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다치바나 다카시의 21세기 지의 도전을 읽고

2010년의 대한민국은 선진국으로 가는 길목에 서 있다. 자원도 기술도 없던 대한민국은 인재(人材) 하나 만으로 이곳까지 올라섰다. 선진국으로의 진입을 위해선 그 무엇보다도 과학 기술 분야에 있어서 효율적인 인재의 발굴이 필요하다. 하지만, 실상은 그리 좋지만은 않다. 의학과 같은 일명 돈 되는 학문으로 수요가 몰리면서, 이공계 기피 현상이 그 어느 때 보다도 심화되었다. 뿐만 아니라 미국 정부가 이공계 이민자에 대한 파격적인 정책을 제시함으로, 앞으로 이공계 인재의 유출은 더더욱 심해질 위기에 놓여 있다. 하지만 이러한 상황들 속에서 한국 사회의 과학에 대한 풍토는 어떠한가? 국민 누구나 미래 사회의 진보에 있어서 ‘과학 기술이 중추적인 역할을 하게 될 것’이라는 명제에는 동의하고 있지만, 우리는 이학(理學)과 관련된 학문에 대해선 최소한의 관심은 가지고 있는 것인가? 우리는 노벨과학상이 한국의 과학자들 중에서 배출되지 않는 것을 탓하면서, 정작 그들의 연구 분야에 무심 했던 것은 아니었는가? 이러한 질문들에 대하여 끊임없이 해결 방안을 갈구했던 사람이 바로 ‘다치바나 다카시’였다. ‘다치바나 다카시’는 그의 다수의 저서들을 통하여, 일본 사회의 지적 미래에 대해 상당한 고심을 해왔다. 그가 고심했던 일본 사회의 지적 미래는 대한민국의 그것과 유사했다. 나는 이러한 질문들에 대한 해결책을 찾아보고자, ‘21세기 지의 도전’을 읽게 되었다.‘다치바나 다카시’의 저서 ‘21세기 지의 도전’에서는 현세(現世)를 주도할 과학 기술로 바이오테크놀로지(이하 BT산업)에 주목하며, 이에 대한 정보들을 나열해간다. 그러나 이 책에서는 비단, BT산업에 대해서만 기술되어 있는 것은 아니다. 앞서 필자가 서술했듯이, 그는 정보들을 일본 국민의 지적 상황에 비추어 내용을 기술해 나간다. 한 예로, BT산업이 현세에 있어서 중요한 과학 기술이지만 이에 대하여, “일본 국민들은 과연 어느 정도의 이해력을 가지고 있는가?”를 통계적 수치를 통하여 보여준다. 뿐만 아니라, 학교에서 이학 과목을 이수하는 비율이 줄어드는 것, 과학기술에 대한 관심도가 연령층이 높아질수록 떨어지는 것, 대학 논문에 있어서 인용도가 미국이나 유럽에 비하여 상당히 낮다는 것 등을 통계적 수치들로 보여줌으로써, 일본 과학계의 저변(底邊)에 스스럼없이 비판을 가하고 있다. 여기에서, 주목해야 할 점은 이와 같은 문제점들이 오직 일본 사회의 것만이 아닌 한국 사회가 가지고 있는 문제점과도 일맥상통(一脈相通) 하다는 점이다. 그렇기 때문에, 이 책에서 기술되어 있는 상황에 대한 해결책을 세심하게 살펴보아야 한다.‘다치바나 다카시’는 자신의 저서들을 통하여 사람들이 무관심했던 부분에 대한 흥미를 불러일으키고자 노력을 해왔다. 이 책에서도 초미에는 세포에 대한 정보부터 유전자 그리고 유전자 조작기술에 대한 정보까지 생명공학의 지식을 알기 쉽게 설명한다. 또한, 도네가와 스스무 박사(노벨상 수상자), 노테봄 박사, 게이지 박사 등 저명한 생명공학자들과의 취재를 삽입함으로 최신(最新)의 생명공학 연구들을 보여준다. 이러한 생명공학 분야는 타 과학기술 분야에 비하여 우리에겐 비교적 친숙하게 느껴질 것이다. 그것은 아마도 2000년도 초반 황우석 박사를 필두로 하여 전 국민의 생명공학에 대한 관심이 상당했었기 때문일 것이다.생명공학 분야에서 많은 연구들이 진행 중이긴 하지만, 그 중 배아줄기세포 분야는 생명공학의 백미(白眉) 중 하나라고 생각한다. 배아줄기세포는 일명 만능세포라 하여 어떤 기관으로 분화할 수 있다. 이러한 배아줄기세포를 활용하면 알츠하이머병(Alzheimer's disease)과 같은 난치병을 치유 할 수도 있고, 면역에 문제가 없는 맞춤형 장기들을 만들어 이식받을 수도 있다. 현재의 기술로는 불가했던 인체 기관의 복제를 배아줄기세포를 활용하여 실현할 수 있는 가능성을 가지게 된 것이다.

독후감/창작| 2010.10.29| 2페이지| 1,000원| 조회(137)

