게시판 > 질답게시판 > 대기식 기화기 설계에 대해 질문 있습니다.

스테파노 Stefano

14-07-03 16:40

(1) t1--> t2, t3-->t4로 되는 온도들이 무엇을 언급하는지 불분명하지만 LMTD 계산이 다른것은 아닙니다.

LMTD = (dt1-dt2)/ln (dt1/dt2)
= {(t1-t3)-(t2-t4)}/ln {(t1-t3)/(t2-t4)}
= (t4-t3)/ln {(t1-t3)/(t2-t4)}, t1=t2 인경우

(2) 언급하고 있는 "기화기"는 공기를 불어넣어 무엇을 기화시켜 공기-증기 혼합물로 만드는 것입니까? 또 기화를 위한 열원은 무엇을 이용하는 것입니까?

럭셔리 leejae22

14-07-04 09:03

액체질소를 대기온도로 기화시켜 기체질소를 만드는 기화기인데, 딱히 공기를 불어넣거나 하는것은아니고
그냥 외부에 설치만 해놓는 Fin tube type의 기화기입니다.
기화를 위한 열원은 오직 대기온도로만 기화를 시킵니다.
제가 말씀드린 t3, t4는 질소의 온도 t1,t2는 대기온도인데요.
LMTD 계산을할때 t1,t2는 변하지 않는 조건으로 LMTD를 계산을 하는데 제조사에서도 속시원히 답변해주는
사람이 없어서 이에 관련한 기준이 되는 설계자료가 있는지 혹시나해서 질문올렸습니다.
항상 답변해 주셔서 감사합니다.

스테파노 Stefano

14-07-04 12:23

(1) 액체질소가 증발하는 경우 질소가 모두 증발하는 동안 온도변화는 없고 모두 증발한 후 기체(증기)의 온도가 상승하게 됩니다. 따라서 다음 사항과 같이 구간별 전열량에 대해 가중평균을 해서 LMTD가 계산되어야 합니다. 이를 "가중평균 LMTD (Weighted LMTD)"라고 부릅니다.

<가중평균 LMTD> 계산방법

**질소 증발 구간**
질소 유량: m1 kg/h
질소 증발 전/후 온도 t1/t1, ℃
동 구간 공기온도: 입구/출구 to/t3, ℃(※만일 승온구간에서 사용됐던 공기가 도입된다면 t0=t5가 될수도 있음.)
질소 증발잠열: Λ kJ/kg
증발구간 전열량, Q1 = m*Λ, kJ
공기 비열(참고): Cp2, kJ/kg-℃
공기 유량(참고): m2 = Q1/{Cp2*(t0-t3)}, kg/h
동구간 LMTD: LMTD1 = {(t0-t1)-(t3-t1)}/ln{(t0-t1)/(t3-t1)} = (t0-t3)/ln{(t0-t1)/(t3-t1)},℃

**질소 증기 승온구간**
승온 전/후 질소 온도: t1/t2 ℃
동구간 공기 온도: 입구/출구 t4/t5, ℃ (※만일 이 구간에 Fresh Air가 공급되고 있다면 t4=t0가 될 수도 있음.)
질소 비열: Cp1, kJ/kg-℃
동구간 전열량: Q2 = m1*Cp1*(t2-t1) kJ/h
공기 비열(참고): Cp2, kJ/kg-℃ (※만일 이 구간의 공기비열이 Cp2와 크게차이 난다면 맞는값 Cp3값을 사용해야함)
공기유량(참고): m3 = Q2/{Cp2*(t4-t5)}, kg/h
동구간 LMTD: LMTD2 = {(t1-t5)-(t2-t4)}/ln{(t1-t5)-(t2-t4)},℃ ....(※Counter Current인 경우)

WLMTD = (Q1*LMTD1 + Q2*LMTD2)/(Q1+Q2)

(2) 공기의 흐름방식, 흐름량 등에 의해 공기의 온도가 크게 달라지기 때문에 이런 운전조건을 정해두고 계산해볼 필요가 있습니다. 또 N2 Vaporizer에서 온도가 너무 낮기 때문에 Fin 밖에 성에(얼음)가 많이 끼게 되면 전열계수가 크게 떨어지므로 이를 고려하여 충분한 전열면적의 확보가 필요합니다.

(1) 액체질소가 증발하는 경우 질소가 모두 증발하는 동안 온도변화는 없고 모두 증발한 후 기체(증기)의 온도가 상승하게 됩니다.   따라서 다음 사항과 같이 구간별 전열량에 대해 가중평균을 해서 LMTD가 계산되어야 합니다.   이를 "가중평균 LMTD (Weighted LMTD)"라고 부릅니다.

