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판형 열교환기 설계 (가스켓형)

Gasket plate heat exchanger 열 및 물질전달 7 조 박 ** 김 ** 김 ** 구 ** 발표자 : 박 **I n d e x Ⅰ. 판형 열교환기 종류 및 선택 Ⅰ-1. 종류 및 특징 Ⅰ-2. Gasket 형 선정 이유 Ⅱ . 설 계 안 Ⅳ . 결과값 검증 Ⅱ -1. 설계 목적 Unisim 프로그램 결과 비교 Ⅱ -2. Data sheet 및 설계 도면 Ⅱ -3. 최종 선택 PHE Ⅲ . 설계 계산 및 비교 Ⅴ . 참고문헌 Ⅲ -1. 총괄 열전달계수 결정 과정 Ⅲ -2. 압력 강하 계산 Ⅲ -3. plate 재질에 따른 결과값 비교 Ⅲ -4. 유량에 따른 비교Ⅰ. 판형 열교환기 종류 및 선택 Ⅰ-1. 종류 및 특징 1. 튜브라 전열판 (Tubular plate) 형상이 튜브모양을 하고 잇는 전열판으로서 저압의 응축 , 증발 과정과 섬유질 또는 입자를 함유한 유체를 사용할 때 적합하다 . 그리고 전통적인 Herringbone 형상의 전열판과 함께 사용함으로써 다양한 유로를 구성할 수 있다 . 2. 와이드 갭 전열판 (wide gab plate) 섬유질 또는 입자를 함유하거나 점도가 높아서 종래의 쉘 - 튜브 열교환기를 사용하기에 곤란한 경우 와이드 갭 전열판을 사용 할 수 있다 . 열판의 요철은 난류를 촉진시키고 높은 전열계수를 유도한다 . 3. 용접가스켓 전열판 (Twin plate) Twin plate pack 에서는 용접된 유로와 종래의 가스켓 밀봉식 유로가 교대로 오게 된다 . 독성이 있거나 위험한 유체에 사용될 수 있는데 . 이 경우 유해한 유체는 용접된 유로로 흐르게 되고 , 그러지 않은 유체는 가스켓과 접촉하는 유로를 흐리게 된다 . 4. 이중 전열판 (Double-wall plate) 열교환되는 유체끼리 섞이면 위험한 화학반을을 하거나 오염이 큰 문제가 될 때 이중전열판을 사용한다 . channel 은 2 중의 열판과 가스켓에 의해 형성되는데 , 만일 열판에 누수가 생긴다면 2 중 열판 사이로 흘러나와서 열교환기 밖에서 그방 관찰작한 가스켓들로 결합됩니다 . 7. EC500 – 판형증발기 기존의 Plate 두장을 용접한 카세트 (Cassette) 들로 이루어진 플레이트 팩 (Plate Pack) 으로 이루어져 판형 열교환기가 가지고 있는 모든 장점들을 가지고 있습니다 . 일반적으로 용접된 유로에 가열용 증기가 통과하는 동안 가스켓이 장작되는 유로에서 제품의 증발 공정이 이루어집니다 . 8. Plate Coil 열교환기 플레이트 코일은 여러 형태의 전열면을 가지고 있어서 용도에 따라 다양한 재질과 형상으로 조합이 가능 합니다 . 이것은 완전히 새로운 개념의 열교환기로서 , 원형 탱크의 내부는 물론 외부에도 자켓식으로 설치가 가능하며 , 정방형 탱크의 벽이나 바닥 어느곳에서나 설치가 가능 합니다Ⅰ. 판형 열교환기 종류 및 선택 Ⅰ-2. 가스켓형 선정 이유 ① 우수한 전열효과 판형 열교환기는 Reynold No.10 까지 난류 및 와류를 유도함으로서 다관식 열교환기에서 요구되는 층류 ( Nre 2100 이하 ) 보다 열전달 효율 이 매우 좋고 , 총괄 전열계수가 2,000~6,000 Kcal/hr ℃ 로써 타종의 열 교환기에 비해 3~5 배 우수한 전열효과를 기대할 수 있다 . ② 설치면적의 감소 열전달 효율이 높으므로 , 동일 용량의 다관식 열교환기에 비해 2~30% 정도의 설치면적만이 요구된다 .Ⅰ. 판형 열교환기 종류 및 선택 Ⅰ-2. 가스켓형 선정 이유 ③ 낮은 오염도 유로에 형성된 돌기에 의해 형성된 강한 난류 및 , 유체의 짧은 열교환기 내부 체류시간은 Scale 부착 방지효과를 얻을 수 있으며 , 분해 조립이 용이하여 청소가 용이하며 오염에 효과적으로 대응할 수 있다 . ④ 최소의 열손실 판형 열교환기에서 열의 방출이 일어나는 곳은 측면부분으로 , 그 면적이 아주 작기 때문에 보온재나 단열재를 사용하지 않아도 방열량이 적어 열 손실을 최소화 할 수 있다 . ⑤ 적용성 규격화 모든 부품이 규격화 되어 있어 부품의 호환성이 좋고 용량변화에 따라 Plate 의 매수 증감이 가능하며 ta sheetⅡ . 설 계 안 Ⅱ -2. 설계 도면Ⅱ . 설 계 안 Ⅱ -2. 설계 도면Ⅱ . 