이중관 열교환기의 특성 실험

목차

⒈ 실험 목적

2. 기본 이론

3. 실험 장치

4. 실험 순서

5. 실험 결과 및 분석

6. 토의 사항

본문내용

대되는 개념인데 저항이 크면 열전달이 잘 안되는 것이고 이 계수는 크면 열전달이 잘 되는 것을 나타낸다.
위의 식으로 계산해서 병류와 향류에 대한 총합열전달 계수의 평균을 내보면 병류는 0.976 [W/㎡·˚C] 이고 향류는 1.116 [W/㎡·˚C] 이다. 따라서 같은 조건에서 향류가 병류보다 열을 잘 전달한다고 할 수 있다.
6. 토의 사항
⑴ 병류 열교환기와 향류 열교환기의 열교환 특성을 비교 설명하라.
각 유량에 따른 비교보다는 그 평균값을 각 열교환기의 특성을 비교해보자.
ⓐ실험의 결과로 볼 때 향류의 마지막 실험은 신뢰도가 많이 떨어진다. 그 이유는 에네지 손실이 -0.440[W] 인데 이것은 열전대가 가지는 오차범위를 훨씬 벗어나는 것이기 때문이다. 따라서 이 실험 회차를 제하고 평균을 내면 에너지 손실이 -0.004[W]라는 결과를 얻을 수 있다. 이는 오차범위보다 훨씬 작은 값이므로 신뢰할 수 있다.
이에 비해서 병류의 에너지 손실은 0.064[W]로 향류보다 많다. 따라서 우리가 실험한 결과를 토대로 본다면 향류 열 교환기가 병류 열 교환기 보다 에너지 손실이 작다고 할 수 있다.
ⓑ열전달의 속도를 비교해 보기 위해서 대수 평균 온도차를 비교했는데 향류 열 교환기가 열전달이 이루어지는 속도면에서 병류 열 교환기 보다 뛰어나다고 할 수 있다.( 실험 결과만으로 본다면...) 대수평균온도차(LMTD)의 평균값을 보면, 그 차이가 미세하긴 하지만 병류(19.951)가 향류(19.651)에 비해 다소 큰 것을 알 수 있다. 따라서 열전달계수는 향류가 병류에 비해 더 크게 되고(반비례 관계) 이는 향류열교환기의 열전달 속도가 더 뛰어남을 의미한다.
열전달 계수는 앞에서 설명했듯이 저항과는 반대 되는 개념으로 계수가 클수록 열전달은 더 잘된다는 의미가 된다. 병류의 총합 열전달계수는 0.976[W/㎡·˚C]이고, 향류는 1.116[W/㎡·˚C]이므로 향류가 더 크다.
ⓒ병류와 향류 둘다 온수에서 냉수로 열이 전달 되는 시간은 같다고 한다면 열전달 속도가 빠르다는 것은 결과적으로 냉수가 더 많은 열을 얻게 되고 따라서 에너지의 손실도 작아진다고 할수 있다. 그러므로 위의 두가지 결과는 타당성이 있다고 생각된다.
ⓓ이제 유용도(평균값) 면에서 살펴보면 병류는 29.547%이고 향류는 32.746 %이다 즉 향류가 더 효율적이라는 결론이 나오게 된다. 이 결론은 위의 결과와 일치하는 것이다.
⑵온수가 잃은 열량과 냉수가 얻은 열량의 차이를 줄기기 위한 방법을 논하여라.
ⓐ실험 결과로 본다면 우선 병류 열교환기보다는 향류 열교환기를 사용하는 방법이 있다.
ⓑ하지만 이론적으로 보면 더 중요한 것은 온수가 잃은 열량과 냉수가 얻은 열량이 같아지기 위해서는 외부와의 열교환이 없어야한다. 따라서 열량의 차이를 최대한 줄이는 방법은 외부와의 열교환을 효과적으로 차단하는 것이다. 즉, 열교환부를 외부로부터 철저히 단열하는 것이 열량의 차이를 출이는 가장 적절한 벙법이다.
