게시판 > 질답게시판 > 열교환기 상변화 질문입니다.

스테파노 Stefano

13-09-18 14:27

(1) 열교환기에서의 열교환
열교환기에서의 열교환은 정확한 열수지에 바탕을 둡니다. 고온측에서 내놓은 열은 저온측에서 그대로 받아들입니다.
열손실이 있겠지만 열교환기 계산에서는 이를 무시하고 열손실없이 정확히 전달된다고 계산합니다.

고온측에서 공급한 열 = 저온측에서 받아들인 열,
고온측 전체 엔탈피감소 (Hh1-Hh2)= 저온측 전체 엔탈피 증가 (Hc2 -Hc1)

(2) 상변화를 동반한 열교환
엔탈피 차가 동일하여도 유체의 상변화여부에 따라 온도가 달라질 수 있는데 상변화가 일어나는 도중에는 온도변화가 크지 않고 유체의 상태변화에 의한 잠열교환이 일어나기 때문입니다. 상변화는 양측(고온 및 저온)유체 모두 일어나는 경우도 있고 어느 한쪽에서만 일어날 수 도 있습니다.

액상에 있던 유체는 가열에 의해 증발할 수도 있고 온도만 상승할 수도 있습니다. 만일 시스템 압력이 유체의 온도에서의 증기압보다 높은 경우라면 액상의 물질은 증발이 일어나지 않지만 압력이 낮거나 같은 경우라면 증발이 일어납니다.

한편 기상의 증기는 냉각중에 응축할 수도 있고 온도가 떨어질 수 있습니다. 증기의 압력이 그 온도에서 액상의 증기압보다 높은 경우 응축이 일어나지만 증기압보다 낮으면 응축은 일어나지 않고 온도만 떨어집니다.

(3) 엔탈피에 따른 물질의 상태
유체의 상태는 시스템의 온도와 압력에 따라 달라지는데 상변화가 일어나는 경우에는 엔탈피의 크기에 따라서도 달라진다는 것을 이해해야 합니다. 엔탈피크기에 따른 상변화를 이해하기에는 물이 가장 좋습니다.

물의 경우 0℃물의 (비)엔탈피를 0 kcal/kg 이라고 하면 50도의 물은 비열*온도차의 열량이 더해져 Specific Enthalpy값은 약 50 kcal/kg이 됩니다. 마찬가지로 100도의 물은 100 kcal/kg가 되고 100도의 물은 대기압에서 끓어오르면서 증발이 일어납니다. 물의 대기압상태에서의 증발잠열이 539 kcal/kg이기 때문에 물이 모두 증발된 후 100도의 수증기의 엔탈피는 639kcal/kg이 됩니다. 물이 모두 증발되기전 까지은 물의 온도는 100도를 그대로 유지합니다. 물이 증발된 후 수증기가 더 가열되면 다시 온도가 상승합니다. 100도 부근 수증기의 비열이 약 0.24 kcal/kg-℃이므로 150도 수증기로 가열하는데 12 kcal/kg의 열이 필요합니다. 이를 기준으로 물의 온도, 엔탈피에 따른 물의 상태를 요약하면 다음과 같습니다.

온도(℃)...비엔탈피(kcal/kg)...물의 상태
0..............0..........................액상의 물
50............50........................액상의 물
100..........100.......................액상의 물
100..........639.......................기상의 물
150..........651.......................기상의 물

질문에서 만일 가열되는 저온측 물질이 물이라고 하면 위의 표에 따라 기상인지 액상인지 구분할 수 있겠지요. 만일 Specific Enthalpy가 500 kcal/kg-℃이라고 하면 위의 표에 의해 100도의 물과 기상의 증기 혼합물임을 알 수 있습니다

(4) 이제 질문으로 돌아가서
열교환기에서 가열혹은 냉각되는 과정에서의 온도나 상을 알아보려면 그 물질의 온도-엔탈피 도면을 보고 판단해야 합니다.

물의 (Specific) Enthalpy 도표는 이곳에서 찾아볼 수 있습니다.
http://enpub.fulton.asu.edu/ece340/pdf/steam_tables.PDF

http://www.google.co.kr/imgres?imgurl=http://www.ejsong.com/mdme/memmods/MEM23041A/thermo/open_systems_files/enthalpy_diagram.gif&imgrefurl=http://www.ejsong.com/mdme/memmods/MEM23041A/thermo/open_systems.html&h=493&w=733&sz=52&tbnid=OvOHZmF_vYFgaM:&tbnh=85&tbnw=127&prev=/search%3Fq%3Dsteam%2Benthalpy%2Bchart%26tbm%3Disch%26tbo%3Du&zoom=1&q=steam+enthalpy+chart&usg=__Ijya6MeJtcZbLuicRdWx5hlD72c=&docid=x15rQIMIri2AOM&sa=X&ei=7zc5Use5DcTskgXSl4C4Bg&ved=0CDwQ9QEwBA&dur=5976

(5) 물질의 상태를 알아보려면
성분함량, 온도, 압력과, 비엔탈피로부터 판단해야 하는데 이를 알아보려면 공정모사기등을 이용하거나 해당 물질의 엔탈피-온도 도표를 사용해야 하지요. (비엔탈피는 단위질량당 엔탈피를 의미하는데 흔히 엔탈피와 혼동해서 많이 사용됩니다 )

(1) 열교환기에서의 열교환 
열교환기에서의 열교환은 정확한 열수지에 바탕을 둡니다.  고온측에서 내놓은 열은 저온측에서 그대로 받아들입니다. 
열손실이 있겠지만 열교환기 계산에서는 이를 무시하고 열손실없이 정확히 전달된다고 계산합니다.

