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[기계공학실험]레이놀즈수

실험 요약본 실험은 파이프관을 흐르는 물의 임계 레이놀즈 수를 측정한다. 관의 유동에서 물의 흐름상태를 파악한다. 관내 유동에 염료를 주입하여 염료의 확산을 통해서 층류와 난류를 파악한후 일정시간동안에 관을 통과한 물의 양을 측정하여 부피를 파악하고 유량을 계산하여 레이놀즈 수를 측정한다. 측정된 임계 레이놀즈 수와 이론적으로 알려진 임계 레이놀즈 수를 비교하여 보고 어떠한 요소들이 레이놀즈 수에 영향을 미치는지 고찰해본다.층류유동에서 난류유동으로 진행되는 상임계 레이놀즈 수와 난류유동에서 층류 유동으로 진행되는 하임계 레이놀즈 수를 각각 3회씩 측정하여 데이터를 얻는다. 실험결과 하임계 레이놀즈 값은 상임계 레이놀즈 값보다 작았으며 이는 관내의 압력손실이 주된 원인임을 알 수 있었다.목차요약 1목차 2서론1. 실험목적 32. 실험이론 32-1. 층류 유동과 난류 유동32-2. Reynolds수42-3. 상사의 법칙62-4. 유체역학에서 흔히 사용하는 무차원 수6본론3. 실험장치74. 실험방법75. 실험결과8결론6. 결과 분석 및 고찰117. 참고 문헌11그림목차그림 1. 촛불연기의 층류 및 난류3그림 2. 층류와 난류 유동4그림 3. 관의 수력 직경5그림 4. 천이 유동 영역5그림 5. 실험장치의 구조7그림 6. 상/하임계 레이놀즈 수 측정 결과의 비교 그래프10그림 7. 관내류의 압력 손실11표 목차표 1. 실험조건8표 2. 상임계 레이놀즈 수 측정 결과10표 3. 하임계 레이놀즈 수 측정 결과101. 실험목적실제 유체의 유동은 점성의 존재로 대단히 복잡하게 진행한다. 유체에 점성의 영향은 임계 레이놀즈수를 기점으로 층류와 난류로 구분하는데 그 경계면의 유동을 천이구역이라고 한다.본 실험은 관의 유동에서 물의 흐름상태와 층류, 난류의 개념을 이해하고 임계레이놀즈수를 산출하는 데 목적이 있다.2. 실험이론2-1 층류 유동과 난류 유동담배를 피는 사람 옆에 있을 때 담배 연기를 살펴보면 처음 몇 센티미터는 매끈하게 올라가다 그 이후는 올라가면서 임의의 방향으로 흔들리는 것을 볼 수 있다. 마찬 가지로 파이프 내부 유동도 자세히 보면 낮은 속도에서는 매끈하게 흐르나 어떤 임계값 이상에서는 혼돈 양상을 보인다. 전자의 경우를 층류(Laminar)라고 부르며 유선이 매끈하고 질서정연한 유동특성을 보이고, 후자의 경우는 난류(Turbulent)라 부르고 속도가 요동치고 매우 무질서한 유동특성을 보여준다. 층류에서 난류로의 천이(Transition)는 급작스레 일어나지는 않고, 난류가 되기 전 난류와 층류유동 사이를 반복하는 일정 영역에 걸쳐서 발생한다. 실제 마주치는 대부분의 유동은 난류이다. 층류는 소구경관 내부의 오일 유동과 같은 높은 점성 유동에서 나타난다.그림 1. 촛불 연기의 층류 및 난류층류, 천이, 난류 유동의 존재는 약 100년전 영국 엔지니어 Osborne Reynolds가 시도했던 유리관 내를 흐르는 유동에 염료를 주입함으로써 확인할 수 있다. 염류선은 층류인 낮은 속도에서는 매끄러운 직선을 이루다가(분자확산에 의해 다소 흐릿해질수 있음), 간헐적 요동이 나타나는 천이영역을 거쳐 완전 난류가 되면 임의적이고 빠른 지그재그 운동을 한다. 이러한 형상과 염료의 확산은 주 유동이 요동치고 서로 가까이 있는 유체입자들 간에 혼합이 바르게 일어나고 있음을 보여준다.그림 2. 층류와 난류 유동2-2 Reynolds수층류에서 난류로의 천이에는 여러 변수 중에 특히 기하학적 형상, 표면조도, 유동속도, 표면온도, 유체의 종류 등이 영향을 미친다. 1880년대 Osborne Reynolds는 실험을 통해 유체의 관성력과 점성력의 비가 유동 영역을 결정한다는 것을 발견하였다. 이 비를 Reynolds 수 라고 부르며 원형 파이프 내 유동의 경우 다음과 같이 정의된다.여기서= 평균 유동 속도(m/s), D = 기하학적 특성의 길이,= 유체의 동점성 계수()이다. 레이놀즈 수는 무차원량이다. 동점성계수의 단위는로 점성 확산계수 또는 운동량 확산계수로 이해할 수 있다.유동이 난류가 되기 시작하는 레이놀즈 수를 임계 레이놀즈 수()라 부르는데, 이 값은 기하학적 형상과 유동조건의 함수이다. 원형 파이프 내부유동의 경우 임계 레이놀즈 수는 일반적으로=2300 으로 알려져 있다.비 원형 파이프의 내부유동의 경우 Reynolds 수는 수력직경()으로 정의된다.수력직경 :여기서는 파이프의 단면적이고 p는 접수둘레(Wetted perimeter)이다. 원형 파이프의 경우 수력직경은 직경 D와 같은 값이 된다.원형 파이프 :그림 3. 관의 수력 직경층류, 천이, 난류유동에 대한 정확한 레이놀즈 수를 알면 좋겠으나 실제로는 그렇지 못하다. 층류에서 난류로의 천이는 표면조도, 파이프 진동, 그리고 유동내부의 요동 등에 영향을 받기 때문이다. 