소개글
"열교환기"에 대한 내용입니다.
목차
1. 이중관 열교환기
1.1. 실험 목적
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 열전달
1.2.2. 열교환기
1.2.3. 이중관 열교환기
1.2.4. 병류와 향류
1.2.5. 열교환 수지식
1.2.6. 열저항
1.2.7. 총괄 열전달 계수
1.2.8. 대수 평균 온도차
1.2.9. 열교환기의 효율
1.2.10. 경계 열전달 계수
1.3. 실험 방법
1.3.1. 실험 기구
1.3.2. 실험 시 주의사항
1.3.3. 실험 절차
1.4. 결과 및 고찰
1.4.1. 유체의 입출구 온도
1.4.2. 열교환량
1.4.3. 대수 평균 온도차
1.4.4. 총괄 열전달 계수
1.4.5. 열교환기 효율
1.5. 결론
2. 참고 문헌
본문내용
1. 이중관 열교환기
1.1. 실험 목적
이중관 열교환기 실험의 목적은 다음과 같다.
첫째, 이중관 열교환기 장치의 조작법을 이해하는 것이다. 열교환기 장치의 구조와 작동 원리를 파악하고 유체의 흐름 조절 방법 등 장치 사용 방법을 익히는 것이 중요하다.
둘째, 향류 및 병류 흐름에서의 열교환 특성을 이해하는 것이다. 고온의 유체와 저온의 유체가 서로 반대 방향으로 흐르는 향류와 같은 방향으로 흐르는 병류 흐름에 따른 열전달 양상의 차이를 실험을 통해 확인한다.
셋째, 대수 평균 온도차법을 이해하는 것이다. 열교환기 내부의 온도 분포를 고려하여 실제 열전달 구동력을 나타내는 대수 평균 온도차를 계산하는 방법을 익힌다.
넷째, 액체 상호 간의 열교환 특성과 총괄 열전달 계수를 구하여 열수지를 이해하는 것이다. 실험을 통해 측정한 데이터를 바탕으로 열교환량, 총괄 열전달 계수 등을 계산함으로써 열교환기의 열적 성능을 종합적으로 분석한다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 열전달
열전달이란 두 물질 사이의 온도차에 의해 열이 에너지의 형태로 이동하는 현상을 말한다. 열은 항상 고온의 물질에서 저온의 물질로 전달되며, 두 물질의 온도가 같아져 더 이상의 열전달이 일어나지 않는 상태를 열평형이라고 한다. 열전달의 메커니즘은 전도(Conduction), 대류(Convection), 복사(Radiation)의 세 가지로 나뉜다.
전도(Conduction)는 물체를 구성하고 있는 분자 또는 전자가 인접한 입자와 충돌하며 상호작용을 통해 열에너지를 전달하는 열전달 방식이다. 고체, 액체, 기체의 모든 상에서 발생할 수 있으며 전도에 의한 열전달률은 Fourier의 열전도 법칙에 따라 나타낼 수 있다.
대류(Convection)는 고에너지를 갖는 분자가 직접 이동하며 저에너지를 갖는 분자로 열에너지를 전달하는 열전달 방식으로 액체 혹은 기체에서 주로 발생한다. 강제대류와 자연대류가 있으며, 대류에 의한 열전달률은 Newton의 냉각 법칙에 따라 나타낼 수 있다.
복사(Radiation)는 전도나 대류와는 달리 고체, 액체, 기체와 같은 중간 매질의 도움 없이 전자기파 등의 형태로 열에너지를 전달하는 열전달 방식이다. 온도를 갖는 모든 물체는 복사에너지를 가지므로 모든 상에서 발생한다.
따라서 열전달은 열이 에너지의 형태로 두 물질 사이를 이동하는 현상으로, 그 메커니즘은 전도, 대류, 복사 세 가지로 구분된다고 할 수 있다.
