이중열교환기 실험보고서

문서 내 토픽

1. 이중관 열교환기

이중관 열교환기는 가장 널리 사용되는 열교환기로 폭넓은 열전달량을 얻을 수 있기 때문에 적용범위가 매우 넓으며 신뢰성, 효율이 뛰어난 것이 특징입니다. 쉘(원통)과 많은 튜브(전열관) 안으로 유체를 통과시키기 때문에 쉘 앤 튜브라고 불리기도 합니다. 상호간 열교환이 이뤄지는 구조로 이루어져 있고 액체와 액체 사이에서 열 교환이 이뤄지는 대표적인 열교환기입니다.
2. 향류 및 병류 흐름

이중관 열교환기에서는 두 종류의 흐름이 존재합니다. 향류(counter flow)와 병류(parallel flow)가 존재하는데 향류란 2개의 유체사이에서 열이나 물질의 이동이 있을 경우 이 유체들이 서로 반대로 흐르는 경우를 의미하며, 병류란 2개의 유체사이에서 열이나 물질의 이동이 있을 경우 이 유체들이 서로 같은 방향으로 흐르는 경우를 의미합니다.
3. 대수평균온도차

향류 흐름에서는 유입되는 뜨거운 유체가 유출되는 차가운 유체와 만나고 유출되는 뜨거운 유체가 유입되는 차가운 유체와 만납니다. 병류 흐름에서는 유입되는 뜨거운 유체가 유입되는 차가운 유체와 만나고 유출되는 뜨거운 유체가 유출되는 차가운 유체와 만납니다. 따라서, 병류 흐름에서의 온도차는 향류 흐름의 온도차보다 크고, 향류 흐름에서의 대수평균온도차는 병류 흐름의 대수평균온도차보다 작아지게 됩니다.
4. 층류와 난류

유체는 층류와 난류가 있는데 층류와 난류는 구분하는 지표로 레이놀즈 수(Reynolds number)를 사용합니다. 레이놀즈 수가 2100 이하이면 층류, 2900에서 4000 사이이면 전이 영역, 4000 이상이면 난류라고 합니다. 유량 변화에 따라 관내 유동이 층류 혹은 난류로 변화하게 됩니다.
5. 총괄열전달계수

총괄열전달계수는 관 내부면적 기준과 관 외부면적 기준으로 계산할 수 있습니다. 관 내부면적 기준 총괄열전달계수는 Ui, 관 외부면적 기준 총괄열전달계수는 Uo로 나타내며, 이 두 값의 평균이 총괄열전달계수 U가 됩니다.
6. 열교환 효율

열교환 효율은 향류와 병류에서 각각 계산할 수 있습니다. 향류 열교환 효율은 실제 열교환량을 이론 열교환량으로 나눈 값이며, 병류 열교환 효율은 실제 열교환량을 이론 열교환량으로 나눈 값입니다. 실험 결과 병류의 열교환 효율이 더 높게 나타났는데, 이는 측정 오차 등의 요인으로 인한 것으로 보입니다.
7. 이중관 열교환기의 활용

이중관 열교환기는 폐용제 회수용으로 사용되며, 지열발전에도 활용됩니다. 폐용제 회수 시 이중관 내에서 연속적으로 공급되는 저온의 폐용제를 외관 속의 고온 액체로 가열해 증발시키는 원리로 사용되며, 지열발전에서는 땅 속의 열을 유체의 투입을 통해 회수하고 이중관 열교환기를 사용하여 회수된 고온의 유체로부터 열을 회수하는데 활용됩니다.

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1. 이중관 열교환기

이중관 열교환기는 두 개의 관이 동심원 구조로 배치되어 있는 열교환기로, 내부관과 외부관 사이에서 서로 다른 유체가 흐르면서 열을 교환하는 장치입니다. 이중관 열교환기는 단일관 열교환기에 비해 열전달 면적이 크고, 유체의 흐름 방향을 다양하게 조절할 수 있어 효율적인 열교환이 가능합니다. 또한 내부관과 외부관의 재질을 달리하여 부식 문제를 해결할 수 있는 장점이 있습니다. 이중관 열교환기는 화학 공정, 발전소, 냉난방 시스템 등 다양한 분야에서 활용되고 있으며, 열교환 효율 향상과 에너지 절감을 위한 핵심 기술로 주목받고 있습니다.
2. 향류 및 병류 흐름

