이중관 열교환기의 열전달 특성 분석

본 내용은 " 이중관열교환기 결과레포트 [논문개념 참고 A+ 1등] " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.12.28

문서 내 토픽

• 1. 이중관 열교환기

  이중관 열교환기는 내관과 외관으로 구성되어 있으며, 고온 유체와 저온 유체가 서로 다른 관을 통해 흐르면서 열을 교환한다. 본 실험에서는 내관 내경 15mm, 외경 15.88mm, 외관 내경 40mm, 길이 1500mm의 이중관 열교환기를 사용하였다. 향류와 병류 두 가지 흐름 방식으로 운영되며, 밸브 조작을 통해 흐름 방향을 제어한다. 온수는 외관과 내관 사이로 흐르고 냉수는 내관을 통해 흐른다.

• 2. 열전달률 및 총괄 열전달계수

  열전달률은 질량유량, 비열, 입출구 온도차를 이용하여 계산되며, 냉수와 온수 각각에서 구한 열전달률의 산술평균값을 실험값으로 정의한다. 총괄 열전달계수는 Q=UA_s△T_lm 식으로 표현되며, 내관과 외관 각각에 대해 계산된다. 실험 결과 냉수 유속이 증가할수록 열전달률이 증가하였고, 향류가 병류보다 높은 총괄 열전달계수를 나타냈다.

• 3. 대수평균온도차(LMTD)

  대수평균온도차는 열교환기에서 온도차가 위치별로 불균일하게 나타나므로 적절한 평균값을 구하기 위해 사용된다. 향류에서는 △T_1=T_h,out-T_c,out, △T_2=T_h,in-T_c,in이고, 병류에서는 △T_1=T_h,out-T_c,in, △T_2=T_h,in-T_c,out이다. 향류의 대수평균온도차가 병류보다 크게 나타나 이론적으로 합당한 결과를 보였다.

• 4. 레이놀즈수 및 대류열전달계수

  레이놀즈수는 유체 유동의 종류를 판단하는 척도로, Re=ρuD_h/μ로 계산된다. 난류 조건(Re≥10,000)에서 Sieder-Tate 식을 적용하여 대류열전달계수를 구한다. 본 실험에서는 냉수 유속 10LPM일 때만 난류 조건을 만족하였으며, 이 조건에서 대류열전달계수는 약 4013.667 W/m²·K로 계산되었다.

Easy AI와 토픽 톺아보기

• 1. 이중관 열교환기

  이중관 열교환기는 열전달 공학에서 가장 기본적이면서도 효율적인 장치입니다. 내관과 외관 사이에서 두 유체가 향류 또는 병류로 흐르면서 열을 교환하는 구조로, 설계가 단순하고 제작 비용이 저렴하다는 장점이 있습니다. 특히 향류 배치에서는 병류 배치보다 더 높은 열전달 효율을 달성할 수 있습니다. 다만 유지보수 시 내관 청소가 어렵고, 대규모 열전달이 필요한 경우 여러 개를 병렬로 연결해야 하는 제약이 있습니다. 산업 현장에서는 여전히 소규모 열교환 시스템에서 널리 사용되고 있으며, 이론 학습과 실험 교육에도 매우 유용한 장치입니다.

• 2. 열전달률 및 총괄 열전달계수

  열전달률과 총괄 열전달계수는 열교환기 설계의 핵심 요소입니다. 열전달률은 Q = U·A·ΔT로 표현되며, 여기서 총괄 열전달계수 U는 내부 대류, 벽면 전도, 외부 대류 등 모든 열저항을 종합적으로 반영합니다. 실제 설계에서는 오염 계수를 고려하여 설계 총괄 열전달계수를 사용합니다. 총괄 열전달계수는 유체의 물성, 유동 조건, 표면 특성에 따라 크게 변하므로 정확한 예측이 중요합니다. 이를 통해 필요한 열교환 면적을 결정할 수 있으며, 경제성과 성능의 균형을 맞추는 데 필수적입니다.

• 3. 대수평균온도차(LMTD)

  대수평균온도차는 열교환기에서 평균 온도 구동력을 정확히 계산하기 위한 중요한 개념입니다. 입구와 출구의 온도차가 다를 때, 단순 산술평균이 아닌 대수평균을 사용함으로써 실제 열전달 과정을 더 정확히 반영합니다. 향류와 병류 배치에 따라 LMTD 값이 달라지며, 향류가 더 큰 값을 가져 같은 조건에서 더 효율적입니다. 다만 복잡한 유동 배치의 경우 보정계수를 적용해야 합니다. LMTD는 열교환기 설계 계산에서 필수적이며, 이를 통해 필요한 열교환 면적을 정확히 산정할 수 있습니다.

• 4. 레이놀즈수 및 대류열전달계수

  레이놀즈수는 유동의 층류, 난류 여부를 판단하는 무차원 수로, 대류열전달계수 결정에 매우 중요합니다. 레이놀즈수가 작으면 층류 흐름으로 대류열전달계수가 낮고, 클수록 난류 흐름으로 열전달이 향상됩니다. 대류열전달계수는 누셀트 수와의 상관식으로 표현되며, 레이놀즈수와 프란틀 수의 함수입니다. 실제 설계에서는 유체의 유동 속도를 조절하여 레이놀즈수를 제어함으로써 열전달 성능을 최적화합니다. 다만 유동 속도 증가는 압력강하 증가로 이어지므로, 에너지 소비와 열전달 효율의 균형을 고려한 설계가 필요합니다.