간에 한 조원의 도움 받아 쉽게 실험장치에 대해 이해하고 방법에 대해 쉽게 배울 수 가 있었다.
우리조가 실험한 온도는 50,60,70도 온도를 정해서 하였는데 역시 초기 hot water의 온도가 50,60,70도로 맞추기는 힘들어서 그것보다 약간 낮은 온도에서 측정하였다.
실험 결과값과 그래프를 보면 열교환기의 효율은 대게 온도가 낮을 때 보다 높을 때, 유속이 느릴 때 보다 유속이 빠를 때 더 높았으면 향류일 때와 병류일 때의 차이는 거의 없었다고 본다. 총괄열전달계수는 향류와 병류일 때 모두 유속이 빠를 때 높았으면 유속이 비슷할 때 값이 비슷하게 나왔다. 또한 이론적으로 봤을　때 향류일 때 병류보다 효율이 더 높아야 하는데 비슷하게 나온 것에 대해서는 잠시 뒤에 알아보겠다.
이론적으론 열교환기가 병류일 경우는 유체가 같은 방향으로 흘러가며 열교환이 일어나 초반의 온도차가 후반부로 갈 수 록 서서히 줄어드는 구조이고 향류 열교환기의 경우에는 고온 유체의 입구 온도와 저온 유체의 출구 온도와 저온 유체의 입구 온도와 고온 유체의 출구 온도를 비교해보면 온도의 차이는 큰 변화가 없어 병류 열교환기보다 향류 열교환기가 총열전달 효율이 전반적으로 높지만 우리 조의 결과값 만으로 봤을 땐 온도차이가 뚜렷하게 구분이 되지 않을 정도이다.
위에서 적었듯이 우리가 실험값이 모두 이론적인 데이터 맞게 나왔으면 좋겠지만 실험값이 모두 이론적으로 맞지 않은 값을 나왔다. 그러한 이유들에 대해 생각해 보았다.
첫 번째로 유량과 흐름의 변화를 줄 때 정상상태에 도달하지 못했기 때문이다.
정상상태란, 시간에 관계없이 일정한 상태를 의미하는데 실질적으로 정상상태를 만들기란 거의 불가능하다. 왜냐하면 관속의 유량이나 흐름이 아주 작은 영향을 받게 되면 그것으로 인하여 온도에 변화가 생긴다. 결국 실험을 할 때 온도가 일정하게 될 때까지 충분히 기다리고 실험을 해야 하는데 우리 조는 5~7분 정도 기다렸다가 온도를 기록했는데 아무래도 온도가 일정하게 되기에는 5~7분이라는 시간이 많이 부족했던 것 같다. 물은 비열이 크므로 아무래도 온도를 변하는데 시간이 오래 걸리는데 5~7분이라는 시간은 우리조가 임의로 정한 시간이이였다. 만약 더 오랜 시간을 기다렸다면 아마 좀더 값이 이론적으로 되지 않았을까 싶으면서도 실험 시간이 제한적인 것을 감안하면 또 어쩔수 없는 선택인 것 같기도 하다.
두 번째로는 파이프 벽면과 유체의 마찰, 파이프의 벽의 부식과 물때에 의해서이다.
우리가 알고 있는 이론적이라는 것은 아무래도 파이프 벽면과 유체와의 마찰이 0이라고 생각할 때인데 실제로는 마찰을 0으로 만들고 싶어도 만들 수가 없으므로 마찰이 열교환에 방해를 주었다고 생각할 수 있다. 또한 이번 실험기구는 아주 예전부터 계속 사용한 것으로 내부에는 물이 자꾸 지나가므로 물때가 생겼을 수도 있고 파이프가 녹이 슬었을 수도 있으므로 이러한 파이프 내부의 변화 역시 열교환에 방해를 주어 우리가 원하는 값을 얻는데 방해하는 원인이다.
세 번째로는 실험하는 도중에 열손실이 생겼기 때문이다.
실험장치에는 단열재로 꽁꽁 싸둬 최대한의 열이 나가는 것을 막아줘서 열손실이 없다는 가정을 하지만 아무리 단열재를 좋은 것을 쓰고 비싼 것을 쓰더라도 조금이라도 손실되는 열을 막을 수는 없다. 열이 손실되는 것은 결과표에서 구한 열량 값을 보게 되면 같은 온도에서마저 열량 값이 제멋대로인 것으로 부터 알 수 있다.
네 번째로는 실험장치 중의 보일러의 용량과 관련이 있다.
실험결과 값을 보면 병류A의 1에서 초기온도는 47.4℃인데 병류B의 2에서는 44.8℃인 것을 알 수 있다. 이러한 온도의 변화가 일어나는 이유는 차가운 물이 보일러 속의 물로 들어가게 되는데 보일러 속에 들어간 차가운 물이 보일러 속의 물의 온도를 낮추는 역할을 해버렸다. 만약 보일러의 부피가 매우 크다면 초기온도를 올리는데 시간이 많이 들겠지만 그래도 차가운 물이 약간 들어간다고 해서 온도의 변화에는 미미하겠지만 보일러의 용량이 작다보니 온도의 변화가 없을 수는 없었다. 해결하는 방법은 초기온도를 50℃로 맞춰놨다면 55℃정도로 초기온도를 조절하여서 비슷한 값을 만들 수 있었다. 처음에는 이 방법을 모르고 그냥 했지만 나중에 알게 돼 나중에는 온도의 변화를 최소화 시켰다.
이번 실험은 지난번 실험과 비슷하게 온도를 측정하는 것이 전부인 실험이여서 특별히 하는 것은 없었지만 원리나 이론에 대해 이해하는 것이 힘든 편이였다. 특히 아직 수업시간에 안 배운 부분의 내용이 많이 포함되어 있어서 혼란스럽고 헷갈리는 부분이 많이 있었지만 차근차근 천천히 실험을 하고 보고서를 쓰다 보니 이해를 할 수 있었다. 개인적으론 온도를 측정하는 실험은 하는 것은 없고 기다리는 시간이 많아 지루한 편이여서 온도측정실험은 이제 그만하고 다른 실험을 했으면 좋겠다.
5.결론
이번 실험을 통해서 이중관식열교환기의 사용방법과 어떤 상황일 때 열전달이 잘 일어나는지 배울 수 있었다. 일단 온도가 낮을 때 보단 온도가 높을 때, 유량이 느릴 때 보다 유량이 빠를 때 총괄열전달계수가 높음을 알 수 있었다.
이론적으로 봤을 땐 병류일 때 보다 향류일 때 총괄열전달계수가 높아야 하지만 이번 실험값으로만 봤을 때는 병류일 때와 향류일 때 총괄열전달계수는 거의 비슷한 값을 지녔다. 이러한 오차가 나는 원인들에 대해 알아보았으며 데이터를 통한 이중관식열교환기의 효율 값도 구해볼 수 있었다.
6. NOMENCLATURE
기호
의미
기호
의미
기호
의미
T
온도 (℃)
단위시간당
질량의 유속(kg/h)
마찰계수(kg/ms)
온도 변화량(℃)
q
단위 시간당
열량의 유속(kcal/h)
Re
Reynolds number
열교환기의 효율(%)
U
총괄열전달계수
()
7. REFERENCE
Heat and Mass Transfer - Yunus a cengel 외 1명 - McGraw-Hill - p633~634, 641~644,659~660
단위조작(7th) - McCabe, Warren 외 2명 - McGraw-Hill - p275~279
③ 단위조작실험 - 노윤찬 외 3명 - 진영사 - 3.p7～13