(2) 고찰1. Qe와 Qa 값이 차이나는 원인은?이론상으로는 hot water에서 방출된 열에너지가 cold water로 온전히 전달되어야 하지만 실험결과 Qe과 Qa가 약간의 차이를 보였다. 이에 대한 원인으로는,① 열교환이 hot water와 cold water 사이에서만 일어나게 하기위해서는 heat exchanger가 주변 환경으로부터 단열이 되어야 한다. 하지만 본 실험에서는 heat exchanger가 공기 중에 그대로 노출되어 있었고, 그 결과 주변 환경과도 열교환이 일어나서 오차가 발생한 것으로 보인다. 스티로폼 등으로 열교환기를 감싸면 오차를 줄일 수 있겠다.② 관의 축 방향으로 열전도가 일어나서 오차가 발생하였다.③ 유체의 미미한 위치에너지 변화와 운동에너지의 변화가 미미하게나마 오차를 발생시킬 수 있다.④ 유체의 specific heat은 온도에 따라 변하지만 본 실험에서는 constant로 가정하였다.⑤ 총열전달계수가 일정하다고 가정하였다.⑥ thermostat에서 온도의 값이 일정하게 나올 때 온도를 측정해야 하지만 본 실험에서는 온도 차가 크게는 0.4도 씩 변할 때에도 시간상 그 중간값으로 온도를 측정하였다. 보일러의 온도도 67~68도 사이에서 변화하였다.⑦ 유량이 일정하지 않을 때 유량값을 측정하였다.⑧ 장비의 노후화로 인해 열교환기의 관에서 물이 세는 현상이 발생하여, 유체의 열이 외부로 노출되고, 유량에도 영향을 미쳤다.⑨ 관 내의 기포가 완전히 제거되지 않았다. 공기와 물의 비열은 다르므로 이 또한 오차의 원인이 되겠다.⑩ 장비의 노후화로 인해 열교환기 내 관에 관석 등의 이물질이 존재하여, 열을 가지고 있다가 방출하거나 열을 흡수하였다.⑪ 한 가지 실험을 마치고 다음 실험을 수행하기 전에 열교환기의 전원을 끄고 충분히 식혀야 했다. 하지만 여건상 이 과정을 충분히 수행하지 못하였다.2. 열교환이 잘 일어나게 하기 위한 방법을 3가지 이상 조사.① 유체의 흐름이 활발한 난류로 흐르게 한다.② 전열이 잘되는 재료를 이용한다.③ fin이 많이 들어간 관을 사용하거나 코일관 이용, 또는 관의 길이를 늘려 열교환 접촉면적을 넓힌다.④ cold fluid의 온도를 낮추어 hot fluid와의 열교환을 활발히 한다.⑤ 본 실험에서는 실험오차를 줄이기 위해 냉각수를 안으로 흐르게 했지만, hot fluid를 바깥쪽 관으로 흐르게 하여 외부환경(surrounding)과도 열교환이 일어나게 한다.⑥ 높은 유체속도는 열전달 계수를 높이므로 이를 고려한다.⑦ 주기적으로 관을 청소하여 열교환을 원활하게 한다.3. 실험에 대한 고찰.본 실험에서는 열교환기의 온도, 유량 및 평행유동과 대향유동에 따른 열교환기의 성능변화와 총열전달계수와의 관계를 알아보았다.- 온도, 유량에 따른 열교환기의 성능변화(a) 대향류세 가지의 유량비에 hot side와 cold side의 inlet T를 64도, 11.6도로 주입하였다.Fhot = 1.5L로 하였고 Fcold는 1L, 0.5L, 1.5L로 주입하여 유량비를 달리하였다. 그 결과 유량비에 대한dot{m _{c}}가 1.0:0.5:1.5로 나타났다.epsilon는dot{m _{c}}가 낮을수록 높게 나타났는데(본 실험에서는 0.25:0.41:0.18) 이는 단위시간당 흐르는 유량이 적을수록 열교환이 충분히 되어 열교환기의 유용도가 높게 나오는 것으로 추정된다.(b) 평행류대향류와 마찬가지로 유량비가 낮을수록 높은epsilon를 가졌다.- 평행유동과 대향유동에 따른 열교환기의 성능변화평행유동과 대향유동에 같은 유량비(3:2/3:1/2:2)를 가지고 실험을 진행하였다. 그 결과 대향유동epsilon=> (0.251:0.411:0.182)평행유동epsilon=> (0.257:0.396:0.184)로epsilon에 눈에 띄는 차이는 보이지 않았다.