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  대기중 고온의 파이프의 냉각시간 문의 드립니다.
  글쓴이 : 웅스1   고유ID : lures     날짜 : 19-01-18 17:20     조회 : 73    
안녕하세요. 화학계산에 초보입니다. 냉각시간 계산중  궁금한 내용 문의 드립니다.
고온의 파이프를 대기중에 물을 분사 스프레이방법으로 냉각할려고 합니다.
PIPE 재질  : 스테인레스강
PIPE SIZE  : PIE 0.273 x 0.0016(T) x 12 m
PIPE 질량 (M) : 1283.8 Kg 
PIPE 면적 (A) : 10.2 m2
PIPE 표면온도 : 300도
PIPE 스프레이 분사후 온도 :  50도
물의 분사량 : 12 L/min x 120ea = 1440 L/min
물의 비열     : 1 kcal/kg'C
물 증발잠열(r)  : 540  kcal/kg
PIPE 비열 (C)    :  0.12  kcal/kg'C
PIPE 전열계수(r)  : 14 kcal/mh℃
물이 300도 파이프에 맞고 모두 증발한다는 가정
1. PIPE 300도가 100도로 떨어지는 열량 Q1 = MC△T
Q1 = 1283.8 Kg  x 0.12  kcal/kg'C x 200 △T = 30811kcal
2. 물이 증발할때의 열량 Q2 = Mr
Q2 = 1440 L/min x 540  kcal/kg = 777600 kcal/Kg
증발시간 = 30811kcal / 777600 kcal/Kg = 0.04 min
물이 증발이후 냉각시간
3.  PIPE 100도에서 50도로 떨어지는 열량 Q3 = MC△T
Q3 = 1283.8 Kg  x 0.12  kcal/kg'C x 50 △T = 7703 kcal
4. PIPE 열전도율 Q = rA△T/L
Q4 = 14 kcal/mh℃ x 10.2 m2 x 50 △T /  0.016 m = 450041 kcal/hr
증발시간 = 7703 kcal / 450041 kcal/hr = 0.017 hr = 1.03 min
총증발시간 = 0.04 min + 1.03 min = 1.07 min
계산상 1.07분이면 50도가 되는데 실제로 물이 100% 증발은 어렵고 분사방법에 변수가 많기 때문에 시간은 계산보다 많이 걸리것 같습니다. 둥근 파이프에 20% 면적만 냉각효과가 있고 증발은 10% 정도 된다면 4분정도 예상이....
보다 정확한 계산을 얻고자 하면 무엇이 더 필요할까요
그리고 대기중에 분사하는데 그러면 대류,복사에 대한 냉각효과도 같이 생각을 해야 하지 않나요?
현재 대기온도 10도에서 스프레이 분사하기전 25분동안 시간동안 400도에서170도 온도가 변화가 있습니다.
대류열전달율 Q5 = ac x A x △T
복사에 대한 열전달률  Q6 = ar x A x △T
총열전달 Q = (ac + ar ) A △T 
구하면 그다음 어떻게 해야하나요?

스테파노 Stefano   19-01-18 21:10
파이프는 1개당 300도에서 100도까지 냉각될 경우 냉각열(kcal 단위)이 구해져 있고 물은 분사유량(L/min 대략 kg/min)에 증발잠열 (kcal/kg)이 곱해져 있어서 분사유량이 모두 증발되는데 소요되는 시간이 계산되어 있습니다. 

말하자면 분사유량의 물로 증발잠열만 이용했을 때 몇분동안 뿌려주어야 하는 시간이 계산되어 있지만 전열이 일어나고 있는 상황과는 동떨어진 가정이 많이 포함되어 있습니다.  Pipe가 전체적으로 골고루 물과 접촉하여 물이 증발하면서 냉각되고 있다는 가정인데  파이프의 놓임이 수평인지 수직인지도 알 수 없습니다.  전열의 균일성이 담보되지 않는 계산에 해당하지요.

또한 다시 100도에서 50도로 Pipe가 냉각될 때의 열량이 계산되어 있고 ,이를 Pipe 표면을 기준으로 열전도방향 균일한 전달계수로 전달된다고 보고 냉각되는 것으로 가정하고 있는데 냉각시키면서 상승하는 물의 온도와 공급되는 물의 양에 대해서는 고려하는  바가 전혀 없습니다.  물이 Pipe 표면에 균일하게 접해있고 일정한 온도차를 유지하고 있는 상태로 열전달이 일어나고 있는 것이 아니지요.  따라서 실제상황과 계산방법은 딴 판에 해당합니다. 

문제가 아주 어려운 복잡한 시스템이기 때문에 여러가지 가정을 통하여 시스템 모델을 단순화 시키는 것이 선행 되어야 하고 열전달이 일어나고 있는 표면의 균일성,  위치별 온도의 균일성, 냉각수 유량의 균일성, 시간대별 온도의 균일성 등의 가정해야 사항들이 너무 많아서 해석한 결과가 나와도 실제와 동떨어진 계산식이 얻어질 가능성이 너무 큽니다.

파이프를 순간적으로 물속에 잠기도록 하고 증발된 수증기는 순식간에 표면을 떠날때 까지는 물의 잠열이 이용되고 그리고 나서는 충분한 균일한 온도의 물이 Pipe를 냉각하고 있다고 보고 계산해도 시스템 해석은 간단하지 않습니다.

냉각시간을 줄이고 냉각수의 양을 절약하는 방안으로는 물에 잠기도록 하여 냉각하도록 해야 하겠지요.  Pipe를 수평방향으로 회전시키면서 이동시키고 물은 향류방향으로 공급되는 기다란 Trough(여물통) 같은 냉각기를 고려한다면 각 위치에서 Steady  State로 유지되므로 계산이 훨씬 수월할 것으로 보입니다.
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