소개글
"열교환기 실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 이중관식 열교환기 개요
1.1. 열교환기의 정의 및 종류
1.2. 이중관식 열교환기의 특징
2. 열교환 유체의 흐름
2.1. 병류(Parallel Flow)
2.2. 향류(Counter Flow)
3. 열교환기의 에너지 수지
3.1. 고온 유체의 열전달량
3.2. 저온 유체의 열전달량
4. 총괄전열계수
4.1. 총괄전열계수의 정의
4.2. 총괄전열계수 계산 방법
5. 대수평균온도차
5.1. 대수평균온도차의 정의
5.2. 대수평균온도차 계산 과정
6. 대수평균직경 및 대수평균면적
6.1. 대수평균직경
6.2. 대수평균면적
7. 열교환기 효율
7.1. 열전달 효율 계산
7.2. 병류와 향류의 효율 비교
8. 실험 결과 및 고찰
8.1. 실험 결과 정리
8.2. 실험 결과에 대한 고찰
9. 참고 문헌
본문내용
1. 이중관식 열교환기 개요
1.1. 열교환기의 정의 및 종류
열교환기는 온도가 다른 두 유체가 서로 섞이지 않으면서 열 교환을 촉진하는 장치이다. 열교환기는 관형식과 판형식으로 구분되며, 관형식에는 단관식, 이중관식, 다관식 등이 있다.
이중관식 열교환기는 가장 간단한 형태의 열교환기로, 내관과 외관이 동심원을 이루는 관형식 열교환기이다. 내관에는 고온 유체가, 외관에는 저온 유체가 흐르게 된다. 이러한 구조를 통해 두 유체 간 열교환이 이루어진다.
열교환기에서는 두 가지 열전달 메커니즘이 작용한다. 각 유체 내부에서의 대류 열전달과 두 유체를 분리하는 벽에서의 전도 열전달이 그것이다. 이러한 열전달 과정을 통해 고온 유체에서 저온 유체로 열이 전달되게 된다.
1.2. 이중관식 열교환기의 특징
이중관식 열교환기의 특징은 다음과 같다.
이중관식 열교환기는 가장 간단한 형태의 열교환기로, 내부 관과 외부 관의 두 개의 동심 파이프로 구성되어 있다. 내부 관에는 고온 유체가, 외부 관에는 저온 유체가 흐르게 된다. 이를 통해 두 유체 간 열교환이 이루어진다.
이중관식 열교환기는 구조가 단순하고 제작이 용이하다는 장점이 있다. 또한 유지보수가 쉬워 작동이 안정적이다. 그리고 표면적 대비 부피가 작아 공간 활용도가 높다. 이러한 장점으로 인해 이중관식 열교환기는 소형 열교환기로 널리 사용되고 있다.
하지만 이중관식 열교환기는 열전달 면적이 제한적이라는 단점이 있다. 따라서 대용량의 열교환이 필요한 경우에는 적합하지 않다. 이를 보완하기 위해 다관식 열교환기와 같이 열전달 면적을 늘린 형태의 열교환기가 사용되기도 한다.
이처럼 이중관식 열교환기는 단순한 구조와 안정적인 작동성으로 인해 소형 열교환기 분야에서 널리 활용되고 있다.
2. 열교환 유체의 흐름
2.1. 병류(Parallel Flow)
병류(Parallel Flow)는 고온 유체와 저온 유체가 열교환기의 같은 쪽에서 들어가서 같은 방향으로 흐르는 것을 말한다. 이러한 병류 흐름 방식은 단일 이중관 열교환기에서는 잘 사용되지 않는다. 그 이유는 병류 흐름에서는 유체의 출구온도가 반대쪽에서 들어오는 유체의 온도에 거의 접근될 수 없고, 전달될 수 있는 열량도 향류(Counter Flow)에 비하여 적기 때문이다.