따라서 본 실험에서는 유동배열에 따른epsilon의 차이는 관찰할 수 없었다.하지만 일반적으로 평행류보다 대향류의 전열효율이 상대적으로 우수한 경향을 보인다. 전열량에 영향을 주는 인자 중의 하나가 열교환기 내에 흐르는 두 유체의 온도차인데, 이 온도차이 분포가 두 방식에서 크게 차이가 나게 되고 이로 인해 전열효율이 달라지게 된다.평행유동에서는 동일한 흐름 방향의 배치이기에 두 유체의 입구 역시 동일 지점으로, 열교환기 입구에서 두 유체간의 온도차이가 제일 크고 출구 쪽으로 갈수록 그 온도차는 크게 감소한다. UA가 클 경우는 두 유체 온도가 거의 같은 온도가 되어 온도차는 0으로 수렴하게 된다. 즉, 입구지역에서는 전열효율이 매우 높지만 하류로 갈수록 그 효율이 떨어진다. 이에 비해 대향유동은 흐름이 반대 방향이어서 한 유체의 입구지점이 다른 유체의 출구 지점이 된다. 따라서 온도차이 평행유동에 비해 비교적 고른 분포를 하게 된다. 즉, 열교환 전 지역에서 비교적 고른 전열효율을 가진다. 전열효율성 관점에서 보면, 비록 평행류식 경우 입구지역에서 전열효율이 제일 높지만 이 효과보다는 하류로 갈수록 전열효율이 감소하는 효과가 더 크기 때문에 전체적인 전열효율성
1. 복합재료의 종류1)복합재료의 구분1. 인위적으로 제조된 것(천연에 존재하는 것은 제외)2. 물리적이건 화학적이건 그 성질이 서로 다른 재료로 구성되어 있는 것.3. 구성된 그들을 분리하는 계면이 존재하는 것4. 각각의 구성성분이 가지는 성질이외의 새로운 다른 특성을 갖는 것2)복합재료의 조건1. 기지재 (matrix materials)- 혼합비율에 따라서 구성 비율이 상대적으로 가장 높은 재료2. 강화재 (reinforcements)- 기지재의 취약한 부분을 보강해 주는 재료. 기지재에 파묻혀서 존재.※기지재와 강화재는 물성이 서로 다르기 때문에 제조에서부터 가공, 접합 등의 공정을 거친 생산품에 이르기까지의 공정은 물론이고 생산된 제품의 설계 의도대로 제 기능을 발휘 할 수 있는지가 가장 중요한 관건이 된다.3. 복합재료는"tailored materials," 즉 맞춤식 재료이기 때문에 기지재와 강화재의 구성요소에 따라 그 종류도 다양하다.3)복합의 종류-복합재료의 종류에 대한 구분은 명쾌하지 않고 학자별로 조금씩 다르다. 그러나 기본적으로 그 구성 재료에 따라서 분류된다. 얼마 전까지만 해도 강화재가 섬유임에 기준을 두었기 때문에 FRM(fiber reinforced metals), FRP(fiber reinforced polimers), FRC(fiber reinforced ceramics)로 구분되었지만, 최근에 단섬유계의 강화재가 다양하게 개발되고 복합재료에 대한 연구의 활성화와 더불어 각 분야에 대하여 학문적으로 틀을 갖추게 되면서 다음과 같이 matrix 재료를 기준으로 하여 분류하는 경우가 일반적으로 되었다고 해도 과언이 아니다.1. MMCs(metal matrix composites)2. CMCs(ceramics matrix composites)3. GMCs(glass matrix composites)4. C-C (carbon-carbon composites)5. CCCs(ceramics-ceramics composites)등.6. MMC 방법이다. 또는 가압백 성형에서 형 및 그것에 밀착시킨 적층성형재료를 연질고무 내지 플라스틱 필름으로 된 자루에 넣은 그대로 오토클레이브의 안에 넣어서 가열 가압 경화시키는 성형방법을 오토클레이브법이라 한다.2) 압축 성형 (Compression Molding)본 실험에서 사용된 복합재료 적층방법이다. 열경화성수지 또는 열가소성수지의 가장 일반적인 성형법으로서 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 나일론, 아크릴 수지 등의 플라스틱 분말을 전해로 가열한 금형에 넣고 암형을 밀어 올려서 닫고 열과 압력을 가한다. 