설 계 안 Ⅱ -3. 최종 선택 PHE Plate 종류 : B107 재질 : stainless steel AISI 316 크기 : width ( 250mm ) length ( 550mm) 개수 : 7 개 Gasket 종류 : EPDM Primary stream (hot side) 유량 : 0.69 l/sec = 2484 kg/h Temp. In = 82 ℃ Secondary stream (cold side) 유량 : 0.24 l/sec = 864 kg/h Temp. In = 15 ℃ Temp. Out = 45 ℃Ⅲ . 설계 계산 과정 Hot water 의 Temperature output 이 필요함 Hot side water 의 출구온도 = 71.5 ℃ 열교환기의 Q = 30.4 kW Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정 액 - 액용 열교환기에서 플레이트형 열교환기의 대류 열전달률과 압력손실은 일반적으로 나타내기 곤란 . 마슬로브의 열전달율에 관련된 경험식 이용 . M 은 의 함수로써 표 1 에서 제시Ⅲ . 설계 계산 과정 여기서 , = 상당지름 (2 x ) [m] , = 판간 간격 = 열전도율 [ ] = 평균질량속도 [ ] = 유체의 평균온도에서의 플란트수 = 전열판 표면에서의 플란트 수 = 평균 열전달율 [ ] = 점도 [ ] Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 플레이트형식 파형의 피치 ℓ mm 플레이트간격 δmm 최소간격 δ‘ mm 파형의경사각 β 전달계수상관식 평행평활평판 - - - - M=0.021․Re 0.8 3 각 평행파형 20.0 1.85 - 30 M=0.216․ Re 0.8 “ 22.5 3.50 2.80 35 M=0.125․ Re 0.7 “ 20.0 2.85 - 40 M=0.215․ Re 0.635 “ 25.0 5.90 4.80 35 M=0.356․ Re 0.65 “ 30.5302 cP = 4.192 kJ/kg · K = 0.6449 W/m · K = 3.446 병류흐름 Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 Hot side 흐름 At, 76.75 ℃ = 973.9 kg/m 3 = 2 x = 8.2 x 10 -3 m = 0.3699 cP = 4.194 kJ/kg · K = 0.906 = 0.6677 W/m · K = 2.323 Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 Hot side 흐름 v 를 구하기 위해 , Data sheet Primary stream (hot side) 유량 : 0.69 l/sec = 2484 kg/h 를 단면적으로 나눠주면 250mm 4.1mm Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 Hot side 흐름 따라서 , 레이놀즈 수를 구하면 Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 Hot side 흐름 최종 h 값을 구하게 되면 , Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 Cold side 흐름 At, 30 ℃ = 995.4 kg/m 3 = 2 x = 8.2 x 10 -3 m = 0.7960 cP = 4.190 kJ/kg · K = 1.118 = 0.6187 W/m · K = 5.391 Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 v 를 구하기 위해 , Data sheet Primary stream (cold side) 유량 : 0.24 l/sec = 864 kg/h 를 단면적으로 나눠주면 Cold side 흐름 Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정 250mm 4.1mmⅢ . 설계 계산 과정 따라서 , 레이놀즈 수를 구하면 Cold side 흐름 Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 Re 값이 820 이므로 마슬로브의 경험식 사용에 제한 Cold side 흐름 단위조작 책에 있는 일반화 된 판형 열전달 상관식 사용 . Ⅲ -1. 