온도측정실험 보고서

소개글

온도측정실험 보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 수치해석

1-1. 2차원 FDM 을 이용한 온도분포
1-2. 1차원 FDM과 2차원 FDM 의 비교
1-3. 1차원 FDM 과 1차원 Analytic Solution 의 비교


2. 실험결과 분석

2-1. Thermocouple을 이용한 온도분포 측정
2-2. TLC를 이용한 온도분포 측정
2-3. Fin Effectiveness & Fin Efficiency 계산


3. 실험결과 논의

3-1. Thermocouple로 측정한 온도분포와 이론값의 비교
3-2. TLC로 측정한 온도분포와 이론값의 비교
3-3. TLC 측정값과 Thermocouple 측정값의 비교
3-4. Fin 의 기능에 대한 논의


4. 추가 논의 및 결론

본문내용

사람들의 움직임이 많았기 때문에 강제대류를 고려하여 h값을 수정하는 것이 보다 더 현실을 반영한 결과라고 할 수 있겠다. 실제 실험이 이루어진 장소는 사람들의 출입이 잦은 출입문 바로 옆에 위치해 있었고 44분의 실험동안 총 6명의 이동이 이동했기 때문에 이로 인해서 강제 대류가 발생 했을 것이라고 생각 된다.
(3) 열전대 제작의 불완전
열전대를 제작할 때 조교님께서 두 금속의 끝 부분만 정확히 용접이 되어야만 결과 값이 잘 나온다고 하셨다. 하지만 용접과정에서 몇몇 열전대들은 용접시간이 길어져 두 금속이 끝부분만 붙은 것이 아니라 두 금속의 일부분이 겹쳐져 용접되었을 가능성이 있다.
(4) 열전도성 접착제의 문제점
열전도성 접착제는 일반 접착제와는 달리 열 저항 계수가 작아 열전달이 일어 날 때 접착제로 인한 영향을 최소화 하는 역할을 한다. 하지만 접착제의 양이나 열전대와 붙여진 상태에 따라서 열 저항으로 작용해 실험결과에 미미하게나마 영향을 미쳤으리라 사고된다.
(5) TLC 제작의 문제점
검은색 스프레이의 경우엔 검은색이라는 특성 때문에 스프레이 양의 많고 적음이 육안으로 구분할 수 없어 아무리 고르게 뿌려졌다 하더라도 어떤 부분은 많거나 혹은 적게 뿌려졌을 것이고 이는 구리판과 TLC 사이의 스프레이로 인한 열저항의 값이 구리판의 위치에 따라 달라지는 결과를 초래하여 오차의 원인으로 작용하였을 것이다. 또한 TLC 도 마찬가지로 스프레이를 통해 3번 반복하여 구리판에 뿌리긴 하였지만 투명하기 때문에 골고루 뿌려졌는지 육안으로 확인 할 수 없었고 TLC의 양에 따라 오차의 원인으로 작용하였을 것이다.
또한 앞서 언급한 유광 스프레이의 사용, TLC 코팅의 불분명성, Spray에 의한 단열 역시 측정에 오차를 주는 요소로 작용했을 것이라고 생각 된다.
4-3. Fin 길이의 효율성에 대한 논의
Fin의 효율과 관련하여 우리가 사용한 Fin의 길이에 대해서도 생각해 보자. Fin의 길이가 무한하다면 그 효율이 최대가 되겠지만 실제 Fin은 그 길이가 무한대일 수도 없고 또 그럴 필요도 없다. 실제로 Fin의 길이가 어느 정도 이상이 되면 외부 유체와의 온도차가 거의 없어지므로 확장 표면으로써의 역할을 하지 못하기 때문이다. 길이가 무한대인 Fin 의 효율은 다음과 같다.
즉, Fin의 이론적인 최대 효율은 Fin 의 길이가 무한대일때 가 된다. 한편 길이가 무한대인 Fin과 길이가 유한하고(L) Tip 이 단열상태인 Fin 의 열전달량을 비교하면 다음과 같다.