1.2.2. 열교환기
열교환기란 일반적으로 전열 벽을 매개로 하여 유체 사이의 열전달을 일으키는 장치로 고온의 유체에서 저온의 유체로 열을 이동시킨다. 열교환기의 목적은 열의 회수이며, 그 외에도 사용 목적에 따라 냉각기, 응축기, 증발기 등으로 나뉜다. 또한 구조에 따라 다관식, 이중관식, 코일식 열교환기 등으로 나뉜다.
열교환기 내 열전달은 3단계로 나누어 볼 수 있다. 1단계는 대류에 의해 고온 유체에서 관의 외벽으로의 열전달이고, 2단계는 전도에 의해 관의 벽을 통한 열전달, 3단계는 대류에 의해 관의 내벽에서 저온 유체로의 열전달이다. 열교환기의 종류에는 예열기, 가열기, 과열기, 증발기, 응축기, 냉각기 등이 있다.
1.2.3. 이중관 열교환기
이중관 열교환기는 열교환기 중 가장 간단한 형태로, 직경이 서로 다른 내관과 외관으로 구성되어 있다. 한 유체는 내관을 흐르고, 다른 유체는 외관을 흐르며 내관 내부의 유체와 외관 내부의 유체 사이에 열교환이 이루어진다. 온도 구배를 가지는 두 유체가 관 벽을 사이에 두고 흐르며 열전달이 일어나므로 직접 닿지 않더라도 열의 이동이 가능한 구조를 갖는다. 처리하고자 하는 유체가 적을 때 주로 사용되며, 본 실험에서는 가열기에 해당되는 이중관식의 열교환기를 사용한다.
1.2.4. 병류와 향류
병류(Co-current flow, Parallel flow)는 고온의 유체와 저온의 유체가 같은 방향으로 나란히 흐르는 흐름을 말한다. 병류에서는 초반에 급격한 온도 변화를 보이므로 고온 유체의 급속 냉각에 사용되며, 시간이 지날수록 저온 유체의 온도가 고온 유체의 초기 온도보다 높아질 수 없다. 병류 흐름은 향류 흐름에 비해 효율이 낮으며 입구와 출구의 온도차가 크다는 특징이 있다.
반면, 향류(Counter flow)는 고온의 유체와 저온의 유체가 서로 반대로 유입되어 반대 방향으로 흐르는 흐름을 말한다. 향류는 병류에 비해 유체 간의 온도 차이가 크기 때문에 열전달 효율이 높으며 입구와 출구의 온도차가 작다는 장점이 있다.
이와 같이 병류와 향류는 유체의 흐름 방향에 따라 열교환기 내부의 온도 분포와 열전달 특성이 달라지므로, 목적에 따라 적절한 흐름을 선택하여 열교환기를 설계해야 한다.
1.2.5. 열교환 수지식
열교환 수지식은 열교환기 내에서 고온의 유체로부터 제거되는 열량과 저온의 유체로 흡수되는 열량이 같다는 원리를 기반으로 합니다. 이를 통해 열전달의 원리를 수식화 할 수 있으며, 실험 결과 분석에도 활용됩니다.
열교환 수지식은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
Q = WC_p(T_1 - T_2`) = wc_p(t_2 - t_1)
여기서 Q는 열교환량[W], W는 고온 유체의 질량 유량[kg/s], C_p는 고온 유체의 비열[J/kg·K], T_1은 고온 유체의 입구 온도[K], T...
참고 자료
Yunus A. Cengel 외 1인, 유성연 외 5인 역, 『열전달』, 맥그로이힐 에듀케이션코리아, 2018
2020 2학기 단위조작이론및실험2 실험노트, 14-17p
사이언스 올, “https://www.scienceall.com”
J. P. Holman, “열전달 10판”, McGraw-Hill Korea, 534-551p (2010)
Yunus A. Cengel “Heat and mass transfer, Fundamentals and applications”, McGraw-Hill, 18-29, 621-634p (2007)
Yunus A. Cengel, “알기 쉬운 열전달”, McGraw-Hill, 2-11, 93-96, 426-429p (2016)
James R. Welty 외2인, “기초 이동현상론”, 범한 서적, 242-245p (2016)
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