이중관식열교환기실험

목차

1. ABSTRACT-----------------------------------------------------1

2. INTRODUCTION-------------------------------------------------2
　2.1 열교환기-------------------------------------------------2
　2.2 이중관식 열교환기(double pipe heat exchanger) ------------2
　2.3 이중관 열교환기의 열 수지식-------------------------------3
　2.4 대수 평균 온도차-----------------------------------------3
　2.5 대류(Convection) -----------------------------------------4
　2.6 고체벽을 사이에 둔 유체간의 열전달-----------------------4
　2.7 총괄 열전달계수------------------------------------------5

3. EXPERIMENTAL-------------------------------------------------7
　3.1 실험기구-------------------------------------------------7
　3.2 실험방법-------------------------------------------------7

4. RESULT & DISCUSSION-----------------------------------------8
　4.1. Raw Data-----------------------------------------------8
　4.2 Result--------------------------------------------------9
　4.3 DISCUSSION----------------------------------------------14

5. CONCLUSION ------------------------------------------------17

6. REFERENCE -------------------------------------------------19

본문내용

열이 옮겨가는 전도로 구분 할 수 있다.
일반적으로 전열량은 따뜻한 유체에서의 전열량과 차가운 유체에서의 전열량이 같다. 그러나 계산결과 그 차이가 0~900(kcal/h)가 났다. 이는 온수의 온도가 내려간 만큼 냉수의 온도가 올라가야 하는데 온수의 입출입 온도와 냉수의 입출입 온도 차이가 같지 않기 때문이다. 또한 유속도 전열량의 차이에 영향을 줄 수 있다. 유량 조절시에 수동으로 작동하므로 처음 유량을 정했을 때보다 유량이 올라가거나 줄어든것을 관찰 할 수 있었다. 그리고 온수의 유량 조절시 Flow meter가 투명하지 않고 주황색의 오염 물질이 묻어 있어서 2.0L/min 이상의 유량은 추가 잘 보이지 않아서 특히 유량을 맞추기 힘들었다. 따라서 전체 온수와 냉수의 전열량은 산술평균을 이용하여 계산하였다.
총괄 전열 계수는 Ui 와 Uo가 같아야 한다. 그러나 이 역시 40~100(kcal/m2h℃)의 차이를 보였다. 이 역시 전열량과 마찬가지로 냉수와 온수의 온도차가 각각 다르며 전열량에 차이를 줬던 유속 또한 총괄 전열 계수의 차이에 영향이 된다. 또 다른 원인으로는 물의 밀도를 대수 평균 온도차에 따라서 다르게 적용 하여야 하는데 1g/cm3로 통일을 하여 계산한 것을 생각 할 수 있었다.
이번 실험에서의 열효율은 병류에서 27.3501%, 향류에서 26.9911%으로 이론적으로는 향류가 열효율이 높은데 실험상에서는 병류가 높게 나왔다. 하지만 약 0.4%으로 결론적으로는 별 차이가 없는 것으로 나타났다. 이는 대수 평균 온도차가 향류와 병류가 차이가 많이 나지 않기 때문이며 장치의 전열 길이가 1.5m로 길지 않기 때문에 실험실 규모의 장치로서는 효율의 차이를 많이 확인 할 수 없다. 또한 열 교환기 자체가 금속으로 이루어져 있기 때문에 열이 비교적 공기중으로 빠져 나갈 수 있다. 이에 의해서도 열효율 차이가 날 수 있다. 따라서 열 교환기의 동관의 길이를 늘리거나 열 교환기가 단열이 되었다면 정확한 값을 산출 가능함은 물론 열교환기의 효율을 높일 수 있을 것이다.
