소개글
"화공시스템 고체 열전도도 실험 결과보고서"에 대한 내용입니다.
목차
1. 실험 장치 및 방법
1.1. 실험 장치 및 재료
1.2. 실험 방법
2. 실험결과
2.1. 시험편 SS 사용
2.2. 시험편 Al 사용
3. 실험결과의 정리
3.1. 온도구배 계산
3.2. 열전도도 계산
4. MATLAB을 이용한 프로그래밍
5. 실험결과 분석
5.1. 시험편의 두께와 음의 열전도도에 관한 고찰
5.2. 오차율 계산
5.3. 오차율 보정
6. 결론
7. 참고 문헌
본문내용
1. 실험 장치 및 방법
1.1. 실험 장치 및 재료
실험 장치 및 재료는 다음과 같다. 열전도율 측정 실험장치, 시험편, 버니어 캘리퍼스를 사용하였다. 실험 준비물로는 SAMJIN UNICHEM 社의 STC-300C 모델의 열전도율 측정 실험장치를 사용하였다. 시험편으로는 SS(스테인리스 스틸)과 Al(알루미늄)을 사용하였으며, 이들의 두께는 각각 2mm와 4mm이다. 또한 실험을 위해 버니어 캘리퍼스를 이용하여 시험편의 크기를 정확히 측정하였다."
1.2. 실험 방법
실험 방법은 다음과 같다.""
1. 시험편을 장치의 a (2mm 두께), b (4mm 두께)에 각각 설치하고 유량계를 통하여 냉각수를 일정량 하부로 흘려보낸다.
2. 전원을 넣은 후 온도조절계로 일정 온도로 올려주고 냉각수량을 조절하여 정상상태가 되도록 한다.
3. Panel의 온도지시계의 온도를 순서대로 읽고 정상상태의 값을 시험결과로 기록한다.
4. 재질이 다른 시험편으로 바꾼 후 위의 과정을 되풀이하여 실험한다.""
2. 실험결과
2.1. 시험편 SS 사용
시험편 SS 사용에 대한 내용은 다음과 같다.
SS 시험편을 사용하여 실험을 진행한 결과, 온도구배와 열전도도가 측정되었다. 180°C 조건에서 시험편 SS 2mm의 ΔTΔT_a와 ΔTΔT_b는 각각 60°C와 57°C로 나타났으며, 시험편 SS 4mm의 경우에는 ΔTΔT_a와 ΔTΔT_b가 각각 61°C와 63°C로 측정되었다. 이를 통해 계산된 시험편 SS의 열전도도는 180°C에서 -26.03 W/m·°C, 190°C에서 39.05 W/m·°C, 200°C에서 20.57 W/m·°C로 나타났다. 평균 열전도도는 62.24 W/m·°C이었다.
이처럼 시험편 SS의 열전도도 계산 결과에서 음의 값이 나타나는데, 이는 열역학 제2법칙을 위반하는 것으로 물리적으로 불가능한 값이다. 이러한 음의 열전도도가 도출된 원인은 실험 과정에서의 오차에서 비롯된 것으로 볼 수 있다. 구체적으로는 기준관과 시험편 간 완전한 밀착이 이루어지지 않아 발생한 접촉 저항, 정상상태에 도달하지 못하고 비정상상태의 온도 데이터를 사용한 점, 시험편과 기준관의 직경이 완전히 일치하지 않아 발생한 열손실 등이 주된 원인으로 추정된다.
2.2. 시험편 Al 사용
시험편 Al을 사용한 실험결과는 다음과 같다. 시험편 Al의 열전도도는 SS보다 높기 때문에 ΔTAT과 ΔTBT의 값이 SS에 비해 작게 나타났다. 180℃ 조건에서 ΔTAT은 35℃, ΔTBT는 51℃로 측정되었다. 190℃ 조건에서 ΔTAT은 38℃, ΔTBT는 53℃였으며, 200℃ 조건에서 ΔTAT은 40℃, ΔTBT는 57℃로 측정되었다. 이를 통해 계산된 평균 ΔTAR는 5.39℃로 나타났다.
Al 시험편의 열전도도를 계산한 결과, 180℃ 조건에서 kA'는 3.81 W/m·℃, kB'는 5.23 W/m·℃로 최종 열전도도 k는 8.34 W/m·℃였다. 190℃ 조건에서는 kA'가 3.62 W/m·℃, kB'가 5.19 W/m·℃로 최종 열전도도 k가 9.16 W/m·℃였다. 200℃ 조건에서는 kA'가 3.66 W/m·℃, kB'가 5.13 W/m·℃로 최종 열전도도 k가 8.57 W/m·℃로 계산되었다. 이를 평균하면 최종 열전도도 k는 8.69 W/m·℃로 나타났다.
이를 통해 알 수 있듯이 Al 시험편의 열전도도가 SS 시험편보다 월등히 높음을 확인할 수 있다. 이는 Al의 순수 열전도도가 Cu 대비 약 63% 수준이기 때문이다. 따라서 Al은 열전달이 우수한 금속 재료로 활용되고 있다.
3. 실험결과의 정리
3.1. 온도구배 계산
시험편 SS의 경우, 실험 조건별로 온도구배를 계산하였다. 180℃ 조건에서는 ΔTΔT_{1,2}=162-158=4℃, ΔTΔ...
참고 자료
화공생물공학과 공동집필, “화공생물공학실험 (2019년 1학기)”, 동국대학교, 2019, pp.30-36.
이화영 외 2인, “단위조작”, McGraw-Hill, 7th edition, pp.251-272.
https://copperalliance.org.uk/about-copper/conductivity-materials/
Yunus A. Cengel · Afshin J.Ghajar, “Heat and mass transfer”, McGrawHill, 2010, pp.2-46.
http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=starletzzang&logNo=120169128681
Warren L. McCabe,Julian C. Smith and Peter Harriott, “Unit Operation of Chemical
Engineering“, 6th edition, McGraw-Hill, 2001, pp.45-61.
