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[화학공학] 열교환기

1. 실험 제목 : 열교환기2. 실험 목적열교환기를 이용한 열 전달실험을 통하여 열 수지를 이해하고, 유체의 유량과 총괄 열전달계수와의 관계를 검토하고 총괄 열전달계수의 개념을 이해하도록 한다.3. 실험 이론○ 열교환기란: 두 물질간에 열에너지의 수수(授受)가 되고 있는 곳에 그 작용을 유효하게 할 목적의 장치로써공정에서는 투입 열에너지의 회수용이나 반응 온도의 유지용으로 혹은 반응 조절용으로 쓰인다.○ 열교환 방법1) 두 유체를 직접 접촉하게 하는 방법2) 이중관식 열 교환기로서 두 유체 사이에 고체벽을 두고 간접적으로 접촉시키는 방법이 있다.○ 이중관식 열교환기1) 향류 및 평행류{★. 향류 또는 병류의 흐름을 갖는 열교환기 ( 개략적인 표시 )- 향류 : 열 교환 장치의 양쪽 끝에서 두 유체가 들어가 그 장치 내에서 서로 반대방향으로 흐르는 흐름{{1Tcb가 Thb보다 높아질 수 있다.2Parallel Type보다 효율이 높다.3△T의 차이가 크지 않다.(△T1 △T2)4온도변화가 서서히 일어난다.→시간이 오래 걸림- 평행류 : 열교환 장치의 같은 끝부분에서 두 유체가 들어가고 그 방향이 같은 흐름{{{1Thb보다 Tcb가 높아질 수 없다.→유체의 최고 온도 제한2Counter Type보다 효율이 낮다.3△T의 차이가 크다.4온도변화가 급속히 일어난다.→단시간에 많은 온도를 올릴 때 사용열 교환기를 설계하거나 또는 성능을 예측하기 위하여 총 열전달률을 입구 및 출구의 유체온도, 총괄열전달계수, 그리고 열전달을 위한 총 표면적의 양과 관련시키는 것이 필수적이다. 이와 같은 관계는 총 에너지의 평형을 고온유체와 저온유체에 적용시킴으로써 쉽게 얻을 수 있다.1. 열 교환기내 에너지 수지q가 고온유체와 저온유체 사이의 총 열전달률이고, 열 교환기와 그 주변사이의 열 전달을 무시할 수 있으며, 열 교환기내의 축일, 기계적 에너지, 위치에너지, 운동에너지 등이 에너지 수지식의 다른항에 비해 아주 적기 때문에 무시하고 교환기를 통과하는 어느 한 흐름에 대한 수지식을 세우면,(Hb-Ha)=q (1-1)q = Q(t) = 흐름내로 들어가는 열 전달 속도Ha, Hb = 입구와 출구에서의 각각의 단위 질량당 엔탈피h(Hhb-Hha)=qh (1-2)c(Hcb-Hca)=qc (1-3)c, h = 찬 유체와 뜨거운 유체 각각의 질량 유속 ( mass flow rate )Hca, Hha = 유입되는 찬 유체와 뜨거운 유체 각각의 단위 질량당 엔탈피Hcb, Hhb = 유출되는 찬 유체와 뜨거운 유체 각각의 단위 질량당 엔탈피qc, qh = 찬 유체와 뜨거운 유체에 각각 가해지는 열의 속도뜨거운 유체가 잃은 만큼의 열량을 찬 유체가 얻기 때문에qc=-qh (1-4)h(Hha-Hhb)=c(Hcb-Hca)=q (1-5)총괄 엔탈피 수지 (overall enthalpy balance)만일 현열만이 전달되고 일정 비열이라고 가정된다면 열 교환기에 대한 총괄 엔탈피 수지는hCph(Tha-Thb)=cCpc(Tcb-Tca)=q (1-6)Cpc = 찬 유체의 비열Cph = 뜨거운 유체의 비열2. 전체 응축기내 엔탈피 수지증기가 과열되지 않은 포화증기 상태로써 응축기로 들어가고, 응축액은 그 포화온도 이하 로 냉각되는 것 없이 그 응축온도로 나간다는 가정하에서 수지식을 세우면hλ=cCpc(Tcb-Tca)=q (2-1)h = 증기의 응축속도λ = 증기의 증발 잠열응축액이 증기의 응축온도 Th보다 낮은 Thb의 온도로 유출된다면 현열량이 추가되어야 하므로h[λ+Cph(Th-Thb)]=cCpc(Tcb-Tca) (2-2)Cph = 응축액의 비열3. 총괄 열 전달계수 (overall heat-transfer coefficient)직렬 고체층을 통과하는 열속 (heat flux)은 구동력, 즉 총괄 온도차 ΔT에 비례한다. 열 교환기에서 구동력은 Th-Tc로 택할 수 있다. 여기서 Th는 뜨거운 유체의 온도이고, Tc 는 찬 유체의 온도이다. Th-Tc항을 총괄 국부 온도차 (overall local temperature difference)ΔT이다. 그림 1에서와 같이 ΔT는 관의 길이에 따라 상당히 변한다. 그리고 열속이 ΔT에 비례하기 때문에, 열속 역시 관 길이에 따라 변하게 된다. 그래서 미분식을 사용할 필요가 있다. 