화학공학 이중관 열교환기 결과레포트입니다.

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목차

1. 실험 목적
2. 실험 이론
3. 실험 장치
4. 실험 방법
5. 유의 사항
6. 실험 변수
7. 실험 결과
8. 결과값의 고찰
9. 고찰

본문내용

방향으로 흐르면서 온수는 열을 빼앗기고, 냉각수는 열을 얻는다. 반대로, 향류일 때는 물의 흐름이 서로 반대 방향으로 흐르면서 열 교환이 이루어진다. 병류흐름일 때는 이 보다 높아질 수 없다. 즉, 유체의 최고 온도가 제한되어 있고 각 파이프 구간에서 의 차이가 크고 온도변화가 급속히 일어난다. 향류흐름일 때는 이 보다 높아질 수 있고 의 차이가 거의 없다. 따라서 온도변화가 서서히 일어나는데, 이러한 결과로부터 향류흐름에서의 열교환기의 효율이 더 높음을 짐작할 수 있다. 실험데이터를 이용하여 파이프 위치에 따른 온도변화 그래프와 효율을 계산해본 결과는 다음과 같다.
▶ 병류 흐름(Parallel Flow)에서 열효율
where,
▶ 향류 흐름(Counter Flow)에서 열효율
where,
설정온도
(ºC)
흐름
상태
유량
(L/min)
열효율
40
향류
hot
4
0.211180
cold
2
병류
hot
4
0.133891
cold
2
향류
hot
4
0.262857
cold
4.5
병류
hot
4
0.213043
cold
4.5
설정온도
(ºC)
흐름
상태
유량
(L/min)
열효율
50
향류
hot
4
0.230769
cold
2
병류
hot
4
0.139130
cold
2
향류
hot
4
0.290076
cold
4.5
병류
hot
4
0.216617
cold
4.5
열효율을 직접 계산해본 결과를 보면, 예상했던 결과대로 병류보다 향류의 효율이 더 크게 측정되었다.
⑸ 열교환기에는 어떤 종류가 있고 그 특징은 무엇인지 알아본다.
① 고정관 판형(Fixed Tube Sheet Type) 열교환기
- 관판(Tube sheet)을 동체의 양 측에 용접 등의 방법으로 고정시킨 구조이다.
- Shell Side 유체와 Tube Side 유체의 온도차에 의하여 열팽창 차이가 발생하는데, 이에 따른 열응력으로 인하여 두 유체 간에 온도차가 큰 곳에는 사용 할 수 없다.
- Shell Side 의 청소 및 보수가 곤란하므로 Fouling 이 심한 유체 와 부식성이 큰 유체는 Tube side로 흐르도록 해야 한다.
- 다관원통형 열교환기 중 가장 간단한 구조로 저렴하다.
② 유동두 형(Floating Head Type) 열교환기
- Tube Bundle의 한 쪽 Tube sheet(Stationary Head)는 Shell의 한쪽에 고정시키고 다른 쪽 Tube sheet는 Shell에 아무런 구속을 받지 않는 구조이다.
- 유체의 온도에 따라 열팽창에 대응 할 수 있는 구조이다.
- Tube의 내외를 모두 청소 할 수 있어서 오염이 생기기 쉬운 유체도 취급 가능하여 사용범위가 넓다.
- 구조가 복잡하므로 제작비가 비싸다.
③ U-Tube Type 열교환기
- 고정 판관형의 단점인 Shell side의 청소와 열팽창 문제를 해결할 수 있다.
- U Tube 의 청소가 어렵고, Tube side는 오염이 적은 유체를 통과 시켜야 한다.
- Tube Bundle의 청소는 가능하지만 국부적으로 손상된 Tube에 대해서는 수리가 어렵다.
④ Kettle 형 열교환기
- Shell side 에 풀비등(Pool Boiling)이 일어날 경우에 사용한다.
- 구조가 간단하고 손쉽게 증기를 얻을 수 있어 Reboiler로서 널리 사용된다.
- Tube Bundle은 U Tube/ Floating/ Fixed Type 모두 사용 가능하다.
⑤ Air cooled Exchanger
- 냉각수 대신에 공기를 냉각유체로 하며, Fan을 이용하여 공기를 강제 통풍시켜 내부유체를 냉각시킨다.
- 냉각수가 필요 없다는 장점이 있지만, 넓은 설치 면적이 필요하고 건설비가 비싸다. 또한 Tube에서의 누출발견이 어렵고 고체작업이 어렵다는 단점이 있다.
그림 출처 : www.google.co.kr
9. 고찰
이번 실험은 열전달에서 배운 이중관 열교환기를 통해 총괄전열계수를 실측하고 유체의 유량과의 관계를 알아보는 실험이었다. 열수지, 향류와 병류 등의 기초 이론은 열전달 수업에서 이미 습득하고 실험을 진행하였기 때문에 크게 어려운 실험은 아니었다. 실험값의 고찰을 작성하면서 열효율을 계산하고 위치에 따른 온도변화를 그래프로 그려본 결과, 이론대로 향류에서의 열효율이 더높게 측정되었고, 그래프 형태도 이론과 일치하게 잘 나왔음을 알 수 있었다. 그리고 총괄전열계수와 유량이 비례관계라는 점도 찾을 수 있었다. 한 가지 아쉬운 점은 총괄전열계수가 향류흐름에서 더 크게 측정되어야 하는데, 병류흐름에서 더 크게 측정된 경우가 있다는 점이다. 두 값은 실제로 923.3886908 와 924.8948701 로 큰 차이는 없지만 이러한 오차의 원인과 더불어서 우리가 실험한 실험데이터가 완전히 정확한 값이라고 볼 수 없으므로 방법론적 고찰과 이론적 고찰로 나누어 오차의 원인을 찾아보았다.
▶방법론적 고찰
- 정상상태 : 차가운 유체는 수돗물을 이용하였기 때문에 시간이 흘러도 유량이 일정하게 유지되지 않았다.
- 탱크 : 물탱크의 부피가 작아 가열한 뜨거운 물을 온도변화가 계속 조금씩 변했다.
- 설정 온도 : 온도를 설정하여 유입되는 온도가 설정온도와 일치하여야 되지만, 실제 실험에서는 열교환이 이루어지면서 설정 온도 안팎으로 계속해서 온도변화가 있었다.
▶이론적 고찰
- 단열상태 : 열교환기의 외부 표면은 완전하게 단열되어 있으며, 두 유체 사이의 열전달이 유일한 열전달이라 가정하였지만 실제로 100% 단열이라고 볼 수 없다.
- 마찰손실 : 파이프 내 마찰손실은 고려하지 않았지만 실제로 관 벽과 유체의 마찰손실은 있을 가능성이 크다.
- 관석 : 총괄전열계수를 관석이 없다고 가정한 식으로 계산하였는데, 실제로 열교환기 장치가 여러 번 실험한 장치이므로 관석이 존재할 수 있다.
이처럼 실험을 할 때에 생길 수 있는 오차의 원인과 가정에서 발생하는 오차의 원인이 있지만, 우리의 궁극적인 실험 목적은 실험 방법에서 발생할 수 있는 오차만이라도 없도록 하며, 이론적인 오차가 있음에도 최대한 정확하게 실험을 하는 것이다. 그러므로 다음 실험을 할 때도 최대한 오차가 발생하지 않도록 실험을 진행하는 것이 중요하겠다.

키워드

이중관 열교환기,   열교환기,   총괄전열계수,   전열계수