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Part 35. 열교환기는 얼마나 커야 하는가 - Heat Exchanger Sizing
21세기 따봉이 2026. 9. 28. 11:20목차
1. 같은 열교환기인데 왜 크기가 다를까?
앞선 Part 34에서는 공정에서 사용하는 장비의 크기를 결정하는 방법을 살펴보았습니다.
탱크라면 필요한 저장용량이 얼마인지, 펌프라면 얼마의 유량을 보내야 하는지, 증류탑이라면 얼마의 처리량을 감당해야 하는지를 결정해야 했습니다.
그런데 열교환기는 조금 다릅니다.
열교환기의 이름에는 탱크처럼 몇 m³, 펌프처럼 몇 m³/h라는 하나의 숫자만으로 크기를 표현하기 어렵습니다.
열교환기에서 가장 중요한 질문은 이것입니다.
얼마나 많은 열을, 얼마나 작은 온도차에서 전달해야 하는가?
예를 들어 같은 10,000 kg/h의 맥주를 냉각한다고 하더라도,
- 80℃ → 40℃로 냉각하는 경우
- 20℃ → 10℃로 냉각하는 경우
- 냉각수와 온도차가 충분히 큰 경우
- 냉각수와 제품의 온도가 서로 비슷한 경우
필요한 열교환기 크기는 서로 달라질 수 있습니다.
결국 열교환기의 크기는 단순히 처리 유량으로 결정되는 것이 아니라, 처리 유량 → 필요한 열량 → 온도차 → 열전달 성능 → 필요한 면적이라는 과정을 거쳐 결정됩니다.
이번 글에서는 Beer to Zero Project에서 제품을 가열하거나 냉각하기 위해 열교환기를 선정한다고 가정하고, 실제 엔지니어가 열교환기 사이즈를 결정하는 과정을 따라가 보겠습니다.
2. 가장 먼저 알아야 할 것은 Heat Duty
열교환기 사이징의 출발점은 의외로 열교환기 자체가 아닙니다.
먼저 공정에서 얼마나 많은 열을 이동시켜야 하는지 알아야 합니다.
이것을 Heat Duty라고 합니다.
액체를 가열하거나 냉각하는 경우 가장 기본적인 관계식은 다음과 같습니다.
$$ Q = \dot {m} C_p \Delta T $$
여기서
- \(Q\) : Heat Duty
- \(\dot{m}\) : 질량유량
- \(C_p\) : 비열
- \(\Delta T\) : 유체의 입·출구 온도차
입니다.
예를 들어 맥주를 20℃에서 5℃까지 냉각한다고 가정해 보겠습니다.
처리량이 10,000 kg/h이고 맥주의 평균 비열을 약 4.0 kJ/kg·K로 가정하면,
$$ Q = 10,000 \times 4.0 \times (20-5) $$
따라서
$$ Q = 600,000\;kJ/h $$
입니다. 이를 kW로 환산하면,
$$ Q = \frac {600,000}{3,600} = 166.7\;kW $$
정도가 됩니다.
즉, 이 공정에서는 열교환기가 약 167 kW의 열을 제거할 수 있어야 한다는 의미입니다.
여기까지는 열교환기의 크기를 아직 결정하지 않았습니다.
단지 열교환기가 감당해야 하는 열적 부하(Heat Duty)를 결정한 것입니다.
3. 그런데 167 kW를 전달하려면 열교환기가 얼마나 커야 할까?
이제 본격적인 Heat Exchanger Sizing이 시작됩니다.
열교환기의 기본적인 열전달 관계는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.
$$ Q = U A \Delta T_{LM} $$
여기서
- \(Q\) : Heat Duty
- \(U\) : Overall Heat Transfer Coefficient
- \(A\) : Heat Transfer Area
- \(\Delta T_{LM}\) : Log Mean Temperature Difference, LMTD
입니다.
이 식을 면적 AA에 대해 정리하면,
$$ A = \frac {Q} {U\Delta T_{LM}} $$
가 됩니다.
이 식이 바로 열교환기 면적을 결정하는 핵심 공식입니다. 실제 열교환기 설계에서도 열전달 면적은 열부하와 overall heat-transfer coefficient, 평균 온도차의 관계로 산정됩니다.
