열전달熱傳達 설계 최종 보고서-Heat Exchangers that condensed benzene vapor

소개글

열전달熱傳達 설계 최종 보고서-Heat Exchangers that condensed benzene vapor에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1.열교환기
2.설계과제
3.비고 및 고찰
참고문헌

본문내용

가 흐른다. 관의 외부에서 흐르는 유체는 다발 내부를 흐르는 유체의 총체적인 흐름의 방향과 같은 방향이거나 또는 반대방향이 되도록 할 수 있다. 또 다른 방식으로는 찬 유체를 가열 면을 형성하는 관들과 평행하게 흐르도록 분포시키고, 그 관들의 끝부분에서 다시 모이게 하는 방식이 있다.
열교환기에서 뜨거운 유체로부터 찬 유체로 열을 전달하는데는 여러 물리적인 과정이 포함되어있다. 고체의 벽을 통하여 한 표면에서 다른 쪽 표면으로 열이 흐르는 과정을 열전도라고 한다. 이것은 특별한 방법으로 시각화해야 하는데 즉, 벽의 각 원자는 그 에너지를 낮은 온도의 이웃 원자에게 줌으로 벽의 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 열에너지를 전달한다. 이 열속을 만드는 데 필요한 온도 차이는 벽의 두께, 벽 표면의 면적, 그리고 벽의 열전도율과 관계가 있다.
유체의 고체 표면으로의 열전달은 부분적으로 전도에 의해 일어나는데, 열전달에는 유체가 열교환기를 통해 이동하면서 열도 같이 따라서 이동하는 과정이 부가된다. 이 과정은 대류라고 부르며 흐름의 성격에 의존한다. 자연에서 발생하는 흐름에는 2가지 형태가 있다. 하나는 층류라고 불리며 유체의 입자들이 서로 나란히 매끄럽게 움직이는 것이다. 또 다른 하나인 난류의 조건에서는 파동과 소용돌이가 계속해서 생겼다가 없어지곤 한다. 이러한 소용돌이가 평균적인 흐름에 겹쳐지면 유체입자들이 계속해서 혼합된다. 관 내부의 흐름이 층류 또는 난류인가는 관의 지름, 유체의 속도, 유체의 점성과 관계가 있다. 속도와 관의 지름이 작고 점성이 클 때의 흐름은 층류적인 경향을 띤다. 예를 들면 층류는 기름 냉각기에서 나타나는데 이는 기름의 점성이 크기 때문이다. 물과 같은 액체 또는 기체를 사용하는 열교환기는 대개 난류로 동작한다. 유체 내에서 관 벽으로의 층류의 열전달은 주로 전도로 일어나는데, 따라서 열전달은 유체의 열전도율과 관의 지름에 의해 결정되어진다. 액체는 기체보다 열전도율이 상당히 크며 따라서 더 빨리 열을 전달한다. 액상 금속은 특히 큰 열전도율을 갖기 때문에 작은 온도차로 큰 열량을 전달해야 하는 공학적 응용분야에 주로 쓰인다. 핵반응로 중에서도 열전달 매체로서 액상금속을 사용하는 것이 있다. 위에 설명된 난류의 혼합과정은 유체내에서 관벽으로 열을 전달하는 3번째 기구이다. 이 과정이 유체의 속도에 크게 의존하는 것은 이해가능한 일이다. 따라서 난류에서의 열전달은 층류에서 보다 더 크다.
2]열교환기의 종류
1) 원통다관식 (Shell&Tube) 열교환기
가장 널리 사용되고 있는 열교환기로 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있으므로 적용범위가 매우 넓고, 신뢰성과 효율이 높다.
2) 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기
외관 속에 전열관을 동심원상태로 삽입하여 전열관내 및 외관동체의 환상부에 각각 유체를 흘려서 열교환 시키는 구조이다. 구조는 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열 면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결 시킬 수가 있다.
3) 평판형 (Plate Type)열교환기
유로 및 강도를 고려하여 요철(凹凸)형으로 프레스성형된 전열판을 포개서 교대로 각기 유체가 흐르게 한 구조의 열교환기이다.
4)공냉식 냉각기(Air Cooler)
액체 혹은 기체연료를 버너를 이용하여 연소시키고 이 때 발생하는 연소열을 이용하여 튜브 내의 유체를 가열하는 방식이다.
5) 가열로 (Fired Heater)
탱크나 기타 용기내의 유체를 가열하기 위하여 용기 내에 전기 코일이나 스팀 라인을 넣어 감아둔 방식이다.
2.설계과제
문제) 시간당 4000kg의 벤젠증기를 응축기를 사용하여 응축시키려 한다. 응축기를 설계하라.
1) Shell-tube type 열교환기에서 Shell : Benzene
Tube : Water
2) 냉각수의 유입온도 : 303K 벤젠증기의 온도 : 353K
3) 나머지 응축기의 종류, 재질, 튜브의 종류, 재질 , 길이, 냉각수 출구의
온도 등은 각 조에서 임의로 설정하라.
4 )경제성을 반드시 고려해야 한다.
1]문제
2]열교환기 설계.
3]Solution.
1) Aspen plus를 이용하여 simulation.
2]효율
= ≒ 98.6%
효율성 : 98.6%
3]경제성
▶ Tube 개수 = 200개
tube 1개 길이 : 2.4384meter
stainless Tube 1개 : 103.68$
103.68$ × 200개 = 2384$ = 23,431,680원
▶ 면적 = 29m² = 3244950.08
stainless plate 1개 : 2247.20$
2247.20$ = 239,575원
▶ 인건비 기타 비용 ≒ 2,000,000원
▶ Total 23,431,680원 + 239,575원 + 2,000,000원 = 25,671,255원
3.비고 및 고찰
1]결과
- 효율 : 98.4%
- 면적 : 20.9m²
- 설계비용 : 25,671,255원
- 벤젠의 온도차 : 0.0237K
- 물의 온도차 : 26.39K
2]비고 및 고찰
이번 설계를 통해 Aspen Plus의 사용방법과 열교환기에 대하여 알게되었습니다.
열교환기 설계를 하는동안 Aspen Plus를 사용하여야 하는데, 수치를 입력 하고 simulation을 진행 하면 자꾸 오류가 떠서 어려움을 격었습니다. 설계 하는 동안 경제성과 효율성에 초점을 두고 설 계를 하려고 노력하였으나, 생각만큼 쉬운 일이 아니였습니다. 효율계산시 열면적이 작을수록 효 율이 높아지는것을 공식을 통해 알수 있었다. 이번 열전달 설계를 통해 그동안 책으로만 듣고 배 운 이론을 직접 응용하여 활용하는 법을 배울 수 있었던 시간이었다.
3]참고문헌
- http://blog.naver.com/rokmc9378?Redirect=Log&logNo=60192435744
- http://www.sial.co.kr/function/order/order.asp?ID=SEARCH&BRAND=FLU&CatNo76
- http://www.onlinemetals.com/basket.cfm?pidadd=926&CFID=1163684&CFTOKEN=23206047

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열전달,   설계 최종 보고서,   Heat Exchangers that condensed benzene vapor