Heat and Material balance 정의와 이해

오늘의 궁금한 플랜트 이야기 주제는 Heat and Material balance 입니다.

 

<Figure 1-1 Heat balance diagram>

 

Heat and material balance 의 정의와 이해

 

Process 내에서 는 많은 양의 열(Heat) 과 Material(물질) 들이 공정을 통과 하게 됩니다. 

 

이를 도식화 테이블 화 한 것을 Heat and material balance 라고 하는데요 

 

하나하나 살펴 보겠습니다. 

 

열정산과 물질수지의 균형을 확인하는 방법은 질량 보존의 법칙을 적용하는 것입니다. 

 

공정안에서 생산이라는 과정을 통해 유입된 물질은 (기체, 액체, 압력, 유량) 

 

배출과 동시에 유입이 이루어지면서 채워지는 과정의 연속에 있습니다. 

 

이러한 물질의 총량을 확이하고 재료의 균형을 확인하는 

 

Heat and material balance 는 엔지니어링 공정설계 과정에서 

 

중요한 요소를 차지합니다. 

 

Heat balance (열정산) : 설비에서 발생하는 혹은 투입되는 

 

열에너지는 장치에 주어지는 열량의 합계와 손실된 열량의 합과 

 

같으므로 열량을 계산하여 도식화, 테이블화 하여 효율성과 

 

손실량을 파악하여 상태나 개선점을 확인 할 수 있게 하기 위한 것 입니다.

 

 

Material balance (물질수지) : 질량보존의 법칙을 바탕으로 

 

만들어진 개념으로 설비에 투입 회수되는 물질은 소멸하지 않으며 

 

이를 수량적으로 조사하는 것을 말합니다.

 

 

Heat and material balance 는 plant engineering 에서 많이 사용되는데요

 

 Heat balance 같은 경우는 대표적인 Process system 으로 

 

Power plant 를 얘기 할 수 있겠습니다. 

 

 

프로젝트 초기 단계에서 고려되어야 하는 것으로 효율적이고 

 

경제적인 공정설계를 위해서 필수적으로 수행해야 하는 단계 입니다. 

 

작성 과정에서 Process 상에 변동이 있다면 열 및 물질수지는 

 

다시 계산되어야 합니다. 예를 들어 보겠습니다. 

 

그림 1-1 의 열교환기 (Heat exchanger) 에 공급되어야 하는 

 

냉각수 (Cooling water) 의 양이 적어 지면 적어 질수록 이를 

 

열교환 하기 위한 표면적은 커져야 하는 것이고 이는 Cost 상승과 연관이 있습니다. 

 

이처럼 이를 Process 전반에 걸쳐서 출입하는 열과 물질의 변동량에 

 

따라서 Process 또한 Cost 와 design 에 변경을 수반하게 되는 것입니다. 

그림 1-1 은 Heat & material balance 의 

 

일부분을 참조용으로 작성한 것입니다. 

그림에 나와 있는 것처럼 Fluid 의 양 과 압력 온도 

 

그리고 열량(Enthalpy) 이 표기 되어 있습니다. 

 

첨부 도식에 대해서 간략히 설명하자면 

 

 Steam turbine 에 투입되는 Heat & Material Balance 는 ;

 

 유량 : 9000 kg/hr + 9000 kg/hr = 18,000 kg/hr

 

 압력 : 3.5 bar abs.

 

 온도 : 200 deg.C

 

 열량 : 2890.3 kJ/kg and 2890.3 kJ/kg 

 

 

Steam turbine 를 거친 후

 

 

 유량 : 18,000 kg/hr

 

 압력 : 3.5 bar abs.

 

 온도 : 39 deg.C

 

 열량 : 2400 kJ/kg

 

 

Heat exchanger 를 거친 후

 

 

 유량 : 18,000 kg/hr

 

 압력 : 1.0 bar abs.

 온도 : 50.0 deg.C

 

 열량 : 200 kJ/kg

 

∴ 총 18,000kg/hr 의 Fluid 가 200 도씨 조건에서 

 

3.5 bar a. 압력으로 5780.6 kJ/kg 의 엔탈피를 갖고 

 

Steam turbine 에 들어 간 후 최종적으로 열교환기를 

 

거쳐 나온 Heat and material 은 

 

1,8000 kg/hr, 1.0 bar, 50.0 Deg.C, 200 kJ/kg 결과치를 얻었습니다.

열량 및 온도는 Turbine 과 열교환기를 통해서 값이 변했습니다. 이는 

 

유입 에너지 = 유출에너지 + 손실 로 정의 할 수 있습니다. 

 

물질수지 관련해서는 처음에 들어온 Fluid 18,000 kg/hr 가 

 

최종 단계에서도 변화 없이 18,000 kg/hr 임을 알 수 있습니다. (물질보존의 법칙 적용)

 

이처럼 Heat and material balance 는 표 및 도식화를 바탕으로 

 

열 및 물질의 이동과 변화 량을 손 쉽게 보기 위한 해석의 기초가 되는 것으로 

 

Plant & process engineering 에서 중요한 업무 분야라고 할 수 있겠습니다.

 

 

Heat and material balance 를 통해 확인할 수 있는 사항

 

 

- 압력의 감소로 인한 기체 상의 감소량과 회복량을 추정.

 

- 물질의 향후 거동량을 예측하여 생산률과 압력 저하 물질의 유입량을 역으로 추정

 

- 정체 상태에 있는 공정 유체의 체적 추정치를 계산

 

- 증가 감소 데이터의 분석을 통해 생산률 및 회수율을 검증하고 추정

 

 

이상 궁금한 플랜트 이야기였습니다.