게시판 > 질답게시판 > 열교환기 효율 계산

스테파노 Stefano

24-02-18 14:38

(1) 실제 공정유체가 흡수(혹은 방출)한 열량을/실제소요된 열량(혹은 흡수된 열량)으로 나누면 열효율이 계산될 것이지만 열전달 공정계산에서는 에너지 수지가 유지된다고 보고 흡수된 열량은 공급한 열량과 같다는 열수지 계산방법이 사용됩니다. 열수지가 유지된다고 가정하는 경우에는 100%의 열효율이 유지되지만 열(혹은 냉열)의 손실이 발생하는 경우 손실되는 열량만큼 효율이 저하되겠지요. 질문에서 계산한 수치에서 물질수지와는 크게 차이나는 값들을 사용하고 있습니다.

(2) 질문에서 계산된 공기예열기, 공기가열기에서 공기가 흡수하는 열량
15~60℃ 구간 평균비열 0.2345 kcal/kg-℃ 흡열량 = 16000 kg*0.2345 kcal/kg-℃*(60-15)℃= 168,840 kcal
60~143.2℃ 구간 평균비열 0.2345 kcal/kg-℃ 흡열량 = 16000 kg*0.2345 kcal/kg-℃*(143.2-60)℃= 312,166 kcal 여

예열기 공급열량(온수): 14,000 kg*1.0 kcal/kg-℃*(62-48)℃=196,000 kcal/h
공기가열기 열량(과열증기): 1400 kg*(h1-h2) = 1400*(666.25-106)=784,350kcal 과열수증기 현열 포함

(3) 가열을 위한 소요부하에 비해 공급한 열량이 과다하게 많음은 <효율> 문제가 아니라 <열손실이 컸다>거나 <온도값이 크게 차이난다거나> <유량에서 차이가 크게 나기때문>입니다.

굳이 열전달 효율을 계산해 보자면..
예열기의 경우 168,840/196,000=0.86 or 86%
공기가열기의 경우 312,166/784,350=0.398 or 39.8%

열손실은 (보온하는 경우) 전열량의 1~5%이상 차이가 나지 않기 때문에 질문에서의 가열기처럼 열손실이 크게나는 경우는 거의 없습니다.

한마디로... 열손실이 너무 크다기 보다는... 유량값이나 온도값에서 오차가 너무 큰 것으로 보입니다. 열효율을 따질일이 아닙니다.

공정Engine… power2951

24-02-19 08:26

답변 감사합니다.
추가 문의사항이 있는데

공기가열기 열량 계산을 저는 이런식으로 했는데 스테파노 님이 계산하신 식과 다소 상이한 부분이 있어 궁금합니다.

공기가열기 열량 : 현열 + 과열증기의 잠열로 이해하고 아래와 같이 계산했습니다.
- 현열 : 1400kg/hr*0.56 kcal/kr*도(증기 비열은 문헌 참고)*(173.2-106) = 52,685 kcal/hr
- 잠열 : 666.25 kcal/kg*1400 kg/hr = 932,750 kcal/hr
- 총 열량 : 985,435 kcal/hr

상기와 같이 계산되었는데 어느 부분을 제가 잘못알고 있는건가요??

스테파노 Stefano

24-02-19 23:02

(1) 각 조건에서의 엔탈피

ⓐ 5 kgf/cm2g 173.2 ℃ 과열 Steam의 엔탈피는 666.75 kcal/kg 이온도에서의 잠열 486.81 kcL/KG
ⓑ 5 kgf/cm2g Steam의 포화온도는 159℃, 이 온도 스팀의 엔탈피는 658.27 kcal/kg 이온도에서의 잠열 498.66 kcal/kg
ⓒ 5 kgf/cm2g Steam의 포화온도는 159℃, 이 온도 응축수 엔탈피는 159.61 kcal/kg 이온도에서의 잠열
ⓓ 106 ℃ (0.25 kgf/cm2 g) Water의 엔탈피 106.67 kcal/kg 이온도에서의 잠열 535.24 kcal/kg

ⓐ-ⓑ = 과열수증기 (과열도: 14.2도)의 현열 = 666.75-658.27 = 8.48 kcal/kg = 비열 0.5972 * 온도차 (173.2-159)
ⓑ-ⓒ = 5kgf/cm2g 스팀의 응축 잠열 = 658.27-159.61 = 498.66 kcal/kg = 159℃, 5 kgf/cm2g스팀의 증발잠열
ⓒ-ⓓ = 0.25 kgf/cm2 g 응축수의 현열 = 52.94 kcal/kg = (비열 0.9989) * 온도차(159-106)

(2) <...- 잠열 : 666.25 kcal/kg*1400 kg/hr = 932,750 kcal/hr..> 이는 오류입니다.
5 kgf/cm2g 포화스팀의 응축(증발)잠열은 498.66 kcal/kg 입니다. 엔탈피(666.25 kcal/kg)와 증발잠열(498.66 kcal/kg )을 동일시하는 오류를 범하고 있었습니다.