이제부터 열교환기의 크기를 결정하는 핵심 요소는 세 가지로 압축됩니다.
Q는 얼마나 많은 열을 옮겨야 하는가?
U는 열을 얼마나 잘 전달할 수 있는가?
ΔTLM은 열을 전달할 수 있는 온도차가 얼마나 되는가?
4. 온도차는 그냥 평균을 내면 안 된다
여기에서 초보 엔지니어가 자주 하는 실수가 하나 있습니다.
열교환기의 입구와 출구 온도를 보고 단순히 평균 온도차를 사용하는 것입니다.
하지만 열교환기 내부에서 두 유체의 온도차는 위치에 따라 계속 변합니다.
따라서 단순 산술평균보다는 Log Mean Temperature Difference, LMTD를 사용합니다.
LMTD는 다음과 같이 계산합니다.
$$ \Delta T_{LM} = \frac {\Delta T_1-\Delta T_2} {\ln\left(\frac {\Delta T_1}{\Delta T_2}\right)} $$
Counter Current Flow라면 일반적으로 다음과 같이 정의합니다.
$$ \Delta T_1 = T_{h, in}-T_{c, out} $$
$$ \Delta T_2 = T_{h, out}-T_{c, in} $$
여기서
- \(T_h\) : Hot Fluid
- \(T_c\) : Cold Fluid
입니다. LMTD는 열교환기에서 유체 흐름 방향에 따른 실제 평균적인 구동 온도차를 반영하기 위한 값입니다. 병류와 향류에서는 각각 온도차 정의가 달라집니다.
5. 예제로 LMTD를 계산해 보자
앞서 맥주를 20℃에서 5℃까지 냉각한다고 가정했습니다.
냉각수는 0℃에서 들어와 10℃로 나간다고 가정하겠습니다.
Counter Current Flow라고 하면,
Hot Side:
- Inlet = 20℃
- Outlet = 5℃
Cold Side:
- Inlet = 0℃
- Outlet = 10℃
입니다. 따라서 양쪽 끝의 온도차는
$$ \Delta T_1 = 20-10 = 10^\circ\mathrm {C} $$
$$ \Delta T_2 = 5-0 = 5^\circ\mathrm {C} $$
입니다. 따라서
$$ \Delta T_{LM} = \frac {10-5}{\ln(10/5)} $$
이고,
$$ \Delta T_{\mathrm {LM}} \approx 7.21^\circ\mathrm {C} $$
입니다. 단순히 10℃와 5℃의 평균인 7.5℃를 사용하는 것과 크게 차이가 나지는 않지만, 실제 설계에서는 이러한 차이가 누적될 수 있습니다.
특히 한쪽 끝의 온도차가 매우 작아지는 경우에는 LMTD가 크게 감소합니다.
그리고 이것은 곧 필요한 열교환 면적 증가로 이어집니다.
6. 열교환기를 크게 만드는 또 하나의 변수, U
이제 Heat Duty와 LMTD를 구했습니다. 그렇다면 남은 것은 \(U\)입니다.
Overall Heat Transfer Coefficient, 즉 총괄 열전달계수는 열교환기에서 열이 얼마나 잘 전달되는지를 나타내는 값입니다.
쉽게 말하면,
같은 면적과 같은 온도차를 가지고 있을 때 얼마나 많은 열을 전달할 수 있는가
를 나타냅니다.
\(U\)가 높을수록 같은 Heat Duty를 더 작은 면적으로 처리할 수 있습니다.
반대로 \(U\)가 낮으면 더 큰 열교환기가 필요합니다.
하지만 \(U\)는 임의로 하나의 값을 넣는 숫자가 아닙니다.
열교환기 양쪽 유체의
- 유체 종류
- 유속
- 점도
- 밀도
- 열전도도
- 비열
- 유동 상태
- 열교환기 형식
- 튜브 또는 판의 재질
- Fouling
등의 영향을 받습니다.