비평, 독후감, 다치바나 다카시, 21세기 지의 도전

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Nastran을 이용한 유한요소 해석

고체역학 Nastran ReportProblem 1.손계산)위 그림과 같은 외팔보의 경우기울기는이고, 처짐은이와 같다.I를 구해보면,∴I=4.493×10-6 m4P=100 N, L=1 m, A36 Steel의 E=200 GPa따라서, 이 값을 대입하여 θmax와 vmax값을 구하여 보면, 다음과 같다.θmax=5.5642×10-5, vmax=3.7095×10-5 m4=0.037095 mm이다.3D Modeling)위 모델은 3D 모델링하여 z방향의 변위로 도식화한 것이다.모델을 통하여 최대 처짐이 vmax=0.03926 mm라는 것을 알 수 있다.위 그래프는 힘을 받는 지점부터 지지점까지의 z축 변위를 나타낸 것이다.1D Modeling)위 모델은 3D 모델링하여 z방향의 변위로 도식화한 것이다.모델을 통하여 최대 처짐이 vmax=0.03756 mm라는 것을 알 수 있다.위 그래프는 지지점부터 힘을 받는 지점까지의 z축 변위를 나타낸 것이다.(1) 3D와 1D-FEM을 사용하여 z축 최대 처짐을 각각 구하고 손 계산과 비교하여라.3D1D손계산오차(3D)오차(1D)0.03926 mm0.03756 mm0.03710 mm5.82 %1.24 %(2) 오차의 원인을 분석하고 간략하게 설명하시오.유한요소를 이용하여 해석한 모델과 실제 모델 사이에 오차가 발생된 원인에는 어떤 것들이 있는지 살펴보자. 우선, 실제 모델과 유한요소를 이용하여 해석한 모델 간에 어떠한 차이가 있는지 살펴보자. 실제 모델의 경우, 연속적인 구조체로 가정하며, 연속체역학 미분방정식을 통하여 해석한다. 반면, 유한요소를 이용한 모델의 경우, 분할된 구조체로 가정하며, 행렬식을 이용하여 계산한다. 서로 다른 방식이 오차가 발생되는 가장 주된 원인으로 볼 수 있다. 즉, 유한요소를 이용하여 해석하는 방식은 요소 하나씩을 일일이 해석하는 것이기 때문에, Mesh가 크게 쪼개었다면 오차가 크게 발생할 수 밖에 없다. 따라서, 공학적인 입장에서 정확도를 높이기 위해서는 일반적으로 구조체를 가능한 한 많은 수의 작은 요소로 분할하는 것이 필요하다. 하지만, 너무 많은 요소로 분할시키는 경우 계산 시간이 길어지게 되어 비경제적으로 되거나, 컴퓨터의 능력범위를 넘어 해석이 불가능하게 되기도 한다. 따라서, 이들 간에 서로 조율을 통하여 이상적으로 Split하는 것이 중요하다. 그 외 오차를 줄이는 방법을 생각해 보면 다음과 같다. 지나치게 불규칙한 모양(가로와 세로의 변의 길이의 비가 지나치게 큰 경우나 하나의 각이 지나치게 예각이 되는 경우)으로의 요소 분할을 피하고, 응력 집중과 같이 응력의 변화가 급격히 변할 것으로 예상되는 곳에서는 국지적으로 요소의 크기를 작게 하여 많은 수의 요소로 분할하여야 한다. 이와 같은 방법들을 통하여 유한요소에서 발생되는 오차를 줄일 수 있을 것이다.Problem 2.양 끝단이 지지되어 있는 단순지지보의 경우 처짐의 공식은이다. 위 공식을 이용하여 생각하면, 최대 처짐은 b와 a가 같은 지점 즉, 보의 가운데 지점에서 발생한다는 것을 알 수 있다. 따라서, Modeling을 할 때, 분포하중은 보의 4~6m지점에 가해지게 설정하였다. 시행 착오법을 이용하여 구하는 것이므로, 형상을 쉽게 변경할 수 있게, 1D 모델을 이용하여 설계하였다. Mesh를 10개로 나누었다. 고정된 조건은 보의 길이 10m, w 3m, 트럭의 길이 2m, 트럭의 무게 50t, 재질 A36 Steel 이며, 변수는 t와 H이다.최대 굽힘 응력을 구하는 공식은이므로, I값을 작게 한다면, 굽힘 응력을 키울 수 있다. 위 형상에서 I값은 다음과 같이 구해지며,, w값은 정해져 있으므로, t값을 작게 하고, h값을 작게 정하여, I값을 줄일 수 있다.위 그림은 조건을 이용하여, 모델링 한 것을 보여준다. 트럭의 윤거가 2미터 이므로 2미터 간격을 두고 앞과 뒷 부분에 하중을 주었다. 하중은 문제에 제시된 50톤을 주었으며, 계산이 용이하게, 중력가속도는 10m/s2으로 놓고 계산하였다.이제, 시행 착오법을 이용하여 직접 H와 t값을 변화시켜 가며, 해석하여 보자.Try 1)H를 1m, t를 0.1m를 주어 설계하였다.이 때 최대 처짐은 0.08611mm로 문제의 조건인 30mm보다 한참 작은 값을 갖는다.굽힘 응력을 살펴보면, 다음과 같다.위 그림은 C점에서의 굽힘 응력 값으로 -1.313MPa~1.959MPa의 범위를 갖는다. 나머지 범위에서도 부호만 다를 뿐 같은 범위를 갖는다. 따라서 최대 굽힘 응력은 1.959MPa 이므로, 문제에서 제시된 조건을 만족시킨다.위 설계는 문제의 조건을 만족시키지만, 처짐이나 굽힘 응력이 문제에 제시된 조건에 비하여 한참 작은 값을 갖게 되어, 비효율적인 설계라고 볼 수 있다.Try 2)H를 0.2m, t를 0.05m를 주어 설계하였다.이 때 최대 처짐은 3.753mm로 H가 1m일 때 보다는 많이 쳐졌다. 하지만, 문제의 조건인 30mm에는 크게 못 미치는 값을 갖는 것을 알 수 있다.굽힘 응력을 살펴보면 다음과 같다.위 그림은 C점에서의 굽힘 응력 값으로 -15.91MPa~23.87MPa의 범위를 갖는다. 나머지 범위에서도 부호만 다를 뿐 같은 범위를 갖는다. 따라서 최대 굽힘 응력은 23.87MPa 이므로, 문제에서 제시된 조건을 만족시킨다.위 설계도 문제의 조건을 만족시키지만, 처짐이나 굽힘 응력이 문제에 제시된 조건에 비하여 작은 값을 갖게 되어, 비효율적인, 비경제적인 설계라고 볼 수 있다.이 설계보다 H값과 t값을 줄임으로 굽힘 응력과 처짐을 허용치에 맞출 수 있을 것이다..Try 3)H를 0.05m, t를 0.01m를 주어 설계하였다.이 때 최대 처짐은 305.4mm로 문제의 조건인 30mm를 많이 넘어서게 된다.굽힘 응력을 살펴보면, 다음과 같다.위 그림은 C점에서의 굽힘 응력 값으로 -313.9MPa~470.8MPa의 범위를 갖는다. 나머지 범위에서도 부호만 다를 뿐 같은 범위를 갖는다. 따라서 최대 굽힘 응력은 470.8MPa이므로, 문제에서 제시된 허용치를 훌쩍 뛰어넘음을 알 수 있다.경제성을 고려한 이상적인 설계는 최대 굽힘 응력이 150MPa에 가까워야 하며, 처짐도 허용치인 30mm에 가까워야 한다. 이제, H와 t는 0.05m와 0.01m보다 크게 하되, H와 t를 0.2m와 0.05m의 사이 값을 설정함으로, 원하는 설계를 얻을 수 있음을 알게 되었다. 이 부근에서 세부적으로 조율하여, 위 기준에 부합하는 H와 t를 찾아보고자 한다.Try 4)H를 0.1m, t를 0.025m를 주어 설계하였다.이 때 최대 처짐은 30.17mm로 문제의 조건인 30mm와 비슷하다.

