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  탱크의 열손실/열유입 계산 관련 문의
  글쓴이 : 루피   고유ID : bottleway     날짜 : 20-09-10 14:23     조회 : 145    
안녕하세요, 이곳을 통해 많은것들 배우고있는 초보 엔지니어입니다.
저장탱크의 열손실/열유입량 산정을 위한 팀내 기준을 수립하는 업무를 수행하게 되었습니다.
업무수행을 위해 팀내 존재하는 참고자료를 받았으나 수식없이 결과값만 적혀있어 총괄 열전달계수 계산 수식 파악이 어려워 질문드리게 되었습니다.
해당내용은 저온탱크의 열유입량을 계산한 내용이며 주어진 조건과 계산결과는 아래 첨부한 데이터와 같습니다.
Heat Gain by Shell Qs = Us*A*△T 를 통해 계산이 되는것을 확인할 수 있으나, 총괄열전달계수 Us값의 게산방법 추정이 되지않아 어려움을 겪고있습니다.
주어진 열전달계수는 표면에서의 대류 (hc), 복사(hr), 탱크 내부와 외부에서의 열전달계수 hi와 ho, insulation data를 통해 확인할 수 있는 insulation 자켓의 전도도 Kins와 두께Sins, 그리고 내부 유체의 열전도도 Kf입니다.
(제가 테이블을 보고 이해한 내용이 잘못되었을경우 지적해주시면 감사드리겠습니다.)
궁금한점은,
1) 총괄 열전달 계수 1/ Us = (1/hc+1/hr+1/hi+1/ho+Sins/Kins) 수식에 의해 계산된다고 생각하고 해당 수치들을 이용하여 계산하였으나 총괄열전달 계수의 값과 다른 결과를 얻게 됩니다. 주어진 수치들을 통해 총괄열전달 계수를 계산한 제 방법이 어느부분이 잘못된것인지 궁금합니다.
2) 1)질문의 수식에서 탱크의 벽 두께와 그 전도도를 수식에 넣지않았는데 이부분이 누락되어 올바른 답을 얻지못한것인지, 제가 주어진데이터를 잘 활용하지 못한것인지 궁금합니다.
3) 해당 데이터에서 hc, hr, hi, ho 를 산정하는 규칙이나 수식이 추정이 가능할까요? 주어진 데이터를 본 사이트의 과거 유사 질의에 올려주신 수식에 적용시켜 따라보았으나 그 값이 많이 달라 열전달계수 산출근거 추적이 쉽지않습니다.

데이터는 아래와 같으며, 질문내용 이외에 제가 잘못 이해하고있거나 파악못한 부분에대해서 지적해주시면 감사드리겠습니다.

1. Input data
Environment Data & Fluid PropertyTank data
Air temp. (ta) 100.4FDiameter 10.83ft
Wind velocity (V)67.11mi/hrHeignt26.25ft
Gravity accelaration (g)4.18E+08ft/hr2Stored Temp.-13F
  Pressure14.84psia
Density (r)43.82lb/ft3  
Thermal conductivity (Kf)0.0739Btu/ft.hr.F    
Specific heat (Cp)0.455Btu/lb.FInsulation data
Viscosity, cp X 2.241.249lb/ft.hrTher.Cond.(Kins) =0.01btu/ft.hr.F
Coff. of Vol. Expansion0.00041/FThickness(Sins) =0.164ft
Emissivity0.8 Resistant (Rins) =15.763ft2.hr.F/Btu
    
Fouling factor = 0.005ft2.hr.F/Btu    
2.0 Heat Gain by Shell
 Coefficient of  Coefficient of  
AssumedConvectionRadiationCalculatedAssumedInside filmOutside filmcalculated
tshchrtstwhihotw
98.83.1030.9798.68-126.6344.073-11.94
Total heat transfer coeff. (Us)=0.06186Btu/ft2.hr.F
Area of Tank shell =1138.7ft2*Head Area : 245.6
Heat Gain by Shell. (Qs) =7988Btu/hr

