[기계자동차공학실험]이중관식 열교환기 성능 2부

실험 결과

1. 수식 및 물성치

1) 열교환량

Q = UAΔTlm

2) 대수평균온도차

3) 열교환기 유용도

U = 총열전달계수

A = 열전달면적 = πDL (D= (d1+d2)/2)

CH = mH×CpH, Cc = mC×CpC, Cmin = min(CH, Cc)

Q = 열전달량

mH = 고온유체(물)의 유량

mC = 저온유체(물)의 유량

CpH = 고온유체(물)의 비열

CpC = 저온유체(물)의 비열Cmin = CH와 Cc의 최소값

	면적(m2)
동관내측(d1) (내경 : 13.84 ㎜)	A1(1.5×10-4)
동관외측(d2) (내경 : 26.04 ㎜)	A2(5.32×10-4)

열교환 튜브의 규격

단위(℃)	비열(KJ/Kg·K)
10	4.195
50	4.178

물의 비열

 

2. 계산

계산에 하기 전 에너지 평형과 이에 수반되는 해석은 몇 가지 가정을 한다.

① 열교환기는 그 주변과 단열되있고, 고온유체와 저온유체 사이에서만 열교환이 된다.

② 관에 따른 축 방향 전도는 무시할 수 있다.

③ 위치 및 운동에너지의 변화는 무시할 수 있다.

④ 유체의 비열은 일정하다.

⑤ 열관류계수(총열전달계수)가 일정하다.

3. 결과 data

1) 병류 열교환

	온수측				냉수 측				계산 결과
	초기 온도	유량	입구 온도	출구 온도	초기 온도	유량	입구 온도	출구 온도	대수평균 온도차	총열전달 계수	유용도	열교환량
												온수측	냉수측	평균
기호	TH,0	mH	TH,in	TH,out	Tc,0	mC	TC,in	TC,out	△Tlm	U	ε	QH	QC	Qavg
계측치	TH,0	mH	TH1	TH3	Tc,0	mC	TC1	TC3	-	-	-	-	-	-
단위	℃	g/min	℃	℃	℃	g/min	℃	℃	K	kW/m2K	-	kW	kW	kW
1-1	50	0.4	50	37	10	0.4	12	22	297.894	9.55E-6	0.30317	0.000363	0.000280	0.000322
1-2		0.4	50	35		0.7	12	20	297.894	1.205E-5	0.38233	0.000419	0.000392	0.000405
1-3		0.4	50	34		1.0	12	18	298.584	1.28E-5	0.40870	0.000447	0.000420	0.000433
1-4		0.7	50	41		0.4	12	24	299.257	1.15E-5	0.36429	0.000440	0.000336	0.000388
1-5		0.7	50	39		0.7	12	22	299.257	1.52E-5	0.27685	0.000537	0.000490	0.000514
1-6		0.7	50	38		1.0	12	20	299.916	1.69E-5	0.30888	0.000586	0.000560	0.000573
1-7		1.0	50	43		0.4	12	26	299.257	1.30E-5	0.41354	0.000488	0.000392	0.000440
1-8		1.0	50	41		0.7	12	23	299.916	1.72E-5	0.31322	0.000628	0.000539	0.000584
1-9		1.0	50	40		1.0	12	21	300.561	1.96E-5	0.25048	0.000698	0.000631	0.000664

2) 향류 열교환

	온수측				냉수 측				계산 결과
	초기 온도	유량	입구 온도	출구 온도	초기 온도	유량	입구 온도	출구 온도	대수평균 온도차	총열전달 계수	유용도	열교환량
												온수측	냉수측	평균
기호	TH,0	mH	TH,in	TH,out	Tc,0	mC	TC,in	TC,out	△Tlm	U	ε	QH	QC	Qavg
계측치	TH,0	mH	TH1	TH3	Tc,0	mC	TC1	TC3	-	-	-	-	-	-
단위	℃	g/min	℃	℃	℃	g/min	℃	℃	K	kW/m2K	-	kW	kW	kW
2-1	50	0.4	50	36	10	0.4	12	23	298.621	1.04E-5	0.32954	0.000391	0.000308	0.000349
2-2		0.4	50	35		0.7	12	20	299.495	1.20E-5	0.38233	0.000419	0.000392	0.000405
2-3		0.4	50	33		1.0	12	18	299.265	1.32E-5	0.42186	0.000474	0.000420	0.000447
2-4		0.7	50	43		0.4	12	25	301.043	1.04E-5	0.33158	0.000342	0.000364	0.000353
2-5		0.7	50	41		0.7	12	23	301.138	1.44E-5	0.26375	0.000440	0.000539	0.000490
2-6		0.7	50	39		1.0	12	21	301.138	1.72E-5	0.31460	0.000537	0.000631	0.000584
2-7		1.0	50	45		0.4	12	27	300.850	1.13E-5	0.36118	0.000349	0.000420	0.000385
2-8		1.0	50	43		0.7	12	25	301.043	1.65E-5	0.30210	0.000488	0.000638	0.000563
2-9		1.0	50	42		1.0	12	23	301.624	1.95E-5	0.25059	0.000558	0.000771	0.000664