공학/기술| 2010.02.24| 10페이지| 2,000원| 조회(773)

처짐, 응력, 굽힘, 고체역학, 유한요소, nastran, nx, 유한요소해석, 유한요..

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증기압축식 열펌프

1. 실험제목 : 증기압축식 열펌프 성능실험2. 실험목적증기압축식 열펌프는 냉동사이클을 수행하는 기관이다. 이는 냉매의 잠열을 이용하여 낮은 온도의 열원으로부터 높은 온도의 열원으로 열전달을 수행하며 압축기, 응축기, 팽창밸브 또는 팽창기, 증발기 4부분으로 이루어진다. 열역학 시간에 배웠던 증기압축식 열펌프의 구성 및 원리를 이해하고, 열원의 온도변화 및 난방 용량의 변화에 따른 증기 압축식 열펌프의 성능변화를 측정한다.3. 실험이론- 열펌프란?낮은 온도의 열원으로부터 열을 흡수하여 높은 온도의 열원에 열을 공급해 주는 장치이다. 열펌프를 이용한 대표적인 예로는 냉난방 장치가 있으며, 냉매를 이용하여 여름에는 물을 발열시켜 냉방에, 겨울에는 물을 흡열시켜 난방에 사용할 수 있다. 1850년대에 켈빈에 의해 열펌프의 원리가 발견되었으며, 1934년, 미국에서 냉난방장치로 실용화시켰다. 그 후 이 원리는 더 응용되어 바닷물에서 소금을 얻는 장치, 과즙이나 설탕을 농축시키는 장치, 화학기계의 자기증발식 장치 등에 널리 사용되고 있다.- 표준 증기 압축 사이클저압의 포화 증기는 압축기로 들어가서 과정 1-2 로 가역 단열 압축된다. 그리고 나서 과정 2-3 에서 정압으로 열이 방출되며, 작동 유체는 포화 액페로 응축기에서 나온다. 그 후 작동 유체는 단열 스로틀 과정 3-4를 거치며, 정압 증발 과정 4-1을 통해 한 사이클을 완성한다. 아래 그림은 표준 증기 압축 사이클로서, 열펌프에 대한 T-S 선도와 P-H 선도를 각각 나타내었다.- 실제 증기 압축 사이클실제 냉동 사이클은 주로 유체 유동에 의한 압력 강하와 주위와의 열전달로 인해 이상 사이클과 다르게 된다. 압축기 입구에서 냉매는 보통 과열 증기이다. 압축 과정 동안 비가역성과 열전달이 존재한다. 열전달의 방향은 주위의 온도와 냉매의 온도로 결정된다. 비가역성과 냉매로의 열전달은 엔트로피를 증가시키지만 냉매에서 주위로의 열전달은 엔트로피를 감소시키므로, 이 과정 동안 엔트로피는 증가할 수도 있고 감소할 수도달되므로 이득이 된다. 증발기를 통과하면서 냉매의 압력은 다소 떨어진다. 증발기 출구에서 냉매는 약간 과열될 수 있으며, 주위로부터의 열전달로 인해 증발기와 압축기 사이의 배관에서 온도가 상승한다. 이 열전달로 인해 압축기 입구에서 유체의 비체적이 커져 압축일이 증가되므로 손실이 된다. 이러한 실제의 경우를 아래 그림과 같이 T-S 선도와 P-H 선도로 각각 나타내었다.실제 열펌프 구동에 필요한 일은 전기적인 형태로 압축기의 구동을 위하여 공급된다. 그러나 비가역성에 의하여 일어나는 실제 냉매의 압축에 있어서, 소요된 일은 전기에 의해 행해일보다 작게 된다. 따라서 압축기 기계효율은 다음과 같이 정의된다.열펌프의 성능계수는 다음과 같이 표현된다.마지막으로, 가역 단열 압축 과정에서 요구되는 일과 실제 공급되는 일간의 관계로부터 압축기의 단열효율은 다음과 같이 정의된다.- 기타 (실험을 위해 알아두어야 할 기본 지식)* 열역학 제 1법칙열에너지와 역학적에너지를 동등한 시각에서 바라보며, 이 2가지 형태의 에너지를 합한 에너지는 항상 보존된다는 법칙이다. 즉, 어떤 에너지가 다른 형태의 에너지로 변이 될 수는 있으나, 스스로 생성, 소멸하지는 않는다.* 열역학 제 2법칙자연현상에는 비가역적 과정이 존재한다는 것을 설명한 법칙이다. 열역학 제 1법칙에서 설명했던 것처럼 에너지는 보존되지만, 자연계에서 실제로 일어나지 않는 많은 과정들이 있다. 19세기 후반 이러한 비가역성을 설명하기 위해 열역학 제 2법칙이 발표되었다. 이 법칙은 에너지가 흐르는 방향을 규제하는 성격을 가지고 있다. 따라서 이 법칙에 따르면 하나의 열원에서 열을 받아 이것을 일로 변환하되, 이 일 외에 어떤 외부의 변화도 일으키지 않는 열기관인 제2종 영구기관의 제작은 불가능하다고 할 수 있다. 또한 물체의 상태만으로 결정되는 엔트로피라는 상태량을 정의하였다. 일반적으로 에너지를 변환시킬 때마다 엔트로피가 발생하며, 그 결과 엔트로피의 총량은 증가하게 된다. 반면, 에너지의 가치는 점점 줄어든다. 개량할 여지가 있는 가를 조사하기 위해서 중요한 의미를 갖는다.- 성능의 계산* 압축기 성능전기동력[W]냉매의 실제 압축일[W]가역단열 압축일[W]압축과정의 등엔트로피 효율압축기 기계효율압축기의 단열효율* 난방능력응축기 회수 열전달률[W]* 성능계수열역학적 성능계수시스템 성능계수4. 실험 장치이번 실험에서 사용할 장치는 MECHANICAL HEAT PUMP는 냉매로 Tetrafluoroethane, CH2FCF3 (R-134a)를 사용하며 그 개략도와 기본 사양이 아래 그림과 표에 나타나 있다. 각종 측정값은 각 위치에 부착된 계측기에 의하여 측정할 수 있으며 냉각수 유량, 냉매 유량, 응축압력, 증발압력, 압축기 입/출구 온도, 응축기 출구 온도, 증발기 입구온도, 냉각수 입/출구 온도를 측정한다. 