대체로 원형 파이프 유동의 경우 다음과 같이이면 층류,이면 난류 그리고 그 사이가 천이 영역으로 구분된다.laminar flowtransitional flowturbulent flow천이 유동에서는 층류와 난류가 임의적으로 반복된다. 파이프 내부표면이 아주 매끈하고 파이프 진동과 유동의 교란이 없는 경우에는 매우 높은 Reynolds 수 에서도 층류가 될 수 있다.그림 4. 천이 유동 영역2-3 상사의 법칙2개의 물체에 대해 흐름이 상사이기 위한 필요조건은 우선 물체의 형상이 기하학적으로 상사형이어야 한다. 다음에 흐름은 외력, 압력의 차에 의한 힘, 점성력등과 관성력이 균형이 되도록 동일해야 한다.=(운동방정식)에서 우변 제 2항의는 실물과 모형이 동일하므로 그 계수이 동일해야 한다. 즉 이 역수는가 된다.2-4 유체역학에서 흔히 사용하는 무차원 수하나의 가상 흐름을 생각하여, 이 흐름장 내의 두 점 사이의 압력차가 속도 V, 흐름 내의 특성 길이 L, 유체의 밀도, 점성계수, 체적탄성계수, 표면장력, 유동 유체와 자유수면 위에 있는 유체와의 단위 중량차의 함수라고 가정하자. 맨 나중에 나와 있는 변수는 파랑과 같이 자유수면이 있는 흐름에서는 중요한 변수이다. 이상의 변수들에 대한 함수관계는 다음과 같다.여기서,위 변수들을, V, L을 결합 변수로 하여 차원해석을 하면, 다음과 같은 무차원 매개변수들의 함수 관계를 얻을 수 있다.위 식의 좌변은 차원 문제의 아무 영향을 미치지 않고서으로 정리할 수 있다. 이렇게 하면 이 항을 압력계수 형태로 대입할 수 있고, 음속 c는이므로 다음과 같이 정리한다.좌변의 매개변수는 압력 계수로서 우변의 무차원 매개변수에 종속인 것처럼 보인다. 우변의 첫 번째 매개변수는 레이놀즈 수 이고, 두 번째 매개변수는 Mach수, 세 번째 매개변수는 Weber수, 마지막 매개변수는 Froude수의 제곱이다.① Froude Number :⇒ 수면에 생기는 중력파의 문제라든가 선박의 조파저항 또는 관로에 의한모래, 석탄 등의 수송에 마찰 손실을 논하는 문제에 적용② Mach Number :⇒ 운동하는 유체의 내부에너지에 대한 운동에너지 비라고도 할 수 있다. 특히 속도가 음속에 가까울 때 또는 음속 이상인 유동에 적용③ Euler Number :④ Weber Number :⇒ 표면장력이 중요하게 작용하는 기체-액체 또는 액체-액체의 접촉면 또는접촉면과 고체 면과의 교선, 표면 인장력, 물방울의 형성, 극히 작은 수두를 갖는 오리피스나 위너의 유동에 적용3. 실험장치①②③④⑤⑥그림 5. 실험장치의 구조① 시료 주입부② 항온수조③ 유체가 흘러가는Pipe line④ 수조 입구⑤ 수조 출구⑥ Pipe line 출구유체의 유속은 ⑥의 유체 출구에서 측정하게 되며, 유체의 밀도와 점도, 그리고 측정된 유체의 유속을 이용해 Reynolds Number를 계산하게 된다.4. 실험방법① 물의 흐름을 관찰하기 쉽도록 투명한 항온조를 수조로 준비한다.② 급수밸브를 열어 수조에 물을 가득 채우고, 물탱크는 항상 수두를 일정하게유지하기 위해 넘치는 물은 over flow시킨다.③ 수조 출구의 밸브를 열어 물이 흐르게 하고 착색액의 밸브를 조정하여 가는선이 되도록 한다.(착색액 유출 바늘의 위치를 조정해 준다.)※ 상임계 레이놀즈수의 측정(층류 → 난류)④ 수조 출구의 밸브를 서서히 열어 관내의 물의 유속을 증가시킨다.⑤ 난류가 발견되면 mass cylinder 및 stop watch로 10초간 흘러나온 유량을 측정 한다.⑥ 유량을 3회에 걸쳐 측정하고, 주위의 충격, 진동을 방지한다.※ 하임계 레이놀즈수의 측정⑦ 난류상태가 되도록 수조 출구의 밸브를 많이 열어놓고 위 실험의 역과정을실시한다.⑧ 측정된 data에서 물의 속도를 구한다. 물의 유속은 출구 쪽 관의 단면적과흘러나온 물의 부피, 그리고 채취 시간을 이용하여 구할 수 있다.⑨ 계산된 유속을 이용하여 Reynolds Number를 구하고 유동의 특성을 추측한다.※ 실험장치 사용시의 유의사항Reynolds Number의 계산을 위한 유체 유속의 측정 실험을 통해 유체 흐름의 원리를 이해하고, 공정설계에 적용할 수 있다. 본 실험에 사용되는 장치의 사용 시 다음과 같은 몇 가지 유의사항이 있다.① 유체의 유속 결정시 항상 출구 쪽의 유체를 취하여야 한다.② 실험이 진행되는 동안 유체의 온도를 일정하게 유지하기 위해서, 수조의온도를 항상 일정하게 유지해야 한다.5. 실험결과물의 온도(℃)점성계수(N?s/㎡)밀 도(㎏/㎥)표 . 실험 조건관의 직경(d) = 25mm< 계산과정 >? 상임계 레이놀즈수 측정- 1회? 받은 물의 부피 측정 :? 물의 무게 :? 유량 :? 레이놀즈수 :- 2회? 받은 물의 부피 측정 :? 물의 무게 :? 유량 :? 레이놀즈수 :- 3회? 받은 물의 부피 측정 :? 물의 무게 :? 유량 :? 레이놀즈수 :? 하임계 레이놀즈수 측정

