이중관식 열교환기 실험(DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER)

소개글

이중관식 열교환기 실험(DOUBLE PIPE HEAT EXCHANGER)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

LIST OF CONTENTS
LIST OF TABLES
LIST OF FIGURES
ABSTRACT
1. INTRODUCTION
1.1 실험목적
1.2 실험 이론
1.2.1 이중관식 열 교환기
1.2.2 이중관 열교환기의 열수지
1.2.3 열교환기 내에서 유체의 온도 변화
1.2.4 총괄전열계수
1.2.5 열교환기의 효율
1.2.6 온도에 따른 물의 밀도표
2. EXPERIMENT
2.1 실험 기구 및 시약
2.2 실험 방법
3. RESULT & DISCUSSION
3.1 Raw data
3.1.1 향류 흐름 raw data
3.1.2 병류 흐름 raw data
3.2 Results
3.2.1 전열량
3.2.1.1 향류 흐름에서의 전열량
3.2.1.2 병류 흐름에서의 전열량
3.2.2 대수평균온도차
3.2.2.1 향류 흐름의 대수평균온도차

본문내용

온도차가 더 크다. 이로서 병류 흐름보다 향류 흐름일 때 열이 더 잘 전달됨을 알 수 있었다. 실제로 병류 흐름보다 향류 흐름이 더 효과적으로 열을 전달한다. 그리고 Table 12. 와 Table 13. 에서 냉각수의 유량이 온수의 유량보다 클 때 열효율이 높음을 알 수 있다. 따라서 열을 효과적으로 전달하기 위해서는 열교환기를 향류식으로 이용하고, 냉각수 유량을 고온유체 유량보다 더 크게 해야 한다. 이론적으로 향류의 경우, 저온 유체가 도달할 수 있는 온도는 고온 유체의 제일 높은 온도 근처까지 가능하며, 열 교환 효율이 좋아 열 교환 면적이 작다. 병류의 경우, 저온 유체가 도달할 수 있는 온도는 고온 유체의 제일 낮은 온도 근처 정도만 도달할 수 있으며, 열 교환 효율이 작아 열 교환 면적이 크다.
열교환기의 열수지를 이용해서 온수와 냉각수의 전열량을 구했을 때 온수와 냉각수의 전열량이 달랐다. 이론적으로는 두 유체의 전열량이 서로 같아야 하는데 다르게 나왔다. 두 값이 서로 다른 이유는 실험 오차보다도 열교환기 자체의 열효율 때문이다. 열교환기는 온수의 전열량을 전량 냉수로 전달하지 못한다. 열역학 제 2법칙에 의해 계가 흡수한 열을 완전히 계에 의해 이루어지는 일로 변환시키는 효과만 나타나도록 운전될 수 있는 장치는 없다. 이에 관한 켈빈-플랑크의 기술에서는 계가 한 온도에서 열 저장실로부터 흡수한 열로 순환 과정을 하면서 흡수한 열과 같은 양의 일을 하는 것은 불가능하다고 기술하였다. 즉 어떠한 기관도 완전 가역공정인 carnot 엔진보다 열효율이 높을 수 없다. 따라서 이 실험에서 100%의 열효율을 얻는 것은 불가능하다.
실험적인 오차는 다음과 같다. 실험과정에서 하나의 실험을 한 후 펌프를 꺼 두 유체사이의 열교환이 이루어 지지 않을 때, 다음 실험을 할 때까지 열교환기의 유체가 충분히 열적평형에 도달할 수 있도록 기다려야 하는데, 충분히 기다리지 않았다. 실험 데이터 처리과정에서의 오차도 있었다. 열수지에서 유체의 비열과 밀도가 일정하지 않았다. 유체의 비열과 밀도는 상수가 아니라 온도에 의존하는 함수인데, 열수지에서는 이 점을 고려하지 않았다. 이를 최대한 고려하기 위해 물의 밀도는 산술평균을 이용해 구하였지만, 물의 비열은 대략 1 kcal/kg℃ 라 가정하여 계산하였다. 전열속도식에서 총괄열전달계수를 구하기 위해 평균 전열량과 대수평균온도차를 이용한 것 또한 오차의 원인이다. 이렇듯 정확한 계산을 할 수 없었다. 더 정확한 데이터 처리를 위해서는 좀 더 정확한 수지식과 유체의 문헌값이 필요하다.