실험의 안전을 위하여 모든 부품은 접지되어 있으며, MCB (miniature circuit breaker)를 기기 앞 패널에 부착하여 회로의 단절이나 접지의 단절로 인해 과부하가 발생하면 자동적으로 회로를 차단한다. 이러한 전기 안전장치는 전원이 안정되면 다시 재가동한다. 고압 안전장치는 고압 제어기가 설치되어 응축 압력이 1500 kPa을 넘게 되면 압축기의 전원이 차단되었다가 800 kPa이하가 되면 재가동한다. 이 장치는 220 V 전용이다. 본 장치는 수냉식으로 가동되므로 냉각수의 급수 및 배수가 용이해야 하며 밀폐형이고 왕복동식 압축기를 사용하고 있다.기초의 판고품질, 유리 강화 섬유냉매Tetrafluoroethane, CH2FCF3 (R-134a)압축기용접밀봉 형식, 행정체적 8.85cc/rev응축기동심 튜브, 평행 유동 냉각 방식수액기1.6L팽창밸브열정역학적 제어와 수동 과열 조장 가능 R-134a의 유속을 제어증발기핀-튜브형, 구리/ 알루미늄 아연도금강크기높이: 415mm, 너비: 950mm, 깊이: 600mm, 무게: 48kg냉각수시간당 약 180L (10m 수두)본 실험장치의 경우 사용되는 계측기기의 기본 내용은 다음과 같다.1. 압력: 기계도체를 접점에 연결하여 발생하는 두 기전력의 차이를 읽어 온도로 환산한다.3. 유량: 로타미터유량계측기 중에서 로타미터(rotameter)는 수직의 유동방향으로 단면적이 변화하면서 부유물(float)의 위쪽과 아래쪽의 압력차가 부유물의 무게와 일치할 때 그 부유물의 위치로 유량을 측정하는 기기이다.4. 와트시(watt-hour) 미터와트시 미터는 에너지의 사용량에 따라 회전하는 디스크로 구성되며 1kWh이 동력을 소비할 때의 회전수가 미터표면에 주어져 있다. 만약 디스크의 1회전에 시간 t가 소모되었다면 공급전력(240V 입력의 경우)은 15000/t Watt이다.5. 실험 방법1. 급수 및 배수 시설이 가깝고 240V 전원 연결이 가능한 곳에 열펌프 실험 장치를 설치한다.2. 급수 및 배수관을 연결하고 전원에 연결한다.3. 전원을 켜기 전에 설정한 유량 (실험 보고서 참조)으로 냉각수를 공급한다.4. 전원을 켠다.5. R-134a 유량계에 잠깐 동안의 증기 유동이 있은 후 액체유동이 정상적인지 확인한다.6. 물 유량계의 물의 유량을 확인하고 정상 상태, 즉 각 지점의 온도와 압력이 일정하게 유지될 때까지 계속 가동한다.7. 정상상태가 되면 유량, 압력, 온도, 공급 동력을 측정한다.8. 물의 유량을 변화시키면서 5-7의 과정을 반복한다.9. 측정이 끝나면 전원을 끈다.10. 전원이 꺼지고 2-3분간 냉각수를 계속 순환시킨다.11. 냉각수를 잠근다.12. 장치내부에 냉각수가 남지 않게 모두 제거한다.6. 실험 결과 및 토의(1) 실험 결과 실내온도 : 23 ℃(유량을 10 g/sec로 할 경우 과도한 열이 발생되어, 폭발의 위험성이 생기므로, 유량을 15 g/sec로 변경하였다.)Test12345냉각수 유량[g/sec]1520304050냉매의 유량[g/sec]7.26.96.76.46.2응축 압력[kPa]*************5740증발 압력[kPa]*************75압축기 입구 온도[℃]21.421.722.722.623.3압축기 출구 온도[℃]84..0831.0332.36- 실험에서 측정된 압력은 계기압력이다.(2) 성능 계산Test12345냉매의 유량[g/sec]7.26.96.76.46.2전기동력[W]629.2569.9515.8483.4463.5상태 1의 엔탈피[KJ/Kg]*************18상태 2의 엔탈피[KJ/Kg]4*************8냉매의 실제 압축일[W]355.7319.5287.4266.2248.0상태 2,ad의 엔탈피[KJ/Kg]437435.5435.5435435.8가역단열 압축일 [W]163.4143.5128.6117.1113.5전기동력[W]629.2569.9515.8483.4463.5압축과정 등엔트로피 효율0.45950.44920.44760.43990.4575압축기 기계효율0.56530.56060.55720.55080.5350압축기 단열효율0.25980.25180.24940.24230.2448- P-H 선도의 압력은 절대압력이므로, 계기압력에 대기압 (101kPa)을 더한 값으로 표에서 찾았다.(3) 토의 사항1. 압축기의 효율에 대하여 분석하시오.이번 실험에서 우리가 계산한 효율로는 압축과정 등엔트로피 효율, 압축기 기계효율, 압축기 단열효율이 있다. 압축기 기계효율의 경우 53~57%의 분포를 보였으며, 압축과정 등엔트로피 효율은 44~46%, 마지막으로 압축기 단열효율은 24~26%의 분포를 보였다. 이 효율들은 카르노효율 (현실세계에서 가능한 최고 효율)에 비하면 작은 수치들을 보인다. 이는 실제 실험에서는 열전달이나 관과 유체 사이의 마찰열 등에 의한 손실에 때문이다. 여기서 압축기 기계효율이 53~57%로 다른 두 개의 효율에 비하여 높은 분포를 보이는데, 이는 전기동력 Welec 중 많은 부분이 냉매의 실제 압축일 Wact 에 사용되었기 때문이다. 등엔트로피 효율이 상대적으로 낮은 이유는 열펌프의 P-H 선도 상에서 표준 상태 압축 사이클처럼 상태1에서 2로 가는 과정이 등엔트로피로 이루어지는 것이 아니라, 실제론 상태 2로 변하면서 엔탈피 값이 증가되기 때문에