공학/기술| 2010.12.22| 11페이지| 1,000원| 조회(193)

레이놀즈, 레이놀즈수, 레이놀즈실험

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[기계공학실험]제트반동

실험 요약이번 실험은 압력을 받고 있는 유체로부터 압력을 이용하여 유체를 가속시켜 빠른 속도의 분류(Jet)를 하여 운동량의 변화로 기계적 일을 얻어내는 과정에서 충격량과 운동량의 관계에 대해서 알아본다. 급수관을 통해 물을 공급하여 노즐(Nozzle)을 통해 분사하고 분사된 물은 반구형 컵 날개를 치게 되어 분사되는 물에 의한 충격력을 구한다. 또한 실린더 밑으로 흘러나가는 물을 통해 유량을 측정하여 속도, 모멘텀, 힘, 실험계수 등을 구해보고 충격량과 운동량의 관계에 대해서 고찰해본다.실험결과 노즐에서 분사된 물의 속도는 충돌전후 약0.2m/s정도로 비교적 고른 변화가 있었고 물의 모멘텀과 힘과의 관계도 대체적으로 비례하는 결과를 보여주었다.목차요약 1목차 2서론1. 실험의 목적 32. 실험 이론 32-1 날개가 평판일 때 42-2 날개가 반구형일 때 4본론3. 실험장치 54. 실험방법 55. 실험결과 65-1 실험장치의 주요치수 65-2 결과값 계산 75-3 표로 나타낸 데이터 값 105-4 그래프 10결론6. 결론 및 고찰 117. 참고 문헌 11그림목차그림 1. 날개에 부딪힌 분류의 각도변화 3그림 2. 실험장치의 구성 6그림 3. 노즐의 속도와 깃에 부딪힌 후의 속도의 비교 10그림 4. 물의 모멘텀과 힘과의 관계 10그림 5. 질량에 따른 실험계수 C의 비교 11표 목차표 1. 실험장치의 주요 치수표 6표 2. 데이터 값 101.실험목적압력을 받고 있는 유체로부터 기계적 일을 유출해 내는 한 방법으로, 그 압력을 이용하여 유체를 가속시켜 빠른 속도의 분류(jet)가 되도록 하는 것이다. 이렇게 하여 가속된 분류는 터빈의 깃으로 향하게 되고, 깃에 부딪힌 분류의 운동량의 변화 즉 충격량으로 인해 발생된 힘에 의해서 터빈은 회전하게 된다. 본 실험에서는 물의 분류가 평판 깃 혹은 반구형 깃에 부딪힐 때 발생되는 힘을 측정하고, 이를 분류의 운동량과 비교해 봄으로써 충격량-운동량 원리에 대한 이해를 도모하고자 한다.2.실험 이론압력을 받고 있는 유체로부터 기계적 일을 유출해 내는 한 방법은, 그 압력을 이용하여 유체를 가속시켜 빠른 속도의 분류(jet)가 되도록 하는 것이다. 이렇게 하여 가속된 분류는 터빈의 깃을 치게 되고 이 마찰력으로 인하여 터빈은 회전하면서 기계적인 일을 하게 된다.노즐(Nozzle)로부터 분사되는 방향인축에 관해 대칭인 평판 날개에 유속로의 충격을 가한 후의 각도로 전향 되면서 유속이된다고 가정하자. 날개를 치기 전후의 고도차와 정수압 차는 아주 작으므로 거의 무시하면 날개를 향해방향으로 유입하는 물의 momentum은이며 날개를 떠나는 물이 가지는 운동량의방향 성분은이다. 역학적 - 운동량의 원리란 충격전후의 운동량의 변화율이 바로 충격량과 같음을 의미하므로 유체의 흐름은 에너지를 가지고 운동하고 있는 것이다. 이것을 유용하게 이용하기 위해서 압력을 받는 유체를 고속으로 분출해야 한다. 즉, 고속의 유체는 많은 운동에너지를 가지고 있고, 이것을 충격에너지로 바꾸어서 사용할 수 있다. 과 같이 노즐로부터 분사된 사출 수맥의 방향 즉축에 대칭인 반구형 날개에의 속도로율인 분류가 충격을 준 후의 각도로 변하면서 유속이로 되었다고 한다. 날개를 치기 전후의 사출의 흐름 높이차 와 정수압차는 아주 미소하므로 무시한다. 에서 유입할 때의 운동량은방향으로이고 유출할 때의 운동량은이다.분류에 관하여축 방향의 힘는 운동량 변화율과 같다.그림 1. 날개에 부딪힌분류의 각도변화축에서 날개에 대한 것으로 하면 상기와 위치가 반대이므로2-1)날개가 평판일 때이므로이다.위의 식으로부터여기서 Fp : 평판이 받는 힘W : 유량 [kg/s]: 입구의 유속 [m/s]2-2)날개가 반구형일 때이므로이다. 즉이상에서와 같이 분류가 날개를 치기 전후의 높이 차이와 정수압차를 즉 에너지 손실을 무시할 때 V1의 최대치는와 같게 되므로 반구형의 컵이 받는 가능 최대 충격력은날개로써 평판을 사용할 경우 ()한편, 반원형 컵을 사용할 경우에는 ()전술한 바와 같이 JET가 날개를 치기 전후의 물의 고도차와 정수압 차를 무시할 때의 최대치는가 되므로 반원형 컵이 받는 최대 충격력은jockey의 무게는 0.61(kg)× 9.81(N). jockey가 영점으로부터만큼 움직였을 때, vane이 얻을 수 있는 힘 F는 모멘트의 평형으로 얻을 수 있다.그리고와와의 관계는 에너지 보존 법칙에 의해 다음과 같다.출구에서 운동에너지 = 나갈 때 위치에너지운동에너지여기서 s는 노즐과 깃 사이의 간격이다.3.