<가중평균 LMTD> 계산방법

**질소 증발 구간** 
질소 유량:             m1  kg/h
질소 증발 전/후 온도  t1/t1, ℃
동 구간 공기온도:  입구/출구  to/t3, ℃(※만일 승온구간에서 사용됐던 공기가 도입된다면 t0=t5가 될수도 있음.)
질소 증발잠열:       Λ   kJ/kg
증발구간 전열량,    Q1 = m*Λ,   kJ  
공기 비열(참고):     Cp2, kJ/kg-℃
공기 유량(참고):     m2 = Q1/{Cp2*(t0-t3)}, kg/h
동구간 LMTD:         LMTD1 = {(t0-t1)-(t3-t1)}/ln{(t0-t1)/(t3-t1)} = (t0-t3)/ln{(t0-t1)/(t3-t1)},℃

**질소 증기 승온구간** 
승온 전/후 질소 온도: t1/t2 ℃
동구간 공기 온도: 입구/출구  t4/t5, ℃  (※만일 이 구간에 Fresh Air가 공급되고 있다면 t4=t0가 될 수도 있음.)  
질소 비열:               Cp1,  kJ/kg-℃
동구간 전열량:         Q2 = m1*Cp1*(t2-t1) kJ/h   
공기 비열(참고):      Cp2, kJ/kg-℃        (※만일 이 구간의 공기비열이 Cp2와 크게차이 난다면 맞는값 Cp3값을 사용해야함)  
공기유량(참고):       m3 = Q2/{Cp2*(t4-t5)}, kg/h  
동구간 LMTD:         LMTD2 = {(t1-t5)-(t2-t4)}/ln{(t1-t5)-(t2-t4)},℃ ....(※Counter Current인 경우)

WLMTD = (Q1*LMTD1 + Q2*LMTD2)/(Q1+Q2)

(2) 공기의 흐름방식, 흐름량 등에 의해 공기의 온도가 크게 달라지기 때문에 이런 운전조건을 정해두고 계산해볼 필요가 있습니다.  또  N2 Vaporizer에서 온도가 너무 낮기 때문에 Fin 밖에 성에(얼음)가 많이 끼게 되면 전열계수가 크게 떨어지므로 이를 고려하여 충분한 전열면적의 확보가 필요합니다.

럭셔리 leejae22

14-07-04 16:28

스테파노님 감사합니다.
그렇다면 가중평균 LMTD의 경우 굳이 큰 의미는 없겠지만
공기의 유동을 예측하기 힘들기에 조금더 CASE를 Detail하게 설정한다고 하면

**질소 증발 구간**
공기온도 입구/출구 to/t3 ----- case1
공기온도 입구/출구 t5/t3 ----- case2

**질소 증기 승온구간**
공기온도 입구/출구 t4/t5 ----- case3
공기온도 입구/출구 t0/t5 ----- case4

WLMTD = (Q1*LMTD1 + Q2*LMTD2 + Q3*LMTD3 + Q4*LMTD4) / Qtotal
로 될수도 있는건가요?

그리고 성에가 끼면 어느정도 전열계수가 떨어지는지 알 수 있는 방법도 있을까요?

스테파노 Stefano

14-07-09 17:52

(1) 죄송합니다....Weighted LMTD 계산수식이 틀렸습니다.
WLMTD = (Q1*LMTD1 + Q2*LMTD2 + ..)/(Q1+Q2+..) ...........................(1) 이 수식은 틀렸습니다.

정정하면
WLMTD = Q /{Q1/LMTD1 + Q2/LMTD2+..), Q=Q1+Q2+,.......................(2) 가 되어야 맞습니다.

(2) 이 수식의 유도과정은 다음과 같습니다.
총괄 열전달 수식은 Q=UA(WLMTD) 라고하고 각 구간에서의 열전달 수식은 Qi/LMTDi = UiAi 이라고 하면

Q1=U1*A1*LMTD1, Q2=U2*A2*LMTD2,

Q1/LMTD1 = U1A1
Q2/LMTD2 = U2A2
Q3/LMTD3 = U3A3...

Q = UA (WLMTD) = Q1+Q2+Q3
==> WLMTD = Q/UA = Q/{Q1/LMTD1 + Q2/LMTD2 +...}

(3) 가중평균을 사용하는 이유는 개별 온도차나 면적을 총괄적으로 계산해 보기위해서입니다. 정확한 계산을 위해서는 구간을 나누어 구간별로 자세히 계산해서 열전달계수과 온도차등을 정확하게 계산한 다음 필요한 면적을 각각 구해서 더해주어야 합니다.

위의 유도과정에서 U1=U2=..U라고 놓은 것이지만 만일 U값이 위치마다 다른 경우라면 U값의 평균치 계산은 다음과 같은 수식으로 계산합니다.

Weighted U = (U1*A1 + U2*A2+...)/(A1+A2+...) ................(3)

(4) 성에가 끼면 온도차도 달라지고 열저항도 커져서 전열계수가 크게 떨어집니다. 냉장고에서도 성에가 끼면 성능이 크게떨어지지요.

럭셔리 leejae22

14-07-10 13:11

항상 답변해 주셔서 감사합니다~

신입사원으로서 도움이 많이 되었습니다.