다음은 열교환기 작동 방식을 이해하는 데 유용한 몇 가지 열역학적 원리입니다.
- 열역학 제1법칙:첫 번째 법칙은 에너지 보존 법칙이라고 하며, 에너지(열과 일의 형태)는 생성되거나 파괴될 수 없다고 명시되어 있습니다. 다른 시스템으로만 전송하거나 한 형식 또는 다른 형식으로 변환할 수 있습니다. 열 교환기에서 이 진술은 다음과 같이 작성된 열 균형 방정식으로 변환됩니다.
(발열) + (열 생성)=(발열) + (열 축적)
정상 상태 흐름에서 작동한다고 가정하면, 즉 시간이 변함에 따라 열적 특성이 모든 지점에서 일정하게 유지되고 시스템이 단열(완벽하게 절연됨) 상태라면 열 균형 방정식은 Heat In=Heat Out으로 단순화됩니다. . 이것은 열교환기의 설계 및 작동에 사용되는 가장 기본적인 방정식 중 하나입니다.
- 열역학 제2법칙:두 번째 법칙은 시스템의 무질서함과 무작위성의 정도인 엔트로피의 개념을 소개합니다. 우주의 엔트로피는 끊임없이 증가하고 있으며 결코 감소할 수 없습니다. 가장 높은 엔트로피가 생성되는 두 상호 작용 시스템 사이의 에너지 흐름 방향을 알려줍니다. 열은 항상 더 높은 온도의 물체에서 더 낮은 온도로 전달되며 이는 모든 시스템의 자연스러운 경향입니다. 열교환기의 경우 차가운 유체는 열을 얻어 온도가 올라가고 뜨거운 유체는 열을 잃고 온도가 내려갑니다.
열 전달 메커니즘
열 교환기에서 열 전달과 관련된 메커니즘은 전도와 대류의 조합입니다. 열 전달의 원동력은 입구와 출구 온도 사이의 온도 차이에서 공정 흐름의 입구와 출구 온도를 뺀 값입니다.
접근 온도:열교환기의 접근 온도는 유체 스트림의 출구와 입구 온도 간 차이에서 공정 스트림의 입구와 출구 온도 간 차를 뺀 값입니다. 뜨거운 접근 온도에서는 뜨거운 입구 온도와 차가운 출구 온도 사이의 차이가 있습니다. 저온 접근 온도에는 역 저온 접근 온도와 고온 출구 온도가 있습니다.
모든 열교환기에는 최적의 접근 온도가 있으며 접근 온도를 잘못 계산하면 프로세스에 잘못된 유형의 열교환기를 사용할 수 있으므로 열교환기 구매 결정을 내릴 때 고려해야 합니다.
전도:이것은 인접한 분자의 직접적인 충돌에 의한 열 에너지의 전달입니다. 운동 에너지가 높은 분자는 운동 에너지가 낮은 분자로 열 에너지를 전달합니다. 고체에서 더 쉽게 발생합니다. 열 교환기의 경우 두 유체를 분리하는 벽에서 발생합니다. 푸리에의 열전도 법칙에 따르면 재료 단면에 수직인 열 전달률은 음의 온도 구배에 비례합니다. 비례 상수는 재료의 열전도도입니다.
Q = -k A
여기서 Q는 열 전달률, k는 재료의 열전도율, A는 열 흐름 방향에 수직인 면적, dT/dx는 온도 구배입니다.
전달:열 교환기의 대류는 벽 표면에 대한 유체의 벌크 운동을 통해 발생하여 열 에너지를 전달합니다. 이 현상은 뉴턴의 냉각 법칙으로 표현되며 열 손실률은 물체와 그 주변(이 경우 벽과 유체)의 온도 차이에 비례한다고 합니다.Q = h A ΔT
여기서 Q는 열 전달률, A는 열 흐름 방향에 수직인 면적, ΔT는 벽과 벌크 유체 사이의 온도 차이입니다. h로 표시되는 대류 열전달 계수는 벽 치수, 유체의 물리적 특성 및 유체 흐름 특성을 기반으로 평가됩니다.전도성 칸막이가 있는 열교환기의 작동 중에 다음 순서로 뜨거운 유체에서 차가운 유체로 열이 전달됩니다.
- 대류에 의해 뜨거운 유체에서 벽의 인접한 표면으로.
- 전도에 의해 벽면 측을 통해.
- 대류에 의해 벽에서 차가운 유체로.
