이중관 열교환기 실험 결과 분석

본 내용은 " 열교환기 결과 레포트 " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.06.11

문서 내 토픽

• 1. 열교환기 기본 원리

  이중관 열교환기는 가장 간단한 형태의 열교환기로, 내관과 외관으로 구성되어 있다. 본 실험에서는 고온의 공기가 내관을 통해 흐르고 저온의 냉각수가 외관을 통해 향류로 흐르면서 열을 교환한다. 열교환기의 길이는 350mm×3=1050mm이고, 내관 지름 25mm, 외관 지름 50mm의 규격으로 설계되었다. 이러한 구조를 통해 두 유체 간의 효율적인 열전달이 이루어진다.

• 2. 전열량 계산

  전열량은 고온 유체와 저온 유체의 질량유량, 비열, 온도 변화를 이용하여 계산된다. 20L/min 유량에서 전열량은 7399.775cal/s이고, 40L/min 유량에서는 14355.28cal/s로 계산되었다. 공기의 비열은 200℃에서 0.245cal/g℃, 물의 비열은 5℃에서 1.009cal/g℃를 사용하였다. 유량이 증가할수록 전열량이 증가하는 경향을 보인다.

• 3. 대수 평균 온도차

  대수 평균 온도차(LMTD)는 열교환기에서 두 유체 간의 평균적인 온도 차이를 나타낸다. 20L/min에서 ΔT₁=193℃, ΔT₂=13.95℃로 계산되어 LMTD는 68.15℃이다. 40L/min에서는 ΔT₁=191.8℃, ΔT₂=19℃로 LMTD는 74.74℃이다. 유량 증가에 따라 대수 평균 온도차가 증가하는 특성을 보인다.

• 4. 총괄 열전달계수

  총괄 열전달계수(U)는 열교환기의 성능을 나타내는 중요한 지표로, 전열량을 전열면적과 대수 평균 온도차의 곱으로 나누어 계산된다. 20L/min에서 U=936.04cal/s·m²·℃이고, 40L/min에서는 U=1655.77cal/s·m²·℃로 계산되었다. 유량이 증가할수록 총괄 열전달계수가 증가하여 열교환 효율이 향상됨을 알 수 있다.

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• 1. 열교환기 기본 원리

  열교환기는 두 유체 간의 열 전달을 효율적으로 수행하는 핵심 장비입니다. 기본 원리는 온도 차이에 의한 열의 자연적 이동을 이용하며, 고온 유체에서 저온 유체로 열이 전달됩니다. 열교환기의 설계와 운영에서는 유체의 흐름 방식(향류, 병류), 접촉 형태(직접, 간접), 그리고 구조 형태(판형, 관형 등)를 고려해야 합니다. 효율적인 열교환을 위해서는 충분한 접촉 면적, 적절한 유속, 그리고 최적화된 온도 구배가 필수적입니다. 산업 현장에서 에너지 절감과 공정 최적화를 위해 열교환기의 기본 원리를 정확히 이해하는 것이 매우 중요합니다.

• 2. 전열량 계산

  전열량 계산은 열교환기 설계 및 성능 평가의 기초입니다. Q = ṁ × Cp × ΔT 공식을 통해 유체의 질량 유량, 비열, 온도 변화를 고려하여 정확한 열 전달량을 산정할 수 있습니다. 실제 계산에서는 유체의 물성치 변화, 상변화 여부, 그리고 측정 오차를 반영해야 합니다. 정확한 전열량 계산은 에너지 수지 분석, 효율성 평가, 그리고 장비 용량 결정에 직결되므로 신뢰성 있는 데이터와 정밀한 계산이 필수적입니다. 또한 입출구 온도 측정의 정확성이 계산 결과에 큰 영향을 미치므로 계측 장비의 정확도 관리도 중요합니다.

• 3. 대수 평균 온도차

  대수 평균 온도차(LMTD)는 열교환기에서 실제 열 전달을 정확히 계산하기 위한 필수 개념입니다. 향류와 병류 흐름에서 온도 분포가 다르므로, 단순 산술 평균이 아닌 대수 평균을 사용하여 보다 정확한 온도차를 구합니다. LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2) 공식은 이론적 근거가 탄탄하며, 실제 열교환기 성능 예측에 매우 유용합니다. 다만 복잡한 흐름 형태에서는 수정 계수(F)를 적용하여 보정해야 합니다. 대수 평균 온도차의 정확한 이해와 적용은 열교환기 설계의 신뢰성을 크게 향상시킵니다.

• 4. 총괄 열전달계수

  총괄 열전달계수(U)는 열교환기 성능을 나타내는 가장 중요한 지표입니다. 1/U = 1/h1 + R_wall + 1/h2 + fouling resistance 형태로 표현되며, 각 열저항의 합으로 결정됩니다. 유체의 대류 열전달계수, 벽면의 전도 저항, 그리고 오염층(fouling)의 영향을 모두 고려해야 합니다. 실제 운전 중에는 오염층 축적으로 인해 U값이 시간에 따라 감소하므로 주기적인 세정이 필요합니다. 정확한 U값 산정은 열교환기의 필요 면적 결정, 성능 저하 진단, 그리고 유지보수 계획 수립에 필수적이므로 신뢰성 있는 데이터와 경험적 상관식의 활용이 중요합니다.