소개글
"이중열교환기실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
2. 이중관 열교환기 실험
2.1. 실험 목적
2.2. 이중관 열교환기의 구조와 원리
2.3. 병류 및 향류 흐름의 특징
2.4. 이중관 열교환기의 열수지
2.5. 대수평균 온도차
2.6. 총괄 열전달계수
3. 실험 방법
3.1. 실험 장치 및 구성
3.2. 실험 절차
4. 실험 결과
4.1. 레이놀즈 수와 유속 계산
4.2. 병류 및 향류 흐름의 온도 변화
4.3. 열전달률 계산
4.4. 총괄 열전달계수 산출
4.5. 열교환기 효율 비교
5. 결과 분석 및 토의
5.1. 실험 결과에 대한 고찰
5.2. 오차 원인 및 개선 방안
6. 결론
7. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
이중관 열교환기는 다양한 산업에서 널리 활용되는 중요한 기술이다. 이중관 열교환기는 내관과 외관으로 구성되어 있으며, 내관 내부의 고온 유체와 외관 사이의 저온 유체 간에 열교환이 이루어진다. 이러한 열교환 과정은 병류와 향류의 두 가지 방식으로 진행될 수 있다.
병류 흐름에서는 고온 유체와 저온 유체가 같은 방향으로 흐르며, 초반의 온도차가 크지만 점차 온도차가 감소하는 특징이 있다. 반면 향류 흐름에서는 고온 유체와 저온 유체가 반대 방향으로 흐르기 때문에 온도차가 일정하게 유지되어 상대적으로 높은 열전달 효율을 보인다.
이중관 열교환기의 열수지를 살펴보면, 고온 유체에서 잃은 열량과 저온 유체에서 얻은 열량이 같다는 것을 알 수 있다. 또한 전열 속도는 총괄 열전달계수, 전열 면적, 그리고 두 유체 간의 평균 온도차에 의해 결정된다.
이때 대수평균 온도차는 각 지점의 온도차를 고려하여 계산하며, 열교환기의 전체적인 온도차 평균값을 나타낸다. 향류 흐름과 병류 흐름에 따라 대수평균 온도차 계산 방식이 달라진다.
이중관 열교환기의 열전달 과정에서는 대류와 전도 현상이 복합적으로 일어나며, 이를 고려하여 총괄 열전달계수를 산출할 수 있다. 총괄 열전달계수는 내관의 내부 표면적, 외부 표면적, 평균 표면적을 기준으로 각각 계산할 수 있다.
이러한 이중관 열교환기의 특성과 이론적 배경을 이해하는 것은 열교환 공정 설계와 최적화를 위해 매우 중요하다. 따라서 이중관 열교환기 실험을 통해 실제 열교환 과정을 관찰하고 다양한 변수들의 영향을 분석할 필요가 있다.
2. 이중관 열교환기 실험
2.1. 실험 목적
이중관 열교환기의 기초지식과 원리를 이해하고, 이중관 열교환기의 구조와 병류 및 향류 흐름에 있어 열교환기의 효율 등을 이해하는 것이 실험의 목적이다. 또한 실험을 통하여 유체의 유량과 총괄 열전달계수를 구하고 열 교환 실험과 열 수지를 이해하고자 한다.
2.2. 이중관 열교환기의 구조와 원리
이중관 열교환기는 지름이 서로 다른 두 개의 동심관으로 구성되어 있다. 내부의 작은 관을 통해 흐르는 유체와 두 관 사이의 환형 공간을 통해 흐르는 다른 유체 사이에서 열 교환이 이루어진다. 이러한 구조로 인해 열전달 면적이 증가하므로 효율이 높다.
이때 유체의 흐름 방향에 따라 병류와 향류로 구분할 수 있다. 병류의 경우 고온 유체와 저온 유체가 같은 방향으로 흐르며, 초반 온도차가 크기 때문에 초기 열전달 속도가 빠르지만 전체적인 효율은 낮은 편이다. 반면 향류의 경우 고온 유체와 저온 유체가 반대 방향으로 흐르므로 열전달 과정에서 온도차가 일정하게 유지되어 병류에 비해 상대적으로 효율이 높다.