실험장치그림2. 실험장치의 구성급수관을 통해 공급되는 물은 끝단에 Nozzle을 가진 연직관을 통해 분사토록 되어 있으며 분사된 물은 반원형 컵 날개를 치게 되어 있으며 컵은 저울대에 연결되어 있다. Nozzle과 날개는 투명한 cylinder속에 들어 있으며 cylinder의 바닥 부분에는 유출관이 연결되어 있어 이로부터 흘러나가는 물을 측정 유량을 계산해 낼 수가 있다. 또한 바닥 부분에는 분사된 물이 날개를 정확하게 때릴 수 있도록 Nozzle을 정지시키기 위한 control screw가 3개 장착되어 있다. 날개를 지지하는 저울대는 저울 역할을 하는 것으로서 스프링에 연결되어 있고 한쪽 끝은 "ㄱ"자 모양으로 저울대 수평조절 나사에 의해 저울대의 평형을 맞추면 이를 표시하도록 되어 있다. Nozzle로부터 분사되는 물에 의한 충격력은 저울대의 평형을 깨뜨리게 되며 이때 저울추를 오른 쪽으로 움직여 꼬리표가 원리를 평형상태를 가리키도록 함으로써 충격력의 크기를 측정하게 된다.4.실험방법① 추를 지렛대의 영점에 놓고 스프링의 위에 있는 너트를 이용하여 지렛대를수평으로 조정한다.② 분류가 깃의 중심에 정확히 향하도록 조정나사를 조정한다.③ 펌프를 가동시키고 밸브를 열어 물이 분사되도록 한 다음 추를 이동시켜 지렛대가다시 수평을 이루도록 하여 거리를 측정한다.④ 시간이 흐르면 계측수조에 고이는 물의 무게로 인하여 추가 올라가게 되어 정지대 닿게 될 때 시간을 측정 한다(시간은 밸브를 열어 물이 분사되는 시간부터 추가 정지대에 부딪치는 시간까지를측정해야 유량을 계산할 수 있게 된다.)⑤ 실험결과의 기록표에는 계측수조에 모인 물의 양과 이에 소요된 시간 및 추의 위치를 기록한다.⑥ 밸브의 여는 정도와 추의 질량을(6kg,12kg) 바꾸어 가며 실험하여 유량과 힘과의관계를 살펴본다.5.실험결과(Sample)5-1)실험장치의 주요치수실험장치의 주요치수노즐의 직경 : 10 mm추의 질량 : 610 g지지점에서 깃 중심까지의 수직거리 151 mm노즐출구에서 깃 중심까지의 수직거리 40 mm표 . 실험 장치의 주요 치수표● 힘(깃에 작용한)● 유량(노즐을 통과하는)● 속도 ()(1)노즐 출구에서(2)깃에서 반사될 때● 실험계수깃에 전달되는 힘 / momentum5-2) 결과값 계산1. m=6kg 일 때. (1회)2. m=6kg 일 때. (2회)3. m=6kg 일 때. (3회)4. m=6kg 일 때. (4회)5. m=12kg 일 때. (1회)6. m=12kg 일 때. (2회)7. m=12kg 일 때. (3회)8. m=12kg 일 때. (4회)waterweightQm3/secTsecxmUm/secU0m/secρQU0NFNCF/ρQU06kg1회0.000125947.670.1671.602571.335450.168136.6186839.3632회0.000138943.200.1921.768391.530490.212587.6089235.7933회0.000189831.610.1982.416612.248380.426747.8467018.3884회0.000198130.280.2162.522932.362280.467738.5600318.30112kg1회0.000145682.380.1721.854681.629430.237296.8163228.7322회0.000172969.390.2012.201882.015810.348537.9655922.8553회0.000175468.420.2132.233262.050040.356718.4411523.6644회0.000176567.990.2102.247222.065240.364518.3222622.831표 2. 데이터 값5-3)데이터 값을 표로 나타내면5-4)그래프그림 3. 노즐의 속도와 깃에 부딪힌 후의 속도의 비교그림 4. 물의 모멘텀과 힘과의 관계그림 5. 질량에 따른 실험계수(C)의 비교6. 결론 및 고찰본 실험은 물을 반구형의 컵에 발사하여 반구형의 컵에 달린 지렛대가 수평에 이르는 거리와 추가 정지대에 닿을 때까지의 시간을 측정하여 힘, 유량, 속도와 실험계수를 구해보는 실험이였다. 결과에 따르면 물이 노즐에서 최초로 나올때의 속도와 충격후의 속도차가 대략 0.2m/sec정도로 균일하게 나타나는 것을 알 수 있다. 물의 모멘텀과 힘과의 관계는 실험회차마다 다르지만 대부분 6N 이상으로 큰 차이가 났음을 알 수 있다. 질량에 따른 실험계수는 12kg의 경우 비교적 고른 값이 나왔다. 반면 6kg의 추를 달고 실험을 했던 경우에는 1,2회와 3,4회의 값이 크게 차이가 발생했는데 밸브를 열어서 유량을 늘릴 때 왼쪽으로 밸브를 한바퀴씩 돌려서 유량을 증가시켰는데 실험장치의 특성상 선형적으로 유량이 증가되지가 않아서 오차의 원인이 발생하게 되었다고 본다.

