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열 전 도 실험

실험 시간09:00~13:00실 험 자학 번2600912성 명정 균 휘실 험 명열 전 도실험 내용1. 실험 목적열손실의 계산, 보온, 보냉 재료의 선택 등의 기초 자료로서 고체의 열전도도를 정상상태의 열 이동으로부터 구하고 전도에 의한 열전달을 이해한다. 열전도 현상을 이해하며, Fourier법칙을 알고 이를 응용할 수 있는 능력을 키운다.2.1 열전도도의 이론⑴ 열전달열전달은 온도차이로 인해 발생하는 에너지의 전달로서 전도, 대류, 복사 세 가지의 형태로 구분할 수 있다. 열이 전달되는 양은 3가지 전달방법 모두의 경우에 전달 현상이 일어나고 있는 면적에 비례하여 증감하게 된다. 따라서 전달 중에 있는 열량(즉 단위시간당 전달된 열량의 크기)은 그 자체의 값도 중요하나 단위 면적당 전달되는 열량이 더 큰 의미를 가질 수 있다. 이렇게 전달되는 단위시간당, 단위면적당 열 전달량(q)을 열 유속(heat flux, q")이라 정의한다. 이 열 유속은 열전달이 일어나는 물체간의 경계면 면적에 대하여 정의하게 되며 물체의 크기와 상관없이 전달현상이 얼마나 활발하게 일어나는가는 표시하는 물리량이다.전도 열전달은 고체 또는 정지상태의 유체 내에서 이루어진다. 기체 내에서의 전도는 기체 분자의 불규칙한 운동(random motion of molecules)에 의해, 액체 내에서의 전도는 기체보다 더 조밀하고 강한 상호영향을 가진 분자의 운동에 의해 이루어진다. 고체 내에서는 격자 진동(lattice waves)의 형태인 원자의 운동(atomic activity)에 의해 이루어진다.대류열전달은 고체 표면과 움직이는 유체 사이에서 분자의 불규칙한 운동과 거시적인 유체의 유동(bulk motion of the fluid), 두 가지의 메커니즘에 의해 이루어진다. 대류열전달은 유체의 유동이 외부로부터 작용하는 힘에 의해 이루어 지는가 또는 온도차로 인한 부력에 의해 발생하는 가에 따라 강제 대류(forced convection)와 자연대류(natural convection)로 가 잃은 열량은 저온의 물체가 얻은 열량과 같다. 또 금속은 자유 전자가 많고 이들이 열전도를 도우므로 열전도율이 크고 전기적 양도체는 열적 양도체이다. 기체는 액체나 고체에 비해 열전도율이 작다.전도에 의해 전달되는 열량은 그 물질의 단면적에 비례하여 늘어나고 거리에 따라 역비례하며 온도차에 비례한다. 이 관계식을 정리하여 표시하면,< 정상상태 열전도실험 >또는이 되며 이 식을 흔히 Fourier의 열전도 관계식이라 부른다. 전도는 전류가 저항이 있는 도선을 거치면서 흐르는 것과 상사관계가 있다. 이 비례 관계식의 비례상수 k는 물질의 고유특성으로서 열전도도(thermal conductivity)라고 부르며 온도범위가 크지 않은 경우에는 일정한 값으로 볼 수 있다. 물질의 열전도도를 비교하면 아래 표와 같다.기 체액 체고 체수증기헬륨공기이산화탄소0.250.150.260.25엔진오일글리세린물수은0.140.280.598.69유리섬유나무유리스테인레스강철알루미늄구리은다이아몬드0.0380.10.878*************2000< 각종 물질의 열전도도 (상온기준, 단위 W/mK) >< 온도 T1과 T2에 두께가 ΔL인 평면벽 >그러면 Fourier의 법칙을 그 아래 그림과 같은 평면 벽에 적용하여 보자. 일차원 형상에 정상상태라고 가정하고, 열전도도 k인 물질이 ΔL의 간격을 두고 T1과 T2의 온도를 유지하고 있다면, 이때의 열전달 량은이 된다.그림과 같은 3개의 다른 재질로 된 벽을 고려할 때 열의 전달 량은 모든 단면 위치에서 같으므로따라서 Heat flow (q) = total temperature difference / thermal resistance 로 표현할 때 열저항(thermal resistance)은 윗 식 우변의 분모를 뜻한다.< 재질 a, b, c로 이루어진 평면 벽에서의 열전달 >2) 대류 : 액체나 기체 상태에 있는 분자들은 열을 받으면 운동이 활발해져서 부피가 팽창하고 밀도도 작아지게 된다. 그러면 상대적으로 가벼워지므로 위로 올라가고 것과 같이 열 흐름은 x 의 음의 방향으로 이루어진다. 그러므로 식(1-1)에 사용된 표시법의 의미는가 양의 값일 때 열 흐름은 x 의 양의 방향으로 이루어지고, 또한 그 역도 성립되고 있음을 내포하고 있다.⑴ 복합 평면에서의 열전도⑵ 실험에서의 이론적 계산 방법① 열 전달량 Q는 동(copper)과 시편이 모두 같으므로이 성립된다.② 동(copper)의 열전도도은 주어지므로 Q를 구하기 위해서을 구한다.- 동과 시편과의 접촉면에서는 접촉저항에 의한 외곡이 발생할 수 있으므로 그 범위를 [1~4] 까지로 한다.-에서 q값을 구하면 위 공식에 따라 시편의 열전도도 K값을 구할 수 있 다.⑶ 두 시편의 열전도도-와를 구한다.(기울기)에서을 구할 수 있고,[ L(4,a1) : 4~a1까지의 길이 ]에서을 구할 수 있다.[ L(a2,5) : a2~5까지의 길이 ]이며,또한 같은 방법으로 구할 수 있다.⑷ 두 시편은 같은 재료이고 두께만 틀리므로 그 평균 K값을 구한다.- 평균 K값으로 시편의 재료가 무엇인지를 알 수 있을 것이다.2.3 열전대(Thermocouple)를 이용한 온도의 측정⑴ 열전대열전대는 재질이 다른 두 금속을 연결하고 두 접점의 온도를 다르게 하면 도선에 전류가 발생하는 원리를 이용한 것이다. 열전대는 온도 측정 실험에 가장 많이 쓰이는 방법으로서 비교적 염가이고 정확도가 매우 높다.열전(thermoelectric)효과가 있는 두 가지의 다른 재료의 선을 연결하면 열전대를 구성할 수 있다. 에 나열되어 있는 재료들은 열전극성의 순서로 되어있다. 이 표의 윗 부분에 나타난 재질은 아랫부분의 어떤 재질에 대해서도 양(+)의 극성을 나타낸다. 따라서 Copper- Constantan 열전대의 경우 차가운 쪽의 Copper도선은 Constantan(Cu 55%, Ni 44%, Mn-Ni 1%의 합금)의 차가운 쪽 도선보다 양의 극성을 나타낸다. 일반적으로 열전대 명칭은 양극재의 소재를 붙여, 예컨대 『Chromel-Alumel 열전대』처럼 붙이거나 관용상 할 수 있다. 기준점은 빙점이나, 삼중점 또는 전기적으로 제어할 수 있는 온도를 쓸 수 있다. 아래 그림에 간략하게 나타나 있다. 여기에서 과 같이 구리도선은 회로의 기전력 측정에 아무 영향도 미치지 않음을 알 수 있다. 간단한 열전대 회로 구성과 기전력 기준접점을 이용한 열전대 회로 구성과 기전력⑶ 열전대 측정의 오류 발생 요인열전대는 DC 신호를 주기 때문에 측정기에 감지되는 AC 신호는 소음으로 처리하여 없애주고 접지를 주의 깊게 유지시켜 주어야 한다.그리고 열전대 자체의 문제로 유전기전력(galvanic emf)과 변형에 의한 기전력(strain- induced emf)을 들 수 있다. 열전대는 극성이 다른 전압원의 쌍이 존재하기 때문에 전해물질이 있는 경우에는 유전 기전력이 발생할 수 있다. Iron-constantan의 경우에는 이 효과가 가장 크게 나타나서 전해질 속에 담가두었을 때 약 250 mV를 발생시킨다. K형, 또는 T형 열전대는 이 효과가 크지 않은 것으로 알려져 있다.이 같은 상황은 길다란 열전대 도선의 중간에 부분단락(partial shunt)이 있는 경우에도 나타난다. 도선의 절연 재질이 일부 파손되어 저항을 갖고 연결되어 있는 형태로 이해할 수 있다. 이 때 측정되는 기전력은 다음의 가상회로를 해석하여 평가할 수 있다.K형 열전대는 변형에 매우 민감하여 늘어나거나 하는 등의 냉각 변형이 일어나면 보정을 새로 해 주어야 한다. 열전대가 연결된 도선이 진동하는 경우에도 온도 측정이 교란을 받을 수 있다. T형은 이 같은 문제가 비교적 적다.2.4 접촉 저항복합계에서는 재료 사이의 접촉면을 가로지르는 온도 강하가 있을 수 있다는 것을 알아야 한다. 이 온도의 변화의 원인은 접촉 열저항이라고 하는 것이다. 즉 두 물체가 접촉하고 있을 때에 그 접촉면을 통하여 열전도가 일어나면서 그 접촉면 부분에서는 일정한 열저항이 발생하게 된다. 실제로 두 물체를 접촉시킨다는 것은 이상적으로 두 물체를 아무런 공간 없이 완벽하게 붙일 수 없기 때문이다. 물을 공급하여 채운다.⑵ Chill Bath drain 호스를 배수구에 연결한다.⑶ 실험하고자하는 시험편(2개)을 각각 a,b에 설치하고 기존의 구리와 잘 밀착되어 있는지 확인한다.- 열전도도가 주어진 황동과 시험편을 연결한다. 이때 시험편은 두께가 다른 2개 를 설치- 구리와 시험편과의 접촉면은 미세한 틈, 마찰, 압력 등으로 접촉 저항이 생길것이다.⑷ 유량계를 통해 냉각수를 흘려보낸다.- 유량계를 통하여 냉각수가 일정하게 흐르도록 한다.- 냉각수는 아래에서 위로 흐르도록 되어있다. 이는 냉각 없이 열을 계속 공급할 경우 전도의 끝부분에 열이 축적되어 온도가 올라가기 때문에 열의 공급과 방출 을 일정하게 유지하기 위함이다.※ 냉각수의 역할 : 처음과 끝의 온도차를 유지시키기 위해서(기울기를 같게) 밑에서 부터 냉각된다.⑸ 전원을(110V) 넣는다. 그 후 히터 조절계를 올려 온도와 냉각 수량을 조절한다.- 전원은 실험실내의 전압이 일정하지 않고 교류를 쓰기 때문에 변압기를 사용하 여 110 V를 사용한다.- 공급할 온도는 온도 조절계(또는 Heater Control)로 설정한다.⑹ 실험하고자 하는 온도를 설정한다.- 실험은 [150, 200 ()]을 한 번씩 설정하여 실험한다.⑺ 온도 측정은 충분한 시간이 경과하여 정상상태에 도달한 후에 한다.(반드시 충분한 시간이 경과하여 정상상태에 도달한 후 측정하여야 한다.)⑻ 정상 상태가 되면 각 Thermo-Couple에 연결 되어있는 점의 온도를 측정하고 기 록한다. 전환시에는 전환스위치로 바꿀 수 있으며, 주의사항으로는 설정온도 setting후 각각의 thermo couple의 온도 수치가 일정할 때 데이터 값을 기록 해 야 한다는 것이다.⑼ 기록 되어진 온도의 Data를 이용하여 공식에 적용- 관찰한 온도는 표의 형식으로 기록하며 앞서 설명한 계산 방법으로 시험편의 열 전도도를 구하고 그에 맞는 재료를 찾는다.⑽ 미지의 시편의 종류 K값을 구해낸다.⑾ 그것을 이용하여 그 시편(2ea)의 종류를 추측해낸다.⑿ 시편)

