게시판 > 질답게시판 > [열전달]열교환기 설계

스테파노 Stefano

08-12-22 18:05

질문1) 3-(g)문제에서 의도한 바가 무엇인지 잘 이해가 안됩니다.
A1. 병렬연결 열교환기의 수효가 많아지면 열교환기의 Tube나 Shell에 흐르는 유량이 작아지고 이에 따라 유속이 떨어져 총괄연전달 계수가 떨어져서 원하는 전열부하를 전달할 수가 없을 수도 있습니다. 열교환기의 수를 정해두고 Tube와 Shell의 Pass 수효를 변화시켜가면서 유속-->Reynolds No-->Individual Heat Transfer Coefficient -->Overall Heat Transfer Coefficient-->Heat Transfer Rate 순으로 계산해 보아야 하며 그 결과 필요한 전열면적이 최소인 값을 찾아야 할 것입니다.

최소값을 찾아내는 것이 최적화 과정입니다. 이 과정에서 열교환기 열전달 계수 뿐 만 아니라 Shell과 Tube 내에서의 압력손실도 허용치를 넘는지 확인해 봐야 합니다. 열교환기의 전열면적 Allowance(Over Design)는 사용도중 Fouling이 되는 것을 감안하고 Load 변화에 적응할 수 있는지 여부를 확인하여 결정되어야 합니다. 별도의 명시가 없다면 100% 정도의 전열면적 여유를 두는 것이 좋습니다. 전열면적의 여유는 Tube 길이방향의 ,Allowance로 해결해야하벼 Tube 갯수를 늘이는 경우 tube 내 유속이 덜여져서 U값을 다시 계산하여 확인해 볼 필요가 있습니다.

Q2) 4번에서 저는 흐름 5의 기타물질의 비열을 가정한 것과
평균온도로 가정하여 물성치를 구한것 외에 딱히 쓸말이 없습니다.

A2) 상변화가 없는 경우 평균비열은 입, 출구에서의 평균온도에서의 혼합물 물성을 취하든가, 입출구에서의 물성을 각각 구하여 이들의 평균을 구하는 방법이 있습니다. 상변화가 없으면 이들 값들은 서로 크게 차이가 나지 않습니다.

그러나 상변화(증발, 응축, 결정화, 용융, 등)를 동반하는 경우 열교환기 내 상변화 영역에서의 온도가 거의 일정하기 때문에 열전달 계산시 LMTD에서 큰 차이을 낳을 수 있습니다. 이 경우에는 전열량과 온도차를 가중평균해서 얻은 가중평균온도차를 기준으로 계산해야 합니다. 열교환기 서적에서 "Weighted LMTD" "Caloric Value" 등의 키워드로 찾아보고 의문사항을 추가로 질문바랍니다

열전달에서 온도차는 곧 열전달을 일으키도록 하는 Driving Force가 되며 온도차가 크면 전열면적이 적게 소요되는 것으로 계산되기 때문에 정확한 가중평균온도차를 필요로 합니다.

특히 상변화를 포함하는 경우 상변화가 크게 많이 일어나지 않더라도 열량상으로는 현열량보다 잠열량이 아주 큰 값을 가지는 경우가 많습니다.

예를 들어 100 kg/h의 가스(비열 0.3 kcal/kg/℃가정)가 50℃ 온도가 떨어지면 현열에 의한 엔탈피감소는
100^0.3*(-50)=1500 kcal 이지만

이 때 예를 들어 100kg중 수분 약 3 kg이 섞여 있다가 응축되는 경우라면
현열에 의한 엔탈피 변화= 97*0.3*(-50) =-1455 kcal/h
잠열에 의한 엔탈피 변화= 3 *(-530) =-1590 kcal/h

위와 같이 현열에 의한 엔탈피 변화가 더 큰경우도 있습니다. 응축액을 무시하고 계산하면 현열부하만 냉각하는 열교환기를 설계하는 실수를 범할 수가 있게 됩니다. 따라서 열전달에서는 응축성 성분이 포함되어 있다면 반드시 상변화가 일부라도 포함하고 있지나 않은지 반드시 점검해 보아야 합니다.

최소값을 찾아내는 것이 최적화 과정입니다.  이 과정에서 열교환기 열전달 계수 뿐 만 아니라 Shell과 Tube 내에서의 압력손실도 허용치를 넘는지 확인해 봐야 합니다.   열교환기의 전열면적 Allowance(Over Design)는  사용도중 Fouling이 되는 것을 감안하고 Load 변화에 적응할 수 있는지 여부를 확인하여 결정되어야 합니다.   별도의 명시가 없다면 100% 정도의 전열면적 여유를 두는 것이 좋습니다.   전열면적의 여유는 Tube 길이방향의 ,Allowance로 해결해야하벼 Tube 갯수를 늘이는 경우 tube 내 유속이 덜여져서 U값을 다시 계산하여 확인해 볼 필요가 있습니다.

Q2) 4번에서  저는 흐름 5의 기타물질의 비열을 가정한 것과
평균온도로 가정하여 물성치를 구한것 외에 딱히 쓸말이 없습니다.

A2)  상변화가 없는 경우 평균비열은 입, 출구에서의 평균온도에서의 혼합물 물성을 취하든가,  입출구에서의 물성을 각각 구하여 이들의 평균을 구하는 방법이 있습니다.  상변화가 없으면 이들 값들은 서로 크게 차이가 나지 않습니다.

그러나 상변화(증발, 응축, 결정화, 용융, 등)를 동반하는 경우 열교환기 내 상변화 영역에서의 온도가 거의 일정하기 때문에 열전달 계산시 LMTD에서 큰 차이을 낳을 수 있습니다.    이 경우에는 전열량과 온도차를 가중평균해서 얻은 가중평균온도차를 기준으로 계산해야 합니다.    열교환기 서적에서 "Weighted LMTD" "Caloric Value" 등의 키워드로 찾아보고 의문사항을 추가로 질문바랍니다

열전달에서 온도차는 곧 열전달을 일으키도록 하는 Driving Force가 되며 온도차가 크면 전열면적이 적게 소요되는 것으로 계산되기 때문에 정확한 가중평균온도차를 필요로 합니다.

특히 상변화를 포함하는 경우 상변화가 크게 많이 일어나지 않더라도 열량상으로는 현열량보다 잠열량이 아주 큰 값을 가지는 경우가 많습니다.

예를 들어  100 kg/h의 가스(비열 0.3 kcal/kg/℃가정)가  50℃ 온도가 떨어지면 현열에 의한 엔탈피감소는 
100^0.3*(-50)=1500 kcal  이지만

이 때 예를 들어 100kg중 수분 약 3 kg이 섞여 있다가 응축되는 경우라면 
현열에 의한 엔탈피 변화= 97*0.3*(-50) =-1455 kcal/h 
잠열에 의한 엔탈피 변화= 3 *(-530) =-1590 kcal/h

위와 같이 현열에 의한 엔탈피 변화가 더 큰경우도 있습니다.  응축액을 무시하고 계산하면 현열부하만 냉각하는 열교환기를 설계하는 실수를 범할 수가 있게 됩니다.   따라서 열전달에서는 응축성 성분이 포함되어 있다면 반드시 상변화가 일부라도 포함하고 있지나 않은지 반드시 점검해 보아야 합니다.