공학/기술| 2010.12.22| 11페이지| 1,000원| 조회(193)

기계공학실험, 유체역학, 분류, 유체, 유량, 제트반동

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[기계공학실험]열전도계수

실험 요약열전달의 3가지 모드 중 하나인 ‘전도’에 관련된 실험이다. 전도 열전달 프로세스는 비율방정식으로 정량화 되어 있는데 본 실험에서는 금속 시편의 온도를 측정하여 열전달계수를 직접 구하는 것을 목표로 한다. 추가적으로 실험장치에 사용된 열전대에 대해서도 알아본다.재질이 다른 금속을 직렬로 연결시켜 열을 통과시킬 때 열유동 방향으로 온도를 측정한다. 실험 장치에는 모두 12개의 열전대가 있는데 처음의 것은 세팅한 온도, 맨 끝의것은 외부에 노출된 냉각수가 나오는 부분이다. 시험 장치를 예열한 후 첫 번째 열전대에서 세팅한 온도가 되면 측정을 시작한다. 측정값을 토대로 하여 금속봉 내부의 온도구배와 열전달량을 알 수 있고 이를 통해서 금속의 전도 열저항 및 열전도계수를 구한다.실험 결과 각 구간의 온도차는 거의 일정하였으나 중간에 시편(스테인레스-스틸)이 있던 곳은 스테인레스-스틸과 구리와의 열전도계수 차이로 인하여 큰 온도 차이를 보였다.목차요약 1목차 2서론1. 실험목적 32. 관련이론 및 실험원리 3(1) 열전달의 개념 3(2) 전도 3(3) 실험원리 4(4) 좌표계의 종류에 따른 열전도 방정식 7(5) Thermocouple(열전대) 7본론3. 실험장치74. 실험방법 85. 실험결과 및 용어정리85.1 결과정리 85.2 열전대의 종류 및 특징 95.3 Seeback Effect 13결론6. 결과분석 및 고찰157. 참고 문헌15그림목차그림 1. 전도에 의한 1차원 열전달4그림 2. 전도에 의한 열전달5그림 3. 접촉 저항에 의한 온도 하강6그림 4. 실험 장치7그림 5. Thermocouple 위치에 따른 온도 변화9그림 6. Thermocouple의 구간별 온도 변화량9그림 7. 열기전력의 발생14표목차표 1. 시편 제원8표 2. 온도데이터8표 3. 계산값8표 4. 열전대의 종류에 따른 온도 범위10표 5. 열전대의 종류 및 특징121. 실험목적열전달이란 물체사이의 온도차에 의해서 일어나는 에너지 유동을 말한다. 열전달 프로세스에는 전도(condu지고 운동하고 있는 유체사이에서 발생되는 열전달을 뜻한다. 열복사는 유한한 온도의 모든 표면이 전자기파의 방식으로 에너지를 방출함으로 인하여 일어나게 되고 중간매질이 없을 경우에도 서로 다른 온도의 두 평면사이에서 복사에 의한 정미 열전달이 있게 된다.⑵ 전도전도는 매질내의 좀더 활발한 입자와 덜 활발한 입자 사이의 상호작용에 의한 입자간의 에너지전달로 생각할 수 있다. 전도에 대한 예로는 뜨거운 커피 잔에 잠겨진 금속 스푼의 끝은 스푼을 통한 에너지의 전도에 의하여 뜨거워지는 현상을 들 수 있다. 겨울에는 가열된 방으로부터 바깥 공기로의 많은 에너지손실이 있으며, 이 손실은 주로 방안의 공기와 바깥공기를 구분 짓는 벽을 통한 전도 열전달에 의한 것이다.전도 열전달 프로세스는 적당한 비율방정식으로 정량화 하는 것이 가능하며 이 방정식은 위 시간당 전달된 에너지의 양을 계산하는데 사용될 수 있다. 열전도에 대한 비율방정식은 Fourier법칙으로 알려져 있다. 아래 그림에 나타낸 바와 같이 온도 분포를 가지는 1차원 평면 벽에 대한 비율방정식은 다음과 같이 표현된다.열유속은 전달방향에 수직인 단위면적당방향으로의 열전달률이며, 이 방향으로의온도구배에 비례한다.비례상수는 열전도율이라고 하는 전달 물성치이며, 벽재료의 특성이기도 하다. 음의 부호는 열이 고온에서 저온으로 전달되는 것을 뜻한다.전도에 의한 1차원 열전달(에너지의 확산)그림 1. 전도에 의한 1차원 열전달정상상태에서 위의 그림에 나타낸 바와 같이 온도분포가 선형인 경우에는 온도구배는 다음과 같다.열유속은 다음과 같다.또는이 방정식은 열유속, 즉 단위면적당의 열전달률을 나타낸다. 면적인 평면벽을 통한 전도에 의한 열전달률는 열유속과 면적의 곱인이다.⑶ 실험원리우리가 일반적으로 나타내는 열전도에 대한 비율방정식이다. 즉 Fourier법칙으로 알려져 있고 온도분포를 가지는 1차원 평면벽에 대한 비율방정식은 다음과 같다.바로 위의 식은 다음과 같이 될 수 있다.Heat conduction of plane wall 는 다음과 같은 식으로 얻을 수 있다.⑷ 좌표계의 종류에 따른 열전도 방정식? 3차원 :? cylinderical :? spherical coordinate :⑸ Thermocouple(열전대)두 종류의 금속도체 양단을 전기적으로 접속시키고 이 양단에 온도차를 주면 회로 중에 전류가 흐른다. (Zeeback 효과)이와 같이 한쪽(기준접점)의 온도를 일정온도로 (원칙적으로 0℃)유지하고, 열기전력(두 종류의 서로 다른 도체나 반도체의 두 끝을 접합하여 2접점을 다른 온도로 유지할 때 회로에 생기는 기전력)의 수치를 측정함으로써 다른 끝단(온도 접점)의 온도를 알 수가 있다. 이 두 종류의 금속 도체를 열전대라고 한다.3. 실험장치구 리구 리구 리Specimen (4mm, b)Specimen (2mm, a)Themocouple그림 4. 