그 동안에 분말은 경화되어 필요한 형상이 되는데, 다음에 금형을 열고 성형품을 꺼낸 후 금형에서 비어져 나온 부분에 대해 주조날개 따기 등의 다듬질을 한다. 본 실험에서는 CFRP prepreg를 [0/90]S, 4-ply로 적층시켜 온도와 압력을 가하여 결과물을 얻었다.3) 필라멘트 와인딩(FW: filament winding)필라멘트 와인딩은 섬유강화재를 수지혼합물에 통과시킨 후 젖은 상태로, 회전하는 원통형의 실패(맨드렐:mandrel)에 연속적으로 감음으로서 진행된다. 필라멘트 운동방식과 감기는 각도, 맨드렐의 좌우, 회전운동이 잘 조화, 조절되어야 균일한 두께의 제품을 만들 수 있다. 필라멘트와인딩에 쓰이는 수지로는 다양하지만 주로 폴리에스터와 에폭시가 일반적이다. 첨단복합재료에는 강성이 높은 탄소섬유를 많이 사용하고 있다.3. 조사 내용● 복합재료의 일반적인 특성1. 높은 비강도와 비강성을 갖는다.본 실험에서 사용된 CFRP의 경우 탄소 섬유들이 에폭시 수지에 파묻히는 형태로 존재하기 때문에 전통재료보다 낮은 비중을 가지므로, 단위 밀도 대비 높은 강도와 탄성계수를 갖는다. 무게를 줄여야 하는 자동차나 항공기 제조에 주로 사용된다.※ 아래 을 통하여 순수재료들에 비해 복합 재료가 높은 비강도를 가짐을 알 수 있다.재료밀도(g/cm3)탄성계수GPa인장강도MPa항복강도MPa탄성계수/r(106m)인장강도/r(103m)SAE 1010강(냉간)AI재료는 대개 항복현상을 일으키지 않는다. 또한 추가적인 가공이 필요 없는 정형가공으로 최종제품을 얻는다.● 다양한 복합재료들이 갖는 특성1)유리섬유녹인 유리를 기계적으로 잡아 늘이는 방법, 공기나 수중기로 날리는 방법,원심력에 의해 주위에 날려 붙이는 방법 등으로 섬유 모양을 만든다.종류로 장섬유와 단섬유(유리솜. 글라스울)가 있다.- 용도강화된 플라스틱 복합재료로 된 화학탱크, 절연제, 중전기기, 선박설비. 레저용 보트들 중 70%가 유리섬유로 강화된 플라스틱 재료로 제작 이점으로 강도가 높고,내구성이 크며 유지비가 적게 들고, 부식, 녹, 나무 썩음 등의 재래선박의 문제점이해결되고 이음매가 없이 모든 크기의 보트 설계 제작이 가능하다.그 외 가정용품으로는 가구, 칸막이, 쟁반 등이 있고, 스포츠 용품으로는 활, 화살,라켓, 수영장의 기구, 서핑보드, 스케이트보드, 등 다양하다.- 특징고온에 견디며, 불에 타지 않으며, 흡수성이 적다.인장강도가 강하고 신장률이 적고, 전기 절연성이 크다.화학적 내구성이 있기 때문에 부식하지 않는다.내마모성이 적고, 부서지기 쉬우며 부러진다.비중은 나일론의 2.2배, 무명의 1.7배이며, 매트로 만든 것은 단열.방음성이 좋다.이러한 특성을 이용하여 내화직물이나 전기 절연재료 쓰이며, 건축에서 보온.보냉재,흡음방음재, 공기여과 등에 사용된다.유리섬유를 플라스틱 보강재로 사용한 섬유강화플라스틱(FRP)이 개발됨.사용할 수 있는 합성수지는 종류가 많으나 주로 불포화 포리에스테르 수지가 사용함- 성질매트릭스의 보강용 섬유 : 섬유강화 복합재료의 개념은 강도가 우수한 섬유에 응력을 분담시키고 매트릭스는 섬유를 붙들어 섬유에 되집어 응력을 전달하는 역할과 환경으로부터 섬유를 보호한다는 점이다..종 류지름(㎛)筠덴?/㎥인장강도탄 성 율무기계유리섬유 E- 유리102.543.43.〃 S- 유리102.484.6피계섬유탄소섬유 (HT)고강도81.742.45220.〃 (HM)고탄성81.842.45392피치피치계 T12.51.652.25320.〃 M은 섬유는 제조시 높은 온도가 요구되므로 가격이 훨씬 비싸진다.피치계 섬유보다 PAN계 섬유가 균일한물성을 갖고 다루기가 쉬워 대부분의 복합재료용 탄소섬유로는 PAN계 섬유가 사용되고 있다.- 특징탄소는 강한 산화 환경 또는 용해된 금속과의 접촉을 제외하고는화학적으로 불활성이고, 방음성이 우수한 전도체이다.