공학/기술| 2010.04.25| 21페이지| 3,000원| 조회(373)

기계공학실험, 열전도, 열전도 실험, Fourier법칙

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열교환기 실험 평가C아쉬워요

실험 시간09:00~13:00실 험 자학 번2600912성 명정 균 휘실 험 명열 교 환 기실험 내용1. 실험 목적⑴ 이 실험의 목적은 대수평균 온도차(Log Mean Temperature Difference : LMTD)법 의 기본개념을 이해하고 이 방법을 적용하여 이중관 열교환기 특성실험을 수행 함으로써 이중관 열교환기 설계와 작동에 대한 기본 능력을 습득하는 것이다.⑵ 이중관 열교환기의 물과 물 사이의 열교환에 관하여 실험적으로 관찰하고, 열전달율 및 열 교환량을 측정한다. 냉수의 유량을 변화 시킬 때의 변화를 알아보고 대향류와 평행류 각각의 경우에서 어떻게 변화하는지 알아본다.2.1 열교환기의 이론⑴ 열교환기 : 열교환기는 온도가 다른 두 유체가 서로 섞이지 않으면서 열의 교환 을 촉진하는 장치이다. 열교환기는 가정용 냉?난방 관련 공조 시스템에서 큰 공장의 공정이나, 발전설비에 이르기까지 넓은 범위의 응용분야에서 실질적으로 많이 쓰이고 있다.⑵ 열교환기의 형식에 따른 분류1) 이중 열 교환장치 : 가장 간단한 열교환기로 지름이 서로 다른 두 동심원이 구성되며, 이중관 열교환기의 한 유체는 작은 관을 흐르고,다른 유체는 두 관사이의 환형공간을 흘러 열을 교환한다.① 평행류 : 고온 유체와 저온유체가 열교환기의 같은 쪽에서 들어가서 같은방향으로 흐른다.② 대향류 : 고온유체와 저온유체가 열교환기의 반대쪽으로 들어가서 서로 반대방향으로 흐른다.2) 밀집형 열교환기 : 단위부피당 열 교환 면적이 특별히 크도록 설계된 것으로 면적밀도>700이 되는 열교환기를 이른다. 이용부 분으로는 자동차 라디에이터, 유리세라믹 가스터빈, 인간 의 폐, stirling엔진, 등이 있다.- 직교류 : 두유체가 서로 수직으로 움직이며, 그런 흐름의 형태① 비혼합형 : 평판휜이 유체를 횡방향으로 흐르지 못하게 하고 휜과 휜사이의 공간을 흐르게 된다.② 혼합형 : 유체가 자유롭게 횡방향으로 움직인다.3) 평판형 열교환기 : 일반적으로 널리 사용되고 있는 혁신적인 열교환기 고온과저온유호하게 할 목적으로 사용③ Super-Heater : 유체를 재차 가열하여 과열상태로 하기 위함.④ Vaporizer : 액체를 가열하여 증발시켜서 발생한 증기를 사용하고자 할 때 사 용⑤ Reboiler : 장치중에서 응축된 액체를 재차 가열, 증발시킬 목적으로 사용⑥ Cooler : 유체를 냉각하여 필요한 온도까지 낮출 목적으로 사용⑦ Chiller : 빙점이하인 저온으로 냉각시킬 목적으로 사용⑧ Condenser : 응축성 기체를 냉각하여 액화시키는 목적에 사용. 특히 Steam 을응축시켜 물로 만드는 열교환기를 복수기라 한다.⑨ Heat Exchanger : 협의의 열교환기이며 유체간의 열교환을 시켜서 동시에 한쪽을 가열, 다른 쪽을 냉각시키는 목적에 사용하는 열교환기를 말함.⑸ 구조상의 분류1) Shell & Tube Type 열교환기① Floating Type Heat ExchangerTube Bundle 의 Rear End Head Type 에 따라 분류되는 것으로서 대형 중 저압유체를 Service 하기에 적합한 열교환기로서 비교적 유지보수가 용이하다. Stationary Head, Shell, Rear End Head 의 조합에 따라 다양한 형식의 열교환기가 있다. Tube 의 열팽창을 Floating Head 가 늘어남으로서 흡수한다. 온도차가 큰 열교환에 주로 사용한다.< Floating Type Heat Exchanger >② Fixed Type Heat ExchangerTube Bundle 의 Floating Head 부위가 없이 Tube Sheet 가 Shell 에 완전히 고정 설치된 열교환기로 부식성이 적은 고압의 유체를 Service 하는데 적합하고, 청소와 같은 일반 정비작업은 용이하나 Shell Side 의 청소, Tube 의 부분교체 및 Retubing 이 매우 어렵다.< Fixed Type Heat Exchanger >③ U-Tube Type Heat ExchangerTube Bundle 의 Rear End 부위가 U-Benr 의 경우는 수리작업이 불가능하다.2.2 LMTD(대수평균온도차)와 효율-NTU법내부관안에 한 유체가 흐르고 두 관 사이의 환상공간(annular space)에 다른 유체가 흐르면서 열교환을 하는 2중관 열교환기의 해석 방법, 즉 열전달, 표면적 및 총합열전달계수를 구하는 방법에는 대수평균온도차(LMTD:Logarithmic Mean Temperature Difference) 와 효율-NTU법(Number of Transfer Units)을 이용하는 방법이다.전열면적, 유량 및 입구조건이 주어지는 경우에는 효율-NTU법을 이용하여 계산하고, 유입단, 유출단의 조건이 주어진 경우에는 LMTD방법을 이용하여 계산할 수 있다.※ 평행류 : 서로 같은 방향으로 흐르는 흐름대향류 : 서로 반대 방향으로 흐르는 흐름⑴ LMTD Method위 식에서은 열교환기에서 평균온도차를 표시하게 된다. 열교환기의 경우에 평균온도차는 대수평균온도차(Log mean temperature difference ,)로 표시하는 것이 제일 정확한 방법이다. 대수평균온도차는 언제나 산술평균온도차보다 작다. 따라서 열교환기에서 산술평균 온도차를 사용하면 언제나 실제 열전달보다 큰 값을 계산하게 된다. 동일한 입구온도와 출구온도에서 항류 열교환기의 대수평균온도차는 언제나 평행류보다 크다. 따라서 작은 열전달 면적으로 같은 결과를 얻을 수 있으므로 대부분의 열교환기는 대향류(counter flow)를 택한다.※ 평행류의 경우여기에서,※ 대향류의 경우여기에서,⑵ The Effectiveness-NTU Method열교환기의 방식과 용량이 정해졌고 열전달률이나 출구온도를 계산해야 하는 경우 에 LMTD법으로는 반복계산이 필요하다. 하지만 이 방법은 반복계산이 필요없다. 열용량이 다른 두 유체의 열교환에서 최대가능 열전달률은 열용량이 작은 유체가 도달할 수 있는 최대 가능 온도차에서 얻을 수 있다. 따라서 아래 식 같이 쓸 수 있고 모두 주어진 조건(given condition)이 된다.열교환기의 열교환율이중관 열교환기 내의 흐름 방향을 조절 할 수 있도록설계되어 있다.② 뜨거운 물은 계속 순환하며, 열교환기를 나온 물을 히터를 통해서 계속 가열한다.③ 차가운 물은 계속 새롭게 공급된다.④ 유량계를 통해 뜨거운 물과 차가운 물 모두 그 유량을 알 수 있다.4. 실험 방법⑴ 시험부 뒤의 탱크에 물을 충분히 채운다.⑵ 콘트롤 밸브를 평행류 형태로 세팅한다.⑶ 펌프를 작동시키고 유량조절 밸브를 사용하여 유량을 Qh = 2000 cc/min,Qc = 1000cc/min 에 맞춘다.⑷ 히터 60℃에 세팅한다.⑸ 온수의 온도가 60℃ 에 도달하면 측정을 시작한다.⑹ 냉각수 유량을 Qc = 1500 cc/min, 2000 cc/min 로 변화시키며 실험을 반복한다.⑺ 콘트롤 밸브를 대향류에 맞추고 Qh = 2000 cc/min, Qc = 1000 cc/min인경우 실험을 수행한다.⑻ Hot Line : ⑤밸브를 조절하여 유량계의 눈금을 읽고 Select S/W를 선택 조절하여 T1, T2, T3 의 온도를 읽는다.⑼ Cold Line① 병류 : ②, ③밸브를 열고 ⑥밸브로 유량을 조절하여 눈금을 읽고 Select S/W를 선택 조절하여 t1, t2, t3의 온도를 읽는다.② 향류 : ①, ④밸브를 열고 ⑥밸브로 유량을 조절하여 눈금을 읽고 Select S/W를 선택 조절하여 t1, t2, t3의 온도를 읽는다.※ Select S/W1 -> T1 2 -> T2(Tmid) 3 -> T34 -> t1 5 -> t2(tmid) 6 -> t3⑽ 위와 같이 병류와 향류로 구분하고 유량을 조절해서 층류, 난류로 구분하여 실험한다.< 냉수의 유동 방향 변경을 위한 밸브조작 >5. 실험 결과 및 분석⑴ 온도 및 유량Th,inTh,mTh,outTc,inTc,mTc,outQhQc①5852.549.5*************0평행류②58*************01500평행류③585146.514.523.53020001500평행류④5854.5*************000대향류※ LMTD구하기1) 평를 하니 평행류와 대항류의 차이와 원리를 이해 할 수 있었습니다.또한 2중관식 열교환기를 사용하였는데 외관 속에 전열관을 동심원상태로 삽입하여 전열관내 및 외관동체의 환상부에 각각 유체를 흘려서 열 교환 시키는 구조로 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결시킬 수가 있었습니다. 그러나 전열면적이 증대됨에 따라 다관식에 비해 전열면적당의 소요용적이 커지며 가격도 비싸다는 단점이 있습니다.위의 실험값을 보면 미세한 결과이긴 하지만 냉수유량을 증가시켰을 때 평행류에선 UA값이 약간 증가하고, 대향류에선 UA값이 감소함을 알 수 있습니다.UA값은/ LMTD에서 알 수 있듯이 유량과 냉수의 출구온도와 LMTD(밀도와 비열은 일정)에 의해 영향을 받는걸 알 수 있습니다.평행류에서는 같은 방향으로 흐르기 때문에 온도의 변화는 미세합니다. 따라서 유량이 증가할수록 LMTD값도 커지게 되지만 변화의 차는 작기 때문에 UA값은 약간 증가하게 되는 것입니다.대향류에서의 온도변화에 따라 LMTD값의 변화가 크기 때문에 UA값은 약간 감소하게 됩니다.< 평행류 > < 대향류 >이번 실험은 에너지자원이 부족한 우리나라에 큰 도움이 될 것이라 생각됩니다. 열손실을 최소한으로 줄이고 그 연구가 활발히 진행되어 에너지를 만드는 것만이 중요한 게 아니라 그 에너지를 얼마나 잘 활용하는 것 또한 매우 중요 할 것입니다.▶ 실험 오차에 대한 사항① 실험 오차의 가장 큰 원인은 실험 장치의 단열이 잘 안된다는 점이다.이에 따라 열손실은 음의 값을 갖게 되었고 이는 외부로부터 열을 받아 들였음을 뜻한다. 또한 효율은 100%을 넘어서고 있으며, 온수 전열량보다 냉수 전열량 이 큰 결과을 나타내고 있다.② 온도 측정장치를 디지털 계기로 하지 않으므로 눈으로 읽어 오차가 발생하였다.③ 온수가 순환하여 정확히 63℃에 계속유지 되어야 하나 약 ±1℃의 차이가 있었다.④ 유량이 정확히 같은 상태에서 정상상태 유지가 계속 유지되어야 하나 정확한 같다.

