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  열교환기 및 Joule-Thomson effect 관련 질문
  글쓴이 : 마동쓰   고유ID : com2356     날짜 : 20-12-29 14:09     조회 : 3016    
안녕하세요,
항상 많은 도움주셔서 감사합니다.

아래 2가지 사항에 대해 질문이 있어 글을 남깁니다.

1. Shell&Tube 열교환기의 다른 조건은 동일한 상태에서 tube type만 변경(Plain → L-Fin)할 경우, 열교환기의 효율이 개선될 수 있는지 궁금합니다.
분명 전열면적은 큰폭으로 상승하겠지만, fin의 설치가 열전달 계수에 영향을 미칠 것으로 생각합니다.

2. 아래 그림과 같이 과열 증기가 100% open된 밸브를 통해 대기압의 설비로 지나간다고 할 때, 그림상 빨간색 지점에서도 팽창에 따른 Joule-Thomson effect가 발생한다고 보는지 궁금합니다.
 제가 기억하는 Joule-Thomson effect는 throttle valve와 같이 특정 설비를 거치며 단열 팽창이 일어남에 따라 온도 변화가 발생하는 효과라고 기억합니다. 하지만 아래 조건은 단순히 대기압의 설비에 연결된 상황이라 압력 차이만큼
유량만 흐를 것이라고 생각하는데, 개념이 안 잡혀서 그런지 모호하네요...

스테파노 Stefano   20-12-30 15:28
(1) 열교환기 Tube 형태가 달라지면 전열면적이 줄어들어 열교환기 가격이 줄어들 수 있으나 효율차이는 그리 크지 않을 것입니다  열전달계수는 전열면적을 늘이고 줄이는데 영향을 주지만 효율이 크게 달라지게 하는 요소가 아닙니다. 

사용하던 열교환기의 열전달계수가 떨어지는 경우 운전부하를 줄일 수 밖에 없는데 이러한 간접적 효과는 나타날 수 있지요.

(2) Joule-Thomson 효과는 단열(열출입이 없는)상태에서 고압의 기체가 저압으로 떨어지면서 온도가 떨어지는 현상을 말합니다.  "특정설비" 라고 했지만  열, 일의 출입이 없이 압력차만 나타나는 경우라면  밸브와 Orifice가 됩니다.  해당 배관에서도 같은 현상이 나타날 것입니다. 
 
질문에서 언급하는 발브에 공급되는 Superheated Vapor는 밸브를 지나면서 압력이 낮아지고 그로 인하여 온도강하가 일어납니다.  온도가 낮아지면 과열도가 떨어겠만 압력이 낮아져 응축온도가 더 내려감에 따라 상대포화도는 더 낮아질 수 있습니다.
압축공기를 노즐을 통해 방출하면 온도가 낮아지는데  이 효과가 Joule Thomson Effect 인데  몇 몇 기체는 특정온도 구간에서 압력을 낮추면 오히려 온도가 올라가는 기체도 있습니다. 

(3) 배관, 연결된 밸브,  노즐 혹은 어떤 기기장치를 통과하는 경우에 공급되는 압력이 배출되는 (절대)압력의 약2배 이상이 되면 통과하는 통로의 출구에서 Sonic Velocity에 도달하기때문에  공급관의 압력이 10기압(절대)이고  출구가 대기압이기 때문에 공급되는 곳 10기압으로부터 말단 1기압(절대)으로 압력이 낮아지면서 중간 어딘가에 Sonic Velocity에 도달하면서 소음이 요란하게 발생할 것입니다.    이 과정에서 압력도 떨어지고 함께 온도도 떨어집니다.   

대개의 경우 조절하는 밸브 전후에서 절대압의 약 1/2이 되면서 음속에 도달하고 그 이후에도 압력이 떨어지면서 기체 부피가 늘어나기 때문에 그 이상의 유량이 흘러갈 수가 없이 음속에 도달 하고 그 증기는 도관을 최대 혹도인 음속에 도달하면서 흘러갑니다.
     
마동쓰 com2356   20-12-31 09:55
답변 감사합니다. 추가적인 질문이 있어 댓글 남깁니다.

(1) Tube type을 Plain → Low Fin으로 바꿀 경우, 전열 면적은 대략 3~4배정도 늘어나는 것으로 알고 있습니다. 하지만 simulation 결과 총괄 열전달 계수는 대폭 떨어지더라구요. 총괄 열전달 계수의 분모에 Ao/Ai 항이 있는데, Ao 항이 대폭 커짐에 따라 분모가 커져서 총괄 열전달 계수는 떨어지는게 맞는지 궁금합니다.
또한, Fin 설치로 Tube out(Shell side) 측 대류 열전달 계수 변화가 있는지도 궁금합니다.