위 두 식에 의하면, Long fin 과 adia.tip fin 에서의 열전달량은 배 만큼 차이가 나는 것을 알 수 있다. mL 의 값이 2.3 일 때, 의 값이 약 0.98 이 되므로 mL=2.3 조건을 만족할 때 adia. tip fin 의 열전달량은 Long Fin 의 98% 정도가 된다. 만약 Fin 의 길이가 L = 2.3/m 보다 길게 되면 늘어나는 길이에 비해 열전달 증가량이 형편없게 되므로 ‘비효율적’이라고 한다.
이번 실험에서 이므로, Fin 의 길이가 0.725 m 가 넘게 되면 비효율적이게 된다. 우리가 사용한 Fin 의 길이는 0.3m 로서, 비효율적인 Fin 길이 범위를 넘지 않음을 알 수 있다. 따라서 실험조건에서 Fin 길이 설계는 효율적으로 되어 있다고 할 수 있겠다.
4-4. 결론
이번 실험을 통해 Fin의 특성을 이해할 수 있었다. 고체표면의 열전달율을 촉진시키기 위해 사용하는 확장표면으로서의 Fin에 대해, 그 기반이 되는 열전도 현상에 대한 전반적인 이해와 아울러 TLC와 열전대에 대한 이해에서부터 FDM를 통한 2차원 수치해석까지 상당한 양의 이론을 적용해 보았다. 각각의 방법에 대해 정리해보면 다음과 같다.
첫째, analytic solution을 구하는 방법은 Fin의 열전달 경향을 분석하는데 있어서 매우 이상적인 방법이다. 실제의 값과는 차이가 있을지라도 해석해를 통해서 많은 것을 분석해낼 수 있다는 것에 의의가 있다. 지배방정식에서 온도분포 solution을 구하는 것만으로도, 간단한 형상에 대해서 실제 열전달량, efficiency 등을 계산해 낼 수 있다. 그러나 해석해의 단점은 복잡한 형상에 대한 분석이 힘들고, 비선형적인 현상을 포함하지 못하며, 그 이용이 제한되어 있다는 점이다.
둘째, numerical solution 은 보다 복잡한 문제에 대해서 수치적인 해를 제공해 준다. 간단한 코드를 통해서 2차원적인 해를 구하고, 쉽게 visualization 하여서 문제의 경향을 파악하는데 도움이 된다. 그러나 이 방법의 단점은 정확한 계산을 위해서는 계산량이 많아지고 해가 수렴하였더라도 정당하고 확실한 해인지 파악하는 게 어렵다는 것이다. 그렇다 하더라도 2차원적인 온도 분포가 어떤 방식으로 이루어질 것인지 쉽게 보여줄 수 있는 좋은 방법이다.
셋째, thermocouple은 그 반응시간이 빠르기 때문에 여러 개의 thermocouple 의 전압을 온도로 환산해 주는 logger를 활용하여 온도의 변화 경향까지 쉽게 파악해 낼 수 있었다. 그러나 선의 중간이 가늘어지는 경우와 잘못 설치했을 경우 잘못된 온도결과를 나타낼 수 있음에 주의해야 하겠다.
마지막으로, TLC를 통해 광학적으로 데이터를 분석하였다. TLC는 Fin 전체의 온도분포를 쉽게 파악할 수 있는 장점이 있다. 이 실험에서 이 방법을 수행하면서 겪은 실제적인 문제는 CCD 카메라가 색을 올바로 읽어낼 수 있도록 셋팅 하는 것이 힘들고, 동시에 온도를 기록해야 하므로 빠른 조작이 힘들다는 것이다. CCD 카메라를 통해 모니터에서 출력된 색상은 실제 눈으로 확인하는 색상에 비해 부정확했으며, 오차를 야기할 수 있는 다른 요인이 산재해 있다. 즉 TLC 가 적절치 못하게 뿌려져 있거나, 카메라의 세팅이나 위치가 바뀐다거나, 컴퓨터의 분석이 올바르게 수행되지 않는 등의 경우를 뜻한다.
위에서 볼 수 있듯이, 네 가지 방법 모두 장단점을 가지고 있으며, 어느 것이 절대적으로 옳다고 결론지을 수 없으므로 열전달의 해석에 있어서는 다양한 결과를 종합적으로 활용하는 것이 올바른 방법이라 하겠다.

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