공학/기술| 2009.10.05| 10페이지| 1,000원| 조회(719)

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이중관 열교환기 특성실험

1. 실험 제목 : 이중관 열교환기 특성실험2. 실험 목적대수평균 온도차법(Log Mean Temperature Difference : LMTD)의 개념을 정확히 숙지하고 최종적으로 이중관 열교환기의 총합열전달계수에 대하여 구해본다. 이중관 열교환기의 원리와 조작법을 이해하고, 열교환기의 향류, 병류 실험을 통하여 그 특성을 이해한다.3. 실험 이론* 열교환기(Heat Exchanger)열교환기는 고온의 유체와 저온의 유체를 금속판이나 관 벽을 사이에 두고 각각 흐르게 하여 고온 유체에서 저온 유체로 열을 전달시킨다. 이 과정에서 고온 유체는 열을 빼앗기고, 저온 유체는 열을 얻게 된다. 열교환기는 고온 유체는 관의 바깥쪽 벽까지는 대류에 의해 열전달이 일어나며, 내부는 전도의 방법을 통해 관내로 열을 전달, 관의 내벽에서는 저온 유체까지는 대류에 의해 열이 전달되는 세 단계로 열전달 과정을 분류할 수 있다.열교환기는 사용 목적에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.가열기(Heater) : 가열을 통해 유체를 필요한 온도까지 상승시키려는 목적으로 사용한다.예열기(Pre-heater) : 예열을 통해 유체를 다음 과정까지 효율을 유지시키려는 목적으로 사용한다.과열기(Superheater) : 지속적인 가열을 통해 유체를 과열상태로 유지시킨다.기화기(Vaporizer) : 가열을 통해 기화시켜 발생한 증기를 이용하려 할 때 사용한다.열교환기(Heat exchanger) : 유체 간의 열 교환을 통해 동시에 고온 유체는 저온으로, 저온 유체는 고온으로 열을 전달시키는 열교환기를 말한다.냉각기(Cooler) : 냉각제를 이용하여 증기를 냉각시킨다.응축기(Condenser) : 냉각제를 이용하여 증기를 부분, 전체로 응축시키기 위한 열교환기이다. 증발기(Evaporator) : 스팀 등을 이용, 증발에 의해 용매를 제거시키는 열교환기이다.구조에 따라서는 다음과 같이 분류할 수 있다.이중관식 열교환기 (Double Pipe Exchanger)직경이 큰 외부 관에 직경이 작er)다수의 평판을 일정한 간격으로 세워놓고 한 칸씩 건너서 각각 유체를 통과시켜 열 교환을 이루는 장치이다. 액체와 액체와의 열 교환에 주로 사용되며, 한계 사용 압력, 온도는 약 5kg/cm2, 150℃ 이다. 주로 식품공정과 같이 자주 세척하여 청결을 유지할 필요가 있는 경우에 사용된다.가열로 (Fired Heater)유체 연료를 버너를 이용하여 연소시키고 발생되는 연소열을 이용, 관 내의 유체를 가열하는 방식이다. 가장 큰 열량을 얻을 수 있으나, 열전달 메카니즘이 복사, 대류의 방법을 포함하므로 설계하기가 매우 어렵다.코일식 열교환기 (Coil Type Heater)용기 내에 유체를 가열하기 위하여 코일 등을 감아둔 방식이다. 교반기를 사용하여 가열하게 되면 열전달 계수가 커져 큰 효과를 볼 수 있다.Open Type Exchanger냉각기로서 쓰이는 열교환기이다. 위 쪽의 수평 관에서 냉각수를 분사, 관 내 유체를 냉각시킨다.Compact Exchanger열교환기의 용적을 극히 낮춤으로써, 큰 전열면적을 얻게 되도록 설계된 열교환기이다. 전열 면적과 용적 비가 200 이상인 것을 의미한다.* 대수 평균 온도차법 (Log Mean Temperature Difference : LMTD)이 방법은 향류 및 병류에 모두 적용 가능하다.열교환기에서 관 벽을 통하여 전달되는 열량은 다음과 같이 표현할 수 있다.(아래첨자 h는 고온의 유체를, c는 저온의 유체를 나타낸다)여기서, U는 총합열전달계수를 의미한다.dq를 대입한 후, 정리하면 다음 식을 얻게 된다.m^C를 총 열전달 q^와 유체 간의 총 온도차로 표현하면위 식에 대입하면따라서 평균 온도차는 아래와 같다.향류 교환기의 경우 고온 유체의 입구 쪽 온도와 저온 유체의 출구 쪽 온도의 차를 (Th1-Tc1)으로 하고, 고온 유체의 출구 쪽의 온도와 찬 유체의 입구 쪽 온도의 차를 (Th2-Tc2)로 하여 위 식에 대입하면 향류 열교환기에 대한 평균 온도차를 구할 수 있다.* 열교환기의 해석이중관 열교환기 내 점검한다.3. 전원 스위치 및 Motor S/W를 켠다. 그리고 관내의 공기를 제거한다.4. 온수의 온도를 설정한 후 Heater를 On한다. (Tip. 덮개를 열어 Mode 버튼을 누른 후 원하는 온도를 설정)5. 온수 유동제어 밸브를 열고 온수 유량을 설정한 뒤 온도와 유량이 정상 상태에 이르도록 한다.6. 냉수 유동제어 밸브를 열고 냉수 유량을 설정한 뒤 온도와 유량이 정상 상태에 도달하면 온수 및 냉수의 온도 및 유량을 측정한다.7. 설정 온도와 유량을 변경하면서 실험을 반복, 수행한다.←병류향류→일 때 밸브 배치6. 실험 결과 및 토의실내온도 : 23 ℃* 실험번호(l-m-n-o) : l은 병류에 대하여 P, 향류에 대하여 C이다. m은 설정온도로써 40℃일 때 1이고 50℃일 때 2이다. n은 온수유량에 따라 1-2를 부여하고 o은 냉수유량에 따라 1-3을 부여한다.