증기의 기초
총괄 열전달 계수
총괄 열전달 계수 또는 U값은 일련의 매체에서 열이 얼마나 잘 전도되는지를 나타냅니다. 단위는 W/(m2°C)입니다.
증기 vs. 온수
다음 글에서는 다른 종류의 매체에서 증기와 온수의 열전달을 평가하기 위한 U값을 계산하는 방법에 대해 논의해보겠습니다.
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.
U값 계산하기
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:
증기:
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:
증기:
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.