화공실험-이중관 열교환 [결과레포트]

본문내용

온도를 측정했기 때문에 향류와 병류간 입구와 출구의 온도차이가 작았고 또한 열전달계수에서도 아주 작은 차이만을 얻을 수 있었다.
관내 열전달 계수 Ui와 관외부에서의 열전달계수 Uo의 차이에서 우리는, 실제 실험 조건이 온도 변화와 유체의 이동거리가 같은 상황에서 열전달 면적만이 다른 상황이므로 Uo은 Ui보다 작아질 수 밖에 없다는 것을 확인하였다. 유량이 증가함에 따라 열손실은 커질 것이라 예상 했는데 다행히도 그 면적의 차이가 커서 적당한 결과값을 얻어낼 수 있었다.
사실, 다른 실험을 수행할 예정이었던 우리 조는, 여러 가지의 이유로 다른 조가 이미 어느 정도 진행하고 있던 본 실험을 중간부터 참여하게 되었다. 이로 인하여 초기의 결과 값들은 이 결과 값이 적당한 결과 값인지의 여부를 확인 할 수 없었다. 단순히 결과치만 놓고 판단컨대, 예상했던 것만큼의 큰 오차는 그다지 발견되지 않은 듯하다. 이는 결국 이 실험이 일반적인 열전달 계수의 성질과 어느정도 일치하는 결과를 얻었으므로 실험을 제대로 수행하였다고 결론지을 수가 있다.
3. 문제
2-1. 물의 평균 열용량은 어떻게 구하는가?
위 식은 이상기체뿐만 아니라 일반적으로도 사용되고 일반적으로 값은 다음 식을 사용한다.
이 식을 위에 대입하여 적분하면
로 쓸 수 있다.
산술 평균을 이용하여 다음과 같이 쓰기도 한다.
(단, )
상수는 많이 알려져 있어 쉽게 구할 수 있다.
2-2. 식(2-3)은 어떤 가정에서 타당한가? 또 ΔT1=ΔT2 라면 이 식은 어떻게 표현되는가?
(2-3)
위 식은 로부터 출발하여 유도되는데 그 가정은
① U는 일정하다.
② Cp는 일정하다. (즉, 온도에 대해 열용량은 Weak function)
③ 대기와의 열교환은 무시한다.
④ 정상상태의 흐름이다.
특히 ②,④의 가정으로부터 ΔT는 Q에 선형으로 비례하게 되고
으로 가정하여 적분하여 (2-3)식이 유도된다. 만일 ΔT1=ΔT2 라면 =0 이 되고 이로부터 ΔT=const. 가 되어 ΔTm(LMTD)를 쓰지 않고 직접 ΔT1=ΔT2=ΔT로 사용하여 가 된다.
2-3. 실제로 사용되는 열교환장치에는 어떤 것들이 있나?
§단일 통과 열 교환기
단순 이중관 교환기는 몇 개의 관으로 쉽게 처리할 수 없는 유량에는 부적합하다. 여러 개의 이중관을 병행하여 사용한다면 외관에 필요한 재질의 무게가 너무 커지기 때문에 동체가 여러 관에 기여할 수 있는 다관 원통형 구조가 더 경제적이다. 이 교환기는 한 번의 동체측과 한 번의 관측 통과가 있으면 1-1exchanger라고 한다.
교환기에서 동체측과 관측 열전달계수는 비교적 중요하고, 이들 값은 만족할 만한 총괄계수가 되려면 아주 커야만 한다. 동체측의 십자류와 평균 속도를 증진시키기 위해 장애판을 설치한다.
§1-2 평행 향류 열교환기
1-1교환기는 그 한계점이 있다. 보다 고유속, 보다 짧은 관, 그리고 팽창문제에 대한 만족할 만한 해결책은 다중통과구조에 실현성이 있다. 다중통과구조에서는 유체통로의 단면적을 감소시켜 유속이 증가하면 열전달계수는 그에 상당하는 증가가 따르게 된다. 단점은 교환기가 약간 더 복잡하게 되고 큰 유속과 입구 출구 손실의 증가 때문에 그 장치를 통한 마찰손실이 증가되는 것이다. 그 예로 4통과 교환기의 관내 평균 속도는 동일 개수와 크기를 가진 관으로 같은 액체 흐름 속도에서 조작되는 단일 통과 교환기 내 평균속도의 4배이다 그러면 관측 계수는 3배정도 좋아지나 압력강하는 48.5배정도가 된다. 그래서 가장 경제적인 설계는 관에서 펌핑에 소요되는 동력비 증가분이 장치비 감소분으로 상쇄되는 그런 속도를 요구한다. 너무 낮은 속도는 펌핑동력이 절감되나 지나치게 큰 교환기가 요구된다. 너무 큰 속도는 초기 교환 비용이 절감되나 동격비에서 그것을 보충하는 것보다 더 큰 비용이 들게된다.
§ 2-4 exchanger
1-2 교환기는 평행류 통과 때문에 이 교환기는 한 유체의 출구온도가 다른 유체의 입구온도에 근접되게 할 수 없다. 같은 제한조건을 다른 방법으로 설명하면, 열회수가 그 기본 구조상 빈약한 것이다. 더 좋은 열회수는 2 Shell pass가 되도록 원통길이에 따라 장애판을 부착함으로써 얻을 수 있다. 이런 종류의 교환기는 이중관 열교환기의 성능과 거의 같으나 동체측 장애판 비용 때문에 자주 쓰이지 않는다.
§ 평판형 교환기
저압 또는 중간압력에서 유체들간 열전달에 쓰이는 평판형 교환기는 eekrhksdnjs통형 교환기와 경쟁적이다. 보통 주름잡힌면으로 된 금속판이 테에 부착된 것인데, 뜨거운 유체는 평판의 하나 걸른 짝 사이를 통과하고 찬 유체는 그 인접공간을 흐르면서 열이 교환된다. 평판은 전형적으로 5mm간격으로 유지된다. 이것들은 청소할 때 쉽게 분리할 수 있고 평판을 더 끼움으로써 간단하게 면적을 늘릴 수 있다. 다관원통형과는 달리 다중 부하용으로 쓰일 수 있는데, 이것은 여러 개의 다른 유체가 그 교환기의 각각 다른 부분을 통해 흐를 수 있어서 서로 섞이지 않고 분리된 상태을 유지할 수 있다. 평판형 교환기는 점도가 높은 유체에도 비교적 효과적이다.
§응축기
증기의 증발잠열을 제거함으로써 그 증기를 액화시키는 데 쓰이는 열전달 장치를 응축기라 한다. 그 증발 잠열은 냉각제라 하는 찬 액체로 흡수시켜 제거된다. 냉각제의 온도가 응축기 내에서 상승하기 때문에 이 장치는 가열기로서도 작용한다. 그러나 기능적으로 응축작용이 중요하므로, 그 이름이 쓰이는 것이다. 응축기는 다관 원통형 응축기와 접촉형 응축기로 나누어지는데 전자는 웅축증기와 냉각제가 관형 열교환표면에 의해 분리되나 후자는 냉각제와 증기흐름이 물리적으로 서로 혼합되어 단일흐름으로서 응축기를 나타낸다.
6. 참고문헌
― McCabe, Smith, Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering 5th Edition, McGRAW-HILL, 1993 Singapore
― Bird. Transport Phenomena
― Smith van ness, Thermodynamics for Chemical Engineering McGRAW-HILL, 1993

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