병류에 대한 설정 유량 변경 실험 측정값 (설정온도: 40℃)실험번호설정유량 (l/min)온수온도냉수온도qhqcThiThoTciTcoP-1-1-12.02.040.334.721.626.4P-1-1-22.03.039.233.221.624.8P-1-1-32.04.040.533.421.624.6P-1-2-13.22.038.734.621.627.0P-1-2-23.23.039.734.421.625.8P-1-2-33.24.038.433.021.624.9병류에 대한 설정 유량 변경 실험 측정값 (설정온도: 50℃)실험번호설정유량 (l/min)온수온도냉수온도qhqcThiThoTciTcoP-2-1-12.02.049.941.121.629.1P-2-1-22.03.048.839.421.626.9P-2-1-32.04.048.438.421.626.0P-2-2-13.22.049.142.521.730.9P-2-2-23.23.049.741.921.628.8P-2-2-33.24.050.441.321.627.8향류에 대한 설정 유량 변경 실험 측정값 (설정온도: 40℃)실험번호설정유량 (l/min)온수온도냉수온도qhqcT.628.3실험 번호입력[ W ]출력[ W ]에너지손실[ W ]유용도[ % ]△Tm[ ˚C ]U[ W/㎡·˚C ]QP - 1 - 1 - 10.78030.66880.111525.668529.22080.34160.6688P - 1 - 1 - 20.83600.66880.167227.272722.06800.45230.6688P - 1 - 1 - 30.98930.83600.153331.746021.44090.58200.8360P - 1 - 2 - 10.91400.75240.161619.736834.65520.32400.7524P - 1 - 2 - 21.18150.87780.303721.754127.41970.47780.8778P - 1 - 2 - 31.20380.91960.284224.553622.43620.61180.9196P - 2 - 1 - 11.22611.04500.181126.501843.76460.35641.0450P - 2 - 1 - 21.30971.10770.202029.227934.66830.47691.1077P - 2 - 1 - 31.39331.22610.167232.835830.83360.59351.2261P - 2 - 2 - 11.47141.28190.189520.985457.33150.33371.2819P - 2 - 2 - 21.73891.50480.234124.021446.13270.48691.5048P - 2 - 2 - 32.02871.72770.301026.909740.28900.64011.7277C - 1 - 1 - 10.86390.73850.125427.4611184.26560.059820.7385C - 1 - 1 - 20.97530.87780.097531.8182223.80030.058540.8778C - 1 - 1 - 31.01710.86390.153333.155191.657280.14070.8639C - 1 - 2 - 11.09240.86390.228520.611761.13580.21090.8639C - 1 - 2 - 21.2038987345.67940.080611.8671이중관 열교환기의 특성* 계산 과정평균온도차온수가 잃은 열량 (입력) =냉수가 얻은 열량 (출력) =에너지손실 = 온수가 잃은 열량 - 냉수가 얻은 열량열교환기 유용도총합열전달계수 U는(A는 0.067㎡)* Graph위 그래프는 U값에 관한 것이다. 실험할 때 정상 상태를 맞추는 것이 어려워서 데이터 값이 다소 들쭉날쭉 하긴 하지만, 나름 주기적인 형태로 변화하는 등 주기성을 가지고 있다. 각 실험들의 그래프를 통해 좀 더 세밀하게 살펴보자.마지막 세 실험을 제외하면 유량이 증가함에 따라 U값 역시 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다.앞에 실험들은 3개 단위로 끊었을 때 비교적 일정한 경향성을 보임을 알 수 있다. 반면 마지막 향류 실험들의 경우 다소 들쭉날쭉한 데이터 값을 보이며, 나름 심한 오차가 발생했음을 알 수 있다.- 토의 사항 -(1) 병류 열교환기와 향류 열교환기의 열교환 특성을 비교 설명하시오.열교환기는 유체의 흐름 방향에 따라 병류와 향류로 나뉜다. 병류의 경우 저온 유체와 고온 유체의 흐름 방향이 같은 것이고, 향류의 경우 저온 유체와 고온 유체의 흐름이 반대이다. 통상적으로 병류는 열전달 속도가 빠르고, 향류는 유체의 효과적으로 열을 전달하여 높은 효율을 얻을 수 있다. 병류 열교환기는 저온부의 출구 온도는 고온부의 출구 온도 보다 높을 수 없고, 열역학적인 관점에서 보아도 공정의 가역성이 향류 열교환기 보다 떨어진다. 따라서 향류 열교환기가 병류 열교환기 보다 더 효율적이라 할 수 있고, 실제 모든 해석은 향류 열교환기를 기준으로 한다.2) 온수가 잃은 열량과 냉수가 얻은 열량의 차이를 줄이기 위한 방법을 고찰하시오.병류 열교환기에 비하여 향류 열교환기가 공정의 가역성이 좋아 더 효율적이다. 따라서 향류 열교환기를 사용하여 좀 더 높은 효율을 얻을 수 있다. 또한 철저하게 단열 설비를 갖추고, 실험 장치 역시 외부 환경으로부터 완벽하게 독립시켜 불필요한 열 손실을 막는다. 마지막으로는 두 유체의 된다.

