열공학 실험 [대류열전달 측정실험]

목차

1.실험목적

2.이론 및 해석

3.실험결과 및 분석

4.결론

본문내용

축대칭적인 형태를 보이게 된다. 층류는 포물선 형태의 열경계층을 형성하는 반면, 난류는 난동성분에 의한 활발한 유동 혼합으로 관의 내벽에 가까운 점성의 영향을 많이 받는 부분(점성저층, laminar sublayer)을 제외하고는 비교적 균일한 온도 분포를 가지게 된다. 열경계층은 유동경계층에 지배적인 영향을 받아 유사한 형태를 가지며 무차원수인 프란틀수(Pr, Prandtl number)가 1인 경우 일치하게 된다.
대류열전달에서 공학적으로 가장 중요한 두 가지는 열전달율과 마찰손실이다. 대류열전달을 이용하는 대부분의 장치에서 열전달율이 얼마나 높으냐가 관심의 대상이며, 이는 대류열전달계수(hc)의 크기로 좌우된다. 높은 열전달율, 즉 큰 열전달계수를 얻기 위해서 여러 가지 조작이 가해지며 이런 경우 보통 유동의 마찰손실을 동반한다. 즉, 더 많은 펌프동력을 사용해야 열교환기 등 대류열전달을 이용한 시스템이 작동하게 되는 것이다. 이것은 바로 비용의 상승으로 연결되므로, 공학자들은 유동의 마찰손실과 열전달계수 향상에 적정한 설계점을 찾아야 하며, 더 좋은 성능의 열전달 시스템 개발을 위해서는 적은 마찰손실로 열전달계수를 크게 향상시킬 수 있는 방법을 모색해야 한다.
대류열전달을 이용한 실제 시스템에서는 대부분 위에서 설명한 관내유동이나 평판이나 실린더 주변에서의 유동의 복합적인 형태의 적용이 요구된다. 아래 쉘-튜브형 열교환기의 예에 있어서, 많은 파이프를 지나는 내부 유동 대류열전달과 실린더 다발을 지나는 외부 유동 대류열전달이 적용된다. 이와 같이 기본적인 형상에서의 대류열전달 및 마찰손실에 대한 지식은 실제 열전달 시스템 해석과 새로운 시스템의 개발에 유용하게 사용된다.
◆ 자연 대류
가열된 수직 평면의 표면적 A에서의 자연대류에 의한 열 전달량은
(1)
A : 수직판 면적(), x,y(0.1m×0.11m=0.011)
: 히터온도 (K), : 대기온도 (K)
이 식을 Netwon의 냉각법칙(Netwon's law of cooling) 이라고 한다. 길이 x=L인 수직 평판 위에서 층류/난류흐름 전 영역에서 경험식에 위한 평균 Nu수는
(2)
: Nusselt 수,
Pr : Prandlt 수,
Ra : Rayleigh 수, Pr
:, Grashof 수
: 공기 체적팽창계수 (1/K, 이상기체 : 1/T)
: 중력가속도(m/), : 공기 밀도(kg/)
: 공기 점성계수(kg/m,sec), k : 공기 열전도도 (w/m,k)
: 공기 비열,(J/kg,k)
공기의 상태치 값들을 구하기 위해 공기의 평균온도 를 이용한다. 평균 열전달 계수는
(3)
◆ 강제 대류
Newton의 냉각 법칙에서
(1)
여기서 및 는 x=0에서 각각 평면온도 및 공기온도이다. 길이 x=L인 수직평판 위에서 난류흐름 또는 층류/난류 혼합흐름인 경우 경험식에 위한 평균 Nu 수는
(2)
여기서
: Nusselt 수,
Pr : Prandlt 수,
: Reynolds 수,
는 덕트 안에서 공기의 평균속도 이다. 공기의 상태치 값들을 구하기 위해 공기의 평균온도 를 이용한다. 평균 열전달 계수는
(3)
=
3. 실험결과 및 분석

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◆ 실험 보고서
실험명
수직 평면에서 자연대류
검인
실험자
기계공학과
학번
성명
공동실험자
송현진,전계명,전현구,송홍섭
실험일자
2007.10.16
일기
온도
22
습도
No.
Q (w)
t (℃)
t (℃)
t-t
(℃)
eq. (1)
h (w/mK)
Gr
eq. (3)
h (w/mK)
1
0
22.7
22.7
0
0
-
0
2
5
22.7
34.2
11.5
39.52
1.16×10
4.26
3
10
22.7
45.8
23.1
39.35
3.1×10
5.21
4
15
22.4
56.2
33.8
40.34
4.2×10
5.68
5
20
22.3
64.8
42.5
42.78
5.0×10
6.04
6
25
22.3
74.8
52.5
43.29
5.7×10
6.35
◆그래프
◆ 강제 대류

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◆ 실험보고서
실험명
수직 평면에서의 강제대류
검인
실험자
기계공학과
학번
성명
공동실험자
송현진,전계명,전현구,송홍섭
실험일자
2007.10.15
일기
온도
22
습도
No.
U
(m/s)
t
(℃)
Q
(w)
t
(℃)
t-t
(℃)
eq. (1)
h
h(w/mk)
Pr
ReL
NuL
eq. (3)
h
h(w/mk)
1
0
21.9
20
75.6
53.7
33.85
0.7
-
-
-
2
0.5
21.9
20
73.1
51.2
35.51
0.7
3298.6
21.4
5.77
3
1.0
21.6
20
69
47.4
38.35
0.7
6597.2
37.3
10.06
4
1.5
21.4
20
64.2
42.8
42.48
0.7
9895.8
51.6
13.92
5
2.0
21.3
20
62.2
40.9
44.45
0.7
13194.5
64.9
17.51
6
2.5
21.0
20
59.6
38.6
47.10
0.7
16493.2
77.6
20.94
◆ 그래프
4. 결론
속도가 빠를수록 더 많은 열전달이 일어나는 것을 알 수 있다. 실험에서도 마찬가지 결과가 나오는데 속도가 빨라지면 온도가 떨어졌다. 즉 속도가 빠를수록 열전달은 잘 이루어진다는 것이 되겠다. 속도가 대류현상에 미치는 영향을 통해 효율적인 열전달을 위해선 빠른 속도가 필요함을 알게 되었다.
관 내부로의 열전달로 인한 공기의 동점성계수, 열전도계수, 레이놀즈 상수, 포란틀 상수 및 Nu측정 및 열전달계수 측정 하고 구하면서 자연대류 및 강제대류의 현상을 이해할 수 있었으며 또한 대류열전달의 개념도 이해할 수 있었다.

키워드

자연대류,   강제대류,   대류,   대류열전달,   열공학 실험,   대류열전달 측정실험