한 값이다.
• LMTD법은 입·출구 온도를 알고 있을 때 편리하다.
• 출구온도를 모르는 성능해석에서는 ε-NTU법을 사용할 수 있다.
• 증발기와 응축기의 냉매측 열량은 상변화를 포함하므로 엔탈피차로 계산할 수 있다.
• 실제 설계에서는 열전달성능뿐 아니라 압력손실, 오염과 유지관리도 함께 고려해야 한다.

다음 단계에서는 열전달 해석에 사용되는 무차원수(Dimensionless Numbers)를 공부한다. 먼저 왜 무차원수를 사용하는지를 이해한 뒤 강제대류의 \(Nu=f(Re,Pr)\), 자연대류의 \(Nu=f(Gr,Pr)\) 관계를 전체적으로 잡고 Re·Pr·Nu·Gr·Ra·Bi·Fo를 순서대로 연결한다.