공학/기술| 2009.10.05| 11페이지| 1,000원| 조회(367)

기계공학실험, 열교환기, 이중관, 향류, 병류, LMTD

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레이놀즈수를 이용한 마찰계수 측정 실험

1. 실험제목 : 마찰계수 측정실험2. 실험목적유체가 흐르는 원관 내에서 가장 큰 손실은 유체 흐름 따른 마찰에 의한 것으로 에너지가 열에너지로 변환되면서 나타난다. 또한, 원관 내의 손실은 층류, 난류에 따라 달라진다. 관 속에 유체가 흐를 때, 마찰에 의한 손실 (주 손실) 이외에 단면 변화, 연결부, 밸브, 기타 배관 부품에서 생기는 손실을 통틀어서 부차적 손실이라 하며, 이 부차적 손실은 속도 수두에 비례하여 발생하게 된다. 이번 실험을 통해 유체 원관 내에서의 주 손실과 부차적 손실을 관찰하여 그 손실을 측정, 이해하고, 무디 (Moody) 선도의 레이놀즈수를 이용하여 Darcy 마찰계수도 구해보자.3. 실험이론유체가 유동하게 되면 원관 내에서 마찰력이 발생하게 된다.위 그림은 원관 내에서의 층류유동에 따른 속도분포를 보여주고 있다. 또한, 원관 내에는 층류유동에 의한 전단력도 작용하는데, 이 전단력은 원관 표면의 거칠기와 유체의 밀도, 점도, 속도, 관의 직경 등에 의해 결정되는 레이놀즈수로 주어진다.레이놀즈수 :(ρ: 밀도, V: 유체의 평균유속, d: 원관의 지름, μ: 유체의 점도)전단력에 의하여 압력강하가 나타나게 되는데, 이는 무차원 변수인 마찰계수를 이용하여 나타낸다. 이 때 사용하는 마찰계수는 Fanning 마찰계수와 Darcy 마찰계수이며, Fanning 마찰계수는 관 표면에 작용하는 전단력을 유체의 운동에너지로 선형적인 함수로 표현한다. Darcy 마찰계수는 Fanning 마찰계수의 4분의 1배이며, Darcy 마찰계수의 경우 유체역학 분야에서, Fanning 마찰계수의 경우는 열전달 분야에서 주로 사용된다.Fanning 마찰계수 :Darcy 마찰계수 :* 레이놀즈수 (Renolds number)레이놀즈수는 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로, 주어진 유동 조건 내에서 이 두 종류의 힘 간에 상대적인 중요도를 정량적으로 나타낸다. 레이놀즈수는 유동이 층류 혹은 난류인지 판별하는데 사용되며, 층류의 경우 점성력이 주된 유동으로, 경우 관성력이 주된 유동으로, 레이놀즈수가 크며, 임의적인 와류, 불규칙한 유동이 특징이다. 레이놀즈수는 1883년에 이를 제안한 Osborne Reynolds (1842-1912)의 이름을 따서 명명되었다.* 층류 (Larminar flow), 난류 (Turbulence flow)유체의 흐름에는 규칙적인 흐름인 층류와 불규칙한 흐름인 난류가 있다. 층류와 난류는 완전히 반대되는 흐름이며, 이들의 중간 형태의 흐름은 존재하지 않는다. 층류는 점도가 크고 속도가 작아서, 작은 구멍이나 가는 관을 통과할 때 발생한다. 난류는 점도가 작고, 유속이 큰 넓은 관을 흐름에서 발생한다. 층류는 각 부분에서 흐름이 평행한 방향으로 나타나기에 열손실이 적은 편이다. 반면, 관 내에서의 흐름이 난류로 바뀌게 되면 유체의 마찰저항이 급격히 증가하게 된다. 층류와 난류를 판별하기 위해 레이놀즈수라고 하는 무차원 변수를 사용한다.→ 층류→ 난류* 유량 (Flow rate)유량은 단위 시간당 일정한 단면을 통과하는 유체의 체적, 질량 등을 나타낸 것이다. 유체의 단위 시간당 통과한 체적을 나타낸 유량을 체적 유량, 유체의 단위 시간당 통과한 질량을 나타낸 유량을 질량 유량, 유체의 단위 시간당 통과한 양을 나타낸 유량을 적산유량이라고 한다.체적유량 MKS 단위 : m3/s질량유량 MKS 단위 : kg/s중량유량 MKS 단위 : N/s* Moody chart1994, Lewis Ferry Moody에 의해 발표된 관 내 유동 마찰계수에 대한 차트이다. x축에는 레이놀즈수를 y축(오른쪽)에는 관의 상대 거칠기가 나타나 있으며, 레이놀즈수와 상대 거칠기를 이용하여 마찰계수를 알아 볼 수 있는 차트이다.4. 실험장치유량계 : 로타미터 (rotameter)는 수직의 유동방향으로 단면적이 변화하면서 부유물(float)의 위쪽과 아래쪽의 압력차가 부유물의 무게와 일치할 때 그 부유물의 위치로 유량을 측정하는 기기로서 소유량 및 중유량의 2개가 사용되며 그 측정범위는 0.06-8liter/min이고 압력강하 측정 구간의 길이는 1m이다.차압변환기 : 스트레인 게이지식 차압변환기이며 두 챔버의 압력차를 직류 전압차로 출력하며 액정화면에 지시한다. 차압변환기의 측정 범위는 -10,000Pa에서 10,000Pa이다.DC 전원 공급기 : 차압변환기에 필요한 DC24V를 공급한다.펌프 : DC 모터가 회전을 하면서 물저장조에 담겨져 있는 물을 파이프로 순환시키는 역할을 한다.우회밸브 : 유량을 높이는데 펌프의 성능은 한계가 있으므로 우회밸브를 조절하여 펌프의 과열을 막고 유량을 효율적으로 높이는데 사용된다.필터: 물저장조의 아래에 달려있으며 물속에 들어있는 불순물을 제거하여 계측하는데 있어 오차의 발생확률을 줄여주는 역할을 한다.물저장조 : 원관을 흐르는 물을 담아두는 저장고이다. 원관을 흐르는 유체는 원관 내의 마찰에 의해 열이 발생하여 점점 수온이 상승한다.5. 실험순서1) 물저장조에 있는 물의 온도들 측정한다. 