열유체공학실험 공기 물 대류 열전달

목차

1. 개요 및 목적

2. 이론

3. 실험

4. 실험결과 데이터

5. 보고서

6. 고 찰

본문내용

방향 : 대향류
구 분
평 균
평 균
고온
유체
(물)
유량 (L/hr)
100
300
위치1 온도
58.0
62.9
위치6 온도
64.0
65.5
저온
유체
(공기)
오리피스 차압(mmH2O)
120
위치1 온도
26.8
26.6
위치6 온도
42.7
43.3
측정
거리
0
mm
위치2 온도
33
33
위치3 온도
34
34
위치4 온도
36
37
위치5 온도
37
38
5
mm
위치2 온도
32
33
위치3 온도
33
33
위치4 온도
34
34
위치5 온도
35
35
10
mm
위치2 온도
32
32
위치3 온도
32
33
위치4 온도
33
34
위치5 온도
34
34
5. 보고서
1) 동심관 외관은 아크릴로 제작되었으며 내경은 50, 외경은 60이고 내관은 동으로 제작되었으며 내경은 26, 외경은 30이다. 길이는 외관과 내관 같이 1000이다. 그리고 오리피스 유량계의 오리피스 직경은 38.25이고 외관의 직경은 54이다. 유동 방향과 유량을 바꾸어 수행한 4가지 경우에 대하여 공기층의 온도 분포를 그래프로 나타내어라.
:
2) 위의 4가지 경우에 대한 대류 열전달 계수와 총괄 열전달 계수를 계산하라.
: 공기 (k = 0.02624) (Kd = 0.69로 계산함)
관련식 및 계산값
Q()
≒ 0.035()
V(m/s)
Re
Nu
관련식 및 계산값
,
(고온수)
Q()
(이하 계산은 동일)
V(m/s)
Re
Re수가 10000 미만이기 때문에 유동이 층류이고 벽면에서 열유속이 일정한 완전 발달된 영역이다. 그러므로
유동방향
유량
(W/mK)
병행류
100L/hr
655×W/mK -65℃
401
110
58
50.5
300L/hr
659×W/mK -70℃
401
1166
110.7
96.6
대향류
100L/hr
650×W/mK -60℃
401
109
57.6
50.3
300L/hr
655×W/mK -65℃
401
1159
110.7
96.5
3) 고온수의 레이놀즈수를 가로축으로 하여 2)의 결과를 그래프에 나타내고 유동의 방향과 속도가 이들에 미치는 영향에 대하여 논하라.
Re수
2855
8450
병행류
58
110.7
대향류
57.6
110.7
병행류
50.5
96.6
대향류
50.3
96.5
Re수
2855
8450
병행류
110
1166
대향류
109
1159
-위의 그래프 결과로 유동방향은 열전달 계수에 영향을 줄 수 없다고 판단된다. 그 이유는 Nu수가거의 같기 때문이다. 하지만 레이놀즈수에 따라는 큰 영향을 받는다. 레이놀즈수가 클수록 열전달 계수가 크게 나타난다.
4) 위의 4가지 경우에 대하여 시스템의 열전달율을 구하라.
- 총괄 열전달 계수와 로그 평균 온도를 이용하여 식 (11.16)으로부터 계산하라.
관 련 식
계 산 식
,
(이하 계산식은 동일)
층류와 난류의 Ui와 Uo를 주의하여 계산한다.
유동방향
유량
병행류
100L/hr
33.8
16.6
24.19
114.64kW
300L/hr
37.4
20.1
27.86
252.77kW
대향류
100L/hr
31.2
21.3
25.94
122.93kW
300L/hr
36.3
22.2
28.67
247.57kW
- 위치 1과 6의 온도, 유량 등 실험에서 직접 측정한 값을 이용하여 식 (11.1)과 (11.2)로부터 계산하라.
구분
공기 (저온)
℃
14.9
17.8
15.67
17.63
1.2
1 )
구분
물 (고온)
(L/s)
유량 100
유량 300
0.000028
0.000083
℃
병행류
대향류
병행류
대향류
4.2
6
2.67
1.2
980.6
4.184
관 련 식
계 산 식
유동방향
유량
병행류
100L/hr
478.7
1.26
239.98
300L/hr
227.9
1.51
114.71
대향류
100L/hr
683.8
1.33
342.57
300L/hr
410.3
1.49
205.9
- 이들을 비교 검토하라.
사용한 식
병행류
대향류
유량 100
유량 300
유량 100
유량 300
114.64
252.77
122.93
247.57
239.98
114.71
342.57
205.90
5) 참고 문헌을 조사하여 본 실험 결과와 비교 분석하라.
- 비교 해보면 열전달계수는 큰 오차가 나타나는 것을 확인 할 수 있다.그 이유는 물과 공기의 온도차가 정확히 측정되지 않아서 인 것 같다. 또한 장치에서 외부관은 단열 된 것으로 봐야하는데 실제로는 그렇지 못해서 실제보다 고온이 나옴을 알 수 있다. 또 공기유량 값은 공기의 압축성 성질 때문에 실제보다 적게 측정된 것으로 생각된다. 여기서 두 번째 값이 더 신뢰성이 보장된다.
6. 고 찰
- 실험에서는 동심관 (concentric tube)으로 구성된 열교환 장치의 내부 관에는 고온의 물을, 외부 관에는 공기를 흐르도록 하여 유동 속도 (층류와 난류)와 유동방향 (병행류와 대향류)을 바꾸어 가며 열전달량, 총괄 열전달 계수, 대류 열전달 계수 등을 측정하므로 이들이 열전달에 미치는 영향을 파악하고 또한 공기 유동층에서의 온도 구배를 측정하여 내부 온도 변화를 살펴보는 것이었다. 그 결과 병행류와 대향류의 유동방향에 따라서는 열전달 계수에 큰 차이를 보이지 않는 것을 볼 수 있었다. 하지만 Re수(= 유동 속도)가 증가하면 같은 조건하에서 열 전달계수가 크게 변하는 것을 볼 수 있었다. 이런 결과로 우리가 밖에서 바람이 많이 불 때 더 시원함을 느끼는 현상이 일어난다는 것이라고 생각해보았다.
또 실험을 통해서 물과 공기의 유동방향과 속도에 따른 열전달율의 차이에 대하여 실험하고 여러 가지를 알 수 있었다. 계산 값에서 많은 오차가 발생한 것을 볼 수 있는데 관계식들과 이들의 이해가 조금은 어려움을 느낀 것과 실험상에서 오차가 이렇게 큰 오차를 불러 왔던 것으로 생각된다. 또한 장비의 노후화도 오차의 원인이 될 수 있을 것이다.
마지막 실험이라 열심히 한다고 했지만 오차가 조금 발생한 것 같다. 이번 실험을 통해 공기와 물이 열전달에 어떠한 영향을 미치는지 조금 알게 된 것 같아 기쁘다. 처음에 이 실험을 접할 때는 무척 어렵게 다가왔는데 실험을 진행하고 보고서를 쓰면서 점점 이해하게 되고 알아가게 된 것 같다.

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공기 물,   공기,   열유체,   물