(3) 173.2도 과열스팀이 106도 응축수로 되면서 방생하는 총 열량은 ⓐ-ⓓ = 666.75-106.67 =560.08 kcal/kg
1400 kg/h의 Steam사용 시 전체발열열량(가열에 소요된 열량) = 1400 * 560.08 kg = 784,112 kcal/h

(4) 열량계산은 (3)에서 계산한바와 같지만 실제 현장에서 스팀을 응축시키면서 가열하는데 사용할 수 있는 열량은 대부분 잠열(여기서는 159도에서의 잠열)에 해당하는 498.66 kcal/kg 뿐입니다. 과열스팀은 응축이 되지않고 열전달계수도 크게 떨어져서 가열용으로 사용할 수 없어서 <Desuperheater>라는 장치에서 포화스팀으로 만들어 사용합니다.

위 (3)에서 사용할 수 있는 열량 560.08 kcal/kg중 과열수증기 현열 8.48 kcal/kg, 과냉응축수 현열 52.94 kcal/kg 뺀 498.66 kcal/kg (전체의 89%) 만 가열에 쓸모가 있습니다.

(1) 각 조건에서의 엔탈피

ⓐ 5  kgf/cm2g  173.2 ℃  과열 Steam의 엔탈피는                              666.75 kcal/kg   이온도에서의 잠열 486.81 kcL/KG
ⓑ 5  kgf/cm2g  Steam의 포화온도는 159℃,  이 온도 스팀의 엔탈피는 658.27 kcal/kg   이온도에서의 잠열 498.66 kcal/kg
ⓒ 5  kgf/cm2g  Steam의 포화온도는 159℃,  이 온도 응축수 엔탈피는 159.61 kcal/kg   이온도에서의 잠열 
ⓓ 106 ℃  (0.25 kgf/cm2 g) Water의 엔탈피                                      106.67 kcal/kg   이온도에서의 잠열 535.24 kcal/kg

ⓐ-ⓑ = 과열수증기 (과열도:  14.2도)의 현열 = 666.75-658.27 =   8.48 kcal/kg  = 비열 0.5972 * 온도차 (173.2-159)
ⓑ-ⓒ =  5kgf/cm2g 스팀의 응축 잠열 = 658.27-159.61 =  498.66 kcal/kg = 159℃, 5 kgf/cm2g스팀의 증발잠열  
ⓒ-ⓓ =  0.25 kgf/cm2 g 응축수의 현열 = 52.94 kcal/kg =  (비열 0.9989) * 온도차(159-106)

(2)  <...- 잠열 : 666.25 kcal/kg*1400 kg/hr = 932,750 kcal/hr..>  이는 오류입니다.  
5  kgf/cm2g 포화스팀의 응축(증발)잠열은 498.66 kcal/kg 입니다.   엔탈피(666.25 kcal/kg)와 증발잠열(498.66 kcal/kg )을 동일시하는 오류를 범하고 있었습니다.

(3) 173.2도 과열스팀이 106도 응축수로 되면서 방생하는 총 열량은 ⓐ-ⓓ = 666.75-106.67 =560.08 kcal/kg
1400 kg/h의 Steam사용 시 전체발열열량(가열에 소요된 열량) = 1400 * 560.08 kg = 784,112 kcal/h

(4) 열량계산은 (3)에서 계산한바와 같지만 실제 현장에서 스팀을 응축시키면서 가열하는데 사용할 수 있는 열량은 대부분 잠열(여기서는  159도에서의 잠열)에 해당하는 498.66 kcal/kg 뿐입니다.   과열스팀은 응축이 되지않고 열전달계수도 크게 떨어져서 가열용으로 사용할 수 없어서 <Desuperheater>라는 장치에서 포화스팀으로 만들어 사용합니다.

위 (3)에서 사용할 수 있는 열량 560.08 kcal/kg중  과열수증기 현열 8.48 kcal/kg,  과냉응축수 현열 52.94 kcal/kg 뺀 498.66 kcal/kg  (전체의 89%) 만 가열에 쓸모가 있습니다.

공정Engine… power2951

24-02-20 09:47

제가 일부 잘못이해하고 있는 부분이 있었네요.
기본중의 기본인거 같은데 너무 공부를 안했었나보네요.

스테파노 님때문에 다시 한번 지식얻어 갑니다.
친절한 답변 감사드립니다!!!

스테파노 Stefano

24-02-23 02:18

추가로.. 화학물질의 엔탈피는 분자내부의 에너지와(U)의 분자운동에 의해 외부계(Surrounding System)에 저항하여 차지하고 있는 부피와 압력의 곱으로 구해지는는 외부에너지(P*V)의 합으로 나타냅니다.

그러나 각 물질의 내부에너지의 절대값을 알 수 없기 때문에 분자를 이루고 있는 각 원소들의 0℃(=273.15K) 1 at(=1 kg/cm2 abs)일때의 내부에너지 값을 0으로 두고 상대적인 값으로 나타낸 엔탈피를 적용합니다.

원소들이 결합하여 분자를 생성하면서 발열반응을 나타내면 외부에 열량을 배출하기 때문에 기준온도, 압력에서의 엔탈피는 흔히 음수값을 가집니다.