단 실험이 진행되면서 저장조 내의 물의 온도는 증가할 수 있음에 주의한다.2) 원관내에 물이 없는 것을 확인하고 원관과 차압변환기를 실리콘 튜브로 연결한다. 원관 과 차압변환기를 연결하는 밸브를 열어 차압변환기의 양 챔버에 가해지는 압력을 동일하게 한 후 밸브를 잠근다. 이 때 차압변환기의 출력을 확인한다.3) 유량계의 조절밸브가 모두 잠겨진 상태에서 펌프의 우회밸브를 완전히 개방하고 펌프에 전원을 공급하여 펌프에서 흡입되는 물이 우회로를 통하여 모두 물저장조로 배출되도록 한다.4) 유량계의 조절밸브를 이용하여 원관내의 유량을 원하는 값으로 조절한다. 요구되는 유량이 만족되지 않을 경우 우회밸브를 조금씩 닫아주도록 한다.5) 원관과 차압변환기를 연결하는 공기튜브의 밸브를 열어 압력강하를 측정한다.6) 유랑의 증가와 압력강하의 측정을 원하는 유량의 범위 (레이놀즈수 200 - 15000) 에서 반복 수행한다.6. 실험 결과 및 토의실내온도 : 23 ℃(1) 측정결과TEST No1234567유량 Q(m3/s)0.003350.003350.003350.73737383839속도 V(m/s)35.26335.26335.26335.26335.26335.26346.316Reynolds 수8758.669275.829275.829275.829462.019462.0112652.15압력강하?P(kPa)469*************31172Darcy 마찰계수0.030030.029420.032690.043200.044890.046880.00640Moody chart 마찰계수0.0370.0360.0360.0360.0360.0360.035TEST No8910111213유량 Q(m3/s)0.00440.005150.005150.006350.006350.00635물 온도 ℃393939353637속도 V(m/s)46.31654.21154.21166.84266.84266.842Reynolds 수12652.1514808.8314808.8316915.8917243.5517582.58압력강하?P(kPa)208*************2491274Darcy 마찰계수0.007740.034440.031240.021340.022270.02273Moody chart 마찰계수0.0350.0340.0340.0330.0330.033* 마찰계수 계산Darcy 마찰계수의 경우 주어진 위 식에 측정 값을 대입하여 구할 수 있다. 밀도와 점도의 경우 프린트의 를 이용 보간법을 사용하여 구할 수 있다. Moody chart를 이용한 마찰계수의 경우, 레이놀즈수와 원관의 상대적 거칠기를 통해 그래프에서 마찰계수 값을 찾을 수 있다. 측정한 값들은 레이놀즈수가 모두 8700이상의 값을 가지므로, 난류유동을 나타내며, 그래프 오른쪽에 원관의 상대적 거칠기를 이용해 그래프를 선택하고, 그 그래프를 이용하여 레이놀즈수와의 교점을 찾아 마찰계수를 구하면 된다. 을 이용하여 상업용 관의 거칠기를 찾아보면 거칠기는 1.8×10-3 in 이며, 이를 이용하여 상대적 거칠기를 구하면 (1 in → 0.0254 m) 0.00004572 m / 0.011 m 약 0.004의 값을 갖는다. 이놀즈수와의 교점을 찾음으로 마찰계수를 구할 수 있다.(2) 토의 사항1) 레이놀즈수의 함수로 마찰계수를 도시하고 유동의 천이 및 레이놀즈수의 영향에 대하여 설명하시오.Moody chart를 보게 되면 레이놀즈수가 2100 미만일 경우, 관의 거칠기에 상관없이 일정한 기울기를 가진 직선 그래프로 나타내어지는 층류영역으로 이루어져 있다. 레이놀즈수가 2100~4000 사이에 존재할 때, 경우에 따라서 층류가 되기도 하고 난류가 되기도 하는 천이영역이 나타난다. 즉, 이 영역에서는 불완전한 형태로 층류와 난류가 혼합된 상태이다. 레이놀즈수가 4000이 넘게 되면, 본격적인 난류영역이 된다. 이 때 그래프는 비교적 완만한 곡선을 가지게 되는데, 따라서 마찰계수의 변동 폭 역시 비교적 적다. 층류영역에서는 Moody chart에서의 그래프가 가파른 기울기를 가지고 있기 때문에, 레이놀즈수가 증가함에 따라 마찰계수의 감소폭이 크고, 천이영역에서는 난류와 층류가 상존되어 있는 상태이기에, 마찰계수가 일정치 않으며, 난류영역에서는 완만한 곡선을 갖기에 레이놀즈수가 증가함에 따라 마찰계수 역시 비교적 적게 변한다. 종합해보면, 레이놀즈수는 그 수치가 증가함에 따라 층류영역에서 천이영역으로 다시, 천이영역에서 난류영역으로 바뀌게 된다.2) 실험의 오차 및 정확성에 대하여 기술하시오.1. 차압변환기의 측정값이 계속 6pa간격으로 변하게 되므로 ±6pa 의 오차가 발생하였다. 또한, 책상의 흔들림, 물저장조에 온도 측정을 위한 온도계를 넣는 행위 등이 유체의 흐름에 영향을 주어 차압변환기의 측정값이 급격하게 변하는 경우도 있어서 오차가 발생하였다.2. 가장 이상적인 조건은 정상상태에서 실험을 하는 것이겠지만, 펌프에 의한 열 발생이라든가 아니면 실험실에 설치되어 있는 에어콘 등 외부적 요인에 의해 물의 온도가 일정하게 유지되지 못했다. 그것을 가만하여 물의 온도를 일정간격으로 계속 체크했고, 그에 따라 물의 점도와 밀도 등을 새로 대입하여 레이놀즈수를 구하였지만, 이 역시 정확한였다.

공학/기술| 2009.10.05| 7페이지| 1,000원| 조회(2,683)

기계공학실험, 유량, 레이놀즈수, 마찰계수, 층류, 난류

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