[화학공업실험] 열전도도 및 열전달계수(열교환기) 측정 실험 결과보고서

소개글

[화학공업실험] 열전도도 및 열전달계수(열교환기) 측정 실험 결과보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험제목

2. 실험방법
○ 열전도도 측정실험
○ 열전달계수 측정실험

3. 실험결과
○ 열전도도 측정 실험
△ 결과 Table
△ 실험식 계산과정
△ 열전도도값의 유도과정
△ 이론값과의 비교
○ 열교환기를 이용한 열전달계수 측정 실험
△ 결과 Table
△ 병류, 향류에서의 열전달계수 구하기

4. 고찰

본문내용

의 열전도값 일 것이다. 하지만 우리가 실험하는 과정에는 열이 센서로만 이동한 것이 아닌 사방으로 열 이 전도되고 따라서 열전도도가 작게 측정될 것이다. 그리고 윗절에서 설명했듯이 열전도도 는 온도의 함수이다. 위의 개념에서 끝나는것이 아니라 그래프에서 보듯이 SUS 304내부에 서 온도강하가 있으며, 그 위치마다 온도가 다르다. 즉, SUS 304내부에서도 위치에 따라 온 도가 다르기 때문에 열전도도가 다를 수 있다는 뜻이다. 또한 초기 설정시 냉각수의 유량을 설정하였는데 이 유량의 변화에 의해 급격한 온도 변화도 수반될 수 있을것이라 생각하지만 그로인해 이렇게 많은 오차를 야기하지는 않을 것으로 본다. 실험값이나 실험시의 가정등을 고려할 때 위에 설명했듯이 사방으로 열이 전도되어 열전도도가 작게 측정되었던것이 가장 설득력있어 보인다. 실험에 아쉬운 점이 있다면 실험 두 조의 설정 조건을 같게 해주었던것 이다. 각 조의 2회 실험을 모두 다른값으로 하고 온도편차도 크게 했다면 온도에 따른 열전 도계수의 변화를 파악하기 좋을것이라고 생각한다.
두 번째 실험은 열전달계수의 측정방법이다. 솔직히 열교환기 내부의 냉수와 온수의 잃고 얻은 열량이 같아야 한다는 기본 원리는 이해하겠지만 교재에 제시된 수식에 대한 이해는 아직 배우지 않아 이해하기가 좀 어려웠다. 하지만 아는 한도까지는 서술해 보겠다. 초기설 정을 할 때 냉수의 유량은 6
g/s
, 온수의 유량은 5
L/min
으로 설정하였다. 왜 같은 물을 사 용하면서 단위를 다르게 사용할까하는 의구심이 들었다. 열교환기에 대한 제반사항에 대해 조사하면서 생각해보았더니, 온수로 사용하는 라인의 경우 기체로도 사용할 수 있는 열교환 기가 있으며, 또한 온수의 경우 온도가 높기 때문에 밀도를 고려하지 않을 수가 없기 때문이 아닌가 생각한다. 또한 왜 대수평균온도차를 이용하는지 생각해보았다. 그래프를 보면 알 수 있듯이, 향류, 병류 모두 완만한 곡선을 이룬다. 처음에는 이렇게 생각했다. 이 그래프의 추 세선은 고등학교 때 배웠던 지수,로그 함수의 그래프와 상당히 유사하다. 우리가 흔히 쓰는 산술평균의 경우는 일차함수에서는 그 값이 정확하다. 따라서 귀납적으로 생각할 때 로그함 수와 상당히 유사한 형태인 그래프를 고려할 때 가장 근접한 평균이 대수평균이 아닐까 생 각한다. 또는 경험법칙으로 대수평균이 비교적 정확하다는 법칙을 찾았을지도 모른다고 생 각했다. 하지만 대수평균 온도차에는 정확한 유도방법이 있었다.
dq over d(DELTAT) = q_total over{DELTAT_2 - DELTAT_1 }
와
dq over dA = U DELTA T
의 식을 조합하면
q_total over{DELTAT_2 - DELTA T_1 } ·{d(DELTA T) } over dA = U DELTA T