고온측에서 공급한 열 = 저온측에서 받아들인 열,  
고온측 전체 엔탈피감소 (Hh1-Hh2)= 저온측 전체 엔탈피 증가 (Hc2 -Hc1)

(2) 상변화를 동반한 열교환 
엔탈피 차가 동일하여도 유체의 상변화여부에 따라 온도가 달라질 수 있는데 상변화가 일어나는 도중에는 온도변화가 크지 않고 유체의 상태변화에 의한 잠열교환이 일어나기 때문입니다.   상변화는 양측(고온 및 저온)유체 모두 일어나는 경우도 있고 어느 한쪽에서만 일어날 수 도 있습니다.

액상에 있던 유체는 가열에 의해 증발할 수도 있고 온도만 상승할 수도 있습니다.  만일 시스템 압력이 유체의 온도에서의 증기압보다 높은 경우라면 액상의 물질은 증발이 일어나지 않지만 압력이 낮거나 같은 경우라면 증발이 일어납니다.

한편 기상의 증기는 냉각중에 응축할 수도 있고 온도가 떨어질 수 있습니다.  증기의 압력이 그 온도에서 액상의 증기압보다 높은 경우 응축이 일어나지만 증기압보다 낮으면 응축은 일어나지 않고 온도만 떨어집니다.

(3) 엔탈피에 따른 물질의 상태
유체의 상태는 시스템의 온도와 압력에 따라 달라지는데 상변화가 일어나는 경우에는 엔탈피의 크기에 따라서도 달라진다는 것을 이해해야 합니다.  엔탈피크기에 따른 상변화를 이해하기에는 물이 가장 좋습니다.

물의 경우 0℃물의 (비)엔탈피를 0 kcal/kg 이라고 하면 50도의 물은 비열*온도차의 열량이 더해져 Specific Enthalpy값은 약 50 kcal/kg이 됩니다.  마찬가지로 100도의 물은 100 kcal/kg가 되고 100도의 물은 대기압에서 끓어오르면서 증발이 일어납니다.  물의 대기압상태에서의 증발잠열이 539 kcal/kg이기 때문에 물이 모두 증발된 후 100도의 수증기의 엔탈피는 639kcal/kg이 됩니다.  물이 모두 증발되기전 까지은 물의 온도는 100도를 그대로 유지합니다.  물이 증발된 후 수증기가 더 가열되면 다시 온도가 상승합니다.    100도 부근 수증기의 비열이 약 0.24 kcal/kg-℃이므로 150도 수증기로 가열하는데 12 kcal/kg의 열이 필요합니다.   이를 기준으로 물의 온도, 엔탈피에 따른 물의 상태를 요약하면 다음과 같습니다.

온도(℃)...비엔탈피(kcal/kg)...물의 상태
0..............0..........................액상의 물
50............50........................액상의 물
100..........100.......................액상의 물
100..........639.......................기상의 물
150..........651.......................기상의 물

질문에서 만일 가열되는 저온측 물질이 물이라고 하면 위의 표에 따라 기상인지 액상인지 구분할 수 있겠지요.  만일 Specific  Enthalpy가 500 kcal/kg-℃이라고 하면 위의 표에 의해 100도의 물과 기상의 증기 혼합물임을 알 수 있습니다

(4) 이제 질문으로 돌아가서
열교환기에서 가열혹은 냉각되는 과정에서의 온도나 상을 알아보려면 그 물질의 온도-엔탈피 도면을 보고 판단해야 합니다.

물의 (Specific) Enthalpy 도표는 이곳에서 찾아볼 수 있습니다. 
http://enpub.fulton.asu.edu/ece340/pdf/steam_tables.PDF
 
http://www.google.co.kr/imgres?imgurl=http://www.ejsong.com/mdme/memmods/MEM23041A/thermo/open_systems_files/enthalpy_diagram.gif&imgrefurl=http://www.ejsong.com/mdme/memmods/MEM23041A/thermo/open_systems.html&h=493&w=733&sz=52&tbnid=OvOHZmF_vYFgaM:&tbnh=85&tbnw=127&prev=/search%3Fq%3Dsteam%2Benthalpy%2Bchart%26tbm%3Disch%26tbo%3Du&zoom=1&q=steam+enthalpy+chart&usg=__Ijya6MeJtcZbLuicRdWx5hlD72c=&docid=x15rQIMIri2AOM&sa=X&ei=7zc5Use5DcTskgXSl4C4Bg&ved=0CDwQ9QEwBA&dur=5976

(5) 물질의 상태를 알아보려면 
성분함량, 온도, 압력과, 비엔탈피로부터 판단해야 하는데 이를 알아보려면 공정모사기등을 이용하거나 해당 물질의 엔탈피-온도 도표를 사용해야 하지요.  (비엔탈피는 단위질량당 엔탈피를 의미하는데 흔히 엔탈피와 혼동해서 많이 사용됩니다 )

젓갈 jolra

13-09-18 16:25

답변 감사합니다. 스테파노님
추가 질문을 좀 해도 될까요?