공학/기술| 2010.04.25| 17페이지| 3,000원| 조회(557)

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베르누이 측정실험

실험 시간09:00~13:00실 험 자학 번2600912성 명정 균 휘실 험 명열 전 도실험 내용1. 실험 목적⑴ 베르누이 방정식에서 각 항인 압력수두, 속도수두, 위치수두 사이의 관계를 실험을 통 해 살펴본다.⑵ 유체가 파이프 속을 흐를 때 생기는 마찰 저항(손실수두)와 속도와의 관계를 알아본다.⑶ 노즐 내에서의 유체의 기본적인 유동현상을 물리적 데이터로 측정하여, 유체 흐름의 특징을 분석 그 개념의 습득과 베르누이 방정식을 이해하는데 목적이 있 다.⑷ 실험 장치를 이해한다.2.1 Bernoulli's Theorem의 수학적 증명질량을 갖는 미소체적의 비압축성 유체에 뉴턴의 운동 제 2법칙을 적용하면 미분방정식 형태의 운동량 방정식을 얻을 수 있고,여기에 Reynolds Transport Theorem을 적용하면이 식을 정리하면 Navier-Stroke Equation을 얻을 수 있고위의 식에 비점성(=0)의 조건을 적용하여 정리하면위의 정상상태의 오일러 방정식을 유선(Stream line)을 따라 미분하면 아래와 같고,,,,이 식을 정리하면다시 유선을 따라 적분하면 다음과 같은 Bernoulli's Equation을 얻는다.p : 각 지점의 압력(kg/㎡): 물의 비중량(1000kg/㎥)V : 유속(m/s)g : 중력 가속도(9.8m/s2)Z : 기준면으로부터 관 중심까지의 높이(m)또한 Bernoulli‘s Equation을 보다 시각적으로 해석할 수 있도록 Flow를 두 가지 Grade line으로 나누어 볼 수 있다. 만일 외부로부터의 Work와 Heat transfer가 없다면 Total Head에 해당되는 Energy Grade line은 항상 일정하며, Hydraulic Grade line은 Total Head에서 Veolcity Head가 제외된 Static-Pressure line을 의미하며 이 line은 속도가 빠를수록 낮아진다.2.2 베르누이 방정식의 정리물이 갖는 에너지 관계를 나타내는 것으로 에너지 불변의 법칙, 즉 에너지의 총합은 항, 다음과 같은 식이 성립한다.(1)여기서 p는 유체의 압력, v는 유체의 속도,는 유체의 비중량, z는 임의의 수평기준선으로부터의 높이, 그리고 g는 중력가속도를 나타내고, 하첨자 1, 2는 각각 유선상의 점 1, 2를 표시한다. 식 (1)의 각 항은 길이의 차원을 가지고 있으며, 유체의 단위중량당 압력에너지, 운동에너지, 그리고 위치에너지(z)를 나타낸다. 따라서 식(1)은 비압축성 이상유체가 흐르는 동안 역학적 에너지의 총합이 항상 일정하게 유지된다는 역학적 에너지 보존법칙을 기술하고 있다. 식(1)은 이상유체인 경우에 해당되며, 실제 유체에서는 유체가 유동할 때 유체 점성에 의하여 역학적 에너지 손실이 발생하므로 전 수두 H는 감소하게 된다. 따라서 실제 유체에서는 식 (1)이 다음과 같이 수정된다.(2)이 때를 마찰손실수두라 부르며, 유체가 점 1에서 점 2까지 흐르는 동안에 발생한 유체의 단위중량 당 역학적 에너지의 손실을 나타낸다. 식(2)의 관계를 그래프로 그리면 그림2와 같다.한편 실제 유체의 관로 유동에 베르누이 방정식을 적용하려면 유체 흐름 방향에 수직한 단면에서 속도 분포가 균일하지 않은 점과 관로의 급격한 변화에 따른 유동의 박리현상 등을 고려해야 한다.⑴ 수두물이 갖고 있는 에너지를 길이의 단위로 나타낸 것을 수두(head)라 한다. 이것은 물의 깊이 또는 높이를 의미하며 수두 H와 수심 H에 있어 수평의 단위면적을 바닥으로 해서 수면까지의 물기둥 무게의 값으로 한다. 수두의 종류에는 압력수두, 속도수두, 위치수두가 있다.① 압력수두(정압수두)실린더 내의 압력수에 피스톤을 자유로이 움직이려고 할 때 물의 압력을 P [㎏/㎠], 피스톤의 면적을 A[㎡], 피스톤의 운동거리를 l [m]이라 하면, 이때 일의 양은이다.은 물의 체적[㎥]에 대해서 물이 갖는 압력 에너지가[㎏?m]이다. 그러므로 단위중량의 물이 갖는 압력 에너지는 물의 중량로 나누어[m] 가 되고 이것을 압력수두라 한다.② 속도수두(동압수두)속도가 있는 물이 흐를 때는 운동 도 베르누이 방정식의 적용이 가능하다.① 모든 유선이 저수지, 즉 단위 무게당이 에너지가 어디서나 같은 곳에서 출발하 는 경우에는 베르누이 방정식을 적용시키는 두 점에서 같은 유선상에 없어도 좋다② 유체가 기체의 흐름일 경우일지라도 압력의 변하가 적어서 절대압력의 몇 %밖 에 되지 않을 경우에는 기체도 비압축성 유체로 간주하고 베르누이 방정식을 적용 시켜도 좋다. 이때 기체의 비중량 γ 는 평균값을 택한다.③ 큰 저수지에서 물이 흘러나오는 경우와 같이 흐름의 상태가 아주 천천히 변 화하고 있는 흐름에 대해서는 정상상태로 간주하여 베르누이 방정식을 그대로 적용시켜도 별로 오차가 없다.④ 유체의 흐름에 있어서 점성 효과가 존재하는 실제 유체의 흐름에 대하여 메르 누이 방정식을 적용시키려면 유측항에 손실수두의 항을 삽입시킴으로서 가능해 진다.