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제2장 : 스팀의 사용
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.07.12 21:55
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10. 열교환기

10.1 열역학 법칙
열전달은 두 물체 사이에서 열에너지가 이동하는 것을 말한다. 열은 항상 온도가 높은 곳에서 온도가 낮은 곳으로 이동한다. 온도가 높은 곳에서 빠져나온 에너지가 온도가 낮은 곳으로 전달되는데, 이 과정에서 에너지는 보존된다. 두 물체의 온도가 같아지면, 더 이상 열이 이동하지 않는다. 이 상태를 평형이라 부른다. 열전달에 대한 설명에는 필히 열역학 법칙에 대한 설명이 필요하다.

가) 열역학 0 법칙
열역학 0 법칙은 온도에 관한 법칙으로 계(system) A, B, C에 대해 A와 B가 열평형 상태에 있고 B와C가 열평형 상태에 있으면 A와 C도 열평형 상태에 있다.

나) 열역학 1 법칙
에너지 보존 법칙이다. 어떤 고립된 계의 총 내부에너지는 일정하다는 법칙이다. 에너지는 형태가 변할 수 있을 뿐 새로 만들어지거나 없어질 수 없다. 우주의 에너지 총량은 시간이 시작된 때로부터 종말에 이르기까지 일정하게 고정되어 있다. 예컨대 일정량의 열을 일로 바꾸었을 때 그 열은 소멸 된 것이 아니라 다른 장소로 이동하였거나 다른 형태의 에너지로 바뀌었을 뿐이다. 에너지는 새로 창조되거나 소멸될 수 없고 단지 한 형태로부터 다른 형태로 변환될 뿐이다.

다) 열역학 2 법칙
고립된 계에서 온도가 다른 두 물체를 접촉시켰을 때 저온의 물체에 있는 열에너지가 고온의 물체로 이동해서 저온의 물체는 더 차가워지고 고온의 물체는 더 뜨거워져도 이때 이동하는 에너지의 양만 같다면 열역학 제1법칙, 즉 에너지의 보존 법칙에는 모순이 되지 않는다. 따라서 이러한 과정이 가능한 것으로 보이지만 실제로는 이러한 과정은 일어나지 않는다.

열역학 제1법칙은 에너지가 보존된다는 것을 의미할 뿐이며, 열(에너지)의 이동 방향에 대하여 아무런 제한을 가하지 않는다. 그러므로 자연계에는 에너지 보존 법칙과 다른 자연 현상의 비가역 진행 방향을 결정하는 어떤 법칙이 있다고 생각되며 이러한 방향성을 정해 주는 일반적인 표현을 열역학 제2법칙이라고 한다. 열역학 제2법칙은 다음과 같이 여러 가지로 표현되지만, 그 내용은 궁극적으로 같다.

1) 열은 고온의 물체에서 저온의 물체 쪽으로 흘러가고 스스로 저온에서 고온으로 흐르지 않는다(클라우지우스의 표현).
2) 일정한 온도의 물체로부터 열을 빼앗아 이것을 모두 일로 바꾸는 순환 과정(장치)은 존재하지 않는다(켈빈-플랑크의 표현).
3) 제2종 영구 기관(효율 100%)은 존재하지 않는다.
4) 고립된 계의 비가역 변화는 엔트로피가 증가하는 방향으로 진행한다.

나) 열역학 3 법칙
절대영도(0K: 캘빈 온도로 표시되며 섭씨 -273.15℃가 절대0도)에서의 엔트로피에 관한 법칙으로 네른스트의 열정리 라고도 한다. 열역학 과정에서의 엔트로피의 변화 ΔS는 절대온도 T가 0으로 접근할때 일정한 값을 갖고, 그 계는 가장 낮은 상태의 에너지를 갖게 된다는 법칙이다. 이 법칙에 의하면 절대영도에서 열용량은 0이 된다.

 

10.2 열전달 방법

열이 전달되는 주 경로는 전도, 대류, 복사다. 뜨거운 국에 담겨 있는 숟가락의 손잡이는 전도에 의해 온도가 올라간다. 난로를 피우면 난로 주변의 공기가 더워지면서 위쪽으로 올라간다. 더워진 공기가 이동하면서 대류에 의해 방 전체가 따뜻해진다. 태양 볕이 쬐는 곳에 있을 때 따뜻하게 느끼는 것은 태양으로부터 복사에너지가 전달되기 때문이다.