5. CONCLUSION
이번 실험은 이중관 열교환기의 기본 개념과 병류와 향류일 때 각각의 열교환기의 효율을 이해하는 것이다. 이중관 열교환기는 기본적으로 따뜻한 유체와 차가운 유체를 두 개의 관으로 지나가게 하여 따뜻한 유체의 온도를 내리게 하는 장치이다. 열이 전달되는 과정으로는 따뜻한 유체가 고체관에 그리고 고체관이 차가운 유체에 열을 전달하는 대류와 고체관 내부벽에서 외부벽으로 열을 전달하는 전도가 있다. 따라서 이중관 열교환기의 전열량은 2번의 대류 과정과 한번의 전도 과정의 각각의 전열량을 더해서 구한다. 이 전열량에 의해서
A와 대수평균온도차를 계산하면 총괄 전열계수 U를 계산 할 수 있다. 대수평균온도차는 향류와 병류에서의 입구, 출구 온도차가 다르기 때문에 사용 하는 것으로 자연로그를 사용하여 구하는 경우도 있고 산술평균으로 간단하게 구하기도 한다.
실험 방법은 제일 먼저 보일러 측면의 액면계의 3/4정도가 되도록 물을 채워주고 냉각수 호수와 수도를 연결하였다. 다음 병류흐름에 맞게 밸브를 조절하고 온도조절기를 이용하여 온수의 온도가 70도가 되도록 설정하였다. 온도가 다 올라가면, 온수와 냉각수가 흐르도록 한 후 유량조절계로 유량을 조절하였는데, 각각 4L/min, 2.4L/min, 0.8L/min으로 하여 9번의 실험을 하였다. 다음에는 향류흐름에 맞게 밸브를 조절하고 유량조절계를 이용하여 병류때와 같게 유량을 조절하여 9번의 실험을 하였다.
이 실험을 통해 온수와 냉각수의 초기온도와 나중온도를 측정하였다. 이 값을 열 수지식에 대입하여 전열량을 구하였는데 열수지식은 다음과 같다.
이 식에서 S와 W는 온수와 냉각수의 유속이고, 와 는 물의 비열, T는 각 온수와 냉각수에서 관의 초기온도와 나중온도를 나타낸다. Raw Data에서 얻은 온도차를 이용하여 대수온도차()도 구하는데 대수온도차를 구하는 공식은
이다. 그리고 전열속도식을 이용하기 위해서는 표면적 값을 알아야 하는데, 내관의 내 표면적인 값과 내관의 외 표면적인 값을 먼저 구한 후에 이 값을 이용하여 값을 구하였다. 이때 사용한 공식은,
이다. 대수온도차와, 표면적과 전열량을 이용하여 총괄전열계수를 구하는데, 총괄전열계수를 구하는 식은
이므로 이식을 다시 나타내면,
, ,
로 쓸 수 있다. 이 식을 이용하여 병류일 때와 향류일 때의 값을 구하였다.
다음 열효율을 구해보았는데, 열효율을 구하는 공식은 다음과 같다.
위의 식들을 이용하여 전열량, 총괄전열계수, 향류와 병류의 열효율을 구하였는데, 전열량과 총괄전열계수에서는 냉수와 온수의 온도차 및 대수평균 온도차가 일정하지 않음과 유량 변화의 불확실성 때문에 오차가 나타난 것으로 보인다. 열효율은 향류 흐름일 때는 평균 26.9911%였고, 병류 흐름일 때는 27.3501%였다. 이론상으로는 향류 흐름일 때의 열효율이 병류 흐름일 때보다 높아야 하지만 우리가 얻은 실험 결과로는 병류 흐름이 더 좋게 나왔다. 하지만 결론적으로는 0.4% 차이밖에 없었기 때문에 같다고 할 수 있다. 이론적으로 향류가 열효율이 높은 이유로는 입구 온도와 출구 온도에서 향류 열교환기의 대수 평균 온도차가 병류보다 언제나 크기 때문이다. 따라서 열교환기는 향류로 배열 하는 것이 보통이다. 하지만 이번 실험에서는 동관의 단열 여부도 확실치 않고 동관의 길이도 1.5m로 짧은 편이기 때문에 병류와 향류의 대수 평균 온도차가 크지 않았다. 또한 Figure. 1 ~4에서 살펴본 결과 유속이 감소함에 따라 총괄전열계수 또한 감소하며 2.40~0.8L/min에서 특히 크게 감소하는 것으로 나타났다. 또한 총괄전열계수는 유체의 냉수 보다 온수의 흐름형태에 영향을 많이 받는 것으로 나타났다
6. REFERENCE
6.1 고완석, 심현호 외 3명, Unit Operations of Chemical Engineering (3rd), p.83~155
6.2 http://100.naver.com/
6.3 2010년 화학공학실험 교재
6.4 화학공정실험(2010,03) 임연호 교수님 ppt자료

키워드

이중관식,   열교환기,   화공실험