실제 자료에서도 물-물 열교환기의 U 값과 기체-액체, 증기-액체 등의 U 값은 상당한 차이를 보이며, 제시되는 범위 역시 유체와 장치 조건에 따라 달라집니다. 따라서 개략 설계에서 참고값을 사용할 수는 있지만 최종 설계에서는 제조사 데이터와 상세 열수력 계산이 필요합니다.
7. Fouling을 무시하면 처음에는 맞을 수 있다
열교환기 설계에서 중요한 요소가 하나 더 있습니다.
바로 Fouling입니다. 처음 설치된 열교환기는 깨끗합니다.
하지만 실제 공장에서 운전하다 보면 열교환기 표면에
- 고형물
- 스케일
- 제품 잔류물
- 부식 생성물
- 미생물성 침적물
등이 축적될 수 있습니다. 이러한 침적층은 추가적인 열저항으로 작용합니다. 즉,
처음에는 열이 잘 전달되지만 시간이 지나면서 열전달 성능이 떨어질 수 있습니다.
Fouling에 의한 추가 열저항은 일반적으로 fouling resistance로 표현할 수 있으며, Fouling이 증가하면 유효 Overall Heat Transfer Coefficient가 감소합니다.
개념적으로는 다음과 같이 생각할 수 있습니다.
$$ \frac {1}{U_{dirty}} = \frac {1}{U_{clean}} + R_f $$
여기서
- \(U_{clean}\) : 깨끗한 상태의 Overall Heat Transfer Coefficient
- \(U_{dirty}\) : Fouling이 발생한 상태의 Overall Heat Transfer Coefficient
- \(R_f\) : Fouling Resistance
입니다.
따라서 열교환기 설계에서 중요한 것은 "새 열교환기가 운전될 때 잘 작동하는가?"가 아니라, "운전하면서 성능이 떨어져도 요구 조건을 만족할 수 있는가?"입니다.
8. 이제 실제 면적을 계산해 보자
앞서 계산한 조건을 다시 가져오겠습니다.
Process Side
- Flow = 10,000 kg/h
- Inlet Temperature = 20℃
- Outlet Temperature = 5℃
- CpC_p = 4.0 kJ/kg·K
따라서
$$ Q = 166.7\;kW $$
입니다. 그리고 냉각수 조건으로부터
$$ \Delta T_{LM}=7.21℃ $$
를 얻었습니다. 여기에 가상의 Overall Heat Transfer Coefficient를
$$ U=1,000\;W/m^2K $$
라고 가정해 보겠습니다. 그러면 필요한 면적은
$$ A = \frac {166,700} {1,000\times7.21} $$
따라서
$$A \approx23.1\;m^2 $$
입니다.
즉 이 조건에서는 이론적으로 약 23 m²의 열전달 면적이 필요합니다.
하지만 여기서 바로 "23 m² 짜리 열교환기를 구매하면 된다"라고 생각하면 안 됩니다.
이것은 어디까지나 Thermal Sizing 결과입니다.
9. 설계에서는 여유율을 반영한다
실제 플랜트에서는 계산값과 정확히 동일한 열교환기를 선정하지 않습니다.
왜냐하면 실제 운전에서는
- Feed 조건이 변할 수 있고
- 유량이 변할 수 있으며
- 온도가 변할 수 있고
- Fouling이 발생할 수 있고
- 물성값이 변할 수 있으며
- 열교환기의 실제 성능이 계산값과 차이가 날 수 있기 때문입니다.
따라서 설계 목적에 따라 일정한 설계 여유를 고려합니다.
예를 들어 20%의 면적 여유를 가정하면,
$$ A_{design} = A_{calculated}\times1.20 $$
따라서
$$ A_{\mathrm {design}} = 23.1 \times 1.20 $$
$$ A_{\mathrm{design}} \approx27.7\;m^2 $$
가 됩니다.
그러면 엔지니어는 약 27.7 m² 이상의 유효 열전달 면적을 갖는 후보 열교환기를 검토하게 됩니다.
다만 여기서 중요한 것은 무조건 20%, 30%의 여유를 넣는 것이 정답은 아니라는 점입니다.
적정 여유율은 프로젝트의 설계 기준, 운전 조건의 불확실성, Fouling, 제조사 성능 보증, 비용, 공간 제약 등을 종합하여 결정해야 합니다.