이중관 열교환기 내부에서 발생하는 열전달량은 열역학 1법칙에 의해 고온 유체에서 잃은 열량과 저온 유체가 얻은 열량이 같다고 가정할 수 있다. 따라서 열전달률은 고온 유체의 질량유량, 열용량, 온도차와 저온 유체의 질량유량, 열용량, 온도차를 이용하여 계산할 수 있다.
또한 열교환기의 효율은 실제 열교환량과 이론적 열교환량의 비로 나타내며, 이때 향류의 경우가 병류에 비해 더 높은 효율을 보인다. 이는 향류 흐름에서 유체 간 온도차가 일정하게 유지되어 열전달이 더 효과적으로 일어나기 때문이다.
2.3. 병류 및 향류 흐름의 특징
병류(Co-current Flow)에서는 고온의 유체와 저온의 유체가 열교환기 내에서 같은 방향으로 흐른다. 이로 인해 초반 온도차이가 크기 때문에 초기 열전달 속도가 빠르지만, 열전달이 진행될수록 유체 사이 온도차가 감소하여 전체적인 효율은 낮다. 따라서 병류는 급속한 열전달을 필요로 하는 경우에 주로 사용된다.
향류(Counter-current Flow)에서는 고온의 유체와 저온의 유체가 열교환기의 서로 다른 방향으로 유입되어 반대 방향으로 흐른다. 이 경우 열전달 과정에서 온도차이가 일정하게 유지되므로 병류에 비해 상대적으로 효율이 높다. 향류 흐름은 전체적인 열전달 효율 향상을 목적으로 할 때 더 적합하다.
종합적으로 볼 때, 병류는 초기 열전달 속도가 빠르지만 전체적인 효율이 낮고, 향류는 상대적으로 효율이 높은 편이다. 따라서 열전달 속도와 효율 향상 중 어느 것이 더 중요한지에 따라 열교환기의 구조와 흐름 유형을 선택하게 된다.
2.4. 이중관 열교환기의 열수지
이중관 열교환기에서는 관 내부에 흐르는 고온 유체와 관 외부에 흐르는 저온 유체가 서로 반대 방향으로 흐르며 열교환이 일어난다. 이때 고온 유체에서 잃은 열량과 저온 유체에서 얻은 열량은 동일하다.
이중관 열교환기의 열수지식은 다음과 같다. 고온 유체에서 잃은 열량(Qw)과 저온 유체에서 얻은 열량(qw)이 같다.
이때, Th,in은 고온 유체의 입구 온도, Th,out은 고온 유체의 출구 온도, Wh는 고온 유체의 유속, Cp,h는 고온 유체의 비열이다. Tc,in은 저온 유체의 입구 온도, Tc,out은 저온 유체의 출구 온도, wc는 저온 유체의 유속, Cp,c는 저온 유체의 비열이다.
따라서 고온 유체에서 잃은 열량(Qw)은 Wh * Cp,h * (Th,in - Th,out)로 나타낼 수 있으며, 저온 유체에서 얻은 열량(qw)은 wc * Cp,c * (Tc,out - Tc,in)로 나타낼 수 있다. 이 두 열량이 같다는 열수지 원리에 따라 이중관 열교환기의 열전달 특성을 분석할 수 있다.
2.5. 대수평균 온도차
열교환기에 대한 해석을 진행할 때 열교환의 구동력인 고온유체와 저온유체 간의 온도차(ΔT)가 중요한 역할을 한다. 그러나 실제 열교환기를 작동시키면 내부 각 지점에서 온도차(ΔT)가 달라지며 이 온도차는 유로에 따라 지수함수적으로 변한다. 따라서 산술적 계산보다 대수적으로 평균 온도차...
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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