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열공학실험 비등실험 보고서

2018년도 1학기, 기계공학과 열공학실험, [ p. 2 ][목차 : 비등열전달 실험]1.서론1.1 실험개요1.2 관련이론1.2.1 비등열전달1.2.2 비등곡선1.2.3 번아웃 현상2. 실험장치 및 방법2.1 실험장치2.2 실험방법3. 실험결과 및 고찰3.1 비등열전달 실험4. 결론5. 참고문헌1.서론1.1 실험개요본 실험은 비등열전달 실험 장치를 사용하여 비등 열전달로 인해 일어나는 고체-액체 접촉면에서의 현상, 열 전달률의 변화, 발열체의 온도 변화 등을 관찰하는 실험이다. 특정 구간의 시간과 온도를 측정하여 이론적 해석과 실제 비등 열전달로 인해 나타나는 현상을 비교하고 이해하는 것을 목적으로 한다.1.2 관련이론1.2.1 비등열전달비등열전달은 물질의 상변화 과정에서 일어나는 열전달을 의미한다. 기본적으로 비등이란 고체와 액체의 접촉면에서 고체의 표면온도가 주어진 압력에서의 액체 포화온도보다 높은 온도를 유지하고 있을 때 발생한다.1.2.2 비등곡선정지된 유체에서만 발생하는 풀비등에서의 메커니즘에는 크게 4가지로 구분할 수 있다. 각 영역별로 구분하여 비등곡선을 그리면 이 4가지의 영역을 볼 수 있다.그림 1 대기압에서 물의 비등곡선그림 1은 대기압에서 물의 비등곡선을 나타낸다. Texcess 는 초과온도, Ts는 고체와 액체가 닿아있는 표면의 온도, Tsat는 액체의 포화온도, qboiling 은 열유속이다.자연대류비등은 아직 기포가 형성되지 않은 상태이며, 고체 표면과 액체의 온도 차이가 크지 않다. 상변화가 일어나기 시작하는 영역이며, 액체와 고체가 대류만으로 열전달이 일어난다. 핵비등은 상변화를 가시적으로 관찰할 수 있는 영역이다. 액체에서 기체로 상변화가 일어나는데, 매우 작은 기포가 생성되기 시작한다. 초과온도가 높아질수록 기포의 수가 증가한다. 천이비등은 가시화 되지 않고, 초과온도가 높아지지만 열유속은 감소하는 영역이다. 이는 계속해서 생성되는 기포들이 고체 표면을 서서히 감싸고, 이로 인해 단열효과가 발생하기 때문이다.막비등은 초과온도가 매우 높고, 기포의 수가 무수히 많아서 고체표면에서 기포가 막처럼 고체의 표면을 감싸는 현상을 말한다. 막비등 이후 초과온도가 상승하면 액체의 복사열전달로 인해 열유속이 증가한다.1)2. 실험장치 및 방법2.1 실험장치(a) 장치사진(b) 측정부의 구조그림 2 실험장치 TCEC그림 2는 비등열전달 실험을 위한 장치 TCEC이다. 내부 냉매는 SES-36으로 대기압에서 포화온도는 35.6℃이다. 내부에 냉각코일과, 원기둥형 가열체가 있다. 그림 2의 (b)에서 ST-계열은 온도를 측정하며, SC는 냉각수 유량, SP, SW는 증기압과 공급열량을 측정한다. 실험에서는 온도를 중점적으로 분석하여 비등곡선을 그린다.2.2 실험방법장치와 컴퓨터의 전원을 켠다. TCEC 프로그램을 클릭하여 저장데이터의 폴더와 이름을 지정한다. 프로그램의 Viewer program 작동시키고, SAVE DATA로 1초단위로 기록한다. 냉각수 조절 밸브를 열고, 순환을 시작시킨다. SW-1 열량을 공급한다. 2분 간격으로 30%에서 10%씩 증가시키며 80% 까지 증가시킨다. 이후에는 1분에 1% 씩 증가시키며, 막비등에 도달하면 장치를 정지시키고 데이터를 저장한다.3. 실험결과 및 고찰3.1 비등열전달 실험표 1은 시간에 따른 고체의 표면온도(ST-1), 냉매온도(ST-2)와 두 온도의 차(T _{excess})를 정리한 것이다.표 1 실험 결과표시간(min)가열량(%)SW-1(W)ST-1(°C)ST-2(°C)TRIANGLE T _{excess}(°C)2:003021.541.81528.59513.224:004070.049.4728.59520.8756:0050160.054.03534.95819.0778:0060272.557.5536.1821.3710:0070375.060.737.27323.42712:0080465.064.99738.226.79713:0081478.073.42738.53234.52514:0082482.073.538.94734.55315:0083496.575.56139.57135.9916:0084496.576.03239.71836.31417:0085502.077.1940.02637.16418:0086504.078.11840.3237.798그림 3 온도 및 온도차그림 4 가열량그림 3과 4는 각각 시간에 따른 온도 및 온도차와 가열량을 그래프로 나타낸 것이다. 그림 3을 통해 241sec에서 핵비등이 발생한 것을 알 수 있다. 과정 중 핵비등 영역에서 기포의 수가 증가하다가 일정 시간이 지나면 유체가 상하방향으로 요동치기 시작하는데, 이 요동의 정도가 심해지다가 1096sec, 공급열량 503W에서 막비등 발생을 관찰할 수 있었다. 막비등 발생 이후, 기포로 인한 단열효과에 의해 고체와 유체의 온도차가 매우 커짐을 그림 3을 통해 알 수 있다. 막비등 발생 직후는 온도의 변화가 크지 않지만, 이후 막비등의 단열층이 두꺼워지면서 고체부가 1123sec에서 1142sec 사이에 37℃가 증가하였다. 장치가 정지된 후에 고체의 표면온도는 급격하게 감소하지만 유체의 온도는 천천히 감소함을 알 수 있다.

공학/기술| 2020.08.02| 5페이지| 2,500원| 조회(111)

열역학, 비등실험, 비등실험 보고서

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