(PAN)이나 레이온 섬유 등의 유기섬유 또는 석유 피치등의 피치계를 원료로 하고이것을 소성하여 얻는 섬유(비중은 1.7-1.85)비자성 고강도 낮은 선팽창률과 열변형 경화수축 외강화제이다.인장에 관계되는 성질은 공정상의 변수(열처리온도, 시간, 길이), 원료유형, 표면처리와 표면과 내부의 결함 유무에 따라 크게 좌우된다.단점으로 자체만으로 부서지기 쉽고, 충격에 약하며, 낮은 신장률과 상대적으로 낮은 압축강도 및 아주 작은 열팽창계수를 갖는다.(이 점은 공정을 복잡하게 하는 경우를 제외하고는 장점으로 간주되기도 한다.)- 용도강도, 인성 및 경량성을 이용하는 항공기 날개, 헬리곱터 rotor blade, 자동차 운전대, 자동차와 선박의 구조지지 프레임, 경주용 자동차의 차체, 우주선, 골프채, 낚시대, 스키,테니스채등이 있다.열적 성질을 이용하는 미사일, 로켓에 대한 과열 방지재료, 우주선 안테나(열팽창 계수가 낮기 때문), 항공기 브레이크등이 있다.화학적 불활성을 이용하는 저장탱크, 우라늄 농축 원심 분리기견고함과 흡습성을 이용하는 악기, 오디오 스피커전기전도성을 이용하는 주파간섬 차폐벽(금속만큼 우수하지는 못함), 접촉스위치생물학적 불황성x-선 투과성을 이용하는 인공관절, 심장판막, X-ray등 많은 곳에서 활용하고 있다.- 성질PAN-계 섬유저인장률고인장률인장률3356인장강도(ksi)0.480.35연신율(%)1.40.6밀도(g/cc)1.81.9탄소 함량(%)92-97100PITCH-계 섬유인장률2355인장강도(ksi)0.20.25연신율(%)0.90.4밀도(g/cc)1.92.0탄소 함량(%)9799RAYON-계 섬유인장률5.9-인장강도(ksi)0.15- 등에 공기를차단하고 600~900℃ 로 가열하여 탄화시킨 다음, 염화아연 등의 금속염화물을 작용시켜서 활성화하여 만든다.4) 탄화규소(silicon carbide, SiC)탄화규소와 붕소(boron, B)는 높은 인장률을 갖는 강화재료이다.Al2O3이 산화물 세라믹스의 대표라면 SiC는 비산화물 세라믹스의 대표 격으로널리 쓰이고 있다.SiC섬유는 세라믹과 금속 복합재료의 강화재료로 용도가 활발히 개척되고 있으며, boron섬유는 주로 고성능의 에폭시 강화재료로 쓰이고 있다.특히 물성이 뛰어난 SiC는 다른 강화재료보다 훨씬 비싼 가격문제만 해결된다면 많이 쓰이는 강화재료가 될 것이다.- 특징SiC섬유는 Boron섬유보다 매끄러운 표면을 갖는다.텡스텐 섬유에 CVD를 함으로써 만들어지는 SiC 섬유도 있지만고온성질은 탄소섬유를 원료섬유로 한 것이 SiC가 고온에서도 탄소와 반응하지 않기 때문에 우수하다. 이점은 금속을 매트릭스로 사용할 때 강화재료의 조건으로 특히 중요하다.- 용도제조방법에 상관없이 SiC섬유는 대략 1,000℃까지 강도저하가 없고, 복합재료화할 때 매트릭스와의 화학반응이 적다.그래서 안정한 복합재료를 구성할 수 있어 최근 고온구조재료, 내열내마모재료로의 사용이 활발하다.- 성질섬 유지 름 (㎛ )밀도ρ(g/㎠)인장강도σ(GPa)탄성률 E(GPa)최고사용온도 (℃)SiC monofilamentSCS1403.053.454101299Sigma1003.43.454101259β-SiC multifilamentNicalon102.552.621931204SiC whiskerVLS4~73.28.35801400SiTiCoTyranno102.52.761931300Si3N₄TNSN102.53.32961204BB/W, AVCO1002.63.4400Borsi/W, AVCO1002.73.1400● 주요공업재료의 성질 비교재료밀도(g/cc)인장강도(ksi)비인장강도인장률(Msi)비인장률강7.814519293.5Ti4.513430163.5Al2.86724103.5유리섬유미한다.
2013-1학기 인하대학교 열교환기 보고서
