게시판 > 질답게시판 > 초저온탱크 열전달 관련 질문입니다.

Stefano

15-07-24 10:38

(1) 먼저 질문에 대한 답을 먼저 하자면 <이는 외벽과 내벽 사이의 진공여부에 관계없이 열전달량이 동일하다는(또는 그 차이가 미미하다) 결과가 나올 것이라고 이해...> 이는 맞지 않는 인식입니다.

고온탱크와는 달리 저온 탱크의 경우에는 보온재의 온도가 공기의 노점이하로 유지되는 경우 보온재에 스며들어있던 공기중의 수분이 응축되어 젖어 있거나 물의 빙결온도 이하로 내려가게 되면 얼음이 생성되어 보온성능이 크게 떨어지기 때문에 액체질소와 같은 초저온 상태의 탱크보온의 경우에는 이중탱크로 만들고 진공상태로 만들어 둡니다.

따라서 진공여부와 관계없이 "열전달량이 동일"하다 라는 말이 맞지 않지요.

(2) 이전 게시물에서 "열전달이 일어나는 단면을 통하여 전달되는 열량은 동일하다"라는 뜻의 의미를 잘못이해하는 듯하여 다시 보충설명합니다.

열전달이 일어나고 있는 시스템에서 열전달현상이 오래동안 지속되면 각 열전달매체 위치에서의 온도가 (시간에 관계없이) 일정하게 유게 되는데 이 상태를 "정상상태(Steady State)"라고 부릅니다. Tank의 경우에도 오래동안 대기중에 놓여있기 때문에 평형상태에 도달되어 있다고 보고 열손실을 계산합니다.

이 때 "열전달 단면을 통해 전달되는 열량은 동일하다" 는 말은 탱크내벽 금속을 통과하는 열량과 각각의 보온재를 통해 표면보온카바로 전달되는 열량 및 보온카바에서 대기중으로 발산되는 전열량이 모두 같다는 것을 의미합니다.

q= (hi)*Ai*(hi-t1) = (k1/x1)*A1*(t1-t2) = (k2/x2)*A2*(t2-t3) = (k3/x3)*A3*(t3-t4)+ ....= (ho)*Ao*(to-ta) ....(1)

윗식은 이를 수식으로 표현한 것인데 hi, ho는 탱크 내, 외부에서의 대류전열계수로 kcal/h-m2-h 와 같은 (대류)열전달계수단위가 됩니다.
1,2,3...은 탱크 금속, 절연재, 보온재,보온카바..등 겹겹으로 되어 있는 각각의 열전달 물질번호이고 t1,t2,.. 등은각 매체 끝부분에서의 온도이며 k1, k2,..는 고체물질의 열전도도, x1,x2,...등은 각 열전달 고체물질의 두께, A1,A2,..는 열전달매체의 평균 열전달 면적입니다.

(3) 열전달이 많이 일어나지 않도록 보온되어 있는 탱크의 경우에는 액의 온도와 금속용기벽의 온도는 같다고 보아도 무방합니다. 실제로도 거의 차이가 나지 않습니다. 그러나 각 보온재 접속 표면에서의 온도는 크게 다릅니다. 크게 다르지만 그 온도들은 시간이 경과해도 항상 그온도를 유지하고 있습니다. 이 상태가 바로 "평형상태"라는 뜻입니다.

(4) 보온카바의 표면온도의 계산은..
(1)식을 이용하여 계산해야 하는데 각 보온재 표면접속면에서의 온도, 및 열전달량을 모르기 때문에 쉽게계산되지 않습니다. 그러나 많은 Trial-and-Error 방법을 사용하면 구해낼 수 있습니다. 이 방법은 열손실량을 가정해두고 각 보온재 사이의 온도를 가정해서 표면 열손실을 계산해보고 그 열손실량이 원래 가정한 열손실량과 동일하다면 그 때의 보온재 표면온도값이 맞습니다.
설명은 간단해도 계산은 수없이 반복해야 하기 때문에 시스템을 먼저 단순화 해야합니다. 그러기 때문에 내부의 대류전열계수는 무한히 커서 탱크 내부의 금속이나 액의 온도는 같다고 가정하고 절연재, 보온재의 열저항과 표면 대류열전달 저항만 고려하여 계산하게 됩니다.

(5)결론적으로..
내부 보온재의 진공이 떨어졌다면 보온성능이 떨어져 있다고 간주하면 됩니다. 보온성능이 떨어졌다면 처음의 정상상태 조건이 달라져 다른 정상상태에 도달해 있을 것이므로 보온카바의 표면 온도가 높아져 있을 것입니다. 표면온도가 높아지면 보온표면에서의 대류 열전달량이 늘어나 열전달량 즉 열손실이 늘아나게 되는 것이지요.

