이중관 열교환기 실험 예비 보고서

본 내용은 " (A+만점레포트)[화공생물공학단위조작실험2] 1.이중관열교환기(예비) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2025.06.25

문서 내 토픽

• 1. 이중관 열교환기의 원리

  이중관 열교환기는 화학공학 공정에서 뜨거운 유체와 찬 유체가 고체 벽으로 분리되어 있는 열교환 장치이다. 열교환기의 기능은 찬 유체의 온도를 상승시키고 뜨거운 유체의 온도를 강하시키는 것이며, 유체의 열흐름은 전도와 대류에 의하여 전달된다. 내관에는 온수를, 외관에는 냉각수를 흐르게 하여 정상 상태에서 열교환이 일어난다.

• 2. 향류 및 병류 흐름

  향류(countercurrent flow)는 교환기의 양쪽 끝에서 두 유체가 들어가 서로 반대 방향으로 통과하는 흐름이며, 병류(parallel-current flow)는 같은 끝 부분에서 들어가 같은 방향으로 흐르는 형태이다. 향류는 전구간에서 구동력이 거의 비슷하여 열 효율이 높아 응축기로 많이 사용되고, 병류는 초기 구동력은 크지만 갈수록 작아져 열 효율이 낮다.

• 3. 에너지 수지 및 열전달

  열교환기 내에서 축일, 기계적 에너지, 위치 에너지, 운동 에너지 등의 변화는 없다고 가정한다. 뜨거운 유체가 잃은 열은 찬 유체가 얻으므로 에너지 수지가 성립한다. 현열만이 전달되고 일정한 비열이라고 가정하면 총괄 엔탈피 수지로 나타낼 수 있으며, 로그평균 온도차(LMTD)를 이용하여 열전달 속도를 계산한다.

• 4. 열교환기 유효도

  열교환기 유효도(ε)는 실제 열전달 속도와 최대 가능 열전달 속도의 비로 정의되며, 0과 1 사이의 범위에 있다. 최대 온도차는 뜨거운 유체와 찬 유체의 입구 온도의 차이이고, 작은 열용량 속도를 가진 유체가 최대 온도차를 보인다. 열교환기 유효도는 실제 열전달량을 최대 가능 열전달량으로 나누어 구한다.

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• 1. 이중관 열교환기의 원리

  이중관 열교환기는 가장 기본적이면서도 효율적인 열교환 장치로, 내관과 외관 사이의 구조를 통해 두 유체 간의 열전달을 실현합니다. 이 설계는 제조가 간단하고 유지보수가 용이하며, 고온 고압 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있다는 장점이 있습니다. 특히 산업 현장에서 냉각수 순환, 증기 응축, 액체 가열 등 다양한 용도로 널리 사용되고 있습니다. 다만 단위 부피당 열전달 면적이 상대적으로 작아 대규모 열교환이 필요한 경우에는 여러 개의 이중관을 병렬로 연결하여 사용해야 한다는 제한이 있습니다. 전체적으로 단순성과 신뢰성 측면에서 매우 실용적인 열교환기입니다.

• 2. 향류 및 병류 흐름

  향류와 병류는 열교환기에서 두 유체의 흐름 방향을 결정하는 중요한 요소입니다. 향류 흐름은 두 유체가 반대 방향으로 흐르면서 온도 구배가 전체 길이에 걸쳐 유지되어 더 높은 열전달 효율을 달성합니다. 반면 병류 흐름은 두 유체가 같은 방향으로 흐르기 때문에 출구 근처에서 온도 차이가 감소하여 상대적으로 낮은 효율을 보입니다. 실제 산업 응용에서는 향류 구성이 더 선호되며, 같은 열전달량을 달성하기 위해 필요한 열교환기의 크기를 줄일 수 있습니다. 그러나 구조적 복잡성과 비용 측면에서는 병류가 더 간단할 수 있으므로, 설계 시 효율성과 경제성을 함께 고려해야 합니다.

• 3. 에너지 수지 및 열전달

  에너지 수지는 열교환기 설계의 기초로, 열을 잃는 유체가 방출하는 열량과 열을 얻는 유체가 흡수하는 열량이 같아야 한다는 원칙에 기반합니다. 이상적인 조건에서는 Q_hot = Q_cold이지만, 실제로는 열손실로 인해 약간의 편차가 발생합니다. 열전달은 전도, 대류, 복사 세 가지 메커니즘을 통해 일어나며, 이중관 열교환기에서는 주로 대류가 지배적입니다. 열전달 계수, 접촉 면적, 온도 차이 등이 열전달량을 결정하는 주요 인자입니다. 정확한 에너지 수지 계산은 열교환기의 성능 예측과 최적화에 필수적이며, 이를 통해 에너지 효율을 극대화하고 운영 비용을 절감할 수 있습니다.

• 4. 열교환기 유효도

  열교환기 유효도는 실제 열전달량과 이론적 최대 열전달량의 비율로 정의되며, 열교환기의 성능을 평가하는 중요한 지표입니다. 유효도가 높을수록 열교환기가 더 효율적으로 작동한다는 의미이며, 일반적으로 0과 1 사이의 값을 가집니다. 유효도는 열용량 비율, 열교환 면적, 유체의 흐름 방식 등 여러 요인에 의해 영향을 받습니다. 향류 구성이 병류보다 높은 유효도를 제공하며, 열교환 면적을 증가시키거나 유체의 흐름 속도를 조절하여 유효도를 개선할 수 있습니다. 실무에서는 목표 유효도를 설정하고 이를 달성하기 위한 열교환기 크기와 구성을 결정하므로, 유효도 개념의 이해는 효율적인 열교환기 설계에 필수적입니다.