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열교환기 성능 실험

열교환기 성능실험- 차 례 -Ⅰ.개요2Ⅱ.실험 이론41. 열교환52. 열교환기 종류53. 열교환기의 형식64. 열교환기 해석95. Parallel flow106. Counter flow13Ⅲ.실험기 및 실험방법151. 실험기162. 실험방법18Ⅳ.실험 결과191. 35℃ 측정값과 계산값202. 45℃ 측정값과 계산값213. 35℃ 그래프224. 45℃ 그래프265. 35℃ 총합열전달계수 비교306. 45℃ 총합열전달계수 비교317. 열교환율 비교32Ⅴ.결론33Ⅵ.참고 문헌35Ⅰ개요1. 개요서로 다른 온도와 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이의 열교환 과정은 많은 공업분야에서 일어나고 있다. 이 열교환을 수행하는 장치를 열교환기(Heat Exchange)라 하며 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수, 그리고 화학공정 등에서 찾아 볼 수 있다.본 실험장치는 물과 물 사이의 열교환에 관하여 실험적으로 관찰하고, 열전달율 및 열교환량을 측정한다. 병류와 향류의 시험이 가능 하도록 설계 되었으며, 온수 및 냉수의 속도를 가감하면서 층류, 난류의 실험을 행할 수 있다.이번 실험의 목적은 열교환기의 흐름 형태 (대향류와 평행류)에 따른 전열 특성을 이해하고, 대수평균 온도차(Log Mean Temperature Difference : LMTD)법의 기본 개념을 이해하여 이 방법을 적용하여 이중관 열교환기 특성실험을 수행함으로써 이중관 열교환기 설계와 작동에 대한 기본 능력을 습득하는 것이다.Ⅱ실험이론1. 실험이론1) 열교환온도가 높은 유체로부터 전열벽(傳熱壁)을 통해서 온도가 낮은 유체에 열을 전달하는 장치이다. 가열기 ·냉각기 ·증발기 ·응축기(凝縮器) 등에 사용된다. 목적으로 하는 유체에 열을 주기 위해 사용되는 전열매체를 열매(熱媒)라고 하며, 이와는 반대로 열을 뺏는 데 사용되는 것을 냉매(冷媒)라고 한다.열교환기의 형식에서 가장 일반적으로 사용되는 것은 금속관을 전열벽으로 하는 것으로, 이 형식에는 주수식(注水式) ·이중관식 ·핀붙이 다관식 ·투관형식(透管型式) 등교환기의 형식일반적으로 열교환기는 유동배열(flow arrangement)과 구조의 형식(type of construction)에 따라 분류된다. 가장 간단한 열교환기는 동심관(concentric tube-또는 이중관double pipe) 구조에서 고온의 유체와 저온의 유체가 같은 방향, 또는 반대 방향으로 흐르는 열 교환기이다.그림 (2)의 평행유동(parallel-flow) 배열에서는 고온 및 저온의 유체들이 같은 끝면에서 들어와서, 같은 방향으로 흐르고, 같은 끝면으로 나간다.그림 (1)의 대향유동(counter-flow) 배열에서는 유체들이 반대쪽 끝면에서 들어와서 반대 방향으로 흐르고, 서로 반대측 끝면으로 나간다.위의 경우와 달리 (a)에서의 휜이 있거나(finned) 휜이 없는(unfinned) 관형 열 교환기들에 의해 표시된 것처럼 유체들이 직교유동(cross flow, 서로 직각)으로 흐를 수도 있다. 두 장치는 관의 바깥을 지나는 유체가 혼합되지 않았는가(unmixed), 혼합되었는가(mixed)에 따라 구별된다. (a)에서 휜이 주유동방향(x)을 가로지르난 방향(y)으로의 유동을 막기 때문에 유체는 혼합되지 않았다고 말한다. 이 경우 유체온도는 x와 y에 따라 변한다. 반면에 (b)의 휜이 없는 관군에서는 가로지르는 방향으로 유체의 운동으로 인해 혼합이 가능하며 온도변화는 주로 주유동방향에 흐른다. 관유동은 혼합되지 않으므로 휜이 있는 열교환기에서는 두 유체 모두 혼합되지 않으며, 휜이 없는 열교환기에서는 한 유체는 혼합되고 다른 유체는 혼합되지 않는다. 혼합조건의 성질은 열교환기 성능에도 큰 영향을 미칠 수 있다.또 다른 일반적인 형태는 셸-앤드-관(shell and tube) 열교환기이다. 셸 통로와 관 통로의 개수에 따라 여러 가지 특정한 형식으로 구분되며, 그림에 단일 관과 단일 셸 통로(pass)들을 가진 가장 간단한 형식이 제시되어 있다. 배플은 대체로 난류와 직교유동 속도성분을 유발하여 셸측의 대류 열전달계수를 증가시키기 위해 출구온도를 넘지 못한다. 그림에서 하첨자 1과 2는 열교환기의 반대쪽 끝면을 지정한다. 이 표시법은 앞으로 고려되는 모든 형식의 열교환기에 사용된다. 평행유동에 대해서는그리고이다.은 고온과 저온유체들의 미소요소들에 대해 에너지 평형을 적용시켜 결정할 수 있다. 각 요소는 그림에 제시된 바와 같이 길이, 그리고 열전달 표면적를 가진다. 에너지 평형과 이에 수반되는 해석은 다음 가정에 따라 수행된다.[1] 열교환기는 그 주변과 단열되어 있으며, 고온유체와 저온유체 사이에서만 열교 환이 된다.[2] 관에 따른 축방향 전도는 무시할 수 있다.[3] 위치 및 운동에너지의 변화는 무시할 수 있다.[4] 유체의 비열은 일정하다.[5] 총괄 열전달계수는 일정하다.물론 비열은 온도변화에 따라 변화하고, 총괄 열전달계수도 유체 물성값과 유동조건의 변화에 의해 변화하게 된다. 그러나 많은 응용에 있어 이러한 변화는 중요하지 않으며, 열교환기에 대해와의 평균값들을 사용하는 것이 합리적이다.