(2) 그림과 같은 상황에서 온도가 몇도 하락하는지 확인하기위해 차압(10bar)에 duty를 0으로 주고 공정 모사를 진행했더니 생각보다 온도 하락폭이 크지 않습니다(약 5℃). 따라서 이 방법이 틀린 것 같은데, 혹시 어떻게 모사를 진행해야 하는지 궁금합니다. 정의에 따라 수계산도 해보려 했더니(줄톰슨계수 = V*(αT-1)/Cp), α값을 어디서 확인해야 할지 모르겠네요.. 도움을 부탁드립니다.
Stefano    21-01-03 20:38
A1-1)  전열면적 계산식  Ai = (Q/ΔT)/Ui의 분모 Ui는 총괄열전달 계수를 나타내지만 내부면적 Ui의 역수는 열전달 저항을 말합니다.

Ao/Ai 항을 사용하여 계산하는 것은 기준면적을 Tube 내 외면 중 기준으로 하는 면적을 정하기 위함입니다. 
 hi. ho, k/t  항에 곱해졌다면 열전달계수가 커지는 것으로 계산되지만  1/hi,  1/ho,  t/k 항에 곱해졌다면 열저항이 증가되는 것으로 계산됩니다.  따라서    U  계산에 사용하였는가  1/U 계산에 사용했느냐에 따라 의미가 달라지지요 전자는 전달계수 계산하는 것이고  1/U 계산에 사용했다면  전달저항를 계산한 것이지요.    Ao/Ai를 곱해 커지는 것은 전달계수가 커지는 것이고 전달저항은 줄어들기 때문에 총과전열계수는 줄어드는 것이 아니고 늘어납니다.   

A1-2)Fin이 달리면 외부 대류전열계수와 곱해져서  ho*Ao가 증가하게 되므로  1/U값 계산에서 외부열전달 저항 1/hoAo 항은 줄어들게 되고 (1/U 값이 줄어들고) 이 열전달저항이 줄어들면  U값이 늘어나게되지요. 

Fin의 사용목적이  ho가 작으니까 Ao를 넓혀서 개별 열전달계수를 늘이려 하기위해 적용하는 것입니다.  Fin은  Tube 외부 전달계수를 늘이녀는 목적인데 질문에서 사용한 "Shell side" 는  Tube Inside를 말하는 것은 아닐 것이고...  모호한 표현입니다 .

A2) Joule Thomson 계수(JTC)는 핸드북이나 인터넷에서 찾아 볼 수 있습니다.  기체의 종류와 온도범위에 따라 온도변화가 거의 없는 경우도 있습니다.  온도에 따른  계수를 JTC도표를 찾아야 합니다.
     
마동쓰 com2356   21-01-06 08:26
(1) 외면기준 총괄 열전덜 계수(Uo)는 '1/{(Ao/hiAi)+(Ao/hdiAi)+(금속 내부 열전도 항)+(1/hdo)+(1/ho)' 입니다. 따라서 분모값이 커질수록 총괄 열전달 계수는 작아질 것입니다. Fin이 설치되면 'Ao/Ai' 항이 커질 것이며, 위 식의 분모는 커질 것이고 총괄 열전달 계수는 작아지는 것이 아니냐는 의견이었습니다.

위와 같이 생각한 이유는 ASPEN EDR 프로그램에서 다른 조건은 동일하게 두고 TUBE TYPE만 'PLAIN → LOW FIN' 으로 변경하여 RATING한 결과, 총괄 열전달 계수의 값이 PLAIN > LOW FIN으로 나와서 이와 같이 생각하였습니다.

(2) 염산 gas에 대한 Joule Thomson 계수를 찾아보려 했는데 확인이 잘 안되네요. 참고할 만한 자료가 있으면 추천을 부탁드립니다.
Stefano    21-01-06 10:14
(1) U가 외부면적이냐 내부면적이냐에 따라 다르기 때문에 Uo를 기준으로 하면 Ao가 계산되고  Ui로 계산하면 Ai가 계산되는데  Fin에 의해 전열면적Ao가 커졌다면  대신 열전달계수는 Ui보다 작은 Uo값이 사용되기 때문입니다.  당연하지요.

(2) 아주 흔한 가스가 아니면 J-T 계수값을 찾을 수가 거의 없지만  엔탈피를 구하는 수식이나 도표가 있다면 이로부터 미분하거나 특정온도 압력에서 기울기를 구하여 구할 수도 있습니다.    HCl의 T-H Diagram은 유료 문헌자료 Data를 이용하면 구할 수 있을 것입니다.    예전에 유럽(아마 프랑스)에서 물성자료를 서적으로 판매했었는데 요즘에는 file로 Down 받을 수 있지요.

참고로 이곳에 한번 문의해 보세요.
https://go.gale.com/ps/anonymous?id=GALE%7CA12790449&sid=googleScholar&v=2.1&it=r&linkaccess=abs&issn=0038111X&p=AONE&sw=w
   

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