[화공]이중열 교환기 실험보고서

목차

■ 실험제목
■ 목 적
■ 이 론
● 열교환기의 정의 및 종류
● 대수 평균 온도차 (LMTD법)
● 열 교환기의 해석
● 유효도 ε-NTU 법
■ 실험기구 및 방법
■ 결과 및 고찰
■ Reference

본문내용

거운 유체 온도조절기를 동작시켜 약 60℃(온도 콘트롤러에서는 유량에 따라 변할 것이다. 그렇지만 조절하기가 힘드므로 일단 고정적으로 60℃에 맞춰서 실험을 진행한다.)에 맞추고, 유량계를 조절하여 약 1Liter/min의 유량으로 맞춘다. 찬물의 유량은 약 2Liter/min으로
설정하여 정상상태가 될 때까지 기다린다. 각각의 온도표시기는 열교환기의 각 부분의 온도를 표시할 것이다. 그 때의 온도로부터 식(5)를 이용하여 총괄 열전달계수를 측정한다. 같은
과정을 반복하여 뜨거운 물을 0.5, 1.0, 1.5 Liter.min 으로 하여 총괄 열전달 계수를 측정한다.
(주의 : Cold folw heater 키면 안됨..!!)
■ 결과 및 고찰
● 결과
○ 병류에서의 경우
cold water
hot water
2 l/min
1 l/min
62
51
46
15
22
27
15
2 l/min
59
52
48
15
23
28
15
3 l/min
58
53
50
15
24
30
15
Cold flow 2 Liter/min
Hot flow 1 Liter/min
1.20*106
2.58*106
3892
11138
0.0366
Cold flow 2 Liter/min
Hot flow 2 Liter/min
2.09*106
2.58*106
3898
11160
0.0366
Cold flow 2 Liter/min
Hot flow 3 Liter/min
2.89*106
2.58*106
3900
11168
0.0366
*관의 제원
재질 : SS304 (열전도도 = 9.4)
: 1in =
(1) Cold water 2 l/min, Hot water 1 l/min
차가운 물에서 (16)
= 999.03 kg/ m3
A=
k = 0.5884 W/m.K
뜨거운 물에서 1 Liter/min(60)
A=
k=0.6629 W/m.K
뜨거운 물 0.5 Liter/min (60)
A=
k=0.6629 W/m.K
뜨거운 물 2 Liter/min (60)
A=
k=0.6629 W/m.K
● 고찰
산업 공정에서 두 유체 사이의 열전달은 일반적으로 열 교환에서 이루어진다. 가장 일반적인 열교환기의 형태는 뜨거운 유체와 차가운 유체가 서로 직접 접촉하여 열전달이 일어나는 것이 아니라 튜브 벽이나 평판 또는 굽어진 접촉면에 의해 두 유체 사이가 분리되어 있으며 접촉면을 통하여 열전달이 일어난다. 열전달은 뜨거운 유체에서 튜브 벽이나 튜브 표면까지는 대류에 의해 전달되고, 튜브 벽이나 평판에서는 전도에 의해 전달되며 마지막으로 차가운 유체까지는 다시 대류에 의해 전달된다. 온도가 높은 유체와 낮은 유체를 금속판이나 관 벽 사이에 두고 각각 흐르게 하면 고온 유체의 금속 벽을 통하여 저온 유체로 전달된다. 이러한 과정에서 고온유체는 열을 잃고 저온유체는 열을 얻는 열 교환이 이루어지게 된다. 이와 같이 두 유체사이의 열전달이 잘 되도록 만들어진 장치를 열교환기(heat exchanger)라 한다. 열교환기에서의 열전달은 세단계로 나눌 수 있다. 뜨거운 유체에서 관 바깥벽까지는 대류에 의해 열전달이 일어나고 일정한 두께의 관 벽을 통과하는 동안에는 전도에 의해, 관의 안벽에서 찬 유체까지는 대류에 의해 열이 전달된다. 따라서 열교환기의 열전달 속도를 계산할 때 총괄열전달계수를 사용하게 된다. 이 실험을 통하여 이중열교환기를 이용하여 찬 유체의 배출온도를 제어함으로써 시스템 제어에 관한 기본 개념과 이중열교환기의 열전달 특성을 이해하고 열교환기의 와 그리고 Sieder-Tate 방정식을 이용하여 그리고을 구해보고 거리에 따른 온도 변화를 그래프로 그려서 알아보는 것이 이 실험의 목표이다.
Cold flow를 2 Liter/min 으로 고정하고 hot flow를 1,2,3 Liter/min으로 바꾸면서 각각의 온도를 측정했다. Cold flow의 경우
이므로 이므로 관내에는 강제 대류에 의한 열전달이 일어남을 알 수 있었다.
또한 hot flow의 경우에 1,2,3 Liter/min의 경우
각각의 경우에 있어서도 이므로 관내에서 역시 강제 대류에 의해서 열전달이 일어남을 알 수 있다.
그래서 이 실험에서 를 구할 때는 난류에 의한 열전달 방정식 중에서 Sieder-Tate 방정식을 이용하여 그리고을 구하면 된다.
그리고 결과의 그래프를 보면 알듯이 관 거리에 따른 온도의 변화를 보면, 직선형이 나왔음을 알 수 있었다. 유체의 온도가 도관의 한쪽 끝으로부터 다른 쪽 끝까지 변화되고, 유체 특성 가 모두 온도의 함수이기 때문에 의 국부 값도 도관의 지점에 따라 변하게 된다. 이 변화는 관의 길이의 영향에 무관하다. 실제로 도관의 길이에 걸쳐 의 변화가 2:1 보다 크지 않기 때문에 의 평균치는 계산되고 총괄 계수 U를 계산하는데 상수로 사용될 수 있다.이런 과정은 관 길이에 걸쳐 U의 변화를 무시한 것이고, 가열 표면적을 계산하는데 LMTD를 사용할 수 있다. 의 평균치는 평균유체온도(입구와 출구 온도의 산술평균치로 정의된)에서 유체 특성 를 산출해서 계산된 것이다.
결론적으로 이번 실험은 온도가 높은 유체와 열은 금속 벽을 통하여 저온 유체는 열을 얻는 열교환이 이루어지게 된다. 이와 같이, 두 유체사이의 열전달이 잘 되도록 만들어진 장치인 열교환기 중 가장 간단한 이중관 열교환기를 통해 두 유체 사이의 열전달의 특성을 알아보았다.
열교환기에서는 뜨거운 유체에서 관 바깥벽까지는 대류에 의해 열전달이 일어나고 일정한 두께의 관 벽을 통과하는 동안에는 전도에 의해, 관의 안벽에는 찬 유체까지는 대류에 의해 열이 전달된다. 이런 과정을 통해 장치 실험에서 고온 유체의 흐름으로부터 저온 유체의 흐름으로 열이 전달될 수 있는 전도성 벽에 의해 분리된 교환기를 통해 유체가 흐르면서 이 흐름을 통해 찬 유체의 온도를 상승시키고 더운 유체의 온도를 감소시키는 것이다.
■ 참고문헌
1. 열전달 / Holman / 희중당 / 2002 / P 455～485
2. 열전달 / 강영구 / 동명사 / 1998 / P 1～2, 205～210
3. 화공열역학 / Stanley I, sandler / 사이택 미디어 / 2001 / P 82～85

키워드

열교환기,   대수평균 ,   LMTD,   유효도,   결과,   레포트,   열전달,   화학공학