총괄열전달계수 결정 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 전열판에서의 h 결정 비교 Ⅲ . 설계 계산 과정Ⅲ . 설계 계산 과정 Ⅲ -4. 유량에 따른 비교 1. 유효도 ( ε ) vs 유량 열전달 단위수 (number of heat transfer unit)Ⅲ . 설계 계산 과정 Ⅲ -4. 유량에 따른 비교 1. 유효도 ( ε ) vs 유량 Cold side 의 유량 m 2 를 변화시킴에 따라 T hb 값이 달라지게 됨으로 달라진 T hb 에 따른 유효도 비교 가능Ⅲ . 설계 계산 과정 Ⅲ -4. 유량에 따른 비교 1. 유효도 ( ε ) vs 유량 유량 ↑ → 유효도 ↑Ⅲ . 설계 계산 과정 Ⅲ -4. 유량에 따른 비교 2. 압력강하 ( △P) vs 유량 f 값이 Re 에 영향을 받게 되고 Re 는 유량에 따라 속도에 영향을 받기 때문에 유량에 영향을 받게 된다 . 따라서 cold side 의 유량에 따른 압력강하를 알아보고자 한다 .Ⅲ . 설계 계산 과정 Ⅲ -4. 유량에 따른 비교 2. 압력강하 ( △P) vs 유량 유량 ↑ → 압력강하 ↑Ⅳ . 결과값 검증 Unisim R400 프로그램 결과 비교 Data sheet 의 값을 적용한 unisim 결과창Ⅳ . 결과값 검증 Unisim R400 프로그램 결과 비교 Hot side water 의 출구온도 = 71.5 ℃ 일치Ⅳ . 결과값 검증 Unisim R400 프로그램 결과 비교 압력 강하 계산 비교 계산 Unisim 결과 오차 Hot side 0.0143 bar 0.0176 bar 18% Cold side 0.00289 bar 0.00284 bar 1.7 % 판에서의 속도 비교 계산 Unisim 결과 오차 Hot side 0.23 m/s 0.23 m/s 0% Cold side 0.08 m/s 0.08 m/s 0%Ⅳ . 결과값 검증 Unisim R400 프로그램 결과 비교 h 값 비교 계산 Unisim 결과 오차 Hot side 9368.4 W/m 2 K 10185 W/m 2 K 8% Cold side 4360.9 W/m 2 K 4084 W/m 2 K 6.7 % U 값 비교 계산 w}

공학/기술| 2012.12.19| 44페이지| 3,000원| 조회(1,255)

열교환기, 판형열교환기설계, 총괄열전달계수 결정 과정

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가스켓타입 판형 열교환기 설계 보고서 평가A+최고예요

열 및 물질 전달Gasket plate heat exchanger건국대학교Gasket plate heat exchanger과목명열 및 물질 전달담당 교수조/팀7조조 원김**김**박**구**발 표 자박 * *제출일2012년 12월 3일 월요일< 목 차 >Ⅰ. 판형 열교환기 종류 및 선택………………………………………1Ⅰ-1. 종류 및 특징………………………………………1Ⅰ-2. Gasket형 선정 이유………………………………………3Ⅱ. 설계안………………………………………4Ⅱ-1. 설계 목적………………………………………4Ⅱ-2. Data sheet………………………………………5Ⅱ-3. 설계 도면………………………………………6Ⅱ-4. 최종 선택 PHE………………………………………7Ⅲ. 설계 계산 및 비교………………………………………8Ⅲ-1. 총괄열전달계수 결정과정………………………………………8Ⅲ-2. 압력강하계산………………………………………12Ⅲ-3. Plate 재질에 따른 결과값 비교………………………………………12Ⅲ-4. 유량에 따른 비교13Ⅳ. 결과값 검증………………………………………15Unisim 프로그램 결과 비교………………………………………15Ⅴ. 참고문헌………………………………………17Ⅰ. 판형 열교환기 종류 및 선택Ⅰ-1. 종류 및 특징1. 튜브라 전열판(Tubular plate)형상이 튜브모양을 하고 잇는 전열판으로서 저압의 응축, 증발 과정과 섬유질 또는 입자를 함유한 유체를 사용할 때 적합하다. 그리고 전통적인 Herringbone 형상의 전열판과 함께 사용함으로써 다양한 유로를 구성할 수 있다.2. 와이드 갭 전열판(wide gab plate)섬유질 또는 입자를 함유하거나 점도가 높아서 종래의 쉘-튜브 열교환기를 사용하기에 곤란한 경우 와이드 갭 전열판을 사용 할 수 있다. 