단위공정관리(4) 열전달 목차 정리
1. 열전달
1. 열전달 기구
1) 전도
2) 대류
3) 복사
2. 전도
1) Fourier 법칙과 열전도도
(1) Fourier's law
dq/dA = -kdt/dx
(2) 열전도도
(3) 열플럭스
2) 단면적이 일정한 도체에서의 열전도
3) 원관벽을 통한 열전도
4) 여러 층으로 된 벽에서의 열전도
5) 중공구벽의 전도(구상벽)
3. 대류
*경막
1) 고체와 유체 사이의 열전달
2) 고체벽을 사이에 둔 두 유체 간의 열전달
3) 경막 열전달계수
(1) Reynolds No.
(2) Nusselt No.
= hD/k = 전도저항/대류저항 = 대류열전달/전도열전달 = 표면에서의 온도구배/총 온도구배
(3) Prandtl No.
= 운동량의 전달(확산)/열에너지의 전달(확산)
(4) Grashof No.
(5) Peclet No.
(6) Stanton No.
(7) Graetz No.
(8) 비등, 응축을 수반하지 않는 경우
4) 상변화를 동반하지 않는 강제대류에서의 경막계수
(1) 유체가 관 내로 흐르는 경우
(2) 유체가 원형 이외의 유로를 흐를 경우
(3) 유체가 관 외를 직각으로 흐를 경우
5) 상변화를 동반하지 않는 자연대류에서의 경막계수
(1) 수평원주면
(2) 수직면
6) 증기가 응축할 때의 경막계수(상변화 동반)
(1) 포화증기의 응축
- 막상응축 : 응축한 액이 피막상으로 벽면에 붙어 중력에 의하여 흘러내리는 현상
- 적상응축 : 응축액이 적상이 되어 벽면을 미끄러져 내려오는 현상
- 적상응축의 열전달속도는 막사응축의 2배 이상
- 적상응축에 대한 평균 열저달계수는 막상응축의 5~8배가 된다.
(2) 증기가 비응축 기체를 포함하고 있는 경우
(3) 비등곡선
7) 열교환기의 평균온도차 열전달속도 : q = U*A*온도차 = WC(T1 - T2) = wc(t1 - t2)
병류 = 평행류
향류 : 열전달속도가 빠르고 효율이 우수
온도차의 비 < 2 -> 평균온도차 = (온도차 1 + 온도차 2)/2
온도차의 비 > 2 -> 평균온도차 = (온도차 1 - 온도차 2)/ln(온도차1/온도차2)
4. 복사
1) 흑체
2) 복사에너지
3) 흑체복사의 기본법칙
(1) 슈테판-볼츠만의 법칙 : 흑체의 전 복사능은 절대온도의 4승에 비례한다.
(2) 빈(Wien)의 법칙 : 주어진 온도에서 최대복사강도에서의 파장은 절대온도에 반비례한다.
(3) 플랑크(Planck)의 법칙 : 흑체가 내놓는 스펙트럼에서의 에너지 분포, 즉 흑체의 단색광 복사능을 양자론으로부터 유도하였다.