(1) 먼저 질문에 대한 답을 먼저 하자면 <이는 외벽과 내벽 사이의 진공여부에 관계없이 열전달량이 동일하다는(또는 그 차이가 미미하다) 결과가 나올 것이라고 이해...> 이는 맞지 않는 인식입니다.

고온탱크와는 달리 저온 탱크의 경우에는 보온재의 온도가 공기의 노점이하로 유지되는 경우 보온재에 스며들어있던 공기중의 수분이 응축되어 젖어 있거나 물의 빙결온도 이하로 내려가게 되면 얼음이 생성되어 보온성능이 크게 떨어지기 때문에 액체질소와 같은 초저온 상태의 탱크보온의 경우에는 이중탱크로 만들고 진공상태로 만들어 둡니다.

따라서 진공여부와 관계없이 "열전달량이 동일"하다 라는 말이 맞지 않지요.

(2) 이전 게시물에서 "열전달이 일어나는 단면을 통하여 전달되는 열량은 동일하다"라는 뜻의 의미를 잘못이해하는 듯하여 다시 보충설명합니다.

열전달이 일어나고 있는 시스템에서 열전달현상이 오래동안 지속되면 각 열전달매체 위치에서의 온도가 (시간에 관계없이) 일정하게 유게 되는데 이 상태를 "정상상태(Steady State)"라고 부릅니다.   Tank의 경우에도 오래동안 대기중에 놓여있기 때문에 평형상태에 도달되어 있다고 보고 열손실을 계산합니다.

이 때 "열전달 단면을 통해 전달되는 열량은 동일하다" 는 말은  탱크내벽 금속을 통과하는 열량과 각각의 보온재를 통해 표면보온카바로 전달되는 열량 및 보온카바에서 대기중으로 발산되는 전열량이 모두 같다는 것을 의미합니다.

q= (hi)*Ai*(hi-t1) = (k1/x1)*A1*(t1-t2) = (k2/x2)*A2*(t2-t3) = (k3/x3)*A3*(t3-t4)+ ....= (ho)*Ao*(to-ta) ....(1)

윗식은 이를 수식으로 표현한 것인데  hi, ho는 탱크 내, 외부에서의 대류전열계수로 kcal/h-m2-h 와 같은 (대류)열전달계수단위가 됩니다.   
1,2,3...은 탱크 금속, 절연재, 보온재,보온카바..등 겹겹으로 되어 있는 각각의 열전달 물질번호이고 t1,t2,.. 등은각 매체 끝부분에서의 온도이며  k1, k2,..는 고체물질의 열전도도, x1,x2,...등은 각 열전달 고체물질의 두께, A1,A2,..는 열전달매체의 평균 열전달 면적입니다.

(3) 열전달이 많이 일어나지 않도록 보온되어 있는 탱크의 경우에는 액의 온도와 금속용기벽의 온도는 같다고 보아도 무방합니다. 실제로도 거의 차이가 나지 않습니다.   그러나 각 보온재 접속 표면에서의 온도는 크게 다릅니다.  크게 다르지만 그 온도들은 시간이 경과해도 항상 그온도를 유지하고 있습니다.   이 상태가 바로 "평형상태"라는 뜻입니다.

(4) 보온카바의 표면온도의 계산은.. 
(1)식을 이용하여 계산해야 하는데 각 보온재 표면접속면에서의 온도, 및 열전달량을 모르기 때문에 쉽게계산되지 않습니다.   그러나 많은 Trial-and-Error 방법을 사용하면 구해낼 수 있습니다.   이 방법은 열손실량을 가정해두고 각 보온재 사이의 온도를 가정해서 표면 열손실을 계산해보고 그 열손실량이 원래 가정한 열손실량과 동일하다면 그 때의 보온재 표면온도값이 맞습니다.   
설명은 간단해도 계산은 수없이 반복해야 하기 때문에 시스템을 먼저 단순화 해야합니다.  그러기 때문에 내부의 대류전열계수는 무한히 커서 탱크 내부의 금속이나 액의 온도는 같다고 가정하고 절연재, 보온재의 열저항과 표면 대류열전달 저항만 고려하여 계산하게 됩니다.

(5)결론적으로..
내부 보온재의 진공이 떨어졌다면 보온성능이 떨어져 있다고 간주하면 됩니다.   보온성능이 떨어졌다면 처음의 정상상태 조건이 달라져 다른 정상상태에 도달해 있을 것이므로 보온카바의 표면 온도가 높아져 있을 것입니다.  표면온도가 높아지면 보온표면에서의 대류 열전달량이 늘어나 열전달량 즉 열손실이 늘아나게 되는 것이지요.