[기계자동차공학실험]이중관식 열교환기 성능 1부

실험 목적

열교환기 종류의 하나인 이중관식 열교환기의 향류형과 병류형에 대한 열교환 특성과 유용도를 확인하고자 한다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

열교환기란 금속판 등의 전열벽을 통하여 높은 온도의 유체로부터 낮은 온도의 유체에 열을 전달하는 장치로 가열기, 예열기, 냉각기, 증발기, 응축기 등이 있다. 열교환기는 고온과 저온의 매지 간에 열전달을 이루는 장치로서 동력발생, 냉동, 공기조화, 식품 제조 공정, 화학 공정, 정류 공정, 그리고 각종 차량 등에 다양한 형태로 적용되고 있다.

열교환기는 형태에 따라 원통다관식 열교환기(Shell&Tube), 이중관식 열교환기(Double Pipe Type), 평판형 열교환기(Plate Type), 공랭식 냉각기(Air Cooler), 가열로(Fired Heater), 코일식 열교환기(Coil Type)로 나눌 수 있다.

경제적 측면에서의 열교환기의 고려는 공학 설계에 있어서 중요한 일이며, 열교환기의 완전한 공학적 설계에서는 열성능특성뿐만 아니라 요구펌프동력과 계의 경제성 등이 중요하다. 근래에 들어 열교환기의 역할에 대한 중요성이 증가하고 있다. 왜냐하면 엔지니어들이 에너지의 중요성을 자각하게 되었고, 따라서 열해석과 투자에 대한 경제적 이점도 고려할 뿐만 아니라 에너지계에 대한 원금회수의 측면도 고려하여 최적설계를 원하기 때문이다.

2. 열교환기

서로 다른 온도와 고체벽으로 분리된 두 유체들 사이의 열교환 과정은 많은 공업 응용분야에서 일어나고 있다. 이 열교환을 수행하는 장치를 열교환기라 하며 난방, 공기조화, 동력발생, 폐열회수, 그리고 화학공정 등에서 찾아볼 수 있다.

 

3. 열교환기 기본형태

일반적으로 열교환방식, 동작상태, 유동배열과 구조 및 설치형태에 따라 분류된다.

1) 열교환 방식에 따른 열교환기

① 판형 열교환기

판형 열교환기는 주로 소용량 환기 유닛에 적용이 되며 누설율이 적어서 오염된 실내 공기가 실내로 재유 입되는 것을 방지하는 장소에 사용된다.

판형 열교환기

판형 열교환기의 형상은 위의 그림과 같으며 배기 되는 공기와 급기되는 공기가 판과 판 사이를 통과하면서 열과 습도를 교환한다. 구동부가 없어 유지 관리가 용이하며 판을 통한 열전달 효율이 뛰어나며 공조기 내장형으로 콤팩트하게 설치가 가능하다.

② 회전형 열교환기

회전형 열교환기는 주로 대용량 환기 유닛에 적용되며 뛰어난 열교환 성능으로 에너지 회수 측면에서는 유리하지만, 로터 회전부와 로터의 공극율을 통한 누설율이 큰 단점으로 나타난다. 최근에는 압력차에 의하여 회전부의 틈새를 통한 누설을 감소시키는 방안이 적용됨에 따라 활용도가 확대되고 있다.

회전형 전열교환기

회전형 열교환기는 위의 그림과 같은 형태가 되며 로터와 구동모터 밸트에 의해서 동작을 한다. 배기되는 공기의 현열과 잠열이 회전하는 로터에 흡수되고, 로터의 회전에 따라 급기 쪽으로 이동하여 열전달을 한다. 현열과 잠열의 교환이 뛰어나며 구동모터 및 밸트의 유지 관리가 필요하며 누설률이 큰 단점을 가지고 있다.

③ 히트파이프형

실외공기의 통로와 환기공기의 통로가 구분되어 누설률이 거의 없고 반영구적으로 사용이 가능하지만 현열교환만 가능하여 실제적인 열회수는 적다.

④ 모세송풍기형

모세 송풍기를 이용하여 환기 코일을 통해 실내로부터 환기되는 공기중의 열만을 회수하여 급기에 전달하는 방식

 

2) 동작 상태에 따른 구분

① 고정식 열교환기 - 열 교환 매체가 정지해 있는 형태

② 회전형 열교환기 - 열 교환 매체가 회전하는 형태

 

3) 유로 형태에 따른 구분

① 평행류 - 열교환기 내에서의 유체유동이 급기방향과 배기 방향이 동일하며 고온 및 저온의 공기가 같은면에서 유입 되어서 같은 방향으로 유출 되므로 유입되는 면에서의 공기 온도차는 큰 반면에 유출되는 면에서의 공기온도차는 미소하게 된다.

