이중관 열교환기 실험_예비레포트 [A+]

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이중관 열교환기 실험_예비레포트 [A+]에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 바탕 이론
3. 실험 기기
4. 실험 방법
5. 참고문헌

본문내용

,
열교환기의 입구부터 출구까지 적분하면,
두 식을 대입 후 정리하면 대수평균 온도차의 최종식을 유도할 수 있다.
3. 실험 방법
(6) 총괄 열전달 계수
① 고체 벽에서의 열전달
- 고온 유체에서 관의 바깥 벽까지는 대류에 의한 열전달이 일어나고, 일정한 두께의 관 벽을 통과하는 동안에는 전도에 의한 열전달이 일어나며 관의 안쪽 벽에서 저온 유체까지는 대류에 의한 열전달이 일어난다. 그렇기 때문에 열교환기의 열전달 속도를 계산할 때 총괄열전달 계수를 사용하게 된다.
FIg 4. 고체 벽에서의 열전달
여기에서 고온 유체, 고체 벽, 저온유체의 단위면적당 전열속도식을 각각 표현하면
- 고온유체에서의 전열속도 :
- 고체 벽에서의 전열속도 :
- 저온유체에서의 전열속도 :
이 때, Q : 전열속도 [kcal/hr], A : 열 흐름의 수직면적 [m2], h : 대류 열전달 계수 [kcal/m2hrK] , k : 열전도도 [kcal/mhrK] 이다.
정상상태 가정과 대류의 전도 식들을 모두 더하여 정리하면 다음과 같은 식이 성립하고, 다음 과정에 의해 고체 벽에서의 총괄 열전달계수를 유도할 수 있다.
이 식을 다르게 고쳐 쓰면,
따라서 다음 식을 유도할 수 있다.
② 이중관 열교환기에서의 열전달
- 이중관식 열교환기는 고체 벽에서와는 달리 면적이 일정하지 않기 때문에 단면적이 변화하는 것에 대한 미분식이 필요하다. 따라서 퓨리에의 열전도 법칙을 사용하고, 이를 이용해 적분하고 정리하면 다음과 같은 유도 과정에 따라 이중관 열교환기에서의 고체 벽에서의 열전도식을 유도할 수 있다.
여기에서 고온 유체, 고체 벽, 저온유체의 단위면적당 전열속도식을 각각 표현하면
- 고온유체에서의 전열속도 :
- 고체 벽에서의 전열속도 :
- 저온유체에서의 전열속도 :
Fig 5, 6 . 이중관 열교환기에서의 열전달
고체 벽에서와 마찬가지로 정상상태 가정과 대류의 전도 식들을 모두 더하여 정리하면 다음과 같은 식이 성립하고, 다음 과정에 의해 이중관 열교환기에서의 총괄 열전달계수를 유도할 수 있다.
이 식을 다르게 쓰면,
마찬가지로 연립해주면 내관과 외관에서의 총괄 열전달계수는 다음과 같이 구할 수 있다.
- 내관에서의 식
- 외관에서의 식
(7) 열교환기의 효율 - 유용도-NTU 법
- 유용도-NTU 법은 열교환기의 크기와 질량 유량, 입구의 온도를 알고 있을 때 열전달률과 출구온의 도를 구할 수 있는 방법이다. 크게 유용도와 전달 단위수, 용량률을 이용해 나타낼 수 있다.
- 유용도
- 전달 단위수 ( NTU, Number of Transfer Unit )
- 용량률 ( C, Capacity ratio )
위 개념들을 이용해 향류와 병류에서의 유용도와 NTU 의 관계식을 나타내면 다음과 같다.
이중관 열교환기의 형태
유용도 관계식
향류
병류
이중관 열교환기의 형태
NTU 관계식
향류
병류
Table 2. 향류와 병류에 따른 유용도와 NTU 관계식
(8) 난류 유동에서의 열전달
Table 3. 난류 유동에서 사용되는 무차원수
레이놀즈수가 10000 이상인 매끈한 관 내의 유동은 완전한 난류 상태라고 가정할 수 있다. 이때 Table 3에서의 3가지 무차원수를 사용하여 대류 열전달계수를 구할 수 있는데, 이 3가지 수는 관성력과 점성력의 비인 레이놀즈수, 그리고 대류와 전도의 비인 너셀트수, 마지막으로 속도 경계층과 열 경계층의 상대적 두께를 나타내주는 프란틀 수이다.
디터스 볼터식은 유체의 상이 변화할 때, 달라지는 n의 값을 적용한 식입니다. 다음과 같이 유체가 가열되는 경우 n=0.4, 냉각되는 경우 n=0.3으로 달리 적용하여 누셀트 수를 계산할 수 있다. 또한 관의 지름과 열전도도 k는 측정 가능하므로 누셀트 수를 이용해 대류 열전달계수 h를 구할 수 있다. 두번째로 시에더 테이트 식은 유동에서의 온도차가 큰 경우에 적용할 수 있는 식으로 관의 벽과 유동의 중심부분 사이에서 유체의 성질이 변할 때 이용할 수 있는 식이다. 이 때 유체와 관 벽의 온도에서의 점도비로 다음과 같이 보정함으로써 누셀트 수를 구할 수 있고 디터스 볼터식에서와 같이 대류 열전달계수 h도 구해낼 수 있다.
- Dittus - Boelter식
- Sieder - Tate 식
3. 실험 기기
- 이중관 열교환기
Fig 7. 이중관 열교환기의 구조
4. 실험 방법
Fig 8. 향류와 병류에서 다르게 조정하는 밸브의 모양
① 수증기 응축 열교환기의 외관에 뜨거운 물을 보내고, 내관의 밸브를 조절해
Reynolds Number ≥ 10,000 의 난류가 되도록 유량을 조절하여 냉수를 보낸다.
② 정상상태가 되면 내관 출입구의 온도를 측정한다.
③ 물의 온도를 조절하기 위해 수증기의 압력을 변화시킨다.
④ 수증기의 소비량을 알기 위해 응축물의 양을 측정한다.
⑤ 향류 또는 병류가 되도록 밸브를 Fig 8과 같이 조절해 각 지점에서 온도를 측정한다.
⑥ 모든 실험은 정상상태에서 진행하며 4번 이상의 유속을 변화시켜 실험치를 얻어야 한다.
※ 실험 시 주의사항
- 유체의 흐름 방향을 반복해서 확인해 향류와 병류를 잘 구분할 수 있도록 한다.
- 탱크 안에 물이 없는 상태로 전원을 작동하면 전기 공급의 과열로 인해 단선될 수 있으니 물을 채우고 나서 전원을 작동해야 한다.
- 밸브의 조작법을 충분히 숙지한 뒤에 실험을 진행해 오작동이 없도록 한다.
- 고온 유체의 온도가 80가까이 되므로 화상에 입지 않도록 유의해야 한다.
- 내관의 밸브를 조절하여 레이놀즈 수가 10000 이상의 완전한 난류가 되도록 유입되는 유체의 속도를 조절해야 한다.
- 정상상태를 유지한 상태에서 실험을 진행해야 올바른 결과값이 나오기 때문에 유의한다.
5. 참고 문헌
[1] Yunus A. Cengel, \'열전달\', McGraw-hill, 2017, 17~29p, 237~238p, 357~378p
[2] ‘2019년 3학기 2학기 실험노트’
[3] 2019년도 3학년 2학기 3조_이중관 열교환기 예비세미나 PPT
[4] Keith Sherwin, \'공업열역학‘, 사이텍미디어, 1999, 308~310p

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