개념 한 쪽
다중효용증발은 여러 효용관을 연결하여 전단의 증기를 후단의 열원으로 순차적으로 사용하는 증발 공정으로, 증기 에너지를 경제적으로 재사용하여 열 소비를 절감하는 것이 핵심 목적이라고 정의한다
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출제기준 단원 「다중효용증발」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 수증기 열원의 장점 판단 | 1 | 수증기의 물성에 근거하여 옳지 않은 장점을 가리기 |
| 열교환기 면적 계산 | 1 | 포화수증기 열원과 LMTD를 이용해 필요한 가열면적을 계산하기 |
| 급송 방식 구분 | 1 | 다중효용증발의 급송 방식 중 용액 이동 여부를 판별하기 |
다중효용증발기는 여러 개의 증발기(효용관)를 직렬로 연결하여 운영하는 방식이라고 설명한다. 첫 번째 증발기에서 발생한 증기를 두 번째 증발기의 가열원으로 사용하고, 이렇게 생성되는 증기를 다시 다음 효용관의 열원으로 활용함으로써 증기를 여러 번 재사용한다는 점이 본질이라고 본다
이 공정의 주된 목적은 열 에너지의 경제적 이용이라고 한다. 증기 재사용을 통해 동일한 증발량을 달성하는 데 필요한 순수한 증기 투입량을 줄여 운전비용을 절감하고 장기적인 경제성을 향상시킨다. 장치비 절감이나 제품 순도 향상은 부수적 효과이거나 다른 공정과 결합된 결과일 수 있다고 덧붙인다
효용관의 급송 방식은 병류식, 순류식, 역류식, 혼합류식 등으로 구분한다고 한다. 병류식(parallel feed)은 각 효용관에 원액을 별도로 공급하여 각 효용관 간 용액 이동이 요구되지 않는 방식이라고 정의한다. 반면 순류식(forward feed)은 앞에서 뒤로 용액이 이동하고, 역류식(backward feed)은 뒤에서 앞으로 용액이 이동하며, 혼합류식은 이들을 조합한다고 설명한다
수증기를 열원으로 사용하는 이유는 응축 시 방출하는 큰 잠열과 높은 막열전달계수, 그리고 온도가 일정하게 유지되어 국부과열 위험이 적다는 점이라고 설명한다. 이러한 특성 때문에 다중효용증발과 같은 다단 증발 공정에서 수증기는 효율적인 열원 역할을 수행한다
효용관 수가 증가하면 증기의 재사용 횟수가 늘어나 단위 증발량당 에너지 소비가 감소하므로 운전비용이 줄어들고 경제성이 좋아지는 경향이 있다고 한다. 다만 효용관 수 증가에 따른 설비 투자 증가는 별도로 고려해야 한다고 경고한다
다중효용증발의 급송 방식 판단 예 — 각 효용관 간에 용액 이동이 요구되는지를 물으면 병류식은 각 관에 원액을 별도로 공급하므로 용액 이동이 필요 없다는 사실을 기준으로 정답을 고른다고 제시한다
증발장치에서 수증기를 열원으로 사용할 때 장점으로 거리가 먼 것은?
정답 ③ · 문제는 증발장치에서 증기를 열원으로 사용할 때의 장점 중 옳지 않은 것을 고르는 문제이다. 포화증기의 응축은 막열전달 계수가 매우 커서 균일한 가열과 국부 과열 방지, 온도 조절의 용이성 등 장점을 제공한다.
수증기는 열전도도가 크지 않아 열원 측의 열전달 계수가 오히려 크므로, 열전도도가 작아 계수가 작다는 설명은 장점이 아니다.
2중관 열교환기를 사용하여 500kg/h의 기름을 240℃의 포화수증기를 써서 60℃에서 200℃까지 가열하고자 한다. 이때 총괄전열계수가 500kcal/m²*h*℃, 기름의 정압비열은 1.0kcal/kg*℃이다. 필요한 가열면적은 몇 m²인가?
정답 ④ · 포화수증기가 응축되며 가열하므로 온도는 일정하게 240℃로 유지됩니다. 기름의 평균온도는 (60+200)/2 = 130℃이며, 대수평균온도차(ΔTm)는 (240-200)과 (240-60)의 대수평균이므로 ln값을 계산하면 약 87.6℃가 됩니다.
포화수증기 응축 시 온도 일정하므로 대수평균온도차를 계산한 후 열량 방정식 A=Q/(UΔTm)로 면적을 구한다.
다중 효용증발기에 대한 급송방법 중 한 효용관에서 다른 효용관으로의 용액 이동이 요구되지 않는 것은?
정답 ④ · 문제는 다중 효용증발기에서 한 효용관에서 다른 효용관으로 용액 이동이 필요하지 않은 급송 방식을 묻고 있다. 병류식(병렬) 급송은 각 효용관에 원액을 독립적으로 공급하므로 효용관 간 용액 이동이 없고 따라서 이동이 요구되지 않는다.
병류식 급송은 각 효용관에 원액을 별도로 공급하므로 용액의 이동이 필요 없다.
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