그림의 미소요소 각각에 대해 에너지 평형을 적용하면 다음과 같다.(7)그리고(8)여기서와는 각각 고온유체와 저온유체의 열용량율(heat capacity rate)을 나타낸다. 이 식들을 열교환기를 통해 적분하면 식으로 주어지는 총괄 에너지 평형을 얻을 수 있다. 표면적를 통한 열전달은 또한 다음과 같이 표시된다.(9)여기서는 고온유체와 저온유체 사이의 국소 온도차이다.식 (8)과 (9)을 식 (5)의 미분형에 대입하여 다음의 식을 얻을 수 있다.(10)에 대해 식 (9)을 대입하고 열교환기 전체에 대해 적분하면 다음과 같이 된다.또는(11)와에 대해 각각 식 (3)와 (4)를 대입하면 다음과 같이 된다.(12)그림의 평행유동 열교환기에서이고이므로 다음을 얻을 수 있다.(13)위 식과 식 (6)와의 비교를 통해 적절한 평균 온도차를 로그 평균 온도차(log mean temperature difference)이라고 결론지을 수 있다. 따라서 다음과 같이 표현할 수 있다.(14)여기서은 다음과 같다.( 후 heater switch르르 ON.(단, 설정온도는 낮은 온도에서 높은 온도 순으로)5) 설정온도에 도달하면 pump switch를 ON하여 물 순환시키며 유량계와 유량조절밸 브를 이용하여 유량을 설정한다. (이때 Air2를 열어 관로내의 공기 제거)6) 냉수 라인의 3-Way 밸브 2개를 화살표 방향으로 조작하여 parallel(병류) 또는 counterflow(향류)가 되게 관로에 물을 공급.7) 유량계와 유량조절밸브를 이용하여 유량을 설정. (이때 Air1을 열어 관로내의 공기 를 제거)8) 층류, 난류의 설정 (층류 및 난류 비교 실험)층류난류온수 유량계35℃ Q = 1.1779 l/min 미만45℃ Q = 0.9773 l/min 미만35℃ Q = 1.1779 l/min 이상45℃ Q = 0.9773 l/min 이상냉수 유량계15.5℃ Q = 5.7394 l/min 미만15.5℃ Q = 5.7394 l/min 이상9) 온도 및 유량이 안정되면 실험성적표에 측정치를 기록한다.10) 실험 종류 후 실험성적표의 측정치를 이용하여 필요한 data를 계산 한다.11) 실험의 종료는 시작의 역 순. 겨울철 동파 방지를 위해 모든 valve를 개방하여 drain 시킨다.Ⅳ실험결과측 정 치계 산 치고온 유체저온 유체대수평균 온도차고온 유체저온 유체열교환율열관류율유체흐름입구온도T1(℃)중간온도Tm(℃)출구온도T2(℃)유량Q(l/m)유체흐름흐름방향입구온도t1(℃)중간온도tm(℃)출구온도t2(℃)유량Q(l/m)△t1(℃)△t2(℃)△tm(℃)평균온도(T1+Tm+T2)/3(℃)동점성계수(m³/s)레이놀즈수Re열량Qh(kW)평균온도(T1+Tm+T2)/3(℃)동점성계수(m2/s)레이놀즈수Re열량Qc(kW)병류향류평균열량(Qh+Qc)/2(kW)평행류U(kW/m^2*K)대향류U(kcal/h)(%)층류34.730.729.71층류평행류15.11718.721614.615.2831.77.77E-071836.40.3465516.93331.1E-06833.6810.5021425.510..46.67E-072139.70.5943917.71.07E-06851.8570.6693729.750.424352149.518(NTU)144.064(LMTD)43.138.434.9대향류201715.3223.119.621.3038.86.75E-072112.50.5668617.43331.08E-06845.4460.6554829.490.396385146.180(NTU)144.861(LMTD)44.537.934.51난류평행류15.216.918.1226.419.322.6638.9666.73E-072120.00.6912616.73331.1E-062072.661.0113234.120.622999204.021(NTU)189.641(LMTD)43.13733.3대향류17.71615.4225.417.921.4337.86.9E-072068.60.6777216.36661.11E-062051.840.8021735.370.459111177.923(NTU)174.323(LMTD)난류44.241.439.43층류평행류15.419.523.25212422.4641.6666.41E-076679.70.9944419.36661.02E-06894.2411.0871916.660.653805355.605(NTU)233.909(LMTD)44.141.739.1대향류22.71915.4521.423.722.5341.6336.41E-076676.11.0358919.03331.03E-06885.4301.0176017.420.670661342.166(NTU)230.093(LMTD)44.540.437.63난류평행류15.217.820.1516.615.115.8340.8336.5E-076590.31.4299417.71.07E-062129.641.7083023.541.018629348.520(NTU)338.777(LMTD)43.540.237대향류19.917.315.5523.621.522.5340.2336.56E-076527.51.3473317.56661.08E-062121.61.5340423.210.955966324.315(N다.

공학/기술| 2010.03.09| 36페이지| 1,000원| 조회(404)

열교환, 기계공학, 열교환기, 열유체, 열유체실험

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