q_total over{DELTAT_2 - DELTA T_1 } ·{ d(DELTA T) } over{ DELTA T}= UdA
양변을 적분하면
{q _{total}} over {DELTA T _{2} - DELTA T _{1}} int _{DELTAT _{1}} ^{DELTA T _{2}} {} {d( DELTA T)} over {DELTA T} =UdA_total
{q _{total}} over {DELTA T _{2} - DELTA T _{1}} ln DELTAT_2 over DELTAT_1} =UA_total ~~ or U_o A_o ~~ or U_i A_i
q_total
에 대해 정리하면
{q _{total}} = {{DELTA T _{2} - DELTA T _{1}}} over { ln DELTAT_2 over DELTAT_1}UA_total ~~ or U_o A_o ~~ or U_i A_i
여기서 사용되는
DELTAT_1
과
DELTAT_2
의 관계가 대수평균으로 유도되는 것이다.
이러한 초기조건과 가정과 함께 그 값을 구해보았다. 네 실험모두 약간의 편차는 있었지만 세부적으로 같은 측정 data에서의
U
값을 구하는 공식 2개의 각각의 경우를 비교해보면 약 10
W/m^2
에서 70
W/m^2
정도의 차이가 있다. 단위조작 교재에 보면
U
값을 구할 때 관의 열전달계수, 관벽의 두께, 잠열, 오염계수등 도 고려되어야 한다.
U
값을 구하는 두 번 째 식의 경우가 이에 해당되지만 값을 알 수 없기 때문에 이를 무시하고 값을 구하였다. 이 때문에 다양한 유도식에 의한 값이 다르게 나온다는것을 알 수 있다. 만약, 이 실험이 관의 열전도도를 측정하는 실험이었다면 이러한 식으로 그 값을 구할 수 있지 않을까 생각 한다. 또한 찬물이 얻은 열량과 뜨거운물이 잃은 열량이 이론적으로 같아야 하지만 데이터 를 보면 알 수 있듯이, 많은 차이가 있다. 이는 관이 완벽하게 단열되어있지 않은 경우 열 손실, 순수한 냉수, 온수간 외의 관과의 열교환, 잠열, 오염계수등의 미고려 등이 원인이 될 수 있다. 이 실험에서의 아쉬운 점은 두 조간의 온수 유입온도를 크게 차이를 두지 않았다 는 점이다. 60 와 57 , 실제로 이 정도면 거의 같은조건에서 실험을 수행했다해도 무방 할정도로 온도차이가 미미하다. 실험에 주어진 시간때문도 있지만 각 조간의 설정온도의 차 이를 주어 온도에 따른 관계, 환경에 따른 관계등을 확인하였으면 좋았을 것이라 생각한다. 또한 온수의 유속 지나치게 빨랐지 않았나 생각한다. 그래프에서 보듯, 온수의 온도차이는 유입시와 유출시 큰 온도 차이가 없다. 열교환이 충분히 이루어지지 않을 수도 있다고 생각 한다. 온도게이지의 측정단위가 0.1 임을 감안하면, 이정도 온도차로 실험을 하기에는 다 소 무리가 있다고 본다.
이상 이번 열전도도 및 열전달계수 측정실험의 고찰이다. 열전도도와 열전달계수는 단순한 관과 유체의 물성을 파악하는것이 목적이 아닌 산업에서의 응용이 매우 중요하다고 본다. 예를들어 도시가스관을 매설할 때, 혹한, 혹서에 대해 파이프와 유체가 외부 환경의 영향을 받지 않는 최소 매설 깊이를 열전도도, 열전달계수등을 통해 계산할 수 있다면 설비원가절 감, 공사기간단축 등을 이룰 수 있을 것이라 생각한다.

키워드

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