소개글
"열교환기 실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 열교환기 개요
1.1. 열전달의 메커니즘
1.2. 열교환기의 종류
1.3. 이중관 열교환기
2. 이중관 열교환기의 열수지
2.1. 병류와 향류 흐름
2.2. 열전달량 계산
2.3. 총괄열전달계수
3. 대수평균온도차
3.1. 대수평균온도차의 정의
3.2. 대수평균온도차의 유도과정
4. 열교환기의 유효도
4.1. 열전달 효율
4.2. 최대 열전달량
5. 실험 장치 및 방법
5.1. 실험장치 구성
5.2. 실험 절차
6. 실험 결과 및 분석
6.1. 병류와 향류 비교
6.2. 유량 변화에 따른 영향
6.3. 오차 및 한계
7. 참고 문헌
본문내용
1. 열교환기 개요
1.1. 열전달의 메커니즘
열전달은 온도가 높은 물체로부터 온도가 낮은 물체로 에너지가 이동하는 현상이다. 열전달에는 크게 전도, 대류, 복사의 세 가지 메커니즘이 있다.
전도는 물질 내부에서 분자의 진동이나 자유전자의 운동에 의해 열이 전달되는 현상이다. 온도가 높은 부분의 분자나 자유전자는 활발하게 움직이며, 이 운동이 인접한 분자나 자유전자에게 전달되어 열이 전달된다. 고체, 액체, 기체 모두에서 전도에 의한 열전달이 일어나며, 열전도도가 높은 물질일수록 전도에 의한 열전달이 잘 일어난다.
대류는 유체의 운동에 의해 열이 전달되는 현상이다. 유체 내에서 온도 차이가 발생하면 밀도 차이로 인해 유체의 운동이 일어나고, 이 유체의 이동에 따라 열이 전달된다. 대류는 자연대류와 강제대류로 구분된다. 자연대류는 온도 차이에 의해 발생한 밀도 차이로 인한 유체의 자발적인 운동에 의해 열이 전달되는 것이고, 강제대류는 펌프나 팬 등의 외부 장치에 의해 유체를 강제로 이동시켜 열전달이 일어나는 것이다.
복사는 물체의 온도에 따라 발생하는 전자기파의 전달에 의해 열이 전달되는 현상이다. 모든 물체는 자신의 온도에 따라 다양한 파장의 전자기파를 방출하고, 이 전자기파가 다른 물체에 흡수되어 열로 전환되는 것이다. 태양 복사에 의한 지구 온난화가 대표적인 복사 열전달 현상이다.
이와 같이 열전달은 고온 물체에서 저온 물체로 열에너지가 이동하는 현상으로, 전도, 대류, 복사의 메커니즘을 통해 일어난다.
1.2. 열교환기의 종류
열교환기는 온도가 다른 두 유체 사이에서 열을 교환할 수 있도록 고안된 장치이다. 열교환기는 크게 다음과 같은 종류로 분류할 수 있다.
가열기(Heater)는 유체를 가열하여 필요한 온도까지 올리는 열교환기이다. 예열기(Preheater)는 유체에 미리 열을 가해 효율을 높이기 위해 사용되는 열교환기이다. 과열기(Super-Heater)는 유체를 재차 가열하여 과열 상태로 만드는 열교환기이다. 증발기(Vaporizer)는 유체를 가열하여 증발시키고 발생한 증기를 사용하거나 농축액을 사용하는 열교환기이다. 리보일러(Re-boiler)는 장치에서 응축된 액체를 재차 가열하여 증발시키는 열교환기이다.
냉각기(Cooler)는 유체를 냉각시키는 열교환기이다. 침냉기(Chiller)는 빙점 이하의 저온으로 냉각시키는 열교환기이다. 응축기(Condenser)는 응축성 기체를 냉각시켜 잠열을 제거하는 열교환기이다. 열교환기(Heat Exchanger)는 두 유체 간의 열교환을 통해 한쪽을 가열, 다른 쪽을 냉각시키는 열교환기이다.
이러한 열교환기는 구조에 따라서도 다음과 같이 분류된다. 단관식 열교환기는 직관을 사용하고 Return Bend와 조합하여 전열면적을 확보한다. 이중관식 열교환기는 전열관 외부 유체를 포함하는 용기에 관을 사용하고 전열관 내외관 사이의 환상부에 유체를 유통시켜 열교환한다. 다관식 열교환기는 다수의 전열관을 사용하며 관판에 확관 또는 용접하여 고정시킨다. 다관원통식 열교환기는 고정관판식, U자관형 등의 다양한 형태가 있다.""
1.3. 이중관 열교환기
이중관 열교환기는 가장 간단한 형식의 열교환기로, 지름이 서로 다른 두 동심관으로 구성되어 있다. 이중관 열교환기 내에서 한 유체는 작은 관 속을 흐르고, 다른 유체는 두 관 사이의 환형 공간 속을 흐른다. 이를 통해 온도가 높은 물체에서 낮은 물체로 열을 효율적으로 이동시킬 수 있으며, 일반적으로 액체 또는 기체 등의 유체를 취급한다. 이러한 열교환기는 가열 및 냉각 용도로 사용된다.
이중관 열교환기는 유체의 흐름에 따라 평행류(parallel flow), 대향류(counter flow), 직교류(cross flow) 세 가지로 분류할 수 있다. 평행류는 열교환기의 양 끝에 유체를 서로 같은 방향으로 흘려주는 흐름이며, 대향류는 유체를 서로 반대 방향으로 흘려주는 흐름이다. 직교류는 유체가 서로 직각 방향으로 흐르는 경우이다. 이 중에서 평행류는 급속한 열전달이 필요한 특수한 경우에만 사용되며, 대향류와 직교류가 주로 이용된다.
대향류의 경우 장치 양 끝의 온도 차가 크지 않고 비교적 비슷한 온도 차를 보이므로, 모든 장치에 걸쳐 효과적인 열전달 효율을 얻고자 할 때 사용된다. 반면 평행류는 초기 온도 차가 커서 열전달 속도가 크다는 특징이 있다.
이중관 열교환기에서 내관으로 흐르는 고온 유체가 외관을 통해 흐르는 저온 유체에 열을 전달하는 과정에서 열수지가 성립한다. 즉, 고온 유체가 잃은 열량은 저온 유체가 얻은 열량과 같게 된다. 이를 통해 열전달량을 계산할 수 있으며, 총괄열전달계수를 도출할 수 있다.
이처럼 이중관 열교환기는 단순한 구조로도 효율적인...
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