열판의 요철은 난류를 촉진시키고 높은 전열계수를 유도한다.3. 용접가스켓 전열판(Twin plate)Twin plate pack에서는 용접된 유로와 종래의 가스켓 밀봉식 유로가 교대로 오게 된다. 독성이유로 대신 Laser로 용접된 두판 사이에 유로를 형성합니다.6. Diabon - 흑연판 열교환기Diabon F 그라파이트(Graphite)판형 열교환기는 부식성이 너무 강하여 어떠한 합금강이나 금속 전열판으로도 견딜 수 없는 유체를 처리 할 수 있게 개발된 열 교환기입니다. 이러한 재질로 기존 전열판들과 같은 모양으로 만들어진 전열 판들은 부식에 대한 저항성이 뛰어난 재질로 된 얇고 납작한 가스켓들로 결합됩니다.7. EC500 - 판형증발기기존의 Plate 두장을 용접한 카세트 (Cassette)들로 이루어진 플레이트 팩 (Plate Pack)으로 이루어져 판형 열교환기가 가지고 있는 모든 장점들을 가지고 있습니다. 일반적으로 용접된 유로에 가열용 증기가 통과하는 동안 가스켓이 장착되는 유로에서 제품의 증발 공정이 이루어 집니다.8. Plate Coil 열교환기플레이트 코일은 여러 형태의 전열면을 가지고 있어서 용도에 따라 다양한 재질과 형상으로 조합이 가능 합니다. 이것은 완전히 새로운 개념의 열교환기로서, 원형 탱크의 내부는 물론 외부에도 자켓식으로 설치가 가능하며, 정방형 탱크의 벽이나 바닥 어느곳에서나 설치가 가능 합니다Ⅰ-2. Gasket형 선정 이유Gasket형을 선정한 이유는 크게 5가지이다.첫 번째로 ‘우수한 전열효과‘를 꼽을 수 있다. 판형 열교환기는 Reynold No.10 까지 난류 및 와류를 유도함으로서 다관식 열교환기에서 요구되는 층류(Nre 2100이하) 보다 열전달 효율 이 매우 좋고, 총괄 전열계수가 2,000~6,000 Kcal/hr℃ 로써 타종의 열 교환기에 비해 3~5배 우수한 전열효과를 기대할 수 있다.두 번째로 ‘설치면적의 감소’이다. 열전달 효율이 높으므로, 동일 용량의 다관식 열교환기에 비해 2~30%정도의 설치면적만이 요구된다.세 번째로 ‘낮은 오염도’이다. 유로에 형성된 돌기에 의해 형성된 강한 난류 및, 유체의 짧은 열교환기 내부 체류시간은 Scale 부착 방지효과를 얻을 수 있으며, 분해 조립이 용이하여 청소가기를 설계하였다.흐름은 병류로 가정하였다. 그 이유는 병류의 흐름으로 했을 때 유입되는 뜨거운 물이 열 교환 후 유출 온도가 상대적으로 높기 때문이다. 상대적으로 높은 온도이기 때문에 조금만 열을 가열하여도 쉽게 유입온도만큼 올려줄 수 있기 때문이다.또한 사용되는 급탕용수는 크게 높은 온도가 필요하지 않기 때문이다. 따라서 차가운 물의 온도를 크게 올려줄 필요가 없다는 이유가 된다.- 사용 될 온수의 온도를 45℃로 설정하였다.- Data sheet 자료를 바탕으로 설정한 온수를 얻기 위한 Plate 수, Plate 면적 결정- 압력강하 계산 및 유량에 따른 유효도 및 압력강하 비교Ⅱ-2. Data sheet기존에 있는 회사의 Date sheet를 사용하여 신뢰성을 높일 수 있다.- 위 그림의 우측 하단의 Date sheet를 사용 하였다.- 위에 Date sheet에 따른 재질 설정과 물성치를 사용하였다.- Gasket 재질은 EPDM으로 가장 중요한 한계온도의 범위가 -50~150℃이기 때문에 적합하다.- 또한 판의 재질은 Stainless Steel AISI 316 임으로 열전도율 값 K = 16.3 W/m·K로 사용하였다.Ⅱ-3. 설계 도면- Data sheet로터 B100 Series는 다음과 같은 도면을 갖는다.- Data sheet로터 B107 Type은 다음과 같은 도면을 갖는다.Ⅱ-3. 최종 선택 PHE-Plate종류: B107재질: stainless steel AISI 316크기: width ( 250mm ) length ( 550mm)개수: 7개-Gasket종류: EPDM-Primary Stream(Hot side)유량: 0.69liter/sec이고 시간당 2484kg/h이다. 그리고 Input Temperature는 82℃이다-Secondary Stream(Cold side)유량: 0.21liter/sec이고 시간당 864kg/h이며, Input Temperature=15℃,Output Temperature=45℃이다.