10. 계산된 면적과 실제 장비 크기는 다릅니다
여기에서 한 단계 더 들어가 보겠습니다. 엔지니어가 계산한 결과가
Required Heat Transfer Area = 27.7 m²
라고 나왔다고 해서 실제 장비가 "27.7 m² 짜리"라는 뜻은 아닙니다.
실제 열교환기 Vendor는 다음과 같은 요소를 함께 검토합니다.
① Tube Size
튜브의 외경과 길이에 따라 하나의 튜브가 제공하는 열전달 면적이 결정됩니다.
② Number of Tubes
필요한 총면적을 확보하기 위해 몇 개의 튜브가 필요한지 결정합니다.
③ Number of Passes
유체가 열교환기 내부에서 몇 번 튜브를 통과할 것인지 결정합니다.
Pass 수가 증가하면 유속과 압력강하가 증가할 수 있습니다.
④ Shell Diameter
튜브 개수와 배열에 따라 Shell Diameter가 결정됩니다.
⑤ Plate Size
Plate Heat Exchanger라면 Plate의 크기와 개수, 유로 형상 등이 중요합니다. 즉,
Process Engineer가 계산하는 것은 필요한 열전달 성능이고, Mechanical/Vendor Engineering을 거쳐 실제 장비의 형상과 크기가 결정됩니다.
11. 열전달만 맞으면 끝일까?
아닙니다. 열교환기 Sizing에서 매우 중요한 두 번째 검토가 있습니다.
바로 Pressure Drop입니다.
예를 들어 열교환기의 면적을 충분히 확보했더라도 내부 유로가 너무 좁아 유체가 빠르게 흐르면 압력강하가 커질 수 있습니다.
그러면 펌프가 더 높은 압력을 필요로 합니다.
반대로 압력강하를 줄이기 위해 유속을 지나치게 낮추면 열전달계수가 감소할 수 있습니다.
결국 열교환기 설계는 다음과 같은 균형 문제입니다.
열전달을 충분히 확보하면서도 압력 강한 허용범위 안에 있어야 합니다.
따라서 실제 열교환기 Sizing에서는 최소한 다음 두 가지를 함께 확인해야 합니다.
Thermal Design
$$ Q = UA\Delta T_{LM} $$
Hydraulic Design
$$ \Delta P \leq \Delta P_{allowable} $$
여기에서 allowable pressure drop은 공정의 펌프 여유, 압력 조건, 장비 간 압력차 등에 따라 결정됩니다.
12. Beer to Zero Project에서는 어디에 열교환기가 필요할까?
이제 우리의 프로젝트로 다시 돌아가 보겠습니다.
Beer to Zero 공정에서는 제품을 여러 단계에서 가열하거나 냉각할 수 있습니다.
예를 들어,
- Beer Feed
- Pre-heating
- Alcohol Separation
- Condensation
- Product Cooling
과 같은 흐름을 생각할 수 있습니다.
이때 각각의 열교환기는 서로 다른 목적을 가지고 있습니다.
어떤 열교환기는 제품을 가열하기 위해 필요하고, 어떤 열교환기는 증기를 응축하기 위해 필요하며, 어떤 열교환기는 최종 제품을 저장온도까지 냉각하기 위해 필요합니다.
따라서 모든 열교환기의 크기를 동일한 방식으로 접근해서는 안 됩니다.
특히 응축기처럼 한쪽 유체가 상변화를 하는 경우에는 현열만 고려하는 단순한
$$ Q=\dot m C_p\Delta T $$
방식으로 전체 열부하를 설명할 수 없습니다.
이 경우에는 잠열까지 고려해야 합니다.
예를 들어 응축이 포함된다면 개념적으로
$$ Q = \dot m \left [ C_p\Delta T + \Delta H_{vap} \right] $$
와 같이 접근할 수 있습니다. 실제 설계에서는 물질수지와 열역학적 물성 데이터를 바탕으로 구간별 Enthalpy Change를 계산하는 것이 더 정확합니다.
