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  shell and tube형 열교환기 설계
  글쓴이 : 화학요정   고유ID : gudtjs0053     날짜 : 19-05-29 23:00     조회 : 314    

1. 톨루엔 가스 발생량 : 170m3/min

2. 가스온도

열교환기 입구 : 210 oC

열교환기 출구 : 40 oC

3. 톨루엔의 비열 :(Cv :0.343kcal/kgoC, Cp:0.48kcal/kgoC)

4. 200 oC 공기의 밀도 : 0.722 kg/m3

 

관 바깥지름 = 0.375ft

관의안지름 = 0.3355ft

hdi 내관의값 : 1000btu/ft^2 h F

hi 관내부의 값 : 355 btu/ ft^2 h F

Xw 관벽의 두께 : 0.0198ft

Kw 관벽의 열전도도 : 26btu/ ft^2 h F

DL 대수평균지름 : 0.3549ft

ho 관 외부의 값 : 500btu/ ft^2 h F

hdo 외관의 값 : 700btu/ ft^2 h F

 

열교환기 내부 Pipe를 설계하시오

1. 전열면적 (m2)?

2. 총괄열전달계수(kcal/h·m·oC) ?

3. 개당 면적(m2/)?

4. 필요수량()?

5. 열교환기 tube(pipe) 규격

6. 열교환기 tube(pipe) 수량 (): ? x ?

 

총괄전열계수 식에 의한 계산, 단위 환산으로 총괄전열계수 U0 = 562Kcal/kg oC 가 나왔습니다.

 

전열면적을 구해야하는데 이 경우에 톨루엔의 질량유량을 안줬기때문에 톨루엔의 밀도를 곱해줘야하는데 액체 톨루엔의 밀도가 아닌 210도씨의 gas at equilibrium의 밀도를 곱해서 질량 유량을 도출하는게 더 맞는지 그냥 공기밀도를 곱해서 구하는지 모르겠어서 210도 gas at equilibrium 을 이용했습니다. 그 값은 24.78kg/m^3이 나와서 이대로 계산한다면 열전달량 qm 0.48 (210-40) = 19143360 Kcal /hr 가 나옵니다

문제에서 200도씨 공기의 밀도를 줬는데 공기로 냉각한다고 가정하고 공기의 출구온도를 200도로 잡고 입구온도를 가정하고 Tlm을 구해서 공기의 질량유량을 추정하여 U0 A Tlm 을 통해서 전열면적 A를 추론하는 방법에서 뭔가 잘못된 부분이 있나요?

 

교수님이 200도씨 공기의 밀도에 대해 잘생각해보라고 하시는데 이 밀도를 도무지 문제에서 왜 줬는지를 모르겠습니다 !

 

그래서 공기의 밀도를 통해서 PV=nRT 에서 P *분자량 = (n* 분자량RT)/V 여기서 n*분자량/V가 밀도로 표현될수 있으니까 여기서 교환기의 평균대수 지름을 줬으니까 그 면적에 가해지는 압력을 통해서 뭔가 다른 값을 얻어낼 수있는가도 생각을 해봤는데 답을 찾지 못했습니다.

 

보통 열교환기를 설계할 때 외부와 접촉으로 인한 열손실은 무시하고 설계하는 경우가 있나요?

손실이 무시된다면 냉각수 입구 출구온도를 가정하고 냉각수에 전달된 열과 톨루엔이 잃은열량을 같다고 놓고 문제를 풀어보려합니다

 

문제를 풀면서 많은 부분의 정보가 부족하다고 생각이 들어서 교수님께 여쭤봤는데 아니라고 하시더라구요. 가정없이 문제가 풀릴수가있나요?

 

스테파노님 이 문제에서 200도씨 공기의 밀도를 이용하여 얻을 수 있는 정보가 무엇인지 접근법만이라도 생각을 공유해주면 감사하겠습니다 읽어주셔서 감사합니다.


스테파노 Stefano   19-05-30 11:33
(1) 문제점들..

문제점 1:  톨루엔 증기가 210도에 유입되어 40도로 냉각되는 동안 응축이 일어날 테인데 그런 내용에 관한 설명이 전혀 없음.       
문제점 2:  만일 톨루엔이 응축된다면 응축잠열이 아주 클 것이기 때문에 열교환기 냉각부하는 크게 달라질 것임.
문제점 3:  기상 톨루엔의 부피유량이 나와 있는데 압력이 주어져 있지 않습니다. 즉 톨루엔의 질량유량을 환산할 수 없습니다. 
              (표준상태 부피유량이라면 Nm3/h와 같은 단위를 사용합니다.)   
문제점 4:  톨루엔을 냉각 및/또는 응축하기위해 사용하는 냉각매체가 무엇인지 알 수 없습니다. 
문제점 5:  냉각매체가 공기라고 하더라도 공급되는 찬공기 온도와 덥혀진 공기의 온도를 알려주어야 하는데 엉거주춤
              200도에서의 공기밀도만 주고 있습니다. 
              냉각부하가 아주 아주 애매한 상태에서 열수지에 의한 찬공기의 온도를 계산하기도 어렵습니다.
문제점 6:  만일 톨루엔이 응축된 후 과냉되어 배출된다면 열교환기 내부를 3개 구간으로 나누어 냉각부하와 LMTD를
              고려하여 가중평균 계산된 LMTD를 계산해야 하지만 이 문제는 전혀 언급하고 있지 않습니다. 
문제점 7:  Tube 길이를 알아야 갯수가 계산되는데 Tube 길이를 가정해서 하라는 설명도 안되어 있습니다. 
문제점 8:  열교환기 Tube Sheet에서 Tube 배열 모양은 직사각형이 아니라 6각형에 가깝습니다.  열x행으로 계산되지 않지요   

위의 8가지 문제점이 내재되어 있습니다.  물론 교육을 위한 문제라고 하더라도 너무 대책없는 엉성한 문제로 괴롭히면 안된다는 생각입니다.  위의 8가지를 포함한 모든 가정을 해서 풀어내는 것을 고민해 보라는 <아주 좋은 문제 일 수도 있습니다> 그러나  그렇다고 가정하면 너무 어려운 문제가 됩니다.

(2) 200도의 공기가 냉각매체로 사용되는 출구온도라 치면 열수지에 의해 유입공기의 유량을 구할랴 치면 공기의 비열을 주어야 하지 밀도는 이 계산에서는 별료 필요가 없는 정보입니다.  아래 수식에서 얻어낼 수 있는 것을 찾아내 보세요.   

Q= UA*LMTD = [m*Cp*Δt]_toluene = [m*Cp*Δt]_air
화학요정 gudtjs0053   19-05-30 21:20
답변 감사합니다!
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