게시판 > 질답게시판 > 기화기(Water Bath type) 전열면적에 대한 질문입니다.

스테파노 Stefano

09-10-12 20:29

LNG가 (1) -163도에서 증발한 다음 (2) 상온25도로 가열되는 것으로 보고 전열에 필요한 열을 (1)과 (2)로 나누어 각각 필요한 전열면적을 계산하여 이를 합산하는 방법을 사용하고 있습니다. 이때 각각의 LMTD와 열전달계수를 이용하여 계산하는 방법이 사용되었습니다.

S=S1+S2의 계산방식은 맞는데 가열에 사용한 냉수의 온도가 일정하다고 간주하여 계산했습니다. 실제는 증발열을 공급하면서 냉각수의 온도가 떨어지는데 이것이 고려되지 않았고 이 부분에서도 LMTD를 적용해야 하는데 온도차가 223도로 일정하다고 보고 계산되었습니다. 개략계산이라고 본다면 40-(-163)=203으로 계산하는 편이 Area에서 여유를 갖습니다.

hyounho hyounho

09-10-13 08:15

친절한 답변 감사합니다.
액체 부분 및 기체부분으로 나누어서
각각 전열면적을 구한다음 합산하는
방법을 사용해도 상관은 없나요?
이를테면 오차가 크거나 그렇지 않나요?

참 LNG는 Water Bath의 하부로 들어가서
상부로 나오고(코일처럼 감긴 배관을 통해
흐름) 온수도 하부로 들어가서 상부로
나오는 구조입니다.
(온수는 Water Bath Sell 부분을 가득
채우는 구조))

스테파노님 말씀대로 잠열이 훨씬 크기 때문에
액체부분에도 아무래도 LMTD를 동일하게
적용해야 될것 같긴 합니다.
그런데 LMTD 계산은 위에서 사용한
방법이 맞긴 맞겠죠?

한가지 더 궁금한 점이 있는데요.
물론 각각의 흐르는 유체에 따라
다르겠지만 같은 유체의 경우 액체상태와
기체상태의 전열계수에 어떤 상관관계가
있나요?
이를테면 LNG와 NG 기체 사이의
(메탄 액체와 메탄 기체의) 전열계수
사이의 상관관계......

그리고 똑같은 온도 조건과 유체일때
(LNG 및 온수) LNG 및 온수의 유량이
증가하고 Water Bath Shell 사이즈
,튜브 사이즈/길이/갯수가 증가할때
열전달 계수의 변화값을 무시하고
전열면적만 늘어나는 비율만큼
늘려줘도 되나요?

가령 유량조건 100일때 구한 열전달
계수가 1이라면 유량조건 1000일때
열전달 계수는 1로 동일하게보고
전열 면적을 10배로 계산해도 오차
범위 내에서 가능한 설계인가요?

이역시 너무 막연한 질문인지는 모르겠습니다.

답변 감사드리며 좋은하루 되십시오.

스테파노 Stefano

09-10-14 15:41

(0) 질문할 때 질문주제별로 번호를 달아주면 답변도 번호순서로 할 수 있기때문에 서로가 편리합니다. 또한 글을 쓸때 불필요한 줄바꿈은 줄이는 것이 좋습니다. 워드프로세서를 사용할 경우 가장 금기시 하는 것이 바로 "불필요한 줄바꿈 (불필요한 Carrage Return, 즉 Enter 키)"을 사용하는 것이랍니다.

(1) Vaporizer나 Condenser처럼 열교환기에서 상변화가 있는 경우에는 나누어 열전달을 계산하고 이를 합산하는 방법으로 사용합니다.

(2) 흐름방향
LNG는 하부로 들어가 상부로 들어가는 구조가 좋지만 온수는 상부로 들어가 하부로 배출하는 것이 열교환에 유리합니다. 온수와 LNG가 Counter Current 방향으로 흐르기 때문에 LMTD에서 유리한 점도 있지만 온수측에서 더워진 열이 Convection현상에 의해 상부로 올라가버리는 효과가 있기 때문입니다. (초저온의 LNG가 온수측에 얼음을 만들 우려가 있어서 온수가 하부로 들어오도록 하는 것이 유리할 수도 있습니다.)

(3) LMTD 계산은 입출구에서의 온도차를 온도차비의 자연대수값으로 나누어 계산하는 방법입니다.
LMTD = (Δt1 - Δt2)/ln(Δt1/Δt2)

(4) 기체나 액체나 대류상태에서의 Convection 계산은 물성(밀도, 점도, 열전도도)가 다른것 만을 제외하고 같은 방법을 사용합니다. 그러나 액상에서의 열전달계수는 기상보다 4배이상 10배 정도 크고 상변화를 일으키는 경우에는 액상에서의 열전달계수의 7배 이상이 됩니다. 예를들어 메탄올 기상에서의 열전달계수와 메탄이 증발되는 쪽에서의 열전달 계수는 각각 50, 3000 kcal/h/m2/℃ 라고 보면 기상과 상변화시의 열전달계수는 60배정도 차이가 납니다. 경우에 따라서는 100배이상 차이나는 경우도 있습니다.

(5) 유량부하가 늘 경우..
배관길이만 늘이는 경우 관 내의 유속이 크게 증가하여 압력차가 크게 증가할 수 있습니다. 따라서 유량이 늘어나는 경우 Tube 내부의 전열계수는 Reynolds No. 값이 유사한 값이 되도록 직경도 함께 늘여주어야 유사한 전열계수가 얻어집니다. Reynolds No 값을 모르더라도 관의 단면적당 질량유속(Mass Flux, G)를 같게 한다면 같은 전열계수가 얻어질 것입니다. 관 외부의 전열계수는 Coil의 Pitch, Diameter, Flux 등에의해 달라질 수 있으므로 Coil 외부 에서의 전열계수를 구하는 수식으로부터 계산해야 합니다.