⑷ 베르누이 방정식의 응용응용분야는 '유체가 움직이는 모든 곳' 또는 '유체 중에서 운동하는 모든 물체'에 적용된다고 할 수 있다. 가장 가까운 예로서,- 비행기의 날개가 '양력(뜨는 힘)을 받는 원리'- 야구 투수가 던지는 '커브볼의 원리'- 에어컨 등에서의 냉각원리 등등 실로 광범위하다.⑸ 유체기계 관련 베르누이 방정식의 응용- 토리첼리 효과- 유량계(오리피스 유량계, 벤츄리 유량계)- 유속계(피토관 유속계)- 펌프 및 터빈의 양정① Orifice 계단면적이 A1 인 물통에 밀도 ρ인 액체가 깊이 h만큼 있는 것을 표시한다. 액체의 윗 부분에는 압력이 P인 기체가 차있고, 액체는 단면적인 A2인 구멍을 통해서 흘러나간다. 보통 관에서의 흐름과 마찬가지로 생각하고 1,2점에서의 속력을 V1, V2 라하고 V2를 유출속도라 부른다. 2점에서의 압력은 대기압 Pa이다.탱크의 밑바닥을 기준으로 잡으면 Bernoulli 방정식으로부터or연속방정식으로부터위의 두 관계식을 이용하여 출구에서의 유속을 구한다.특히 탱크의 윗부분이 개방이 되어 유체가 대기압을 받는다고 가정을 하면이므로이며,은보다 작아 무시할 수 있으므로,즉, 유출속력은 임의P1이다. 한편, 압력계의 오른쪽 팔의 구멍은 흐름에 직각이다. 압력계 속의 유체가 정지하게 되면 속도는 2 지점에서 0이 되고 압력은 P1이다.점 1과 2에 대하여 베르누이 방정식을 적용하면,위 식에서 Z1 = Z2 이고 V2=0 이므로 정체압력은,로 된다.을 정압이라 하고을 동압이라 하고,를 정체압력 또는 전압이라 한다.따라서 V1 =이다.은 ΔP이므로이다.여기서 P2는 그림처럼 P1보다 크다. h를 압력계 팔의 액체의 높이차라 하고, ρ'를 압력계 액체의 밀도라 하면,두 방정식을 비교하면따라서이다.(중량밀도)를 이용한 항으로 변형하면,(중량밀도) : 단위체적에 포함되는 물질에 작용하는 중량으로서이다.따라서,이다.여기서이며,,,로서이므로,따라서이다.< 피토관 실험 장치 >- 동압 = 전압 - 정압- 피토관의 동압은 마노미터를 통하여 [mmH2O]로 표시된다.3. 실험 장치< 실험장치의 기본 개략도 >< 전체적인 모습 >4.1 실험 방법⑴ RPM 설정장치에 설정값 입력- 본 실험에서는 RPM을 17, 13Hz 으로 각각 설정, 실험한다.- RPM을 알면 유량과 속도를 계산할 수 있으나 본 실험에서는 이 방법을 쓰지 않는다.⑵ 2차원 벤츄리에 위치 설정- 벤츄리의 위치별 측정을 위하여 1~12까지를 설정한다.- 위치가 표시된 용지를 벤츄리관 뒷면에 고정시켜 쉽게 확인할 수 있도록 한다.- 상하 측정위치의 길이는 각각 2Cm이다.⑶ 벤츄리 각 위치의 측정- 피토관을 상하로 움직여 정해진 각 위치에 고정 한다.- 컴퓨터 프로그램을 실행하고, 측정 버튼은 선택한다.- 측정값은 마노미터를 통하여 컴퓨터에 자동 입력된다.- 컴퓨터는 RPM과 단면적을 이용하여 속도를 산출해 낸다. [Q=AV]⑷ 입력된 데이터를 이용하여 이론과 실험을 비교하고 베르누이 원리의 일치함을알아본다.4.2 실험 시 유의 사항① 관이 길지 않고 폭이 충분히 넓기 때문에 다같이 같은 대기압이 작용하리라 봄.② 송풍기의 회전이 원활히 일정속도로 돌아가게끔 충분한 시간경과 후 실험을 함.③ Pitot 26.9℃ (19Hz)P[mmAg]P(Pa)V[m/s]Z[m]C116.37160.42614.590.04135.0464218.56181.88015.360.02152.81173(기준)18.98186.00415.480156.1658417.57172.18614.89-0.02144.5385515.25149.4514.04-0.04125.6693613.38131.2413.24-0.06110.3541712.11118.67812.69-0.0899.97503811.03108.09412.27-0.1091.22955910.34101.33211.77-0.1285.36366109.5793.78611.24-0.1478.88209< 19Hz >고 찰베르누이 방정식을 시각적으로 설명할 수 있는 방법으로는 유동에 관한 구배선을 도시하는 두 가지 방법이 있습니다. 그 중의 하나인 에너지 구배선은 총 베르누이 상수의 높이 h0=z+p/r+V2/(2g)를 나타내는 것입니다. 그러므로 일과 열의 전달이 없고 마찰손실이 없는 유동에 있어서는 p1/+V12+gz1=p1/+V22+gz2, 즉 GL에서 속도수두 V2/(2g)를 뺀 것입니다. HGL은 유동에 부착된 액주 압력계 튜브 안에서 액체가 올라가는 높이입니다. 개수로 유동의 경우에는 HGL은 물의 자유표면과 동일합니다.일반적인 유동조건의 경우에는 HGL은 마찰손실로 인해 서서히 하강하고, EGL의 상승은 일의 공급(펌프, 프로펠러등)이 있는 경우에만 있을 수 있습니다. HGL은 보통 손실이나 일의 전달에 의해 EGL이 변화하는 것과 똑같이 변화하지만, 그밖에 또 속도의 감소나 증가가 있는 경우에도 그들의 증감과 반대로 HGL은 상승 또는 하강합니다.베르누이 방정식과 Pitot Tube, 마이크로 마노미터을 이용하여 각 위치에서의 속도를 구할 수 있었습니다. 위의 결과 데이터에서 알 수 있듯이 최대 속도는 기준 위치를 잡은 3번째 위치에서 최대 속도를 나타냄을 알 수 있습니다. 그 이유는 노즐목이 위치하는 곳으로써 단면적이 최소가 되는 지점이기 때문입.

