소개글
"이중열교환"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 이중관 열교환기의 이해
1.2. 실험 목적
2. 이론적 배경
2.1. 열교환기의 분류와 특성
2.2. 이중관 열교환기의 구조와 열전달 원리
2.3. 열교환량 및 대수평균 온도차
2.4. 총괄 열전달 계수
2.5. 대류 열전달 계수 산출
3. 실험 장치 및 방법
3.1. 실험 장치의 구성
3.2. 실험 절차 및 데이터 측정
4. 실험 결과 및 분석
4.1. 레이놀즈 수 및 유속 계산
4.2. 온도 변화 측정 및 비교
4.3. 열교환량 및 열전달률 산출
4.4. 대수평균 온도차 계산
4.5. 총괄 열전달 계수 도출
4.6. 효율 비교 및 분석
5. 결론
5.1. 실험 결과 요약
5.2. 실험의 시사점 및 한계
5.3. 향후 연구 방향
6. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 이중관 열교환기의 이해
이중관 열교환기는 지름이 서로 다른 두 개의 동심관으로 구성된 표면식(격벽식) 열교환기이다. 내부의 작은 관과 두 관 사이의 환형 공간에 각각 다른 유체가 흐르며, 두 유체 사이의 온도 차이에 의해 열이 교환된다. 이중관 열교환기는 전열면적이 증가함에 따라 효율이 증가하므로 열이 전달되는 표면적이 열교환의 중요한 요소로 작용한다.
이중관 열교환기의 유체 흐름 방향에 따라 병류와 향류로 구분할 수 있다. 병류 흐름에서는 고온의 유체와 저온의 유체가 열교환기 내 같은 방향으로 흐르며, 초반 온도차이가 크지만 진행될수록 온도차가 작아져 전체적인 효율이 낮다. 반면 향류 흐름에서는 고온의 유체와 저온의 유체가 반대 방향으로 흐르므로 열전달 과정에서 온도차이가 일정하게 유지되어 상대적으로 효율이 높다.
이중관 열교환기에서 열교환량은 고온유체가 방출한 열량과 저온유체가 흡수한 열량이 같다는 가정하에 열역학 1법칙을 활용하여 구할 수 있다. 대류와 전도의 열전달과정을 통해 전달되는 열전달률은 유체의 질량유량, 비열 및 온도차로 표현된다.
열교환기의 효율은 실제 열교환량을 이론적 열교환량으로 나누어 계산할 수 있다. 이때 향류와 병류 흐름에 따라 효율이 달라지게 되는데, 일반적으로 향류 흐름의 효율이 병류보다 높게 나타난다.
열교환기의 성능을 분석하기 위해서는 대수평균온도차를 이용하여 전체 온도차 평균값을 구하는 것이 중요하다. 실제 열교환기 내부에서는 각 지점의 온도차가 달라지므로, 대수평균온도차를 계산하여 보다 정확한 분석이 가능하다.
열교환기에서의 총괄 열전달 계수는 고온유체와 저온유체 사이의 모든 전열 저항을 고려하여 나타낼 수 있다. 내관과 외관에서의 열전달계수를 이용하여 각각의 총괄 열전달계수를 도출할 수 있다. 또한 유체의 레이놀즈수, 프랜틀수 및 점도비를 이용해 대류 열전달계수를 산출할 수 있다.
1.2. 실험 목적
이중관 열교환기의 열전달 특성과 총괄 열전달 계수를 알아보는 것이 실험의 목적이다.
이중관 열교환기에서 응축증기, 액체, 그리고 냉온액체 간에 일어나는 상호 열교환에 관한 특성 및 총괄 열전달 계수를 알아보는 것이 실험의 목적이다.
2. 이론적 배경
2.1. 열교환기의 분류와 특성
열교환기는 고온의 유체로부터 저온의 유체로 열을 전달하는 장치로, 유체를 가열 또는 냉각시키는 것을 목적으로 사용된다. 열교환기는 열의 전달방법, 사용 목적, 그리고 구조에 따라 다양한 종류로 분류된다.
먼저 '열의 전달방법'에 따른 분류를 보면, 표면식(격벽식) 열교환기, 축열식 열교환기, 액체연결 간접식 열교환기, 직접 접촉식 열교환기 등이 있다. 표면식 열교환기는 전열벽을 매개로 고온의 유체에서 저온의 유체로 열을 전달하는 방식이며, 본 실험에서 사용되는 열교환기가 이에 해당한다. 축열식 열교환기는 열을 저장하는 매체인 축열제를 이용하여 열을 전달하고, 액체연결 간접식 열교환기는 표면식 열교환기 2개에 열매체를 순환시켜 전열하는 방식이다. 직접 접촉식 열교환기는 2가지 유체를 직접 접촉시켜 열을 전달한다.
