열전달 실험_예비레포트 [A+]

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열전달 실험_예비레포트 [A+]에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 바탕 이론
3. 실험 기기
4. 실험 방법
5. 참고문헌

본문내용

열전달에 영향이 없는 것이며, 이는 바닥면적인 을 통해 전도되는 열이 같은 면적 로부터 주위 매체로 전달되는 열과 같다는 뜻을 나타낸다. 또한 인 경우에는 표면으로부터의 열전달이 점점 작아져 휜이 실제적으로 단열재의 역할을 하며, 인 경우에는 휜이 표면으로부터의 열전달을 촉진시킨다. 그러므로 휜은 열전달의 촉진이 매우 커야 하므로 유효도가 1보다 훨씬 커야 한다. 휜의 효율과 유효도의 관계는 다음과 같이 표현할 수 있다.
휜 표면에서의 열전달률을 구할 때에는 휜뿐 아니라 휜으로 되어 있지 않은 표면도 고려해주어야 한다. n개의 휜을 가지는 표면의 열전달률을 다음과 같이 표현된다.
최종적으로 휜 표면에서의 열전달률과 동일한 만큼의 휜이 없는 면적에서의 열전달률의 비로 표시되는 휜 표면의 총괄유효도를 정의할 수 있다. 이는 각각의 휜 유효도보다 휜이 달려 있는 표면에 대한 성능으로 나타내는 것이 더 좋은 기준이 된다.
(5) Nusselt 수
- 열전달계수 는 Nusselt 수()로 무차원화하는 것이 더 실용적이기 때문에 다음과 같이 정의한다.
여기서 는 유체의 열전도도, 는 특성길이이다. Nusselt 수는 물리적인 중요성을 이해하기 위해 두께가 이고 온도차가 인 유체 층인 다음 Fig 8을 살펴보자. 유체 층을 통한 열전달은 유체가 이동할 때는 대류에 의해, 유체의 이동이 없을 때는 전도에 의해 일어나게 된다. 두 경우에서 단위 면적에 대한 열전달률인 열유속은 다음과 같이 표현되고, 이 두 식의 비를 취해 Nusselt 수를 구할 수 있다.
,
Fig 8. 유체 층을 통한 열전달
이 Nusselt 수는 어떤 유체 층을 통과하는 ‘전도’에 의해 일어나는 열전달의 크기에 대한, 같은 유체 층을 통과하는 ‘대류’에 의해 일어나는 열전달의 크기를 의미한다. 그러므로 Nusselt 수가 커질수록 대류의 효과는 커지고 전도의 효과는 작아진다. 또한 Nusselt 수=1인 경우는 전도에 의한 열전달만이 일어나고 있음을 의미한다.
또한 이번 실험에서는 수직 원통에서 강제대류가 일어날 때의 Nusselt 수를 계산해야 한다. 이 경우의 Nusselt 수를 구하는 식은 다음과 같으며, 이 식은 인 경우에만 사용할 수 있다.
또한 이 Nusselt 수를 구하기 위해서는 2가지의 또 다른 무차원수인 레이놀즈 수()와 프란틀 수()를 알아야 한다. 이 두 무차원수에 대한 식은 다음 Table 1에 나타내었다.
레이놀즈 수()
프란틀 수()
= 유체의 밀도 []
= 유속 []
= 길이 []
= 유체의 점성계수 []
= 유체의 점성계수 []
= 유체의 비열 []
= 열전도 계수 []
Table 1. 무차원수 레이놀즈 수()와 프란틀 수()
※ Grashof 수 ()와 Rayleigh 수()
Grashof 수
Rayleigh 수
: 중력가속도 ()
: 체적 팽창계수
= 길이 []
: 유체의 동점성 계수
: 중력가속도 ()
: 체적 팽창계수
= 길이 []
: 유체의 동점성 계수
Table 2. 무차원수 Grashof 수 ()와 Rayleigh 수()
3. 실험 기구
① Heat plate
② 금속 시편
Fig 9. Heat plate
- 이번 실험에서 Heat plate는 열 를 공급해주는 용도로 쓰인다.
이는 알코올램프와는 달리 불꽃을 직접 사용하는 것이 아니라 금속판과 같은 매체를 가열함으로써 그 열로 대상물질을 가열해 간접적으로 가열한다.
Fig 10. 금속 시편
- 이번 실험에서 Fin으로 사용되며 이 종류로는 알루미늄과 구리, 황동, 철을 사용한다. 이렇게 여러 종류의 금속 시편을 사용하는 것은 물질마다 각자 고유의 열전도도를 가지기 때문에 이에 따른 변화를 알아보기 위해서이다.
③ Thermo gun
④ 저울
Fig 11. Thermo gun
- 온도를 측정하는 장치이며, 이번 실험에서는 금속시편의 온도구배를 측정하는 데 사용된다. 이는 온도 측정 대상과 직접적으로 접촉을 하지 않고도 온도를 측정할 수 있다는 점에서 수은온도계와 차이가 있다.
Fig 12. 저울
- 이번 실험에서 금속의 무게를 측정하는 데에 사용된다.
⑤ 초시계
⑥ 선풍기
Fig 13. 초시계
- 이번 실험에서 시간을 측정하는 데에 사용된다.
Fig 14. 선풍기
- 자연대류와 강제대류의 차이를 알아보는 이번 실험에서 강제대류의 환경을 만드는 데 사용된다.
4. 실험 방법
(1) Heat plate를 일정한 온도까지 예열하고, 옆에 선풍기를 비치한다.
(2) 최대한 주변에 외부 바람을 막은 다음 금속 시편을 heat plate 위에 수직으로 설치한다.
(3) 정상 상태에 도달하는 시간동안 기다린 후, thermo gun을 이용하여 각각의 위치에서 금속의 온도를 측정하고, 선풍기를 통해 나오는 바람의 풍속과 온도를 측정한다.
(4) 실험을 통해 온도 분포, 열전달 계수, 핀의 효율, 유효도를 구한다.
(5) 선풍기 바람의 세기를 0부터 최대 단수까지 조절하며 위의 실험을 반복한다.
(6) 금속 시편의 종류를 바꾸어서 (황동, 알루미늄, 구리, 철) 위의 실험을 반복한다.
(7) 각 경우별 온도분포, 열전달 계수, 핀의 효율, 유효도를 비교한다.
※ 실험 시 주의사항
- Heat plate로 금속 시편을 높은 온도로 가열하기 때문에 fin을 교체할 때 화상을 입지 않도록 반드시 목장갑을 착용하고 실험을 진행한다.
- 자연대류 실험을 할 때 외부의 바람에 의해 강제대류로 변하지 않도록 바람을 꼼꼼히 차단한다.
- 선풍기와 금속 시편 사이의 거리가 일정하지 않으면 바람의 세기가 변해 오차의 원인이 될 수 있으므로 일정한 거리를 유지한다.
- 정상상태라고 가정한 상태에서 실험을 진행해야 하기 때문에 Heat plate를 먼저 작동시켜둔다.
- Heat plate가 물에 닿으면 감전될 수 있고 고장으로 인해 오차가 발생할 수 있으므로 주의해 사용하도록 한다.
5. 참고 문헌
[1] Yunus A. Cengel, \'열전달 4th edition\', McGraw-hill, 2017, 18-33p, 163-175p , 374~375p
[2] ‘2019년 3학기 2학기 실험노트’

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