공학/기술| 2010.04.25| 16페이지| 3,000원| 조회(610)

기계공학실험, 베르누이 실험, 베르누이, 손실수두

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레이놀즈 실험

실험 시간09:00~13:00실 험 자학 번2600912성 명정 균 휘실 험 명레이놀즈 수 측정 실험실험 내용1. 실험 목적움직이는 유체 내에 물체를 놓거나 유체가 관속을 흐를 때 난류, 층류, 전이영역 경계층이 생기는데 이경계층을 구별하는 Reynolds 수 이다. 이와 같이 Reynolds 수를 이용하여 유동특성을 구별해보며 유동특성을 이용하여 역학적으로 분석해보며 이경계층들(난류, 층류)의 의미와 다른 구별방법, 차이점을 알아보며, 실험조건으로 인한 Reynolds수의 변화를 확인해보며 레이놀즈수의 값과 경계층(난류, 층류)의 흐름모양이 일치하는지 알아보며 실생활에서 Reynolds수를 응용하여 사용되고 있는 지 알아보자.2. 실험 이론⑴ 레이놀드 수 의 발견 과 의의레이놀드 수는 1883년에 영국 맨체스터 대학의 교수 레이놀드 에 의해 창안된 수로 서, 유체의 입자가 서로 층을 이루면서 선적으로 미끄러지는 층류와 유체 입자가 불규칙적인 운동을 하면서 상호간의 격렬한 운동을 일으키는 난류를 구분하는 수이다.일반적으로 파이프내의 유체의 운동은 층류 또는 난류 유동이다. 과학자 레이놀드는 간단한 실험을 통해 이 차이를 처음으로 구분하였다.⑵ 층류 및 난류, 그리고 레이놀즈 수1) 흐름 종류는 유속의 크기에 따라 다음과 같이 층류와 난류로 분류된다.① 층류 : 유속이 느릴 때 착색액이 일직선으로 흐르는 경우, 즉, 물의 입자가흐트러지지 않고 일직선의 층을 형성하여 흐르는 흐름.② 난류 : 유속이 빠를 때 착색액이 흐트러져 흐르는 경우 즉, 물의 입자가 상하전후 흐트러져서 흐르는 흐름.2) 층류와 난류의 경계층 유속을 한계유속이라 하는데 다음과 같이 상한계 유속과하한계 유속이 있다.① 상한계 유속 : 흐름상태가 층류 상태로부터 유속이 증가되어서 난류상태로변할 때의 한계유속을 말하며 이것을 상한계 레이놀즈 수라고도 한다.② 하한계 유속 : 이 경우는 난류 상태로부터 유속을 감소시켜 층류상태로 변화시킬 때의 한계유속을 뜻한다. 이것을 하한계 레이놀즈수 라고도 한다.면 다시 층류로 되돌아온다. 난류로부터 층류로 천이될 때의 Reynolds수를 하임계 Reynolds수(Lower Critical Reynolds Number)라 한다. 많은 실험에 의하면 원관에 대하여 하임계 Reynolds수는 2,100～4,000사이였다. 하임계 Reynolds수는 공학적으로 매우 중요한 뜻을 갖는다. 왜냐하면 하임계 Reynolds수 이하에서는 외부로부터 교란을 주어 난류로 만들더라도, 점성력의 작용 때문에 결국은 스스로 층류로 천이되어버리기 때문이다. 그러므로 공학에서는 이 하임계 Reynolds수를 임계 Reynolds수(Critical Reynolds Number)라 하고 층류로부터 난류로 천이되는 척도로 삼는다. 하임계 Reynolds수는 2,100과 4,000사이에 존재한다. 그러나 공학자들은 설계시 안전한 쪽을 택하는 것을 원칙이므로 원관에 대한 임계 Reynolds수로서 2,100을 택한다. 학자에 따라 2,000 , 2,100 , 2,300 또는 2,320등을 주장하기도 했다. 원관 이외에 평행벽 사이의 유동에서는 평균속도 Ｖ와 벽간격 D를 사용하여 Reynolds수를 계산할 때 임계 Reynolds수 NRec=1,000 , 넓은 개수로 유동에서는 평균속도 Ｖ와 깊이 D를 사용하여 Reynolds수를 계산할 때 NRec=500, 구 둘레의 유동에서는 근접속도 Ｖ, 지름 D에 대하여 NRec=1로 택한다. 층류가 불안정하게 되어 완전히 난류로 될 때까지의 영역, 즉 층류와 난류가 공존하는 영역을 천이역(Transition Region)이라 한다.보통 불확실성을 감안해 임계 Reynolds수를 2,100정도로 한다. 그러므로 원관유동에서 NRe≤2,100이면 층류, NRe>2,100이면 난류로 예측한다. 조건에 따라서는 NRe>2,100에서도 층류가 존재할 수 있으나 외란(外亂)에 의하여 일단 국부적으로 난류로 천이되면 층류로 되돌아오지 못하고 난류유동이 계속된다. 이러한 이유로 NRe>2,100이면 난류로 취급하는 것이 타당점성 유동으로 취급되어지는 유동에서도 자유유동의 난류를 고려하여야 할 경우가 있다.▶ 최종 결과를 위한 식?Reynolds수※ 여기서 는 동점성계수이고 는 점성계수이다.? Reynolds수에 의한 층류와 난류의 구분- Re < 2000 : 층류- 2000 < Re < 4000 : 천이영역- Re > 4000 : 난류⑶ 무차원무차원이란 말 그대로 계산상에 기본단위인 차원이 사라지는 것을 의미한다. 예를 들어 관내의 유체유동분포를 고찰하기 위해서는 먼저 관의 지름을 결정하여야하고 다음에 유속을 정하여야 한다. 그렇지 않은 일반적인 경우에 관내의 속도를 측정, 도시할 때, 관의 지름을 N번 변화시키고, 유속을 M번 변화 시켰을 경우 어느 한 위치에서만도 N*M개의 속도선도를 측정해야 하며, 만약에 위치까지 S번 변화 시킨다면 N*M*S번 실험을 해야 한다.