어떤 물질의 상태량을 알기위해서는 두가지의 서로다른 상태량이 필요해야 하는걸로 알고 있습니다. 엔탈피도 상태량이기 때문에 서로 다른 두가지의 상태량이 필요해야하는 것으로 알고 있습니다. 출구의 상태량을 알지 못하는데 어떻게 엔탈피를 알 수 있을까요? 열교환기 내에서의 압력손실을 무시한다고 하면 압력이라는 상태량 하나만 알고 있어서 엔탈피를 얻을 수 없지 않나요? 엔탈피를 모르기에 그래프의 x축의 어떤 값을 읽어야 하는지 모르겠네요.

스테파노 Stefano

13-09-19 15:37

(0) Phase-Diagram이나 Enthalpy-Temperature-Pressure 등의 Graph없이 Phase를 구별하기는 어렵습니다. 앞선 설명(3)을 자세히 읽어보도록 하세요.

(1) 열교환기 출구에서의 엔탈피 구하기.
열교환기 입구의 상태와 엔탈피를 알고 열교환량을 알면 출구의 엔탈피를 알 수 있습니다.
고온유체의 입구 엔탈피= H1, 열교환량(냉각량)=Qc, 고온유체 출구의 엔탈피 H2 = H1-Qc
저온유체의 입구 엔탈피= h1, 열교환량(가열량)=Qh, 저온유체 출구의 엔탈피 h2 = h1+Qh

정밀한 계산이 필요한 경우가 아니라면 열교환기에서의 압력손실이나 열손실은 크기 않기 때문에 이들에 의한 엔탈피에 영향을 무시하고 열전달량만을 고려해도 됩니다.

(2) 예를 들어 물의 경우 출구 엔탈피와 압력 혹은 온도를 알면 엔탈피도표 혹은 스팀테이블을 이용해서 물질의 상을 알 수 있습니다. 같은 엔탈피 값이라고 해도 압력에따라 온도가 달라지고 또한 온도에 따라 압력이 달라집니다.

물의 Mollier Diagram이나 Steam Table에 대해 주위에 계신 선배들로부터 설명을 들어보도록 하세요. 이해하기 어려우시면 다시 질문해 주세요.

젓갈 jolra

13-09-25 06:26

설명 감사합니다.

예를 한가지 들어볼게요.
열교환기 고온측: 1bar, 90도의 물, 열교환기 저온측: 5bar, 15도의 냉매
언급한 조건의 유체가 고온부와 저온부에서 각각 열교환기로 들어갑니다. 열교환에 의해 냉매는 포화 온도까지 도달하여 증발을 시작합니다.
Q=mCp(T1-T2)의 열이 고온부에서 저온부로 전달됩니다. 저온부에서는 Q=m(h2-h1)으로 나타낼 수 가 있지요.
h2=h1+(Q/m)으로 나타납니다. 여기서 열교환기 출구의 냉매 엔탈피를 알 수 있습니다.

문제는 전달된 열량을 어떻게 알 수 있느냐는 겁니다. 고온부의 온도가 얼마나 떨어짐에 따라 열량의 크기가 달라져 냉매가포화증기가 될수가 있고 포화수, 건도를 가지는 습증기를 가질 수 있겠지요.

전달된 열량만 알수 있다면 열교환기를 빠져나가는 냉매의 상태량은 모두 알 수 있습니다. 문제는 전달된 열량이 고온부의 온도차에 의해서 알 수 있는데, 이 온도차를 어떻게 알 수 있는냐는 것이 저의 구체적인 질문입니다.

글을 작성하고 보니 처음 질문이 맥을 집지를 못한것 같네요.

스테파노 Stefano

13-09-27 15:47

응축기에서의 열전달은 Weighted LMTD를 기준으로 계산됩니다.
순수한 냉매의 경우 냉매가 응축되고 있거나 증발되고 있는 경우에는 온도변화가 일어나지 않기 때문에 이를 기준 입출구를 기준으로 LMTD를 구한다음 각 구간에서의 LMTD에 전달된 열량을 곱하여 모두 더한 후 총 전달열량으로 나눈 값
(이를 Weighted LMTD임)을 기준으로 열전달이 일어납니다.

열전달량을 모를 경우 LMTD를 가정한 후 구간별 전열량을 구하고 이를 기준으로 다시 수정된 LMTD를 반복사용하는 시행오차의 방법을 사용해서 여러번 반복계산해야 합니다.

이 키워드로 열전달 교재 혹은 열교환기설계 도서 (D.Q. Kern's)를 찾아보면 명확히 알아볼 수 있습니다.

젓갈 jolra

13-09-30 20:24

답변 감사합니다!!!