[공학실험]대류열전달 실험 예비, 결과 레포트

목차

1. 실험목적

2. 실험이론
1) 원관을 교차하는 유동의 대류 열전달
2) 관군을 교차하는 유동의 대류열전달
3) 이론과 수식

3. 실험환경

4. 실험결과

5. 고찰

본문내용

988` TIMES ` {mM} over {A _{1}}
173.818
95.657
153.596
98.499
J/m ^{2} ·s` K
T _{A}
293.5
293.5
293.5
293.5
K
P _{A} =133.322`times`mmHg
101178.1
101178.1
101178.1
101178.1
N/m ^{2}
V _{1} =237.3 sqrt {{H _{1} T _{A}} over {P _{A}}}
14.719
5.701
15.438
6.583
m/s
V=( {10} over {9} ) ^{n} V _{1}
22.434
8.689
39.848
16.992
m/s
Re= {D} over {nu } V=780V
17498.5
6777.4
31081.4
13253.8
-
N= {hD} over {k _{f}}
81.952
45.101
72.418
46.441
-
Nu number는 Re number와
N`u=C``Re ^{m} Pr ^{1/3}
의 관계를 가진다. 상온에서 Pr number는 0.707이고, C와 m은 Re number가 4,000~40,000의 범위 내에 존재할 때 C=0.193, m=0.618이 된다. 따라서 Nu number와 Re number 간에는
bar{N} =0.193``·`Re _{c} ^{0.618} ``·``0.707 ^{1/3}
의 관계가 성립한다.
이것을 그래프로 표현하면 다음과 같다.
곡선은 상온, Re (4,000~40,000 범위)에서의 Nu number 와 Re number의 이론적인 관계이다.
'*1, *2, *3, *4' 는 각 실험에서 구해진 Nu number와 Re number의 값이다.
각 실험에서 시간에 따른 구리 시험봉의 온도변화를 그래프로 나타내었다.
아래는 각 실험의 냉각률을 반로그(Semi-logarthmic) 좌표상에서 플롯한 그래프이다. 이 그래프를 통해 구리 시험봉과 이를 지나는 공기 사이의 열전달 계수를 바로 산정할 수 있다.
위 반로그 그래프에서의 기울기는 M 값을 의미한다. 열전달 계수 h는 다음 식으로 계산이 가능하다.
log`` _{e} (T-T _{A} )-log _{``e} (T _{0} -T _{A} )=- {hA _{1} t} over {mc} =M
여기서
A _{1} ,m,c
는 모두 상수이며, 왼쪽의 항은 매 순간의 실험 자료로부터 계산이 가능하다. 이로써 우리는 시간과 열전달계수의 관계를 얻을 수 있다. 이것을 그래프로 표현하면 아래와 같다.
열전달 계수는 시간이 지남에 따라 증가하다가 어느 시점 이후 지속적으로 감소하는 경향을 보인다. 위 그래프에서 확연히 나타나듯이 유량이 많을 경우에 열전달 계수가 훨씬 높게 나타났다. 유량을 50%로 제한하고 실험을 진행한 경우에는, Bar가 많은 경우에 열전달이 더 빨리 일어나는 것을 확인할 수 있다. 마찬가지로 이론상 100% Open, 9 Bars의 경우의 열전달계수가 가장 높게 나타났어야 하나, 100% Open, 4 Bars 의 경우보다 좀 더 낮은 열 전달률을 보였다. 이는 가장 처음 실험한 100% Open, 4 Bars 의 경우에 초기 구리 시험봉의 온도가 가장 높았고(148 ) 이것이 열전달이 가장 잘 일어나게 된 주요한 원인으로 여겨진다.
5. 고찰
이론상으로 세 번째로 실험한 100% Open, 9 Bars 의 경우에 가장 빠르게 냉각될 것이라고 예상했었지만, 첫 번째로 실험한 100% Open, 4 Bars 의 경우에 오히려 더 빠른 냉각 속도를 나타내었다. 이것은 냉각속도를 표현할 수 있는 모든 그래프에서 공통적으로 발견되었다. 첫 번째 실험시 구리 시험봉의 초기온도가 나머지 세 실험보다 높았었는데, 두 물체의 온도차이가 열전달에 영향을 미치는 중요한 변수라는 것을 감안한다면, 구리 시험봉의 초기온도가 이러한 결과의 주요한 원인이 될 수 있다고 여겨진다.
계산으로 구해진 실험자료(8페이지) 중 M과 h를 일정한 값으로 구하였으나, 이것은 실질적으로 두 물체의 온도 차이에 관련이 있는 값으로, 시간에 따라 변하는 수치이다. 마찬가지로 Nu number 역시 h값이 변화함에 따라 유동적이 될 수 있다. 평균적인 값의 h를 이용하여 Nu number를 계산하였고, 그 결과를 기록하였다. 또한 이 결과는 Nu number 와 Re number의 관계 그래프(9페이지)에 점으로 나타나는 각 실험에서의 결과에 이용되었다.
실험의 모든 결과에서 첫 번째와 세 번째, 두 번째와 네 번째 실험은 서로 유사한 경향을 보여주었다. 이것은 Bar의 개수보다 유량이 결과에 더 많은 영향을 미친다는 것을 의미한다. (첫 번째 실험과 세 번째 실험은 100% Open, 두 번째와 네 번째 실험은 50% 조건이었다.) 궁극적으로, 유량의 조절이나 Bar의 개수 변화는 실험장치 내부의 공기 흐름속도를 변화시켜 Re number의 변화를 이끌어낸다. Re number는 물질의 냉각속도에 직접적인 영향을 미친다. 이번 실험조건에서는 속도의 변화만으로 Re number를 조절하였으나, 우리가 익히 알고 있는 식,
Re= {rho`V`D} over {mu}
로부터
V
와
D
를 고정한다면, 구리 시험봉을 지나 흐르는 유체의 밀도가 높을수록, 점성이 작을수록 열전달이 잘 일어나게 될 것임을 예상할 수 있다.
열전달 계수는 위에서 언급했듯이, 시간에 따라 변화하는 값을 가진다. 이것은 열전달의 중요한 변수인 "물체와 주변의 온도차, 초기온도와 주변의 온도차"의 비율에 log를 취한 값에 비례하므로, 초기에 증가하다가 다시 감소하는 형태의 그래프(11페이지)로 표현된다.
이번 실험은, 우리가 익히 알고 있으며 지금껏 잘 활용해 왔던 사실에 대한 실험이었다. 바람이 많이 부는 날은 그렇지 않은 날 보다 더 춥게 느껴진다던가, 뜨거운 음식을 입으로 바람을 불어 먹는 것 모두 물체가 가지고 있던 열이 바람을 통해 빠르게 공기로 전달되기 때문이다. 우리는 이러한 사실을 잘 알고는 있었지만, 그것이 무엇과 어떤 관련이 있는지 정량적으로 알지 못했다. 하지만, 이번 실험을 통해 유량과 유속이 열전달에 미치는 영향을 정량적으로 알아볼 수 있었다.

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대류 열전달,   열교환기,   열전달계수,   Heat Flux,   열전달률,   프란틀수,   열확산계수,   공학실험