Re = ρ*D*V/μ = DG/μ ==> 같은 Reynolds No 에서는 D와 G는 반비례

총괄전열계수는 다음과 같이 계산됩니다. Uo...튜브 외부표면적기준 총괄전열계수 다음과 같이 계산됩니다. 세부사항은 열전달 혹은 열교환기 교재를 참고하세요.

Overall Coefficient, Uo ==> Uo =1/{(Do/hiDi) + (1/ho) + (t/k)*(Do/DL)+..}

(5) 유량이 달라졌을 때 열전달 계수가 같아질 수도, 달라질수도 있는데 이는 (5)에서 설명한 바와 같이 총괄전열계수에서 외부와 내부의 Coil의 단면적, 외부 Coil 통과 Flux 등을 고려해서 총괄열전달 계수를 구해야 합니다. 열전달계수를 동일하다고 계산하면 문제가 발생될 우려가 큽니다. 그 문제는 (압력차, 전열면적 등의)오차범위를 초과한다고 보는 것이 일반적입니다. 열교환기에서 Tube Arrangement가 달라지면 Thermal Rating을 달리해야 하는 것과 같습니다.

(0) 질문할 때 질문주제별로 번호를 달아주면 답변도 번호순서로 할 수 있기때문에 서로가 편리합니다.  또한 글을 쓸때 불필요한 줄바꿈은 줄이는 것이 좋습니다.  워드프로세서를 사용할 경우 가장 금기시 하는 것이 바로 "불필요한 줄바꿈 (불필요한 Carrage Return, 즉 Enter 키)"을 사용하는 것이랍니다.

(1) Vaporizer나 Condenser처럼 열교환기에서 상변화가 있는 경우에는 나누어 열전달을 계산하고 이를 합산하는 방법으로 사용합니다.

(2) 흐름방향
LNG는 하부로 들어가 상부로 들어가는 구조가 좋지만 온수는 상부로 들어가 하부로 배출하는 것이 열교환에 유리합니다.  온수와 LNG가 Counter Current 방향으로 흐르기 때문에 LMTD에서 유리한 점도 있지만 온수측에서 더워진 열이 Convection현상에 의해 상부로 올라가버리는 효과가 있기 때문입니다.  (초저온의 LNG가 온수측에 얼음을 만들 우려가 있어서 온수가 하부로 들어오도록 하는 것이 유리할 수도 있습니다.)

(3) LMTD 계산은 입출구에서의 온도차를 온도차비의 자연대수값으로 나누어 계산하는 방법입니다.   
LMTD = (Δt1 - Δt2)/ln(Δt1/Δt2)

(4) 기체나 액체나 대류상태에서의 Convection 계산은 물성(밀도, 점도, 열전도도)가 다른것 만을 제외하고 같은 방법을 사용합니다.   그러나 액상에서의 열전달계수는 기상보다 4배이상 10배 정도 크고 상변화를 일으키는 경우에는 액상에서의 열전달계수의 7배 이상이 됩니다.   예를들어 메탄올 기상에서의 열전달계수와 메탄이 증발되는 쪽에서의 열전달 계수는 각각 50,  3000 kcal/h/m2/℃ 라고 보면 기상과 상변화시의 열전달계수는 60배정도 차이가 납니다.  경우에 따라서는 100배이상 차이나는 경우도 있습니다.

(5) 유량부하가 늘 경우..
배관길이만 늘이는 경우 관 내의 유속이 크게 증가하여 압력차가 크게 증가할 수 있습니다.   따라서 유량이 늘어나는 경우 Tube 내부의 전열계수는 Reynolds No. 값이 유사한 값이 되도록 직경도 함께 늘여주어야 유사한 전열계수가 얻어집니다.   Reynolds No 값을 모르더라도 관의 단면적당 질량유속(Mass Flux, G)를 같게 한다면 같은 전열계수가 얻어질 것입니다.  관 외부의 전열계수는 Coil의 Pitch, Diameter, Flux 등에의해 달라질 수 있으므로 Coil 외부 에서의 전열계수를 구하는 수식으로부터 계산해야 합니다.

Re = ρ*D*V/μ = DG/μ   ==>  같은 Reynolds No 에서는 D와 G는 반비례

총괄전열계수는 다음과 같이 계산됩니다.  Uo...튜브 외부표면적기준 총괄전열계수 다음과 같이 계산됩니다. 세부사항은 열전달 혹은 열교환기 교재를 참고하세요.

Overall Coefficient, Uo  ==>   Uo =1/{(Do/hiDi)  + (1/ho) + (t/k)*(Do/DL)+..}

(5) 유량이 달라졌을 때 열전달 계수가 같아질 수도,  달라질수도 있는데  이는 (5)에서 설명한 바와 같이 총괄전열계수에서 외부와 내부의 Coil의 단면적, 외부 Coil 통과 Flux 등을 고려해서 총괄열전달 계수를 구해야 합니다.   열전달계수를 동일하다고 계산하면  문제가 발생될 우려가 큽니다.   그 문제는 (압력차, 전열면적  등의)오차범위를 초과한다고 보는 것이 일반적입니다.    열교환기에서 Tube Arrangement가 달라지면 Thermal Rating을 달리해야 하는 것과 같습니다.