② 대항류 - 두 유동의 방향이 반대이며 한 끝단에서의 두 공기들의 고온부들 사이 열전달과 동시에 다른 끝단에서 저온부들 사이의 열전달이 이루어짐에 따라 열전달 효과가 좋다.

③ 교차류 - 상호 직각으로 열교환이 이루어지는 방식

 

4) 구조형태에 따른 구분

① 덕트형 - 하나 이상의 덕트로 연결되는 구조

② 창문형 - 급기 배기를 덕트 없이 벽에 거치하여 사용되는 구조

 

5) 설치형태에 따른 종류

① 벽걸이형 - 벽에 거는 형태

② 상치형 - 바닥에 세워두는 형태

③ 천장에 - 설치하는 형태

④ 천장 매립 카세트형 - 천장에 매립되는 덕트 말단부에 설치되는 형태

⑤ 천장 매립 덕트형 - 천장에 매립되는 덕트의 중간에 연결되는 형태

 

4. 향류․ 병류 열교환의 특징

평행유동(병류)	고온 및 저온의 유체들이 같은 끝면에서 들어와서 같은 방향으로 흐르고, 같은 끝면으로 나가는 유동
대향유동(향류)	유체들이 반대쪽 끝면에서 들어와서 반대 방향으로 흐르고, 서로 반대측 끝면으로 나가는 유동

평행유동 열교환기는 온도차 ΔT는 초기에는 크지만 x(거리)가 증가함에 따라 감소하여 점근적으로 0으로 근접한다. 저온유체의 출구온도는 결코 고온유체의 출구온도를 넘지 못한다.

대향유동 열교환기는 평행유동 열교환기와 대조적으로 한 끝단에서 두 유체의 고온부 사이의 열전달이 있고, 동시에 다른 끝단에서 저온부 사이의 열전달이 있다. 이러한 이유 때문에 x에 관한 온도차의 변화는 평행유동 열교환기의 입구영역에 대한 온도차만큼 크지 않다. 이 경우에서는 저온유체의 출구온도가 고온유체의 출구온도를 초과할 수 있다.

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

본 실험 장치는 이중 관식 열교환기로 이중관(동심관)과 유량계, 온도 지시계 등으로 구성되어 내측에 온수, 외측(annulus)에 냉수가 유동하도록 되어 있으며 절환스위치 (볼밸브)를 조작하여 향-병류의 실험이 가능하도록 제작되어 있다.

 

실험 장치

실험 장치 개략도

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 주 전원을 연결한다.

2) 고온항온조와 저온항온조에 물을 채우고 스위치를 가동한다.

a. 고온항온조의 전원스위치(①)을 ON시키고, 온도조절기(②)를 이용하여 실험온도를 설정한다.(약 50℃)

b. 저온항온조의 전원(③)을 ON시키고, 온도를 설정한다.(약10℃)

3) 고온측 및 저온측 물의 온도가 확인되면 열교환기에 순환시킨다.

a. 병류 절환밸브(④, ⑤)를 열고 향류절환밸브(⑥, ⑦)을 닫아 병류유동을 설정한다.

b. 온수 ․ 냉수유량조절 밸브(⑧, ⑨)를 서서히 열면서, 유량을 설정한다.(최초0.4gpm정도)

c. 콕크 밸브를 열어(⑩, ⑪) 관로내의 공기를 제거한다.

 

4) 운전이 정상상태에 도달하면 온도, 유량 등 데이터를 측정/기록한다.

a. 온도지시계의 절환용 버튼 1,2,3을 눌러 위치별 온도를 측정한다.

(TH1, TH2, TH3, TC1, TC2, TC3)

b. 온수 및 냉수유량은 로터메터의 눈금으로부터 읽는다.(mH, mC)

5) 유량, 유량 비 또는 냉온수 입구온도의 변화에 따라 실험데이터를 얻는다.(유량의 변화에 따라 실험데이터를 얻는다.(유량의 변화에 따라 관내 유동이 층류 또는 난류로 변화함을 유의하라)

6) 병류 절환밸브(④, ⑤)를 닫고 향류 절환밸브(⑥, ⑦)을 열어 향류유동을 설정한 후 같은 실 험을 반복한다.

주의 사항

1. 밸브의 개폐방법을 완전 숙지하여 오동작이 없도록 한다.

2. 담당교수 또는 조교의 지시 없이는 Control panel의 조작을 절대 금한다.

3. 고수조의 온수에 의한 화상을 조심한다.

4. 실험중 이상발생시 전원 S/W를 OFF하고, 즉시 담당교수 또는 조교에게 보고한다.

5. 실험이 끝나면 밸브들을 닫은 후 전원 스위치들을 끄고, 정리 정돈한다.

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