병류에서 고온 유체의 온도는 이동하면서 점점 낮아지고, 저온 유체의 온도는 점점 상승한다. 이러한 온도변화는 고온 유체에서 저온 유체로 열이 전달되었기 때문이다. 저온 유체의 유량이 일정할 때 고온 유체의 유량을 증가시키면 고온 유체에서 저온 유체로 이동하는 열량()이 증가하여 같은 거리에서 저온 유체의 온도상승폭이 증가한다. 반대로 고온 유체의 유량이 일정할 때 저온 유체의 유량을 증가시키면 저온 유체의 온도상승폭은 줄어든다.
병류 흐름에서 두 유체 사이의 온도차가 계속 감소하기 때문에 열전달 효율이 향류에 비해 낮다. 이는 병류에서는 고온 유체와 저온 유체의 온도차가 가장 큰 입구 지점에서 열전달이 가장 활발하게 일어나고, 출구로 갈수록 온도차가 감소하여 열전달이 줄어들기 때문이다. 반면에 향류에서는 온도차가 일정하게 유지되므로 열전달 효율이 높다.
따라서 병류 흐름은 단일 이중관 열교환기에서 잘 사용되지 않는데, 그 이유는 향류에 비해 유체의 출구온도가 낮고 전달되는 열량도 적기 때문이다. 이와 같이 병류 흐름은 향류에 비해 열전달 효율이 낮다는 단점이 있다.
2.2. 향류(Counter Flow)
향류(Counter Flow)는 고온 유체와 저온 유체가 열교환기의 반대쪽으로 들어가서 서로 반대 방향으로 흐르는 방식이다. 이는 병류와 다르게 고온 유체의 출구 온도가 저온 유체의 입구 온도보다 높을 수 있다는 특징이 있다.
향류 방식에서는 고온 유체와 저온 유체가 반대 방향으로 흐르기 때문에 장치 입구에서의 온도차가 크고 출구로 갈수록 온도차가 줄어드는 형태의 온도 곡선을 보인다. 이렇게 온도차가 일정하게 유지되면서 점진적으로 줄어들기 때문에, 향류 방식의 열교환기는 병류에 비해 열전달 효율이 높다.
따라서 향류 방식의 열교환기는 동일한 열전달 면적에서 보다 많은 열량을 교환할 수 있다. 또한 고온 유체의 출구 온도가 저온 유체의 입구 온도보다 높을 수 있어 전체적인 온도차 활용도가 높다는 장점이 있다.
그러나 향류 방식은 병류에 비...
참고 자료
Yunus A. Cengel 외 1인, 유성연 외 5인 역, 『열전달』, 맥그로이힐 에듀케이션코리아, 2018
Yunus A. Çengel, 『쉽게 배우는 열전달 2판』, ㈜한국맥그로힐(2010), p.485-486 : 열교환기
Yunus A. Çengel, 『쉽게 배우는 열전달 2판』, ㈜한국맥그로힐(2010), p.486 : 향류와 병류
Yunus A. Çengel, 『쉽게 배우는 열전달 2판』, ㈜한국맥그로힐(2010), p.490 : 총괄전열계수
Yunus A. Çengel, 『쉽게 배우는 열전달 2판』, ㈜한국맥그로힐(2010), p.499 : 대수평균온도차
Yunus A. Çengel, 『쉽게 배우는 열전달 2판』, ㈜한국맥그로힐(2010), p.509-510 : 열전달 효율
노윤찬, 서교택, 『화학공학실험』, 진영사(2002), p.83-84 : 이중관 열교환기
R.Byron Bird 외 2인, 『Transport Phenomena』, John Wiley&Sons Inc(2006, 2nd edition), p.462-463 : 대수평균온도 유도과정
Wikipedia, “heat capacity”, https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_capacity, 2020.06.19 : 열용량 정의
en.wikipedia.org/wiki/Logarithmic_mean_temperature_difference
en.wikipedia.org/wiki/heat_exchanger
쉽게배우는 열전달 / 권오붕 외 7명 /인터비젼/ 345~346p 열교환기, 이중관식 열교환기
쉽게배우는 열전달 / 권오붕 외 7명 /인터비젼/ 350~352p 총괄 열 전달계수
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10