실험 장치SPECIMENSTANDARD CYLINDERSTSCukcal/mhrdeg표 . 시편 제원4. 실험방법① standard cylinder에 시편을 설치한다. 그리고 냉각수가 일정한 양으로 흐르게 한 후 heater power를 켠다.② power를 켠 후에 slide-type transform를 통해서 electric power를 점차적으로 올려 실험장치가 정해놓은 기준온도까지 올라갈 때까지 예열한다.③ 정해진 온도까지 올라갔으면 금속의 온도를 각각의 위치에서 측정한다.④ 측정되어진 값을 토대로 위의 식을 이용하여 true thermal conductivity를구한다.5. 실험결과 및 정리5.1 실험결과measurementtemperature gradient, temperature differencesettempoutlettemp121℃117℃113℃109℃82℃78℃60℃55℃52℃48℃24℃125℃24℃4℃4℃4℃27℃4℃18℃5℃3℃4℃24℃표 . 온도데이터graphically obtainedcalculation(4~5)(6~7)27℃18℃4℃4.743.567.09표 . 계산값?계산과정? 결과 그래프그림 5. The ~ +1400+300 ~ 1550크로멜 = 니켈 ? 크롬 합금, 알루멜 = 니켈 ? 알루미늄 합금콘스탄틴 = 니켈 ? 구리 합금표 . 열전대의 종류에 따른 온도 범위1) 귀금속 열전대(백금/백금 로듐 열전대)귀금속은 융점이 높고, 가공성과 내열성이 뛰어나서, 청정한 공기중에서 쓰면 매우 안정하다. 귀금속 열전대로서 표준화되어 있는 것은, 백금과 백금 로듐 합금선의 조합으로써 3종류가 있다.2) B 열전대소선의 명목상 화학 성분을 취하여 PR6-30 이라고도 불리고 있다. 실제 성분은 로듐을 함유하는 백금과 로듐의 백금 합금의 조합이다. 백금과 로듐은 전율고용체를 만들어 백금에 로듐을 합금시킴에 따라 융점과 기계적 경도가 상승한다. 합금선의 열기전력 특성은, 저온 영역에서 매우 작고 고온역으로 됨에 따라 커지므로, 고온역에서의 온도 측정에 적합하다.또 백금 로듐 합금은 고온역에서의 결정 입자 성장이 작으므로 드리프트가 작다.이 열전대의 제베크 계수는, 450도씨 이하의 온도역에서는 매우 작아, 실온에서는 거의 0이 되므로, 조합되는 보상 도선은 동/동선이 쓰인다. 그러나 열전대와 보상 도선의 접속부 온도가 높아지거나 변화하면 직접 측정 정도에 영향을 주므로 주의를 요한다.3) R 열전대금세기 초 미국에서+각에 약 13%의 로듐과 -각에 백금 을 쓴 열전대로서 개발되었다. 개발 초기의 백금은 제련기술에 문제가 있어 약간의 불순물이 잔류했었던 것 같다. 최근에 와서 열기전력을 맞추기 위해 로듐 12.8%의 백금 합금선과의 조합이 필요해져서 호칭과 모순이 생기게 되었다.이 모순을 없애기 위해, 구미 제국에서는 1968년 국제 실용 온도 눈금의 성립을 계기로 정확히 13% 로듐을 함유하는 백금 합금선과 백금선의 조합으로 변경하고, R 열전대로서의 규준 열기전력이 제정되었다. 그 후 R열전대는 IEC로서 채택되었다.공업용으로, 이 열전대는 많이 쓰이고 있다.4) S 열전대1886년에 르 샤틀리에 의해 개발된 열전대인데, R열전대에 비해 열기전력이 작고, 사용 온도 범위뛰어난 특징이 있어, 반세기에 걸쳐 널리 이용되고 있다.6) E 열전대E열전대는, 통칭, 크로멜-콘스탄탄 열전대라고도 한다. +각은 K 열전대와 마찬가지로 Ni에 10%Cr을 함유하는 합금을, -각은 Cu와 Ni의 합금을 쓰고 있다.이 E 열전대의 실용화는 비교적 최근의 일이고, 1964년에 ANSI로 채택된 이래, 그 이용이 확대되어 가고 있다. 최대의 장점은, 실용화되고 있는 열전대 중에서 가장 큰 열기전력 특성을 갖고 있는 점이다. 그 정도는 K 열전대보다 약 50%가 크고, J 열전대보다 약 20%큰값이다.사용 온도는, +각은 K 열전대와 동등 정도의 내열성이 있으나 -각의 내열성이 낮아, 3.2mm의 것에서 700도씨 정도가 상용 한도로 되어 있다.이 밖의 내식. 내산화성이 뛰어나고, 고정도의 것을 용이하게 입수할 수 있으며, 또한 양각 공히 비자성이란 특징이 있다.이 열전대는 J 열전대의 결점을 보완하기 위해 개발된 것으로알려저 있으며, 뛰어난 특징을 살려서, 대형 화력 발전소, 원자력 발전소를 비롯하여, 화학 공업의 온도 계측 제어에 널리 이용되고 있다. 열기전력 특성이 크다는 점에서 경보기에 이용되는 일도 있는데, 그 대표적 예는 가스기구의 안전기가 있다. 결점은, 환원성 분위기에 약한 것, 범용 열전대 중에서는 가장 값이 비쌈.7) J 열전대J 열전대는 +각에 순철, -각에 Cu-Ni합금을 쓰고 있으며, 철/콘스탄탄 열전대라고도 불린다. 이 열전대는 환원성 분위기에 비교적 강하다. 수소나 일산화탄소에 비교적 강하고, 또 탄소와 철의 결합도 약하므로 안정되어 있다. 일찍이 실용화되고 가격도 싸다는 점에서, 특정 분야에서는 많이 이용 되고 있다. 그러나 이 열전대는 여러 가지 문제점이 있어, 전술한 E 열전대에 의해 대체되는 경향이 있다. 그 문제점은, +각의 순철이 녹슬기 쉬워서 열기전력 특성이 약화하기 쉬운 점이다. 특히 임해 공업 지대에서는 염해가, 또 일반 지역에서도 광화학 스모그 등에서 볼 수 있는 황화가스 등이 증가하여, 철에 대한 마이.