이런 경우에 그 수많은 속도 선도 중에 어느 것을 관내의 유체유동의 속도분포선도라고 말하기가 어려우므로 이와 비슷한 모든 경우에 각 인자들에 대한 어느 기준값을 정하고 각 측정값들을 같은 종류의인자의 기준 값으로 나누어 그 비로 나타내 주는 것을 무차 원화한다고 하는 것이다. 무차원 항인 레이놀즈수를 예로 들어보면,레이놀즈수 Re =이다.를 MLT 계로 나타내면,,는,는,는이다.이걸 위 식에 대입하면 Re =위아래 모두 소거되므로 레이놀즈수는 차원이 무차원인 것이다.⑷ 점성(Viscosity)유체의 점성은 유체의 물리적 성질 중에서 가장 중요한 것 중의 하나로 유체의 유동 특성을 지배하는 요소로서 유체 분자 간 또는 유체분자와 고체경계면 사이에서와 같이 서로 인접하여 상대운동을 하는 유체 층 사이에 마찰력을 유발하는 성질을 말하며 이는 유체 분자의 응집력 및 유체 분자간의 상호작용으로 생긴다.다음과 같이 전단응력 τ와 속도구배간의 비례상수 μ를 점성계수(viscosity)라고 하며 점성계수가 일정하면 뉴유톤(Newton) 유체라고 하고 그렇지 않고 변하면 비뉴유톤(non-Newtonian) 유체라고 한다.보통 실무 간접방식으로 분류한다.⑹ 유속분포와 평균유속유체는 점성이 있으므로 관로 내 흐르는 유체 중 관로 벽과 마찰하며 흐르는 유체는 관 벽과의 점성에 의해 유속이 늦어지고 관로의 중심으로 갈수록 유속이 증가하여 관 중심에서는 최대가 되는 것으로 관로내의 유체의 유속은 동일하며, 관로 단면상에 있어서도 위치에 따라 달라진다.원형 단면을 갖는 관로내의 유속분포는 관내의 유속 분포 그림과 같다. 또한 층류에서는 레이놀즈수가 변화해도 유속분포는 항상 일정하나 난류에서는 레이놀즈수에 따라 유속 분포는 변한다. 주의할 점은 층류나 난류도 앞서 설명한 대로 되는 것은 아니다. 그렇게 되는 조건은 직관부를 흐르는 경우로서, 만일 곡관이나 유속이 빠른 난류에서는 그와 같은 법칙이 성립되지 않으므로 충분한 직관부를 통한 흐름이 요구되는 것이다. 유속 변화의 영향을 받는 유량계에서는 유량계의 전후단에 대해 적당한 이의 직관부를 필요로 하게 된다.3. 실험 장치< Reynolds Number 측정실험 장치의 전체 모습 >< 실험 장치의 개략도 >- 초시계 : 유량을 계산하기 위해서는 물이 5000cc의 비커에 꽉 찰 때의 정확한 시간을 알아야한다. 시간(초)은 3회의 반복을 걸쳐 그 평균으로 결정한 다.4. 실험 방법⑴ 물 공급- 실험관을 통해 물이 흘러 나가므로 그 만큼의 물을 공급해준다.- 공급 호스를 두개로 사용하는 이유는 밸브각도가 커질수록 나가는 유량도 많아지기 때문이다.- 수조내의 물의 흐름은 실험에 영향을 미칠 수 있기 때문에 실험관 입구로부터최대한 먼 곳에서 물을 공급한다.- 물의 공급이 너무 많을 시에는 수위 조절 장치에 의해 밖으로 배수된다.⑵ 밸브를 반시계 방향으로 270돌려 5000cc 비커에 물을 받고 이시간을 측정한다.- 유량을 계산하기 위해 물의 양을 5000cc로 동일하게 한다.- 시간은 초시계를 사용하여 측정한다.- 밸브를 열어 물을 얼마간 흘린 후 비커에 물을 받는다. 이는 좀 더 정확히 측정 하기 위함이다.- 사람의 눈과 손으로 측정하는 것이므로 오차를하기 위해를 먼저 알아야 한다.- 유량를 구한다.여기서 시간(초)은 5리터의 비커에 물이 가득 차는 시간으로 유량은 이 시간에 따라 결정된다.- 유량를 구하는 공식을 적용하여를 구한다.-값을 대입하여를 계산한다.⑵ 실험 데이타에 따른 레이놀즈 수 계산(평균시간이용)1) 밸브의 회전수 3/4 일 때① 유량 Q② 속도 V③ 레이놀드수 Re2) 밸브의 회전수 6/4 일 때① 유량 Q② 속도 V③ 레이놀드 수 Re3) 밸브의 회전수 9/4 일 때① 유량 Q② 속도 V③ 레이놀드수 Re4) 밸브의 회전수 12/4 일 때① 유량 Q② 속도 V③ 레이놀드 수 Re밸브회전수3/4(270°)6/4(540°)9/4(810°)12/4(1080°)유량(㎥/s)0.00008330.00020.000330.000882속도(m/s)0.156890.37670.62161.6612레이놀즈수(Re)2976.177145.9211791.6231512.62< 밸브 회전수에 따른 유량 ? 속도 ? 레이놀즈 수 비교 >- 수치상의 계산으로는 270도로 열었을 때는 층류에 가까운 전이구역으로 나타나고, 나머지는 Re>4100을 넘기는 난류구역으로 나타난다.다음에 보이는 사진과 비교하여 보자.▶ 각도에 따른 잉크의 흐름 관찰(270°)일 때(540°)일 때(810°)일 때(1080°)일 때흐름의 레이놀즈수가 2,000보다 작으면 흐름은 층류이고 2,000～4,000사이이면 불완전 층류(층류, 와류가 공존)라 하며 4,000 이상이면 난류로 분류한다. 결과 값에 대입해 보면 270° 천이 영역, 580° 난류, 810° 난류, 1080° 난류로 관찰된다. 우리 실험에서 경계층은 천이영역과 난류만 관찰되어 잘못된 실험이라 할 수 있다. 층류층은 관찰 되지 않았지만 천이영역과 난류영역의 흐름모습을 보면 층류 층과 천이영역의 차이를 모르겠으며, 난류 층은 1080° 일 때 만 정확하게 확인 할 수 있었다.고 찰이번 실험의 목적은 관에서 흐르는 유체를 눈으로 식별할 수 없으니 Reynolds number을 이용해서