4) 불투명체에 의한 복사선의 흡수
(1) 코사인 법칙
(2) 키르히호프의 법칙
5) 두 물체 사이의 복사 전열
(1) 두 흑체표면 간의 복사 열전달
(2) 흑체가 아닌 경우(회색체인 경우)
총괄적 교환인자
6) 기체 중 온도계의 오차
5. 열전달장치
1) 열교환기
2) 열교환기의 설계
(1) 열전달량
(2) 평균온도차
(3) 총괄열전달계수
(4) 열전달면적
2. 증발
1. 증발관의 특성 및 종류
1) 증발
2) 증발관의 분류
| 수평관식 | 수직관식 |
| 1. 액층이 깊지 않아 비점상승도가 작다. 2. 비응축 기체의 탈기효율이 우수하다. 3. 관석의 생성 염려가 없는 경우에 사용한다. "액막식" 1. 액의 깊에 의한 비점상승도가 매우 적다. 2. 끓는 온도에 있는 시간이 짧으므로 온도에 예민한 물질을 처리할 수 있다. 3. 거품이 생기기 쉬운 용액의 증발이 가능하다. 4. 침수식보다 조작이 어렵다. |
1. 액의 순환이 좋으므로 열전달계수가 커서 증발효과가 크다. 2. Down Take : 관군과 동체 사이에 액의 순환을 좋게 하기 위해 관이 없는 빈 공간을 설치한다. 3. 관석이 생성될 경우 가열관 청소가 쉽다. 4. 수직관식이 더 많이 사용된다. |
3) 증발관의 구선
2. 증발관의 운전
1) 증발관의 능력
유효온도차 = 겉보기 온도차 - 비점상승도
*비점상승도가 크면, 유효온도차는 감소, 열전달속도 감소, 증발관 능력 감소
2) 증발관의 열원
(1) 수증기를 열원으로 사용할 경우 이점
- 가열이 균일하여 국부적인 과열의 염려가 없다.
- 압력조절밸브의 조절에 이해 쉽게 온도를 변화, 조절할 수 있다.
- 증기기관의 폐증기를 이용할 수 있다.
- 물은 다른 기체, 액체보다 열전도도가 크므로, 열원 측의 열전달계수가 커진다.
- 다중효용, 자기증기 압축법에 의한 증발을 할 수 있다.
3) 증발조작에서 일어나는 현상
(1) 비점상승
+) Duhring의 법칙 : 일정한 농도의 용액과 순용매가 동일한 증기압을 나타내는 온도는 서로 직선관계에 있다.
경제성은 큰 영향을 받지 않고, 용량은 감소한다.
(2) 비말동반
* 비말 동반 제거 방법: 증발관 상부에 큰 공간을 둔다.
(3) 거품 : 끓는 액체의 표면에 안정한 기체담요를 형성
*거품 제거방법
- 액체를 가열표면까지 올려 뜨거운 표면고 접촉하여 파괴한다.
- 수증기를 분출하여 파괴
- 피마자유, 면실유 등 식물유를 첨가한다.
(4) 관석
3. 다중효용증발
1) 다중효용증발의 원리와 목적
(1) 다중효용증발: 증발의 열효율을 증가시키기 위해 여러 개의 증발관을 연결하여 일정량의 열원으로 수회 증발한다.
(2) 다중효용 증발관의 능력
n중 효용 -> n(kg)증발, 증발능력은 1/n, 수증기를 1/n로 절약, 전 증발능력은 단일효용관과 거의 같다.
(3) 경제성
경제성 평가 = (증발된 양)/ (수증기 소비량)
2) 급액방법
(1) 순류식 급액
(2) 역류식 급액
(3) 혼합식 급액
(4) 평행식 급액
(5) 각 관에서 응축수, 비응축 기체의 처리
응축수 : 감압밸브
비응축 기체 : 탈기구
4. 증발관의 설계
1) 단일효용증발의 계산
(1) 물질수지식
원액 = 증기 + 농축액
(2) 열수지식
(3) 증발기의 가열면에 주어지는 열량
2) 다중효용 증발관의 능력 계산
5. 특수증발
1) 진공증발
(1) 원리
- 열원으로 폐증기를 이용할 경우, 온도가 낮으므로 농도가 높고 비점이 큰 용액의 증발은 불가능할 때가 많다. 이러한 경우에 진공펌프를 이용해서 관 내의 압력을 낮추고 비점을 낮추어 유효한 증발을 할 수 있다.
- 진공증발이란 저압에서의 증발을 의미하며 증기의 경제가 주목적이다.
- 과즙이나 젤라틴과 같이 열에 예민한 물질을 증발할 경우 진공증발을 함으로써 저온에서 증발시킬 수 있어 열에 의한 변질을 방지할 수 있다.
(2) 진공증발장치
2) 자기증기압축법에 의한 증발
(1) 원리
(2) 압축방식