ⓒ실험결과를 보면 두 유체사이의 유량차가 적을수록 에너지 손실이 적은 것을 볼수 있다. 그러므로 온수가 잃은 열량과 냉수가 얻은 열량의 차이를 줄이기 위해서는 향류유동 열교환기를 사용하여 온수와 냉수의 유량을 거의 같게 하여 열교환을 수행하면 된다.
(3) 본 실험으로부터 발견한 제반사항에 대하여 논하여라.
ⓐ이 실험에서 가장 중요한 것은 충분한 시간을 두고 정상상태를 기다리는 것이다. 우리조는 온도계의 숫자가 변화하지 않는 것을 정상상태라 가정하고 실험을 했는데 그런데도 에너지 손실도가 음의 값을 갖는 등 정확한 실험이 되지 않았다. 온도계 자체가 오차를 가지고 있으므로 온도가 일정할 때 바로 측정하는 것보다 일정 시간을 기다렸다가 측정해서 계산을 먼저 해보는 것이 필요할 듯 하다. 그런 후에 결과가 만족스럽다면 다음 실험에서도 그 시간 만큼 기다리면 될 것이다.
ⓑ실험에서 냉수와 온수의 유량을 변화시켜 가면서 실험을 하였다. 기본적으로 냉수 또는 온수의 유량이 증가함에 따라 열전달계수가 함께 증가했다. 즉, 냉수나 온수 중 어느 하나의 유량이 증가하면 열전달이 더 잘되는 것을 알 수 있다.
ⓒ같은 온도와 같은 유량일 때 병류가 향류보다 대수평균 온도차 값이 더 크다는 것을 실험 결과로부터 알 수 있는데 이는 병류와 향류에서 냉수와 온수의 입구와 출구 방향을 생각해보면 알 수 있다. 병류는 냉수와 온수의 입구와 출구가 같아서 두개의 온도차가 처음에 매우크지만 점점 갈 수록 비슷해진다. 하지만 향류는 냉수와 온수의 온도차가 심하게 변하지가 않는다. 따라서 병류의 대수 평균 온도차가 큰 것이 당연하다.
ⓓ총합 열전달 계수를 비교해 보면 향류가 더 큰 값을 갖는 것을 볼 수 있다. 총합 열전달 계수가 크다는 것은 온수에서 냉수로의 열전달이 잘된다는 것인데 이것도 대수평균 온도차의 이유와 같은 이유이다. 향류는 입구에서 출구까지 계속해서 열전달이 일어나는 반면 병류는 초반에는 열이 많이 전달 된다고 해도 중반 이후에는 열전달량이 많이 줄 것이다. 따라서 향류의 총합 열전달 계수가 더 크다는 것은 타당하다.
ⓔ병류와 향류의 유용도를 비교해 볼 때 향류가 더 큰 값을 가지는 데 외부와 단열이 되어 있다고 할 때 온수의 열이 냉수로 잘 전달되는 쪽의 효율이 더 좋은 것은 당연할 것이다. 따라서 실험결과에 있는 향류의 유용도 평균이 높은 것은 타당하다고 할 수 있다.
ⓕ출력열량과 유용도는 온수와 냉수의 유량차에 따라 달라지는데, 냉수가 온수 보다 유량이 많을 때 출력이 더 컸고 유용도도 더 높았다. 이는 냉수의 유량이 많으면 온수의 열을 좀더 빠르게 가져온다고 볼 수 있는데, 이 차이가 무조건 크다고 해서 출력열량과 유용도가 좋아지지 않을 것이다. 하지만 냉수가 온수보다 유량이 많아야 한다는 것은 확실하다.
냉수의 유량은 증가할수록 열전달계수가 증가하고 유용도 또한 증가한다. 따라서 냉수 유량의 증가는 효율적임을 알 수 있다. 반면 온수의 유량이 증가하면 열전달계수는 증가하지만 유용도는 오히려 낮아진다. 그러므로 실제 시스템을 설계할 때에는 필요성과 효율성 측면을 적절히 판단해야 할 것이다.

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