Ambient temperature38
Fluid temperature-25


스테파노 Stefano   20-09-11 01:50
(A1) 보온이 되어 있는 탱크에서의 열손실은 탱크내부의 Convectional Heat Transfer Coefficient(hi), Tank Wall의 Thermal Conductivity에 의한 전열계수(k/t), Tank 외부 절연재의 Thermal Conductivity에 의한 전열계수( k/t) 값,  및 Tank Insulation 표면에서의 Convectional Heat Tansfer Coefficient (ho)에 의해 결정되기 때문에  다음 수식을 만족하는 조건에서 열손실이 계산되어야 합니다.

Q_loss = U * A * Δt1  = hc  * Δt2  ..................(1)    <-----  탱크내부에서 Insulation 표면까지의 열전달 수식 

U = 탱크내부~보온재 외부표면까지의 열전달계수,  Δt1 =냉크내부~보온재 외부표면까지의 온도차
hc = 탱크외부 표면에서의 대류전열계수,  Δt2 =외부표면~외부공기온도간 온도차

1/U =  1/hi + tm/km + t_ins/k_ins ...................(2)    <-----  hi =탱크내부 대류전열계수, m = "metal(탱크금속)", ho=보온재


(A2)위의 (1)(2)식으로 계산할 수 있으려면 보온재 표면의 온도를 알아야 하는데  이 온도는 Trial & Error 방법으로 찾아내야만 합니다.    또한 탱크 외부에서의 hc도 알아야 합니다. 

다행인 것은 hc는 보온재 표면과 공기의온도차에 의해 계산하는 수식이 연구되어 있어서  (1)식의 맨 우측 수식만으로 계산할 수 있는 방법이 편리합니다 .  단 보온재 표면의 온도를 가정해야 하지요.

비록 정확도는 떨어지지만  이 방법이 가장 흔히 이용되는 방법에 해당합니다 .  따라서  U, hi,  km,  tm 등은 고려하지 않아도 되고 사실상 이들의 저항은 외부 전열 저항에 비하여 무시할 만한 값이라서  무시하고 계산할 수 있습니다.

이곳 (https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_transfer_coefficient )에서 Vertical Plane에서의 Convectional Heat Transfer Coefficient 를 계산하는 수식을 참고하세요.

유사한 참고 자료로는 J.M Smith의 Heat Transmission,  Encropera의열전달 서적 (http://www.yes24.com/Product/Goods/57883242)에서 Heat Loss from vertical/horizontal Surface를 찾아보세요.
설계쟁이 skymanggo   20-09-15 15:29
저도 Tank Heat Loss 공부 중이며, 계산 시트를 다시 만들고 있는 설계사입니다.

정리하는 중이라서 대략적인 내용 공유드립니다.

1. 해당 계산방법(Sheet)는 Tank Heat Loss만 계산하도록 되어 있을것입니다.
또한 해당 Sheet는 아래와 같은 조건이 걸려있습니다.
- Storage Tank 만 계산
- Internal Coil
- Agitator가 없는 자연대류로 계산
- Internal Coil 형태 Horizontal Type
- Tank Heat Loss만 계산

2. 무시해도 결과값에 큰 영향을 주지 않습니다. 결과 값이 미비합니다.

3. 해당 Factor는 아래와 같습니다.
- tw : wall surface temperature
- ts : insulation surface temperature (uninsulation ; ts = tw)
- hi : inside film coefficient
- r_i : insulaiton thermal resistance
- hc : forced conv. at oustide wall by wind
- hr : radiantion from wall to surround
- ho = hc + hr (outside film coefficient)
- 해당 Sheet는 S사 메뉴얼을 이용해서 만든것이기 때문에, 해당 수식에 대해서 공부하실거라면,
주변분께 문의해서 받아야할것입니다. (좀 오래된 Manual 자료임)
- 참고로 타 Major 계산 Sheet도 확인해보았으나, 기본 Base는 S사 메뉴얼에서 Modifiy 된 것으로 확인하였습니다.
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