현재 주어져있는 조건전도도를 계산하기 위해서 마슬로브의 열전달율에 관련된 경험식 이용하였고 그것을 아래에 나타내었다.마슬로브의 경험식의 사용가능 레이놀즈수의 범위는 다음과 같다.여기에서 M은 레이놀즈수와 계수들을 합한 함수로서 표 1에서 제시된 값이다.표1을 아래에 나타내었다.표.1우리는 여기에서 M=0.356Re0.65를 사용하였다.마슬로브의 경험식 에서 붉게 표시한 부분은 Prandtl 보정을 하는 항이며 Prandtl수는 로 구할 수 있다. 위의 붉게 표시된 부분에서 PrW를 구하기 위해서는 판 표면의 온도를 알아야 한다.Plate Heat Exchanger의 모습을 간략히 해서 그림을 그려보면 아래와 같다.Hot fluid의 평균온도는 76.75℃이고 Cold fluid의 평균온도는 30℃이다.Plate의 온도는 Hot fluid의 온도와 Cold fluid의 산술평균온도를 사용하였다. 그 결과 plate의 온도는{76.75+30} over {2} =53.38 CENTIGRADE 가 되고, 이 온도에서의 물성치를 계산해보면 아래와 같은 값이 나온다.-Hot side 흐름계산,유체흐름온도의 산술평균값 76.75℃에서의 물성치를 정리하면 아래와 같으며,로 레이놀즈수를 계산하는데 여기에서 유속 v를 아직 알지 못하여 계산할 수 없다. 유체의 유속은 Data sheet에서 Primary stream의 유속 0.69liter/s를 단면적으로 나누어준다., 가 나온다.유속을 구하였으므로 레이놀즈수를 계산가능하며 레이놀즈수를 구하면 4814가 나온다.계산한 레이놀즈수와 앞에서 구한 값들을 이용하여 Hot stream의 h값을 구하면최종적으로 Hot stream의 열전달계수는 9368.4이다.-Cold side 흐름계산Cold side의 흐름도 위의 Hot side에서 구한 방법과 동일한 방법으로 계산이 가능하다.찬 유체의 흐름온도는 입구온도와 출구온도의 산술평균값으로 계산하였으며 그 온도는 30℃이다. 30℃에서의 물성치와 계산값들은 아래에 나타내었다.Hot side에서와 같이 Dat이다. 벽에서의 h값은 k/x 로 계산이 가능하며,전열판의 h값은 27166W/m2K이다.-총괄 열전달계수총괄 열전달계수는 위와 같이 지금까지 구했던 3개의 열전달계수를 이용하여 계산한다.최종적으로 계산된 총괄열전달계수 U=2682W/m2K이다.Ⅲ-2. 압력강하 계산Plate Heat Exchanger에서의 압력강하는 Hot,Cold 유체 두부분을 각각 계산하였으며, 압력강하의 계산방법은 fanning equation을 사용하였다.fanning equation은f=2.5 TIMES Re ^{-0.3} , {DELTA p} over {L} =2 TIMES f TIMES {u ^{2} TIMES rho } over {De}으로 나타낼 수 있다.먼저 Primary stream(Hot side)의 압력강하를 계산하면f=2.5 TIMES (4836) ^{-0.3} =0.1962이고,DELTA p=2 TIMES f TIMES {u ^{2} TIMES rho TIMES L} over {De} =2 TIMES 0.1962 TIMES {(0.23) ^{2} TIMES 1000 TIMES 0.555} over {8.2 TIMES 10 ^{-3}}#=1404.96[N/m ^{2} ]그리고 Secondary stream(Cold side)의 압력강하를 같은 방법으로 계산하면f=2.5 TIMES (820) ^{-0.3} =0.334,DELTA p=2 TIMES f TIMES {u ^{2} TIMES rho TIMES L} over {De} =2 TIMES 0.334 TIMES {(0.08) ^{2} TIMES 1000 TIMES 0.555} over {8.2 TIMES 10 ^{-3}}#=289.4[N/m ^{2} ]Ⅲ-3. Plate 재질에 따른 결과값 비교표2.재질에따른 열전도도stainless 재질에 따라서 총괄열전달계수가 어떻게 변하는지 비교해보고, 기존의 sus316과 비교하여 어느정도 차이가 나게 되는지 비교하였다.위의 그래프는 재질에 따른 총괄열전달계수그래프이며 그중 s었다.

공학/기술| 2012.12.19| 19페이지| 3,000원| 조회(936)

열교환기설계, 가스켓타입판형열교환기, Gasket형

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