실험과정과 데이터 처리에서의 오차에도 불구하고 우리가 얻은 결론은 분석하기 충분했다. 이 실험에서는 정확한 결과값을 얻는 것보다 향류 흐름과 병류 흐름에서 각각의 열교환기의 총괄전열계수와 열효율을 구해봄으로서 경향성을 확인하는 것이 더 중요할 것이다. 토의를 함으로서 이론적으로 알고 있던 열역학 제 2법칙의 타당성을 확인해 볼 수 있었고, 향류 흐름이 병류 흐름보다 효율적으로 열을 전달함을 알 수 있었다.
4. CONCLUSION
이번 실험은 물질 전달 과정 중 하나인 열교환의 개념과 열교환을 알아볼 수 있는 이중관식 열교환기 실험을 하였다. 온수와 냉각수의 유량을 조절하면서 유량에 따른 열효율과 교환기의 양쪽 끝에서 두 유체가 들어가 그 장치 내에서 서로 반대방향으로 통과하는 향류일 때와 두 유체가 교환기의 같은 끝부분에서 들어가고 그 흐름이 같은 병류일 때의 열효율을 알아보았다.
이중관식 열교환기는 기본적으로 이중관, Heater, 온수순환 펌프, Bollar, 유량계, 온도계 등으로 이루어져 있고 이를 측정할 수 있는 컴퓨터가 있다. 이 중 이중관 아래로는 냉각수와 온수의 흐름을 조절하여 향류와 병류로 만들 수 있는 4개의 밸브가 있으며, 온도계가 달려있어 열교환을 하면서 바뀌는 온도를 각각 온수 출·입구 냉각수 출·입구 등으로 비교할 수 있다. 또, 이중관 밖의 관에는 냉각수가 안쪽 관에는 온수가 흐른다. 이번 실험 장치는 다른 실험장치보다 조작방법이 간단하였다. 우선 냉각수를 틀어 흐르게 해준 뒤 보일러의 물의 양을 확인 후 전원을 올리고 물을 70℃까지 올려준다. 이 때 냉각수와 온수의 LPM을 조절해주며 온도가 올라갈 때까지 기다리면서 4개의 밸브를 조절하여 향류나 병류흐름을 선택한다. 이런 방법으로 온수와 냉각수의 LPM을 달리하여 4번 향류와 병류 각각 측정하여 8번 실험하였다. 온도가 올라가면 컴퓨터의 프로그램을 작동한 후 온수펌프를 가해 이중관에 흐르게 하면 그에 따른 변화가 컴퓨터에 나타나게 된다. 여기서 펌프를 먼저 가동시키고 프로그램을 키면 열교환의 변화가 나타나지 않거나 그 변화가 정확하지 않았는데, 그 점을 몰라서 몇 번의 시행착오를 겪었다. 하지만 여기서 간과한 점이 있는데, 이런 시행착오를 겪으며 다음 실험을 할 때까지 열교환기의 유체가 충분히 열적평형에 도달할 수 있도록 기다려야 하는데, 충분히 기다리지 않았다. 그 기다림의 시간도 달라 그에 따른 오차가 발생하였다. 충분한 시간을 갖고 다음 실험을 진행한다면 이러한 오차를 줄일 수 있을 것이다. 또한 유량이 질량 유속 이였는데 우리는 실험을 할 때 LPM을 기준으로 측정을 하였는데 물의 밀도는 항상 일정하지 않고 온도에 따른 밀도가 바뀐다는 점에서 오차가 발생하였지만, 이번 실험의 결론을 분석하는 데에는 많은 영향을 끼치지 않았다. 이번 실험의 데이터 처리를 한 결과 총괄열전달계수는 냉각수의 유량이 증가할수록 커짐을 볼 수 있었다. 이러한 점은 열효율에서도 나타나며 유량이 증가할수록 열효율이 증가하였다. 또 향류와 병류의 흐름을 비교해보면 향류의 흐름일 때 총괄열전달계수가 더 크다. 이러한 점은 병류 흐름보다 향류 흐름일 때 열이 더 잘 전달되는 것을 알 수 있다. 이번 실험으로 열역학 제 2법칙이 맞는다는 것을 알 수 있었고, 병류보다 향류의 흐름이 더 열을 잘 전달하는 것을 알 수 있었다.
REFERENCES
[1] 성기천이진휘김기준 공저, 화학공학실험, (주)사이텍미디어, 2000
[2] 임굉임재석 공저, 화학공학의 단위조작, 내하출판사, 2009

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