라디에이터 방열실험

목차

1. 실험 목표

2. 실험 장치
1) 장치 구성

3. 실험 이론
1) 풍량(Q)
2) 유량
3) 방열량
4) 수열량
5) 방수 열량비

4. 로그 평균온도차(LMTD)의 이용

5. 실험 결과 분석

6. 실험 결과에 대한 고찰

본문내용

험 결과 분석
※ 실험 조건
- 액주계의 높이차(Δh) = 0.025 m
- 송풍기 직경 = 0.188 m
- 물의 유량(LTM)
온수 온도(℃)
21
26
31
36
41
46
51
56
물의 유량(LTM)
2.25
2.10
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
1) 풍량( Q )
⇒ ( )
= 20.04689 m/s
( = 1.2193 kg/㎥ at 상온 18℃)
= = 1.2193 kg/㎥×0.027759×20.04689 m/s ×0.9
= 0.61067kg/s
( 노즐의 유량계수 α= 0.9 ,
송풍구 입구의 단면적 = 0.027759)
( =20.04689 m/s )
= 60×0.9×0.027759×20.04689 m/s
= 30.05
2) 방열량 ( )
( 물유량 () , 는 온도에 따라 변한다. )
온도
21
26
31
36
41
46
51
56
물의 비열(kg/㎥)
998
997
995
994
992
990
988
985
( = 4.179 kJ/kg℃ )
※ 아래의 결과는 실험 중 일부의 계산과정을 보인 것이다.
< At 21 ℃ >
= 2.25× 998 × ×60
= 134.73 Kg/s
= 134.73 Kg/s ×4.179 kJ/kg℃ × (22-19)℃
= 1689.11 kJ/s
< At 26℃ >
= 2.10 × 997 × ×60
= 125.62 Kg/s
= 125.62 Kg/s×4.179 kJ/kg℃ × (26-21)℃
= 2624.872 kJ/s
< At 31℃ >
= 2.00 × 995× ×60
= 119.40 Kg/s
= 119.40 Kg/s×4.179 kJ/kg℃ × (31-22)℃
= 4490.753 kJ/s
3) 수열량 ( QA )
= 36.6401
(=1.005 kJ/kg℃ at 291K )
※ 아래의 결과는 실험 중 일부의 계산과정을 보인 것이다.
< At 21 ℃ >
= 36.6401 × 1.005 kJ / kg℃ ×(18-18)℃ ×60
= 0 kJ/s
< At 26℃ >
= 36.6401 × 1.005 kJ / kg℃ ×(19-18)℃×60
= 2209.399 kJ/s
< At 31℃ >
= 36.6401 × 1.005 kJ / kg℃ ×(21-18)℃×60
= 6628.198 kJ/s
4) 방수 방열비
※ 아래의 결과는 실험 중 일부의 계산과정을 보인 것이다.
< At 21 ℃ >
= = 0%
< At 26℃ >
= = 15.8283%
< At 31℃ >
= = -47.5966%
6. 실험 결과에 대한 고찰
이번 실험은 위에서도 언급한바와 같이 라디에이터와 송풍기를 통해 열교환기의 성능을 측정해 보는 실험이었다. 열교환기라고 하면 우리는 쉽게 자동차의 라디에이터를 생각할 수 있다. 일반적으로 자동차의 앞부분에 장착되는 라디에이터는 엔진의 최적온도를 유지시켜주는 중요한 역할을 담당한다. 고속 운전에 의해 고온의 상태가 된 엔진의 주위를 돌며 엔진을 식혀주는 과정에서 열을 흡수하여 온도가 상승한 냉각수를 식혀주는 냉각장치 중 하나가 라디에이터이다. 라디에이터의 위쪽 호스를 타고 들어온 고온의 냉각수는 라디에이터의 코어를 통해 흐르면서 대기에 의해 식혀진 후 라디에이터의 아래쪽 호스를 통해 나와 다시 엔진으로 간다.
