총괄 열전달 계수
총괄 열전달 계수 또는 U값은 일련의 매체에서 열이 얼마나 잘 전도되는지를 나타냅니다. 단위는 W/(m2°C)입니다.
다음 글에서는 다른 종류의 매체에서 증기와 온수의 열전달을 평가하기 위한 U값을 계산하는 방법에 대해 논의해보겠습니다.
증기 vs. 온수
총괄 열전달 계수는 열이 전달되는 매체의 두께와 열전도도의 영향을 받습니다. 계수가 클수록 열이 열원에서 가열되는 제품으로 더 쉽게 전달됩니다. 열교환기에서 총괄 열전달 계수 (U)와 열전달률 (Q)의 관계는 다음과 같은 방정식으로 나타낼 수 있습니다.
내용
- Q = 열전달률, W=J/s
- A = 열전달 표면적, m2
- U = 총괄 열전달 계수, W/(m2°C)
- ΔTLM = 대수 평균 온도차, °C
이 방정식으로부터 우리는 U값이 열전달률인 Q에 직접적으로 비례 한다는 것을 알 수 있습니다. 열전달 표면과 온도차가 변하지 않는다고 가정하면 U값이 클수록 열전달률이 커집니다. 다시 말하자면 같은 케틀 및 제품이더라도 U값이 클수록 배치 시간이 단축될 수 있습니다.
몇 가지 방정식을 사용하여 U값을 결정할 수 있습니다. 그 중 하나는 다음과 같습니다.
내용
- h = 대류 열전달 계수, W/(m°C)
- L = 열전달면의 두께, m
- λ = 열전도도, W/(m°C)
금속의 열전달면을 통한 열전달
대류 열전달 계수(h), 때로는 경막 계수라고도 하며 유체와 고체 사이의 열전달을 계산할 때 자주 사용됩니다. 열교환기의 경우 열전달은 기본적으로 유체1(열원)에서 고체(열전달면)에서 유체2(피가열물)까지 발생합니다. 열전달이 여러 고체를 통해 발생하는 경우 위의 방정식은 고체의 두께(L)를 열전도도(λ)로 나눈 값을 보완하여 적용할 수 있습니다.
계산을 단순화하기 위해 다음 값을 대류 열전달 계수에 대한 참조로 사용할 수 있습니다.
| 유체 | 대류 열전달 계수(h) |
|---|---|
| 물 | 약 1000 W/(m2°C) |
| 온수 | 1000 – 6000 W/(m2°C) |
| 증기 | 6000 – 15000 W/(m2°C) |
예시
내벽 두께가 15mm인 탄소강(λ = 50 W/(m°C))으로 만들어진 두 대의 자켓 케틀은 물을 가열하기 위해 사용됩니다. 하나는 온수를 열원으로 사용하고 다른 하나는 증기를 사용합니다. 가열되는 물의 열전달 계수를 1000 W/m2°C, 온수는 3000 W/m2°C, 증기는 10000 W/m2°C로 가정할 때 두 가열 과정에서의 U값을 계산해 봅시다.
탄소강 자켓 케틀
온수:
U = 681.8 W/(m2°C)
증기:
U = 731.7 W/(m2°C)
이러한 경우에 증기는 이론적으로 U값을 17% 향상시킬 수 있습니다. 이제 같은 케틀에 1mm 두께의 글래스 라이닝(λ = 0.9 W/(m°C))을 했다고 생각해 봅시다. 위의 U값 방정식에 이 값을 대입시키면 다음과 같습니다.
글래스 라이닝 자켓 케틀
온수:
U = 387.9 W/(m2°C)
증기:
U = 403.6 W/(m2°C)
이러한 경우 U값은 9%만 향상이 되었는데 이는 유리같이 좋지 못한 열전도체는 열전달을 크게 방해할 수 있다는 것을 보여줍니다. 그래서 탄소강 케틀에서 예를 들어 열원을 온수에서 증기로 변경할 경우 U값을 잠재적으로 수십% 향상시킬 수 있습니다.
하지만 특정한 상황에서는 케틀의 재질을 변경할 수 없습니다. 예를 들어, 일부 공정에서는 제품과의 반응을 방지하기 위해 특정 재질로 만들어진 케틀을 필요로 하기 때문입니다. 정해진 재질에서 열전달률을 향상시키는 방법으로 열원을 온수에서 증기로 변경하면 필요한 열전달율을 만들 수 있습니다.
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