공학/기술| 2010.12.22| 15페이지| 1,500원| 조회(313)

열전대, 기계공학실험, 열전달, 전도, 열전도계수

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[기계공학실험]복사열전달계수측정

실험 요약본 실험은 열전달의 3가지 모드중 하나인 복사에 대한 실험이다. 복사는 어떤 매질을 거치지 않고 빛이나 전자기파의 형태로 열을 전달한다. 이번 실험에서 이러한 복사의 특성을 이해하고 거리를 달리하여 복사 에너지를 측정하였을때 어떻한 결과가 나오는지에 대해서 알아본다. 또 복사와 관련된 여러 인자들을 이해하는데 목표를 두고 실험이 진행되었다.거리를 달리하여 측정을 실시하였으며 실험결과값에 영향을 주는 인자로는 t1, t2와 형상계수(Safety Factor)임을 알 수 있었다.목차요약1목차2서론1. 실험 목적32. 관련 이론3본론3. 관련 방정식34. 실험방법 45. 실험결과5결론6. 결론 및 고찰67. 참고 문헌6그림목차그림1. Radiation Heat Transfer Experimental Apparatus : RHT-4254그림2. 거리에 따른 방사율의 변화5표목차표 1 . 실험결과51. 실험 목적우리 생활에서 많이 작용하는 열전달현상 중에 하나가 복사열전달이다. 복사열전달은 매질상에 온도구배가 있을 때 일어나는 전도나 대류의 열전달과는 달리 아무 매질도 거치지 않고 오로지 열만 전달되는 것을 말한다. 복사열전달은 방사율이라는 물체 고유의 특성에 따라 결정되며, 이로 인해 흡수하고 반사하는 에너지의 양이 결정된다. 복사 열의 대표적인 예는 지구가 태양열을 받아서 기온이 올라가고 내려가는 것이다.이번 실험에서는 열전대를 이용하여 거리에 따른 복사에 의한 온도변화를 측정하고 이에 따라 여러 매개변수들을 알아봄으로서 복사열전달에 대해 이해하는데 목적이 있다.2. 관련이론진공에 둘러 쌓인 고체를 고려할 때 진공이므로 이 고체 표면에서의 전도나 대류에 의한 열손실은 일어나지 않는다. 그러나 이 고체는 주위와 열적인 평형 상태에 도달하게 됨을 알 수 있다. 이것은 고체 내부의 에너지가 감소됨을 의미하고 이는 고체 표면에서의 열복사에의한 방사(emission)의 직접적인 결과이다. 한 물체에서 방사되는 복사 에너지는 Maxwell의 전자파이론에 따라 전자기파(electromagnetic wave)의 형태로 또는 Plank의 가설에 따라 광자(photon)나 양자(quantum)의 입자에 의한 공간내의 투과로 보는 두 가지 개념이 모두 응용된다. 복사는 노출된 표면으로부터 약 1㎛이내의 분자들로부터 나온다. 그러므로 고체나 액체로 부터의 방사는 표면적인 현상으로 간주 될 수 있다. 태양에서 나온 복사 에너지는 일부는 지구 대기권에서 반사 또는 흡수된다. 복사 에너지가 감소되지 않는 경우는 진공 중에서 뿐이다. 그러나 대기권은 수 백 ㎞에 이르는 공기덩어리이고 실내에서 작은 거리내의 공기에 의한 복사 에너지의 감소는 매우 작다,표면에서 방사된 복사 에너지는 크게 두 가지에 의해서 달라지는데 첫째는 표면의 성질과 온도이다. 온도에 따라 복사의 크기와 파장의 스펙트럼 분포가 달라지게 된다. 둘째는 방향성과 관계된다. 그러나 우리가 도입하는 흑체의 개념에는 복사를 온도나 파장의 함수로 보고 방향에는 무관하다고 여긴다. 즉, 흑체는 확산 방사체로 간주된다.이번 실험에서는 두 물체 사이에서 온도차에 의한 전자기복사, 즉 열복사 (thermal radiation)을 주로 다루게 된다.3. 관련 방정식: 완전 흑체에서 방출되는 에너지 (kcal/m2h): 단위면적당 복사되는 에너지 (kcal/m2h):total emissivity of surface at given temperature of surface(Mean effectivity emissivity): shape factor: Stefan-Boltzmann constant (kcal/m2hK4): radiometer calibrated sensitivity constant(kcal/m2h?mV)4.실험 방법(1) 실험장치를 고정시킨다.(2) radiometer assembly, conical shield, specimen heating device를 정렬시킨다.(3) 기준온도까지 예열한다.(4),을 측정한다.(5) 거리를 바꾸어 위의 과정을 반복한다.(6) 측정값에 의하여 열 유속을 계산한다.(7) 평균 방사율(emissivity)을 구한다.참고: Temperature correlation for C.A thermocouple에서 ㎶를 사용하므로 측정 데이터에 1000을 곱해서 값을 찾는다.그림 1. Radiation Heat Transfer Experimental Apparatus : RHT-4255. 실험결과MeasurementCorrelationComputationDigital mV meterRadiation ShieldmV-Temp.Correlationfor CA.ThermocoupleSampleSurfaceTemp.Thermo-pileReceivedTemp.RadioMeterShape FactorElectromotiveForced byThermocoupleOutputRadiusDistance(1)(2)(3)(4)(5)(6)t1t2RrLt0tRT0TRFR0εMEmVmm℃Kex12.150.980.1640340298.6571.70.013650.1798110.900.920.4540190268.320.0543.32930.04240.2019210.730.920.3840215264.220.0537.22930.03340.2276310.520.920.3340240259.020.0532.02930.02700.2551410.370.920.2940265255.420.0528.42930.02220.2810510.240.920.2440290252.820.0525.82930.01860.2837표 . 실험결과그림 2. 거리에 따른 방사율의 변화복사계(Radio meter)복사계는 모든 복사를 측정하는 기구를 일컫는 말이다. 온도상승에 따른 열효과를 측정하는 것과 광전효과나 광전자기효과를 이용한 것으로 그 종류를 나눌 수 있다. 복사에너지를 열로 변환시켜 검출부의 열적 성질을 이용하는 것, 즉 온도상승에 따른 열효과를 측정하는 것으로는, 유리관 속에 운모 조각을 매단 간단한 구조의 것을 비롯하여, 온도상승에 따른 저항변화를 이용하는 볼로미터(저항체로는 금속 ·반도체 등을 사용), 저항체 대신 열전기쌍 ·열전기더미를 이용한 것 등이 있다. 또 광전효과나 광전자기효과를 이용한 것으로는 광전관 외에 광전지 ·광전도셀 ·광전자기검출기 등이 있다. 이들 모두 반사경 또는 렌즈로 복사를 한 곳에 모아 사용한다.복사계를 이용하여 인공위성이나 우주선에서 해면온도를 직접 측정하는 방식에 의해 광역해면을 동시에 측정할 수 있다. 또한 지상에서 100㎞ 이상의 기온을 측정하는 경우에도 사용하는데, 이 때 인공위성에 복사계를 부착하여 구름 꼭대기의 온도나 구름이 없는 곳의 표면기온을 측정한다.