이 미분식은 국부 온도차 ΔT하에서 미분 면적 dA에서 미분열흐름 dq가 일어남을 표시하게 된다. 그래서 국부 열속은 dq/dA이고 국부 온도차 ΔT와 관계 되는 식은{{ dq} over {dA } = UΔT = U(T_h - T_c )(3-1)여기서 U는 dq/dA와 ΔT사이의 비례인자이고 이를 국부 총괄 열전달계수라 한다.A가 관 외부면적 A0일 때 총괄 열 전달계수를 U0, 관의 내부면적 Ai일때의 총괄 열전달 계수를 Ui라 하면{{ U_o} over {U_i }= { dA_i} over {dA_o }= { D_i} over {D_o }(3-2)로 표시할 수 있다.4. 전체 표면에 대한 적분(3-1)식을 열 교환기 총 면적에 대해 적용하기 위해 필요한 가정은 다음과 같다.(1) 총괄계수 U는 일정하다.(2) 뜨거운 유체와 찬 유체의 비율은 일정하다.(3) 대기와의 열 교환량은 무시한다.(4) 병류이든 향류이든 간에 흐름은 정상상태로 간주한다.(5) 관들을 따른 축방향 전도는 무시한다.위의 가정조건(2),(4)는 아래 그림에서 보여주는 바와 같이 Th와 Tc가 q와 직선관계임을 알 수 있다.Tc와 Th가 q에 대해 직선적으로 변한다면 ΔT도 마찬가지로 되고, q에 대한 ΔT의 기울 기 d(ΔT)/dq도 일정하게 되므로{{ d(ΔT)} over { dq} = { ΔT_2 - ΔT_1} over {q_T }(4-1)ΔT1, ΔT2 = 접근단{q_T= 전체 교환기 내에서의 열 전달 속도식(3-1), (4-1)로부터 dq를 소거하면{{ d(ΔT)} over { UΔTdA } = { ΔT_2 -ΔT_1} over {q_T }(4-2)ΔT와 A를 변수 분리한 후 적분하면{INT _{ ΔT_1}^{ΔT_2 } { d(ΔT)} over {ΔT } = { U(ΔT_2 -ΔT_1)} over {q_T } INT _{ 0}^{A_T } dA(4-3){ln { ΔT_2} over {ΔT_1 } = { U(ΔT_2 -ΔT_1)} over { q_T}A_T(4-4){q_T = U A_T { ΔT_2 -ΔT_1} over {ln(ΔT_2 /ΔT_1 )}= UA_T overline ΔT_L(4-5)여기서{overline{Δoverline T_L = {ΔT_2 - ΔT_1 } over {ln(ΔT_2 /ΔT_1 ) }(4-6)여기서 (4-6)식은 대수평균 온도차로 정의한다.다시정리해서쓰면,{U_0{}={}m_c {}c_pc {}{({}T_cb{}-{}T_hb {})} over {({}A_0 {}×{}ΔT_L {} )}{A_i; 내관의 내부 표면적 {= ΠD_i L{A_0; 내관의 외부 표면적 {= ΠD_0 L{D_i; 내관의 내부 직경{D_0; 내관의 외부 직경{x; 내관의 두께{L; 내관의 길이{U_i; 내관의 내부 표면적을 기준으로 한 총괄 열전달 계수{U_0; 내관의 외부 표면적을 기준으로 한 총괄 열전달 계수{ΔT_L; 대수 평균 온도{ΔT_L{= {}{({}ΔT_2 {}-{}ΔT_1{})} OVER {ln{}( ΔT_2 OVER ΔT_1 )}병류 : {ΔT_L= {{(T_6 -T_5 )-(T_1 -T_2 )} OVER {ln {{(T_6 -T_5 )} OVER {(T_1 -T_2 )}}}향류 : {ΔT_L={{(T_6 -T_2 )-(T_1 -T_5 )} OVER {ln {{(T_6 -T_2 )} OVER {(T_1 -T_5 )}}}○ 열교환기 그림{4. 실험방법(1) Heater에 연결된 Voltage transfer를 임의로 조절하여 일정온도와 유량을 유지시킨다.(2) 온도와 유량을 아는 cold water를 통과시킨다.※ Thermal conductivity, tube and shell : 395 W / M℃※ Thermal conductivity, insulation : 0.048 W / M℃(3) 정상 상태가 될 때까지 각 점의 온도를 읽는다.정상 상태가 유지되면 각 점의 온도를 기록한다.(4) 각 유체의 온도와 유량을 변화시켜 동일 실험을 반복한다.(5) 흐름을 Counter flow에서 Parallel flow로 바꿔 반복한다.5. 참고문헌단위조작, Maccabe, Macgraw Hill단위조작실험, 이평웅, 청문각단위조작, 이화영 외 3 공역, 喜重堂, 제5판

공학/기술| 2002.05.17| 7페이지| 1,000원| 조회(661)

실험, 화학공학, 열교환기

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