열교환기에서 유체의 흐름 방향은 향류 흐름과 병류 흐름으로 구분됩니다. 향류 흐름은 두 유체가 반대 방향으로 흐르는 경우이고, 병류 흐름은 두 유체가 같은 방향으로 흐르는 경우입니다. 향류 흐름은 병류 흐름에 비해 더 높은 열전달 효율을 보이며, 열교환기 설계 시 향류 흐름을 적용하는 것이 일반적입니다. 그러나 공정 조건에 따라 병류 흐름이 더 적합한 경우도 있으므로, 열교환기 설계 시 유체의 특성과 공정 조건을 종합적으로 고려하여 최적의 흐름 방식을 선택해야 합니다.
3. 대수평균온도차

대수평균온도차(LMTD, Logarithmic Mean Temperature Difference)는 열교환기의 열전달 구동력을 나타내는 지표로, 열교환기 설계 및 성능 분석에 중요한 역할을 합니다. 대수평균온도차는 유체의 입출구 온도 차이를 고려하여 계산되며, 향류 흐름과 병류 흐름에 따라 다른 계산식을 사용합니다. 대수평균온도차가 클수록 열전달 구동력이 크므로, 열교환기 설계 시 대수평균온도차를 최대화하는 것이 중요합니다. 이를 위해 유체의 입출구 온도 차이를 크게 유지하고, 향류 흐름을 적용하는 것이 효과적입니다.
4. 층류와 난류

유체의 흐름 상태는 층류와 난류로 구분됩니다. 층류는 유체가 규칙적이고 부드럽게 흐르는 상태이고, 난류는 유체가 불규칙적으로 흐르는 상태입니다. 열교환기에서 유체의 흐름 상태는 열전달 특성에 큰 영향을 미칩니다. 일반적으로 난류 흐름이 층류 흐름에 비해 열전달 계수가 크므로, 열교환기 설계 시 난류 흐름을 유도하는 것이 유리합니다. 이를 위해 유체의 유속을 높이거나 열교환기 내부에 난류 촉진 장치를 설치하는 등의 방법을 사용할 수 있습니다.
5. 총괄열전달계수

총괄열전달계수(U)는 열교환기의 열전달 성능을 나타내는 중요한 지표입니다. 총괄열전달계수는 열교환기 내부의 복잡한 열전달 메커니즘을 하나의 계수로 표현한 것으로, 유체의 열전달 계수, 열전도, 오염 등 다양한 요인을 고려합니다. 총괄열전달계수가 클수록 열교환기의 열전달 성능이 우수하므로, 열교환기 설계 시 총괄열전달계수를 최대화하는 것이 중요합니다. 이를 위해 유체의 유속 증가, 열전도성이 높은 재료 사용, 오염 방지 등의 방법을 적용할 수 있습니다.
6. 열교환 효율

열교환기의 열교환 효율은 실제 열교환량과 이론적 최대 열교환량의 비율로 정의됩니다. 열교환 효율은 열교환기의 성능을 평가하는 중요한 지표로, 높은 열교환 효율은 에너지 절감과 공정 효율 향상으로 이어집니다. 열교환 효율을 높이기 위해서는 열교환기 설계 시 유체의 흐름 방향, 열전달 면적, 총괄열전달계수 등을 최적화해야 합니다. 또한 열교환기 운전 중 오염 방지, 유체 유속 조절 등의 관리 활동도 중요합니다. 이를 통해 열교환기의 열교환 효율을 지속적으로 향상시킬 수 있습니다.
7. 이중관 열교환기의 활용

이중관 열교환기는 다양한 산업 분야에서 활용되고 있습니다. 화학 공정에서는 부식성 유체를 다룰 때 내부관과 외부관의 재질을 달리하여 부식 문제를 해결할 수 있습니다. 발전소에서는 증기와 냉각수 간 열교환에 이중관 열교환기를 사용하며, 냉난방 시스템에서는 냉매와 물 간 열교환에 활용됩니다. 또한 식품 및 제약 산업에서는 살균 및 멸균 공정에 이중관 열교환기를 적용하여 위생적인 열교환을 구현할 수 있습니다. 이처럼 이중관 열교환기는 다양한 산업 분야에서 열효율 향상, 에너지 절감, 위생 관리 등의 목적으로 널리 사용되고 있습니다.

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