토의 사항

1. 실험 고찰

1) 그래프 해석

	온수	냉수
입구온도	50 ℃	12 ℃
출구온도(평균)	38.7 ℃	21.8 ℃

온도차가 초기에는 크지만 거리가 증가함에 따라 감소하여 점근적으로 0으로 접근한다. 저온유체의 출구온도는 고온유체의 출구온도를 넘지 못한다.

	온수	냉수
입구온도	50 ℃	12 ℃
출구온도(평균)	39.7 ℃	22.8 ℃

온도차가 거의 일정하고 한 끝단에서 두 유체의 고온부 열전달이 있고, 동시에 다른 끝단에서 저온부 사이의 열전달이 있다. 거리가 증가하면서 온도차가 약간씩 감소하는데 병류유동보다 감소폭이 작다.

2) 유용도 차이 분석

유용도란 열교환기에 대해 실제 열전달률을 최대 가능한 열전달률에 대한 비로서 정의한다. 무차원 값인 유용도는 0≤ε≤1의 범위에 있어야 한다. 이중관식 열교환기 내부의 구조 즉, 병류와 향류에 따라서 유용도 값이 차이가 난다. 안쪽 원통관은 냉수가 흐르고 바깥쪽 원통관은 온수가 흐른다. 바깥쪽 원통관의 온수 흐름 방향에 따라 병류유동과 향류유동으로 구분이 된다. 원통관의 원통벽을 통과하는 반지름 방향 전도와 연관된 온도분포는 같은 조건하에서 평면벽에 대한 것처럼 선형적이 아니라, 대수적이였다.

실험1-1의 병류유용도와 실험2-1의 향류유용도를 비교하였을 때 향류유용도가 높게 나오는 것을 알수 있었다. 향류유용도는 동일한 출구온도와 입구온도에 대해 병류유동보다 대수평균 온도차가 크다. 즉, 원통벽에 온도차가 많이 나는 유체가 방향이 반대방향으로 흐르면서 열전달이 더 잘되기 때문이다. 열전달은 온도차가 많이 날수록 더 잘 전달된다. 결과적으로 U와 열전달표면적의 동일한 값을 가정할 때 향류유용도가 주어진 열전달률의 효과를 병류유용도보다 높은 값을 얻을 수 있는 것이다. 하지만 실험데이타를 평균한 유용도값은 병류유용도가 향류유용도보다 높은 결과를 나타냈다. 이론적으로 맞지 않는데 이것은 실험장치가 오래되어서 내부의 관로가 누수되거나 결함이 있기 때문에 나타난 결과이다.

 

3) 열교환기 성능변화 고찰

병류
온수유량	냉수유량	유용도
0.4	0.4	0.30317
0.4	0.7	0.38233
0.4	1	0.4087
0.4	0.4	0.30317
0.7	0.4	0.36429
1	0.4	0.41354

 

향류
온수유량	냉수유량	유용도
0.4	0.4	0.32954
0.4	0.7	0.38233
0.4	1	0.42186
0.4	0.4	0.32954
0.7	0.4	0.33158
1	0.4	0.36118

 

병류유동에서 온수의 유량을 고정시키고 냉수의 유량을 0.3g/min씩 증가시키면 유용도의 변화율이 처음에는 0.07916 증가하고 나중에는 0.02637 증가한다. 반대로 냉수의 유량을 고정시키고 온수의 유량을 0.3g/min씩 증가시키면 유용도의 변화율이 처음에는 0.06112 증가하고 나중에는 0.04925가 증가한다. 즉, 처음에 유량이 증가할 때가 두 번째로 유량이 증가할 때보다 유용도의 증가율이 높다는 것을 알 수 있다. 향류유동에서도 병류유동에서와 같이 거의 비슷한 유용도의 증가율을 보이고 있다. 유량의 크기가 증가할수록 유용도가 증가하고 결국 열교환기의 성능변화가 좋아진다는 것을 알 수 있다.

참고 문헌

1. 열전달 6-EDTION, Frank kreith, Ma가 S. Bohn. 한화택 외 5명 공역, 사이텍미디어

2. 열전달 개정 5판, Incropera, Dewitt, Bergman, Lavine 정태용 외 7명 옮김, 텍스트북스

[Engineering/기계공학] - [기계자동차공학실험]이중관식 열교환기 성능 1부