공학/기술| 2010.04.25| 15페이지| 3,000원| 조회(371)

레이놀즈, 기계공학실험, 난류, 레이놀즈 실험

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냉동사이클 실험

실험 시간09:00~13:00실 험 자학 번2600912성 명정 균 휘실 험 명냉 동 사 이 클실험 내용1. 실험 목적⑴ 냉동 Cycle을 이해하고 COP를 구할 수 있다.⑵ 기관의 작동원리를 이해 할 수 있다. 열역학의 기초지식을 습득한다2. 냉동사이클의 이론⑴ 열역학 제2법칙실제 자연계 내에서 우리가 관측하는 것은 오직 평형상태를 도달하기 위하여 시스템이 변화하는 과정이다. 따라서 자연현상의 특성을 이해하기 위해서는 평형을 향하는 자발적 과정의 정도를 결정하는 표준 특성을 이해하는 것이 요구된다. 그러나 열역학 제 1법칙의 에너지 이론으로는 이러한 과정을 설명하지 못한다.열역학 제 2법칙에서는 이러한 자발적 과정에 대한 내용을 이해할 수 있으며, 상태함수의 존재와 엔트로피(entropy : S)를 결정하게 된다. 일반적으로 거시적 열역학 관점에서는 엔트로피를 다음과 같이 정의하게 된다.⑵ 냉동기일반적으로 물체에서 열을 빼앗아 물체의 온도가 하강하는 것을 냉각(cooling)이라하고, 냉각범위 물체의 온도를 대기온도 이하로 낮추는 것을 냉동이라 한다. 따라서 냉동을 하기 위해선 특별한 장치가 필요로 하며, 그것을 냉동기라 부른다.⑶ 냉동의 방법현재 사용하고 있는 냉동의 방법에는 융해열을 이용하는 방법, 승화열을 이용하는 방법, 증발열을 이용하는 방법, 압축 기체의 팽창을 이용하는 방법, 펠티어(peltier)효과를 이용하는 방법 등이 있다.펠티어 효과란, 서로 다른 두 금속의 도체선의 양 끝을 접합하고 이들 회로에 직류전류를 흐르게 하면 한쪽의 접점에서는 발열이 일어나고, 다른 쪽 접점에서는 흡열이 일어나는 현상을 말한다. 이 현상을 이용하는 냉동법을 열전 냉동이라고도 한다.① 자연냉동 : 융해, 승화, 증발 등의 자연현상에 의한 흡열작용을 이용하여 냉동② 기계냉동 : 기계적인 일과 열에너지를 소비하여 저온 물체로부터 열을 흡수하 고, 고온영역으로 열을 방출하는 것이다.⑷ 냉동톤냉동기의 냉동능력은 단위시간의 흡열능력을 말하며, 냉동톤(t)이라는 단위가 사용되coil)에 냉매를 보내고 그 외부에 송풍기로 바람을 보내어냉각하는 방법이다. 주로 소형 냉동기에 사용된다. 물을 필요로 하지않으므로 스케일이 부착되거나 동결될 염려가 없다.㉢ 증발식 : 핀(fin)이 붙어 있는 응축코일 표면에 물을 살포하고 물의 증발점열 을 이용하여 냉각하는 방법으로서 냉각탑과 응축기를 하나의 케이싱 안에 조립한 것이다. 겨울철에는 외기온도가 낮아 물을 사용하지 않 고 공랭식으로 사용할 수 있다.③ 팽창밸브(expansion valve)팽창밸브의 역할은 정량의 액체냉매를 저압의 증발기측으로 보내고, 고압 냉매는 팽창밸브를 통과하는 사이에 급격히 저온ㆍ저압의 습증기로 된다.④ 증발기(evaporator)냉동목적을 달성할 수 있는 곳으로서 냉매는 여기서 열을 얻어 증발하고 주위는 저온으로 된다. 증발기는 응축기로 액화한 냉매액을 팽창 밸브를 통하여 증발시켜, 그 증발열을 이용하여 물 혹은 브라인을 냉각하는 냉각기이다. 이것은 냉각 코일로 냉매를 증발, 팽창시켜서 주위의 공기 또는 물에서 열을 흡수하는 방법으로, 직접 팽창식 냉각기라고도 한다. 브라인 또는 물을 냉매 증발기로 냉각하고 그 냉각된 브라인 또는 물로서 목적물에서 열을 흡수할 때에는 간접식 냉각기라 한다. 또한 팽창밸브로부터 냉매가 직접증발기로 들어가는 건식 증발기와, 팽창밸브를 나온 냉매를 일단 아큐뮬레이터에서 기액을 분리시키고 액체만을 증발기로 흐르게 하는 만액식 증발기가 있다.⑤ 기타 주변기기㉠ HPS : 겨울철에는 외기온도가 낮기 때문에 응축기 팬이 작동하여 냉매가 과 냉하는 현상을 방지하는 과냉 방지 스위치임.㉡ OPS : 반밀폐콤푸 전용 부품이고 유압을 감지하여 유압이 형성되지 않으면 콤푸가 동작하지 못하도록 하는 스위치임.㉢ 전자변 : 증발기 제상시에 저압 액관을 차단하여 증발기로 냉매가 역류하는 것을 방지하는 부품임.㉣ 유분리기 : 압축기 고압측 라인에 설치하는 부품이고 운전시 오일이 냉매와 혼합하여 압축기 밖으로 흘러가는 것을 다시 압축기로 회수하는역할을 하는 부품임.두 개의 가역등온과정으로 이루어진 열기관의 가장 이상적인 사이클이다.< 정 방향 사이클 (forward cycle) >여기서 온도단위는 아직까지는 실험적으로 측정되는 단위이며, 확정된 이론적 온도는 아니라고 가정한다. 카르노 사이클로부터 열역학적 온도 단위를 뒤에서 정의하게 된다.위 그림에서 보듯이 정 방향 카르노 엔진은 Q2+의 열량을 2의 저장소(reservoir)로부터 받아서 W+만큼의 일을 하고 |Q1-|의 열을 1의 저장소로 방출한다.여기서 엔진 효율은 공급된 열량(Q2+)에 대해서 행해진 일의 크기(W+)로 나타낼 수 있다.카르노 사이클은 모든 과정이 가역과정이며, 정방향 사이클과 같은 원리로 다음 그림과 같이 역방향 사이클도 가능하다.< 역방향 사이클 (reverse cycle) >이러한 역방향 사이클은 외부로부터 |W-|의 일을 받아서 1의 저장소로부터 Q1+의 열량을 빼앗아 2의 저장소에 |Q2-|의 열을 방출하는 과정을 나타냅니다. 