Heat transfer 15 th week lecture Chapter 10: Heat exchanger ■ 서론 열교환기는 다른 온도의 두 유체간 열전달을 유용하게 하는 장치이다. 대다수 열교환기에서 고체벽은 서로 직접적으로 접촉하지 않도록 두 유체를 통해 분리한다. 열교환기의 주된 열전달 방식은 대류와 전도이다. 대류는 고체벽의 각 면의 유체 경계층에서 발생하고, 전도는 벽 자체에서 일어난다 (복사의 경우 우주선내의 열전달에서의 수단). 열교환기의 선택은 반드시 경제성을 염두에 두어야 하나, 이 장에서는 열교환기를 기술적인 측면의 해석에 국한하여 열교환기의 성능을 예측, 크기를 측정하고, 열교환기의 종류가 어떤 것이 있는 지를 살펴본다. Figure 1. Heat exchanger ■ 총괄열전달계수 2 장의 정상상태의 1 차원전도에서 총괄열전도계수에 대해서 다루었다. 평면벽의 양쪽이 유체에 노출되어 있는 경우 (예시: 공기에 노출된 평면벽): 대류-전도-대류가 일어나므로, 각각의 경우에 대한 열전달 방정식을 세운후 정리하면, 전체 열저항을 구할 수 있다. 이때 총괄열전달계수는 1/(열저항 곱하기 단면적)이 된다.
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Heat transfer 15th week lecture
Chapter 10: Heat exchanger
■ 서론
열교환기는 다른 온도의 두 유체간 열전달을 유용하게 하는 장치이다. 대다수 열교환기에서 고체벽은 서로
직접적으로 접촉하지 않도록 두 유체를 통해 분리한다. 열교환기의 주된 열전달 방식은 대류와 전도이다.
대류는 고체벽의 각 면의 유체 경계층에서 발생하고, 전도는 벽 자체에서 일어난다 (복사의 경우 우주선내의
열전달에서의 수단). 열교환기의 선택은 반드시 경제성을 염두에 두어야 하나, 이 장에서는 열교환기를
기술적인 측면의 해석에 국한하여 열교환기의 성능을 예측, 크기를 측정하고, 열교환기의 종류가 어떤 것이
있는 지를 살펴본다.
Figure 1. Heat exchanger
■ 총괄열전달계수
2 장의 정상상태의 1 차원전도에서 총괄열전도계수에 대해서 다루었다. 평면벽의 양쪽이 유체에 노출되어
있는 경우 (예시: 공기에 노출된 평면벽): 대류-전도-대류가 일어나므로, 각각의 경우에 대한 열전달 방정식을
세운후 정리하면, 전체 열저항을 구할 수 있다. 이때 총괄열전달계수는 1/(열저항 곱하기 단면적)이 된다.
Heat transfer 15th week lecture
Figure 2. Overall heat transfer in plane wall (see chapter 2)
원통의 경우도 마찬가지로 계산할 수 있다 (단, 원통의 경우는 설계자의 선택에 따라 내부 및 외부 면적을
기준으로 할 수 있다.
Figure 3. Overall heat transfer in hollow cylinder
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대부분의 실제 문제에서 전도저항은 대류 저항에 비해 작고, 만약 대류 열전달계수 h 값 중의 하나가 다른
것에 비해 두드러지게 작다면 이 항이 총괄열전달계수에서 중요한 역할을 하게 된다(교과서의 예제 10-1 및
10-2 를 참조하라).
■ 불결계수 (Fouling factor) = 오염저항
열교환기를 오랫동안 사용하면, 유동 유체속에 존재하는 여러 물질들이 열교환기의 열전달 면 위에
침전하거나 열교환기 제작에 사용된 물질과 유체와의 상호작용으로 표면이 부식하게 된며, 이는 열저항을
야기하여 열교환기 성능을 감소 시킨다. 이러한 효과를 불결계수, 불결저항, 혹은 오염저항이라고 한다.
이러한 현상은 다양한 메커니즘에 의해서 발생한다. 화학적으로는 포면 물질과 유체가 표면반응을 통해서
부식되고 산화물층을 형성함으로써, 성능이 감소하는 현상이 발생한다. 생물학적 오염은 표면에 생물학적인
조직이 쌓여 발생하는 것이고 동결오염은 차가워진 표면에서 액체가 결정화 될 때 일어난다. 열교환기의
오염은 많은 변수, 청소 이후시간, 유체속도, 온도, 표면화학, 그리고 유체의 청결함 등등에 의존하는 복잡한
현상이다.
앞에서 다룬 총괄열전달계수는 깨끗한 열전달 표면에 적용되는 것으로서 위와 같은 현상이 생길 경우에는
불결계수를 고려해 주어야 한다. 일반적으로, 불결계수는 깨끗한 상태와 더러운 상태의 열교환기에 대한
총괄열전달 계수 U 의 값을 실험적으로 구하여 얻어진다.
𝑅𝑓 =1
𝑈𝑑𝑖𝑟𝑡𝑦
−1
𝑈𝑐𝑙𝑒𝑎𝑛
교재의 표 10.2 에 일반적인 불결계수가 주어져 있다.
■ 대수평균온도차
이중관 열교환기에서 유체는 서로 평행하게 흐르거나 반대 방향으로 흐른다. 이 두경우에 대한 온도분포는
주어진 그림에서 볼수 있다. 그림을 통해 뜨거운 유체와 차가운 유체사이의 온도차가 입구와 출구사에서
계속 변하는 것을 알 수 있다. 유체사이의 온도차가 계속해서 변하기 때문에, 열전달을 구하기 위해서는
평균온도차를 구해야만 한다.
두 경우에 대한 열전달률은 총괄열전달계수를 이용하여 구할 수 있다.
𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑚
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U 는 총괄열전달계수, A 는 U 에 일치하는 열전달 면적, ∆𝑇𝑚은 열교환기 내에서의 적절한 평균온도차를