열교환기에서 역류(counterflow)는 평행류보다 효율적입니다. 역류는 교환기 전체에서 두 유체 사이의 온도 차이(ΔT)를 더 크고 일정하게 유지하여 열전달을 극대화하기 때문입니다. 자세한 설명은 다음과 같습니다.
1. 온도 구배 및 열 전달
- 역류:
- 역류에서는 유체가 반대 방향으로 흐릅니다(예: 뜨거운 유체가 한쪽 끝으로 들어오고 차가운 유체가 반대쪽 끝으로 들어옴). 이로 인해 열교환기 전체 길이에 걸쳐 거의 일정한 온도 차이(ΔT)가 발생합니다.
- 뜨거운 유체의 최고 온도(입구)는 차가운 유체의 출구와 만나고, 차가운 유체의 최저 온도(입구)는 뜨거운 유체의 출구와 만납니다. 이를 통해 차가운 유체가 뜨거운 유체의 입구 온도에 가까워져 열전달이 극대화됩니다.
- 예: 뜨거운 유체가 100°C에서 들어와 40°C에서 나가고, 차가운 유체가 20°C에서 들어와 90°C에 가까운 온도에서 나가면 높은 열전달률을 얻을 수 있습니다.
- 평행 흐름:
- 병렬 흐름에서는 두 유체가 같은 방향으로 흐르므로 가장 큰 ΔT는 입구에서 발생하지만, 두 유체가 교환기를 따라 비슷한 온도에 접근함에 따라 ΔT는 빠르게 감소합니다.
- 차가운 유체의 출구 온도는 뜨거운 유체의 출구 온도를 초과할 수 없으므로 전달되는 총 열이 제한됩니다.
- 예: 뜨거운 유체가 100°C에서 들어와 60°C에서 나오면 20°C에서 들어오는 차가운 유체는 ~50°C에 도달할 뿐이어서 열전달이 감소합니다.
왜 중요한가: 열전달률(Q)은 ΔT에 비례합니다(Q = U × A × ΔT, 여기서 U는 열전달 계수이고 A는 표면적입니다). 대향류는 ΔT가 더 크고 일정하기 때문에 평균 열전달률이 더 높아 효율이 더 높습니다.
2. 로그 평균 온도 차이(LMTD)
- 열교환기의 효율성은 종종 LMTD(대수 평균 온도 차이)를 사용하여 정량화되는데, LMTD는 열 전달을 주도하는 평균 온도 차이를 나타냅니다.
- 역류: 열교환기 전체에 걸쳐 온도 차이가 비교적 일정하게 유지되므로 LMTD가 더 높습니다. 이를 통해 동일한 표면적에서 더 많은 열이 전달될 수 있습니다.
- 평행 흐름: 출구 쪽으로 갈수록 온도 차이가 크게 줄어들어 LMTD가 낮아지고 열전달의 구동력이 감소합니다.
- 결과: 동일한 열교환기 크기의 경우, 역류 방식은 LMTD가 더 높아 더 많은 열을 전달하거나 동일한 열전달을 달성하는 데 필요한 표면적이 더 작아서 더 컴팩트하고 효율적입니다.
3. 최대 열 회수
- 역류 방식에서는 차가운 유체가 이론적으로 뜨거운 유체의 유입 온도(무한히 긴 교환기)에 도달하여 거의 완전한 열 회수가 가능합니다(예: Holtop의 3D 교차 역류 교환기와 같은 최신 설계에서는 효율이 90–95%임).
- 병렬 흐름에서는 차가운 유체의 출구 온도가 뜨거운 유체의 출구 온도에 의해 제한되어 효율이 제한됩니다(일반적으로 60–80%). 따라서 역류는 에너지 회수 환기(ERV)나 최대 열 회수가 중요한 산업 공정과 같은 분야에 이상적입니다.
4. 실제적 의미
- 역류: 일관된 ΔT는 필요한 열 전달 면적을 줄여 고성능 애플리케이션을 위한 더 작고 비용 효율적인 설계를 가능하게 합니다. HVAC, 산업용 냉각 및 에너지 회수 시스템에 널리 사용됩니다.
- 평행 흐름: ΔT의 급격한 감소는 동등한 열전달을 달성하기 위해 더 넓은 열전달 면적을 필요로 하며, 이로 인해 재료 및 공간 요구 사항이 증가합니다. 이 방식은 기본 라디에이터나 교육용 장치처럼 효율이 덜 중요한 단순 응용 분야에 사용됩니다.
시각적 설명(간단하게)
- 역류: 뜨거운 유체(100°C~40°C)와 차가운 유체(20°C~90°C)를 상상해 보세요. 열교환기 전체의 온도 차이는 비교적 높게 유지됩니다(예: ~20~60°C). 이로 인해 효율적인 열전달이 이루어집니다.
- 평행 흐름: 동일한 유체가 큰 ΔT(100°C – 20°C = 80°C)로 시작하지만 빠르게 수렴합니다(예: 60°C – 50°C = 10°C). 이로 인해 구동력이 감소하고 효율성이 제한됩니다.
결론
역류는 열교환기를 따라 더 크고 일관된 온도 차이(ΔT)를 유지하여 더 높은 LMTD(저온저항체)와 동일 표면적에서 더 큰 열전달을 초래하기 때문에 더 효율적입니다. 따라서 에너지 회수 또는 산업 공정과 같이 고효율이 요구되는 분야에 선호되는 반면, 병렬 흐름은 더 간단하지만 효율이 낮아 덜 까다로운 분야에 적합합니다.