실험 결과 그래프를 보면 라디에이터 안을 흐르는 과정에서 공기 중으로 온수가 잃어버린 열량을 뜻하는 방열량() 과 고온의 라디에이터를 통과하며 지나가는 과정에서 공기가 얻은 열량을 뜻하는 수열량() 이 온수의 온도가 상승함에 따라 변화하는 모습을 볼수 있다. 온수의 온도가 올라가면서 와는 거의 같은 모습으로 변화하고 있으나 26℃를 지나가면서 이 보다 높음을 확인할 수 있다. 하지만 흔히 방열량이 클수록 열교환기의 성능이 좋다고 하는데, 실험결과는 그와 반대의 모습을 보이고 있다. 공기중으로 빠르게 대량의 열을 발산하여 냉각수를 식혀야하는 라디에이터의 역할을 고려해볼 때 이는 조금 잘못된 결과를 보이고 있음을 알 수 있다. 또한 방수 열량비 그래프도 26℃를 지나면서 음의 값을 보이고 있는데, 열교환기의 성능을 고려해볼 때 잘못된 결과임을 쉽게 알 수 있다.
실험 결과가 이와 같이 그릇되게 나온 요인에 대해 아래와 같은 생각해 보았다.
- 짧은 실험 시간이 오차의 원인일 것이다. 결과 데이터값을 적고 있는 중에도 계속 변화하는 데이터값을 볼 수 있었는데, 송풍기을 작동시킨 후 모든 것이 안정화된 순간까지 기다리지 않고 실험을 속행했던 것이 오차를 유발했을 것이다.
- 라디에이터에 공급되는 물유량이 일정하지 않았고, 또한 많이 부족하였다. 물의 유량이 부족하여 라디에이터가 정해진 시간동안 얼마나 많은 열량을 방출하는가를 측정한 방열량이 적게 나왔다. 물이 나오는 관에서 보았던 공기와 관속에 쌓여있을 노패물들이 물의 흐름을 방해하는 와중에서 물유량이 위의 결과값처럼 작아졌던 것 같다. 실제로 물유량을 3LTM으로 해서 계산한 결과 방열량이 증가하여 방수 열량비가 모두 양의 값으로 돌아옴을 확인하였다.
- 특정온도에서 송풍기를 작동시켜 결과를 측정하는 동안 온수의 온도를 일정하게 유지하지 못해서 라디에이터로 유입되는 온수의 온도가 계속 변했는데, 이또한 오차를 유발하였을 것이다.
- 단순히 온도만을 고려하여 방열량과 수열량을 측정하였던 것이 오차를 야기하였을 것이다. 실험을 하면서 라디에이터의 방열량에 큰 영향을 미치는 핀의 개수와 형상등을 고려하지 않았고, 관로 마찰등과 같은 기타 요인들을 배제하고 실험을 했었기 때문에 결과값에 오차가 생겼을 것이다.
- 조교님이 언급하셨던 것처럼 라디에이터에 들어가고 나오는 물과 송풍구 입구와 출구의 공기의 온도를 보여주는 계기판이 소수점이하의 값을 보여주지 않았던 것도 계산상에 오차의 원인이었을 것이다.
위와 같은 여러 가지 원인들에 의해 생긴 오차에 의해 이론상 얻을 수 있는 결과를 얻지는 못했다. 하지만 이번 실험을 통해 라디에이터의 역할과 중요성을 배울 수 있었고, 열교환기의 성능에 대해 알 수 있었다. 아직 배우지 못한 부분이어서 많은 결과를 정리하며 많은 어려움이 있었지만, 새로운 분야를 접해볼 수 있었던 좋은 기회였던 것 같다.

키워드

라디에이터,   열교환 및 열교환기,   로그평균온도차,   로터미터,   유량, 풍량, 방열량,   비열비,   그래프 및 데이터,   고찰