'이용 목적'에 따른 분류로는 가열기, 예열기, 냉각기, 증발기, 응축기 등이 있다. 가열기는 유체를 목표 온도까지 가열시키고, 예열기는 다음 공정을 위해 유체를 사전 가열한다. 냉각기는 유체를 목표 온도까지 냉각시키며, 증발기와 응축기는 각각 액체를 증발시키거나 증기를 응축시키는 역할을 한다.
구조에 따른 분류로는 다관식 열교환기, 이중관식 열교환기, 코일식 열교환기 등이 있다. 다관식 열교환기는 여러 개의 금속관을 이용하며, 이중관식 열교환기는 두 개의 동심관을 사용한다. 코일식 열교환기는 통 내부에 코일을 설치하여 유체를 가열 또는 냉각시킨다.
이처럼 열교환기는 전달방식, 사용 목적, 구조 등 다양한 기준에 따라 세부적으로 분류되며, 각 특성에 맞는 다양한 종류가 존재한다.
2.2. 이중관 열교환기의 구조와 열전달 원리
지름이 서로 다른 두 개의 동심관으로 구성되어 내부 작은 관과 외부 환형공간에 흐르는 서로 다른 유체 사이에서 열 교환이 진행되는 표면식(격벽식) 열교환기이다. 이중관식 열교환기의 경우 전열면적이 증가함에 따라 효율이 증가하므로 열이 전달되는 표면적이 열교환의 중요한 요소로 작용한다. 이 때 유체의 흐름 방향에 따라 병류와 향류로 구분할 수 있다.
병류(Co-current Flow)의 경우 고온의 유체와 저온의 유체가 열 교환기 내 같은 방향으로 흐르며, 초반 온도차이가 커서 초기 열전달 속도는 빠르나 열전달이 진행될수록 유체 사이 온도차가 감소하여 전체적인 효율은 낮은 편이다. 주로 급속한 열전달을 목표로 할 때 사용된다.
향류(Counter current flow)의 경우 고온의 유체와 저온의 유체가 열교환기의 서로 다른 방향으로 유입되어 반대 방향으로 흐른다. 열전달 과정에 있어 온도차이가 일정하게 유지되므로 병류흐름에 비해 상대적으로 효율이 높다.
이중관식 열교환기의 열전달 원리는 고체 벽에 의해 분리된 고온유체와 저온유체 사이에서 대류, 전도, 대류의 과정을 거쳐 열이 전달된다. 고온유체에서 벽 표면으로 대류 열전달이 일어나고, 벽 내부에서 전도 열전달이 발생한 후, 벽 표면에서 저온유체로 대류 열전달이 일어나는 과정으로 설명할 수 있다. 이를 수식적으로 나타내면 고체 벽 내부에서의 열전달률은 Fourier 법칙을 이용해 표현할 수 있으며, 대류 열전달은 Newton의 냉각 법칙으로 나타낼 수 있다.
이중관식 열교환기의 경우 전도 과정에서 열의 이동 방향에 따른 단면적이 일정하게 유지되지 않으므로 단면적 변화에 따른 미분 식을 이용해 전도 열전달률을 구할 수 있다. 이를 통해 이중관식 열교환기의 내관 내, 외표면적 기준의 총괄 열전달계수를 각각 유도할 수 있다.
2.3. 열교환량 및 대수평균 온도차
본 실험에서 사용되는 이중관 열교환기 내부 열교환량(Q)을 구하기 위해서는 다음과 같은 가정이 필요하다. 첫째, 열교환기 내부 흐름은 정상상태를 유지한다. 둘째, 열전달의 경우 한 방향으로만 일어나는...
참고 자료
“단위조작 이론 및 실험 2” 2020년 3학년 2학기 실험노트, p14-17
이권재 외 3인, 2012, “이중관형 열교환기의 증발 열전달 특성에 관한 실험적 연구”, 대한기계학회 춘추학술대회, p828-832
Yunus A. Cengel, 2017, “열전달”, McGraw-Hill, p 17-29, 237-238, 357-378
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2017114058 3조 양수영 이중관 열교환기 실험 예비레포트
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Welty 외 3명, 2010, “기초이동현상론 개정5판”, WILEY, p 219-232, 240-242, 254-259