공학/기술| 2010.12.22| 6페이지| 1,000원| 조회(330)

기계공학실험, 열전달, 복사, 열전달계수, 형상계수

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반도체 다이오드의 특성 평가A좋아요

1. 실험제목 : 반도체 다이오드의 특성2. 목 적 : 정류용 p-n 접합 반도체 다이오드의 정특성 및 정잔압 다이오드의 전류 전압 특성을 측정하여 그 차이를 비교하고 다이오드의 특성을 이해하는데 있다.3. 기구 및 장치 : Ge 다이오드 (1S 33), Si 다이오드(1S 71), 정전압 다이오드, 전지, 전류계, 저항, 전압계, 테스터 등4. 이 론물질은 비저항의 크기에 따라 절연체, 반도체 및 도체로 크게 나눌 수 있다. 대략 비저항이 10^-3~10^10Ωcm 정도의 것을 반도체, 그 이하의 것을 도체, 그 이상의 것을 절연체라 한다.반도체는 절대영도 근처에서는 절연체이지만 온도가 올라가면 역적인 들뜸에 의해 전도전자가 생겨 비저항이 감소한다. 대표적인 것으로 게르마늄(Ge), 실리콘(Si), 아황산구리(Cu2O), 셀렌(Se)등을 들 수 있다. 여기서 순수한 Ge과 Si의 결정에 대해 고찰하겠다. 이러한 원소들은 주기율표의 IV A족 원소로 원자가 전자를 4개를 가지고 있으며 인접 원자의 원자가 전자와 공유결합을 하여 다이아몬드 구조의 결합을 이루고 있다. 같은 IV족이라도 원자간의 결합력은 원자번호가 작을수록 강한 데 그 중에서도 다이아몬드는 결합력이 가장 강하여 가전자가 원자에 강하게 속박되어 있어 절연체가 된다. 한편 주석이나 납에서는 전자의 속박이 약하므로 도체의 범위에 들어간다.그런데 Ge나 Si은 그 중간에 속하므로 이들의 원자에 열, 빛 또는 전기장을 걸어주어 일정한 값 이상의 에너지를 넘어서면 전자의 일부는 속박을 벗어나 자유전자ㅘ 같이 거동하게 된다. Ge에서 이 결합을 끊어주는 데는 0.27eV, Si 에서는 1.11eV 정도의 에너지가 필요하게 된다. 이와같은 순수한 Ge 또는 Si 결정의 반도체를 진성반도체라 한다.Ge에 미량의 V족 원소, 예를 들어 비소(As)를 불순물로 넣어주면 결합내부의 Ge원자중 어떤 것은 As 원자로 치환한다. As는 5개의 원자가 전자를 가지고 있는데 그 중에서 4개는 인접한 Ge 원자와 공유결합을 이루지만 나머지 1개는 Ge 원자와 결합을 할 수 없게 되어 상온에서도 자유전자와 같이 거동하게 된다. 외부에서 전기장을 걸어주면 이 전자는 전기장에 의하여 이동하게 되므로 이 물질은 전기 전도성을 띠게 된다. 이 전자를 과잉전자라 하며 Ge에 넣어준 As 등의 불순물을 도우너(donor)라고 한다. 이러한 반도체는 전기전도에 관계되는것이 음의 전하를 띤 전자이므로 Negetive 의 n자를 취하여 n형 반도체라 한다.다음의 Ge에 미량의 III족 원소, 예를 들면 인듐(In)을 불순물로 넣어주면 Indnjs자는 인접한 3개의 Ge원자와 공유결합을 이루지만 다른 1개의 원자와는 결합할 수 없게 되어 그 주위에 전자의 빈자리가 생긴다. 이 빈자리는 근처에 있는 Ge끼리의 결합에 관여하고 있는 전자를 빼앗을 수 있으므로 차례차례 이동할 수 있다고 생각된다. 전자의 빈자리를 양공(Hole)이라 하고 겉보기에 전자와 반대인 운동을 하며 전기전도에 관여한다. 이와같이 전자의 빈자리를 만드는 In과 같은 불순물을 억셉터(acceptor)라 하며 이와같은 반도체는 양의 전하가 전기 전도에 관여하므로 positive의 p자를 취하여 p형 반도체라 한다.또 앞에서 설명한 과잉전자나 양공은 전류의 운반수단이 되므로 전하운반체 또는 캐리어(carrier)라고 한다. 진성반도체에서는 결합전자가 외부 자극에 의하여 튀어나와서 빈자리가 되어 양공이 되므로 과잉전자와 양공의 수는 같다. n형 반도체에서는 과잉전자가 많고 p형 반도체에서는 양공이 많다. 그 수가 많아 우세한 캐리어를 다수캐리어, 반대로 적은 쪽을 소수캐리어라고 한다.p형 및 n형 반도체를 접합하고 각각에 전극을 부착한 것을 p-n접합 반도체 다이오드라 한다. 이 다이오드에 전압을 걸어주면 전류가 순방향으로 흐르기 쉽고 역방향으로는 흐르기 어려운 소위 정류작용을 나타낸다. Ge 다이오드와 Si 다이오드의 작동원리는 같으나 특성곡선에서 약간의 차이가 있다. 일반적인 반도체 다이오드의 모양과 기호는 다음과 같다.다이오드의 p형에 양전위를 n형에 음전위를 걸어준 것이 순방향 바이어스, 그 반대를 역방향 바이어스라고 한다. 이 관계는 다음과 같다.순방향 바이어스를 걸어주면 p형 반도체의 다수 캐리어인 양공은 p에서 n으로 또 n형 반도체의 다수 캐리어인 전자는 n에서 p로 이동하므로 그 결과 많은 전류가 흐르게 된다. 반대로 역방향 바이어스를 걸어주면 p형 반도체의 소수 캐리어인 전자가 p에서 n으로, 또 n형 반도체의 소수 캐리어인 양공이 n에서 p로 이동할 뿐이어서 아주 미세한 전류가 흐르게 된다.

공학/기술| 2009.03.26| 3페이지| 무료| 조회(1,584)

반도체, 다이오드, 저항, P-N

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