열전달 실험

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열전달 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적

2. 실험 이론 및 개요

3. 실험 장치

4. 실험 방법

5. 실험 결과 분석

6. 결론 및 고찰

본문내용

7][그림 8]
그림 7. 데이터 획득용 DAQ card & SCB-68
그림 8. 열전대(Thermocouple)와 터빈유량계(Turbine Flow Meter)
4. 실험 방법
(1) 실험 전 히터의 전원을 켜고 온도 조절기의 온도를 200℃로 설정한다.
(2) 히터의 온도가 200℃가 되면 질소 공급 압력조절기를 4bar로 설정한다.
(3) PC, DAQ 장치 및 control box 에 전원을 공급한다.
(4) 질소 공급 배관의 압력을 확인하고 ball 벨브를 open한다.
(5) 온도 지시계를 통해 정상상태에 도달함을 확인한 뒤 30초간 데이터를 획득한다.
(6) 질소 공급 압력을 각각 4,6,7,12bar로 높여서 (3)∼(5)의 과정을 3회 반복한다.
(7) 히터의 전원을 차단한다.
(8) PC, DAQ 장치 및 control box에 전원을 차단한다.
(9) 측정 데이터를 확인, 분석한다.
5. 실험 결과 분석
(1) Pressure transducer calibration
표 1. Pressure transducer calibration data
Voltage(V)
Pressure()
1.08
1.03
1.85
10,58
2.25
15,71
3.27
28.14
3.77
34.48
4.15
39.41
4.89
48.59
주어진 데이터를 가지고 line fitting한 직선의 방정식을 구한 뒤 그래프를 그려 Voltage값을 값으로 변환하는 상관관계를 찾아낸다.
P≒-12.47354+12.47671V
(2) Pressure graph
CALI.DAT 파일로 히터 상류의 압력과 히터 하류의 압력을 시간 변화 그래프로 각각 작성한다.
(Low Pressure는 대기압으로 설정하고 실험을 진행하였다.)
(3) Temperature graph
CALI.DAT 파일로 히터 상류의 유체 온도, 히터 하류의 유체 온도를 각각 시간 변화 그래프로 작성하고 히터 온도 변화 그래프를 작성한다.
1등조
2등조
3등조
4등조
(4) Mass flow rate graph
CALI.DAT 파일로 실시간 질소 공급 유량 그래프를 작성하고 평균 유량을 도출한다.
(5) Reynolds number vs Nusselt number graph
4가지 유량 변화에 따른 레이놀즈 수와 누셀트 수의 변화 그래프를 작성하고 curve fitting한다.
Reynolds number
Reynolds number =
Nusselt number
: 히터의 표면온도 - (설정은 200℃로 했으나 실제는 195℃로 계산)
: 표면으로부터 떨어진 온도 - (입-출구 평균온도로 계산)
Nusselt number =
(6) Reynolds number vs Heat rate graph
4가지 유량 변화에 따른 레이놀즈 수와 열전달률의 변화 그래프를 작성하고 curve fitting한다.
Reynolds number
Reynolds number =
Heat rate
(7) Convective haet transfer coefficient
4가지 유량 조건에서의 대류열전달계수를 구한다.
Convective haet transfer coefficient
Convective haet transfer
coefficient()
1등조
0.04205
2등조
0.0802
3등조
0.13634
4등조
0.16033
*계산 과정 (엑셀사용)
Reynolds number
Nusselt number
Heat rate
Convective haet transfer coefficient
(계산 시 사용한 데이터의 평균값들은 모두 1초부터 121초까지의 평균값으로 계산)
6. 결론 및 고찰
이 실험은 열역학적 물성치를 계측기기들을 이용하여 측정하고, 이를 통해 수집된 데이터를 분석하면서 여러 변수들 사이의 관계를 파악하기위해 수행되었다.
우선 실험을 통하여 얻은 (2)∼(4)번의 그래프를 보면, 우선 시간이 경과함에 따라 질소공급압력이 거의 일정하게 유지되는 모습을 볼 수 있다. 또한 입구온도는 시간에 따른 변화가 없지만 출구온도는 열전달에 의해 온도가 점차 상승하는 모습을 보여주었다. 하지만 실험시간이 120초로 열평형 상태에 도달하기에는 짧은 시간이어서 평형에 도달하여 수평인 모습은 나타나지 않고 121초대에 그래프가 열평형상태에 도달하면서 바로 끊어진 모습을 하고 있었다. 그리고 질량유량은 밸브가 열리는 순간 갑자기 공급된 압력으로 인해 갑자기 높아졌다가 유동이 정상상태에 도달한 모습을 볼 수 있었다.
그리고 (5)∼(7)의 데이터는 결과적으로 레이놀즈 수, 누셀트 수, 열전달률 대류열전달계수 모두가 증가했다는 것을 알았다. 이런 결과는 압력이 증가함에 따라 난류성이 짙어지면서 레이놀즈수가 증가하게 된 것으로 보인다. 누셀트 수 또한 그 값이 커지면서 히터의 표면에서 질소유체에 전달한 열에 대한 초기 질소유체의 분자운동의 영향력이 작아짐을 파악할 수 있었다.
그리고 실험에서 오차가 발생할 수 있는 요인으로는 우선 열전달 계수를 구할 때
표면으로부터 떨어진 온도 를 입-출구 평균온도로 계산했다는 점, 미소하지만 보간법의 사용, 그리고 실험 반복횟수가 적었다는 점에서 미소하지만 오차가 발생할 수 있었다. 또한 이 실험에서는 질소 공급 압력을 달리해가면서 실험을 반복하였는데, 공급압력을 일정하게 유지했다고는 하지만 실제로 측정된 압력이 그와 상이하였다.
(실제측정압력의 단위는 환산을 하였습니다.)
1조 공급압력 4 bar 실제 압력(평균) 1.4739198817 bar
오차 =63.15%
2조 공급압력 6 bar 실제 압력(평균) 3.37775349275 bar
오차 =43.70%
3조 공급압력 7 bar 실제 압력(평균) 5.87131000155 bar
오차 =16.12%
4조 공급압력 12 bar 실제 압력(평균) 7.82752093025 bar
오차 =34.77%
위의 값에서 공급된 질소의 압력에 비해 측정된 압력이 꽤 다름을 볼 수 있는데 그 원인으로는 유동의 급격한 변화, 즉 히터의 질소가 흐르는 유관이 반복적으로 급하게 꺾임 그리고 유관으로부터 오는 마찰로 발생한 난류 때문인 것으로 판단이 된다.

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