13. 결국 열교환기 Sizing은 하나의 공식으로 끝나지 않습니다
처음에는 간단해 보입니다.
$$ A= \frac {Q}{U\Delta T_{LM}} $$
하지만 실제 엔지니어링에서는 이 공식 앞에 수많은 질문이 붙습니다.
- Q는 정확한가? → Material Balance와 Energy Balance가 제대로 되었는가?
- U는 적절한가? → 실제 유체의 물성과 열교환기 형식을 고려했는가?
- LMTD는 충분한가? → 병류인가 향류인가? Temperature Approach가 너무 작지는 않은가?
- Fouling을 고려했는가? → 장시간 운전 후에도 요구 성능을 만족하는가?
- Pressure Drop은 괜찮은가? → Pump가 감당할 수 있는 압력강하인가?
- Size는 실제 제작 가능한가? → Tube, Plate, Shell, Pass 등의 조합이 가능한가?
결국 열교환기 사이징은 단순히 면적을 계산하는 문제가 아닙니다.
열역학, 유체역학, 장비 설계가 동시에 만나는 지점입니다.
14. 엔지니어가 최종적으로 만드는 것은 Heat Exchanger Datasheet입니다
계산이 끝나면 그 결과는 단순한 숫자로 남지 않습니다.
실제 프로젝트에서는 Heat Exchanger Datasheet라는 형태로 정리됩니다.
대표적으로 다음과 같은 정보가 들어갑니다.
| 항목 | 주요 내용 |
| Equipment Tag | 장비 번호 |
| Service | 용도 |
| Heat Duty | 요구 열부하 |
| Hot Fluid | 고온측 유체 |
| Cold Fluid | 저온측 유체 |
| Flow Rate | 유량 |
| Inlet / Outlet Temperature | 입·출구 온도 |
| Operating Pressure | 운전압력 |
| Design Pressure | 설계압력 |
| Heat Transfer Area | 열전달 면적 |
| Overall Heat Transfer Coefficient | 총괄 열전달계수 |
| LMTD | 대수평균온도차 |
| Pressure Drop | 압력강하 |
| Material | 재질 |
| Fouling Factor | 오염 여유 |
| Design Margin | 설계 여유 |
이 Datasheet가 Vendor에게 전달되면 Vendor는 이를 바탕으로 실제 열교환기의 구조와 상세 사양을 제안합니다.
그리고 Process Engineer는 Vendor가 제출한 Thermal Calculation을 다시 검토합니다.
15. 다시 프로젝트 현장으로
"계산 결과가 나왔습니다."
계산서를 들고 설계회의에 들어갔습니다.
필요한 Heat Transfer Area는 약 23 m²였습니다.
여기에 설계 여유를 적용하면 약 28 m²가 필요했습니다.
그런데 Vendor의 첫 번째 제안서를 보니 열교환기의 면적은 충분했지만 Pressure Drop이 우리가 설정한 허용치를 초과하고 있었습니다.
면적만 보면 문제가 없어 보였습니다. 하지만 공정 전체를 놓고 보면 문제가 있었습니다.
압력강하가 커지면 펌프의 요구 Head가 증가하고, 펌프가 이를 감당하지 못하면 원하는 유량을 유지할 수 없기 때문입니다.
결국 다시 Vendor와 논의를 시작했습니다. 튜브 수와 Pass 구성을 변경하고, 유속을 조정했습니다.
열전달 면적은 비슷하게 유지하면서 Pressure Drop을 낮추는 방향으로 설계를 수정했습니다.
그 순간 열교환기 Sizing이라는 것이 단순한 계산 문제가 아니라는 것을 알게 됩니다.
좋은 열교환기란 가장 큰 열교환기가 아닙니다.
필요한 열량을 전달하면서,
- 적절한 온도차를 확보하고
- 허용 압력강하를 만족하고
- Fouling을 고려하고
- 운전 변동성을 견디며
- 경제적으로 제작할 수 있는
장비를 찾는 것이 진짜 설계입니다.
16. 이번 Part에서 기억해야 할 핵심 공식
Heat Exchanger Sizing의 기본 흐름은 다음과 같습니다.
Step 1. Heat Duty 계산
$$ Q=\dot m C_p\Delta T $$
또는 상변화가 포함된다면 Enthalpy Change를 이용합니다.