가) 전도는 물체를 이루고 있는 원자나 전자들의 충돌에 의해 에너지가 확산되는 과정이다. 전도는 온도가 다른 두 물체가 접촉해 있을 때 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 일어나기도 하고, 한 물체 내에서도 온도 차이가 생기면 일어나기도 한다.

나) 대류는 높은 에너지를 가진 물질 자체가 이동하면서 에너지를 전달하는 과정이다. 대류는 기체나 액체에서 일어난다. 높은 온도의 기체나 액체는 분자의 운동이 활발하고 밀도가 낮다. 낮은 밀도의 기체나 액체가 상승하면서 위쪽으로 에너지가 전달된다.

다) 복사는 열에너지를 가진 물체가 전자기파를 방출하면서 공간적으로 떨어진 곳에 에너지를 전달하는 과정이다. 일반적으로 높은 온도를 가진 물체는 짧은 파장의 전자기파를 방출하고, 낮은 온도를 가진 물체는 긴 파장의 전자기파를 방출한다. 표면 온도가 6000K에 달하는 태양에서는 자외선, 가시광선, 적외선이 모두 방출된다. 일상생활에서 쉽게 접하는 몇백 도 정도의 물체에서는 적외선이 주로 나온다. 눈으로는 볼 수 없지만, 우리 피부는 적외선을 감지하여 따뜻함을 느낀다

10.3 열교환기의 에너지 밸런스(Energy Balance)

열교환기에서 열전달이 이루어지기 위해서는 열을 주는 가열체와 열을 받는 피가열체가 존재한다. 스팀을 이용하여 저온의 물의 온도를 올려준다면 스팀은 가열체가 되고, 물은 피가열체가 된다. 이때 열역학 1 법칙에 의해 스팀이 물에 주는 열량 Q1은 물이 얻어 가는 열량 Q2와 같다. 즉, 에너지의 총량은 같다. 열교환기 내부에서 어떠한 방식으로 열전달이 이루어지든 시간이 지나면 두 유체 간의 온도차가 없이 동일하게 될 것이다.

이것은 열역학 2 법칙이다. 물론 Q = Q1 = Q2이지만 열역학 3 법칙에 의해 효율 100%인 열교환기의 제작이 불가능하고 열 교환하는 시간에 대한 제약이 있기 때문에 일정한 마진율을 주어 이런 문제점을 어느 정도 보완해서 열교환기를 제작한다.

열교환기를 제작하기 위해서 에너지의 이동에 관해 정확한 개념이 필요하다. 이 정확한 개념이 열교환기의 에너지 밸런스이고, 시간에 대한 정확한 반영이다. 열교환기에서 에너지 이동량 Q는 Q1이고 Q2이다. 이 에너지 이동량 Q를 갖고 열교환기를 제작한다.

 

가) 열교환기 전열 면적 계산

계산식 Q = U x A x △t이다. 이 계산식에서 U는 총괄 열전달 계수로 단위는 kcal/㎡h℃이다. A는 열교환기의 전열 면적으로 단위는 ㎡이다. △t는 가열체와 피가열체 간의 온도 차이로 단위는 ℃이다. 그런데 △t는 다시 산술 온도 평균차와 대수 온도 평균차가 있다.

 

1) U(총괄 열전달 계수 : kcal/㎡h℃)

고체 벽을 관통해서 열이 한쪽의 유체에서 다른 쪽의 유체로 전달될 때의 열전달 계수. 기호로 보통U를 사용한다. 총괄 열전달 계수 U는 학술적인 의미보다도 오히려 열교환기와 같은 경우의 설계상의 편의로 도입된 것이다. U값은 열교환기를 제작하는 과정에서 열교환 튜브의 재질, 두께 등 제작 조건에 따라 달라질 수 있다. 경험상 U값은 일반 강관 및 Stainless 강관의 경우 600kcal/㎡h℃, 동관의 경우 1,200kcal/㎡h℃으로 적용하고 있으나, 열교환기 제작처의 U값이 있으면 가장 좋다.

2) A(전열 면적 : ㎡)
열교환기에서 열을 전하는 면의 면적. 전열 면적은 열교환기의 크기를 결정하는 중요 부분이다. 열교환기의 튜브의 크기 및 길이를 결정한다. 다만 단위가 ㎡이므로 튜브의 크기에 따라 길이가 달라질 수 있다.

3) △t(가열체와 피가열체 간의 열전달 면에서 평균 온도차 ℃로 산술 온도 평균차와 대수 온도 평균차가 있다.)

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