가장 가까운 예로는 냉동 사이클과 heat pump를 들 수 있다.⑻ 이상적인 카르노 사이클카르노사이클은 어느 방향으로도 진행할 수 있는 가역사이클이다. 따라서 아래 오른쪽 그림의 순서와 방향으로 작동하는 사이클을 역 카르노사이클이라고 하는데 이것은 냉동사이클의 이론사이클이다.즉, 1-4-3-2-1의 방향으로 진행하며, 4-3으로 상태변화 할 때에 열량 Q2를 받아들여 등온팽창하고, 2-1의 상태변화 동안에 열량 Q1을 외부로 방출하게 된다.4-3 : 온도 T2에서 등온 팽창한다. (열량 Q2를 외부로부터 받는 과정)3-2 : 단열 압축하여 온도 T1이 된다. (열의 출입이 없는 과정)2-1 : 온도 T1에서 등온 압축한다. (열량 Q1을 외부로 배출하는 과정)1-4 : 단열 팽창하여 T2로 된다. (열의 출입이 없는 과정)즉, 외부로부터 일 W를 받아 저온구역 T2의 물체로부터 열량 Q2를 취하여, 고온구역 T1으로 열량 Q1을 배출하게 되는 것이다. 결국 (Q1-Q2)에 상당하는 열량을 소비하게 되므로, 이론적도의 포화혼합물 상태로 증발기에 들어가 냉동실로부터 열을 흡수함으로써 완전히 증발된다. 이어 냉매는 증발기를 포화증기 상태로 떠나서 압축기로 되돌아감으로써 사이클을 완성하게 된다.T-S 선도에서 과정곡선 밑의 면적이 내부가역과정에 대한 열전달을 의미한다. 과정곡선 4-1 밑의 면적은 증발기에서 냉매가 흡수한 열량을 나타내고, 과정곡선2-3 밑의 면적은 응축기에서 방출된 열량을 나타낸다. 한 가지 일반적인 법칙으로서 증발온도를 올리거나 응축온도를 내리는데 매 시간마다 COP는 2내지 4%씩 증가한다.증기-압축식 냉동사이클의 해석에서 사용되는 또 다른 하나의 선도는 P-h선도인데 그림에 나타나 있다. 이 선도 상에서, 4개의 과정 중 3개의 과정이 직선으로 나타나고, 응축기 및 증발기에서의 열전달은 이에 대응하는 과정곡선의 수평 길이에 비례한다.< 이상적 증기 압축식 냉동사이클의 P-h 선도 >증기-압축식 이상 냉동사이클은 비가역과정(교축)이 포함되어 있어 내부가역 사이클이 아니다. 이러한 비가역과정은 증기-압축식 실제 사이클에 대한 좀 더 실제적인 모델링을 위하여 사이클 내부에 그대로 남겨둔다. 만일 교축장치를 등엔트로피적 터빈으로 대체하면, 냉매는 상태 4가 아닌 상태 4‘으로 증발기에 들어가게 된다. 그 결과, 냉동능력은 그림 10-3의 과정곡선 4-4’ 밑의 면적만큼 증가하고, 정미일은 터빈의 일 출력만큼 감소한다. 그러나 팽창밸브를 터빈으로 대체하는 것은 실제적이지 못하다. 이는 추가된 장점이 이를 위해 추가된 비용과 복잡성을 능가하지 못하기 때문이다.증기-압축식 냉동사이클에 관련된 4개 구성장치 모두 정상유동 장치들이고, 따라서 사이클을 구성하는 4개의 과정 모두 정상유동 과정으로 해석될 수 있다. 냉매의 운동에너지 및 위치에너지는 일이나 열전달 항에 비교해서 매우 작아서 무시 될 수 있게 된다. 그래서 정상유동 에너지 방정식은 단위 질량당 다음과 같은 식으로 된다.응축기와 증발기는 어떠한 일의 형태를 수반하지 않는다. 그리고 압축기는 단열로 근사시킬 냉동사이클(역카르노 사이클)과정증기압축 사이클을 카르노 사이클과 비교한다면 세 부분이 다르다. 그 하나는 삼각형 모양의 면적이다. 이것은가 등온하에서 행하여지기 때문에 면적에서 표시되어 있는 열량에 상당한 일량만큼 소요입력이 증대하고, 또한 그만큼 응축기에서 배제된 열량으로 증대한다.두 번째는 면적에서 1과 2 사이의 팽창일을 회수하지 않기 때문에 그만큼 여분의 일이 필요하게 된다. 마지막으로 면적이다. 교축팽창때문에 엔트로피가 증대하므로 냉동효과가 감소한다. 사이클에 필요한 일량은 과열삼각형만큼 증대하며, 또한 비가역 팽창 때문에 팽창일량이 증대하지만, 반면 냉동효과는 감소한다. 면적과 면적가 이에 해당된다.3. 실험 장치< 전체적인 사이클 모습과 부분별 명칭 >⑴ 압축기T.CT.C압축기 :증발기에서 증발한 냉매증기가 응축되기 쉽도록 냉매증기의 압력을 높이는 것, 즉 증기를 압축하는 것응축기:압축기에서 토출된 고온·고압의 기체냉매의 열을 상온하의 공기 및 냉각수 중에 방출시켜 응축·액화시켜 주는 기기압축기에서 압축되어 고온·고압으로 된 냉매증기를 액화시키기 위해 응축잠열 만큼의 열량을 냉매증기로부터 빼앗는다.T.CT.C냉매 유량계:냉매의 유량을 나타낸다.수액기:액체 상태의 냉매를 저장하는 역할응축기에서 응축한 액을 일시 저장하면서, 증발기 내에서 소요되는 만큼의 냉매만을 팽창밸브로 보내주게 된다. 따라서 일종의 안전장치 역할을 수행하므로 수액기의 사용은 냉동 사이클의 위험도를 줄여준다.필터:냉매 속에 포함된 불순물 제거액주계:유량측정장치증발기:저온의 액체가 증발기에서 보다 높은(하지만 영하) 공기로부터 열을 흡수하면서 기화함으로써 냉각기가 물체를 냉각증발기에서 기화된 냉매는 컴프레서가 끌어당겨 다시 압축을 한다.T.CT.C액 분리기(Accumulator):냉동교육장치의 증발기와 압축기 사이의 흡입배관에 설치하여 흡입 가스 중의 액 냉매를 분리시켜 압축기로의 리퀴드백(Liquid back)을 방지하므로서 압축기를 보호하는 역할을 한다.2차적인 기능으로 기동시

공학/기술| 2010.04.25| 23페이지| 3,500원| 조회(1,712)

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