Step 2. LMTD 계산
$$ ln(ΔT1/ΔT2)\Delta T_{LM} = \frac {\Delta T_1-\Delta T_2} {\ln(\Delta T_1/\Delta T_2)} $$
Step 3. Heat Transfer Area 계산
$$ A= \frac {Q}{U\Delta T_{LM}} $$
Step 4. Fouling 및 설계조건 반영
Clean Condition뿐 아니라 실제 운전조건에서 요구 성능을 만족하는지 검토합니다.
Step 5. Pressure Drop 검토
$$ \Delta P_{calculated} \leq \Delta P_{allowable} $$
Step 6. Vendor Selection
최종적으로 Tube, Plate, Shell, Pass, Material 등의 실제 장비 사양을 결정합니다.
17. 마무리 - 열교환기의 크기는 열에서 시작된다
Beer to Zero Project를 시작할 때만 해도 열교환기의 크기를 결정하는 것은 단순히 장비 카탈로그를 찾아 적당한 크기를 선택하는 일처럼 보였습니다.
하지만 실제 설계 과정은 정반대였습니다.
먼저 공정에서 얼마나 많은 열이 이동하는지를 계산하고, 그 열을 어떤 온도차에서 전달할 수 있는지 확인하고, 유체와 장비의 특성으로 Overall Heat Transfer Coefficient를 결정하고, 이를 바탕으로 필요한 열전달 면적을 계산합니다.
그리고 마지막으로 Pressure Drop, Fouling, Design Margin, 제작 가능성까지 확인합니다.
즉,
열교환기의 크기는 장비에서 결정되는 것이 아니라 공정에서 결정됩니다.
공정이 요구하는 열부하가 먼저이고,
열교환기는 그 요구를 만족시키기 위한 결과물입니다.
이제 우리는 공정에서 필요한 열량을 계산했고, 그 열량을 실제 장비의 면적으로 바꾸는 방법까지 살펴보았습니다.
그렇다면 다음 질문이 자연스럽게 이어집니다.
"열교환기 내부에서는 실제로 얼마나 빠르게 유체가 흘러야 하는가?"
열전달을 높이기 위해 유속을 올리면 좋을 것 같지만, 유속을 높일수록 Pressure Drop은 증가합니다.
결국 다음 단계에서는 열전달과 압력강도를 동시에 결정하는 유체의 속도, 즉 Velocity와 Pressure Drop을 살펴봐야 합니다.
Beer to Zero Project의 Process Design은 이제 열을 계산하는 단계에서 한 걸음 더 나아가, 그 열을 실제 장비 안에서 어떻게 전달할 것인가를 고민하는 단계로 들어갑니다.
Beer to Zero Project 연재 순서
PART 4. Process Design — 맥주는 어떻게 무알콜이 되는가
- Part 28. 드디어 공정을 그리기 시작하다 - Process Concept
- Part 29. 맥주는 공장에서 어떻게 이동하는가 - Process Flow
- Part 30. 알코올을 어떻게 제거할 것인가 - Separation Process
- Part 31. 맥주의 성분은 어디로 이동하는가 - Material Balance
- Part 32. 열은 어디에서 들어오고 빠져나가는가 - Energy Balance
- Part 33. 실제 공정 조건을 계산하다 - Process Simulation
- Part 34. 장비의 크기는 어떻게 결정하는가 - Equipment Capacity
- Part 35. 열교환기는 얼마나 커야 하는가 - Heat Exchanger Sizing
- Part 36. 알코올 증기를 어떻게 회수할 것인가 - Condenser Design
- Part 37. 액체를 어떻게 이송할 것인가 - Pump Sizing
- Part 38. 진공은 어떻게 만들 것인가 - Vacuum System Design
- Part 39. 맥주를 어디에 저장할 것인가 - Tank Design
- Part 40. 공장을 세척하는 시스템 - CIP System
- Part 41. 공장에 필요한 Utility는 얼마나 되는가 - Utility Balance
- Part 42. 공정 전체를 한 장에 담다 - PFD 작성
- Part 43. Process Design을 하나의 공정도로 완성하다 - Design Review
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