열전도율측정-열유체공학실험

소개글

열전도율측정-열유체공학실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 목적 및 개요
2. 이론
3. 실험
4. 실험 데이터
5. 결 과
6. 고 찰

본문내용

신속한 열전달이 요구되는 곳에 사용되며 열전도율이 낮은 물질은 단열재로 사용될 것이다.
본 실험에서는 열전도율이 알려진 철과 알루미늄, 구리를 이용하여 시험편의 열전도율을 구함으로써, 열전도현상을 이해하는데 목적이 있다.
2. 이론
2.1 열전도율 측정 방법
열전도 측정 장치의 테스트 부는 그림에 나타난 바와 같다. 고체 봉(solid bar)형태의 표준열전도체 양쪽에 디스크 형태의 시험편이 두 개 삽입되어 있다. 실험 시 표준열전도체의 상단부는 히터에 의해 가열되므로 고온이 되고, 또한 실린더에 압축공기를 가하여 시험편에 압력을 가한다. 상하부의 온도차에 의한 열전달은 고체내부를 통하므로 전도에 의한 열전달이 주요 현상이다. 봉의 주위는 단열재로 단열되어 있으므로 축방향의 일차원 열유동 으로 해석할 수 있다.
여기서 시험편의 열전도율은 다음의 식으로 정의 된다.
열과 전기의 유사성 관점에서 전기회로에서 전압, 전류 및 저항의 관계를 사용하여 열저항 R= 를 도입하여 정리하면
이때 열저항(thermal resistance) R은 시편의 열저항 와 접촉면의 열저항 의 합이다. 여기에 오차 보정계수 F를 도입하면 다음과 같이 표현된다.
(9.1)
위 식을 이용하여 시험편의 열저항 을 구하면, 다음 관계식을 이용하여 시험편의 열전도율 을 계산할 수 있다.
(9.2)
식(9.1)의 두 상수 와 는 실험장치의 영점을 맞춤으로써 구할 수 있다. 식(9.1)은 가 선형적인 관계에 있음을 나타낸다. 즉, 기울기 F 와 y축 절편 를 가지는 직선의 방정식이다.
열전도율을 알고 있는 두 개의 표준 시험편(I, II)을 이용하여 온도(T1, T2), Heat Flux q, 시험편 두께 를 측정하여 다음의 관계식을 구한다.
(9.4)
(9.5)
식 (9.4)와 (9.5)의 두개의 관계식에서 미지수 와 를 구한다.
다음, 열전도율을 모르는 시험편(Cu가 주성분)에 대하여 동일한 실험을 수행하여 다음의 관계식에 대입한다.
(9.6)
여기서 온도(T1, T2), Heat Flux q, 시험편 두께 은 실험에서 측정한 값을 대입하고, 와 는 위에서 구한 값을 대입하면, 미지의 열전도율 를 계산할 수 있다.
3. 실험
3.1 실험장치
1) 실험장치
`
3.2 실험방법
1) 실험진행순서
① 시험부의 덮개를 열고 보온재를 옆으로 밀은 다음 실린더 상하스위치를 상으로 위치하
고 압력 조절밸브를 돌려서 실린더를 상승 시킨다.
② 열전도율을 알고 있는 시험편을 그림 9.4와 같이 설치한다. (시편 설치시 위, 아래의 기
준 봉과 일치하도록 주의하여 설치한다.)
③ 실린더 상하스위치를 하로 위치하고 압력조절밸브를 돌려서 실린더를 하강시킨다. 이때
압력은 (으로 설정한다.)
④ 시험부의 덮개를 닫고 덮개 고정핸들을 돌려서 단단히 고정시킨다.
⑤ 실험온도를 설정하고 히터스위치를 on시킨다.
⑥ 정상상태가 될 때까지 약30분정도 기다린다.
⑦ 열전도율을 알고 있는 다른 시험편에 대해서 1)에서 6)과정을 되풀이하여 식(9.1)의
값을 구한다.
⑧ 열전도율을 측정하고자하는 시험편을 사용하여 1)에서6)과정을 진행하여 시험편의 열전도
율을 측정 한다.
※ 주의 : 시험부의 히터가 가열 되었을 때 화상을 당하지 않도록 주의한다.
4. 실험 데이터
실험명 : 열전도율 측정
실험장치 : 열전도율 측정 실험장치
실험자 : 신 동 진
실험일자 : 2010. 4. 1(금)
구 분
표준 시험편
(SUS)
표준 시험편
(Al)
시험편1
(Cu합금)
Heat Flux Sensor(mV)
2.27
2.46
2.36
T1 (℃)
45
45
45
T2 (℃)
41.2
43.2
42.6
시험편 두께 (mm)
9.81
9.82
9.78
Heat Flux (W/m2),
211.36
229.05
219.74
0.01799
0.00786
0.01092
열전도율 [W/mK]
54
204
110.44
Note : Heat Flux Sensor 값에서 Heat Flux 산출 관계식
관련 계산식
구 분
내 용
표준 시험편
(SUS)
Heat Flux()
값 구하기
표준 시험편
(SUS)
값 구하기
,
시험편
열 저항
값 구하기
,
,
표준 시험편
(SUS)
표준 시험편
(AL)
- 다른 시험편에서도 같은 계산식 사용
보정계수 , 접촉열저항 값 구하기
구 분
내 용
과 정
,
열 전도율을 알고 있는 두 개 시험편의 데이터를 대입해 연립
(1)
(2)
,
세 번째 시험편의 열전도율 구하기
구 분
내 용
과 정
위 과정에서 구한 값을 아래 식에 대입해 미지의 열 전도율 를 구할 수 있음
엑셀을 활용한 전 계산식 계산
5. 결 과
1) 열전도율을 알고 있는 2개의 표준 시험편을 이용하여 실험과정 1)에서 6) 과정을
통하여 실험데이터 기록표를 완성한다.
- 4번 실험 데이터 참조
2) 이 실험데이터를 이용해 보정계수 F, 를 구하라.
- 4번 실험 데이터 참조
3) 열전도율을 모른다고 가정한 3번째 시험편의 열전도율을 구하라.
- 4번 실험 데이터 참조
4) 위에서 구한 열전도율을 사용하여 시험편의 성분을 추정하라.
시험편3 :
-시험편3의 환산 결과 황동의 열전도율과 비슷 하다는 것을 알수 있다.
5) 실험 과정에서 발생할 수 있는 오차에 대하여 설명하라.
- 시험편의 접촉면과 열을 전달하는 면과의 정확한 접촉이 안됐을 것이다 이로
인해 오차가 생겼을 것 이다.
- 시험편의 흠집이 많아 오차 발생
- 45도가 됐을때 빨리 측정을 했어야했는데 스 타이밍을 놓쳐 정확한 측정값 얻
기 힘들었다.
- 열관성으로 인해 오차 늘어남
6. 고 찰
4번 실험데이터 값을 구하는 과정에서 열전도율을 어떻게 적어야 할지 몰라서 어려웠다.
보정계수 F, Rc를 구하는 과정에서 이 식을 사용할수 있는데,
여기서 미지수가 F, Rc가 존재하여 해를 어떻게 구해야 할지 몰라 고민을 엄청 많이 했다.
이번 실험을 통해서 열관성, 구리와 알루미늄이 스테인레스보다 열전도도가 좋다는것을 알았다.
또한 이 이론으로 인해 구리와 알루미늄이 열전도도가 좋음으로 인해 용접이 잘 안된다는 것과, 스테인레스는 용접이 잘된다는 것도 알수 있었다.

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