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부식에 대한 이해와 종류

1. 부식(腐蝕)이란?(1) 부식의 개념부식이란 금속에 발생하는 노후 현상인데 이것을 우리가 어떻게 관리하는가에 따라 부식의 정도를 줄일 수 있다. “금속이 부식된다고 하는 것은 금속이 자연 상태로 되돌아가는 과정” 이라고 할 수 있다. 즉, 부식은 금속의 산화과정을 말하는데, 모든 금속은 공기 중에 노출되면 표면에 산화막이 형성되고, 어떤 경우에는 막이 대단히 얇고 또한 금속 내부를 보호하여 금속 고유의 광택을 유지하기도 한다.그러나 습기, 염소이온과 같은 음이온, 질소와 유황의 기체 산화물 등이 존재하면 부식이 쉽게 진행되어 금속을 완전히 망가뜨릴 수도 있다. 부식은 한 금속 조각이 다른 부분 사이, 또는 전해질로서 서로 접촉하고 있는 다른 금속 사이의 전자 이동에 의해 발생한다.예를 들면 공기와 습기가 접촉하고 있는 철은 부식한다. 공기 중에서 알루미늄의 부식은 철의 부식보다 느리게 진행된다. 알루미늄의 표면에 형성된 막은 질기고 단단해서 산소를 더 이상 침투시키지 않기 때문이다.부식된 금속은 금속 본래의 구조나 특성을 잃기 때문에 자발 과정인 부식은 경제적으로 손실을 가져오는데, 매년 생산되는 철과 강철의 약 1/4이 녹슨 것을 대치하는데 사용된다.Fig.1 수분 접속부의 부식Fig.2 우기중의 볼트 부분 부식(2) 부식을 방지하는 방법부식 방지는 천연 에너지자원과 천연 금속원을 보존하는 중요한 방법이다. 흔히 산소나 습기로부터 금속을 보호하기 위해 페인트나 금속 도금 등 얇은막을 입히기도 한다. 크롬이나 주석은 견고한 산화막을 형성하기 때문에 강철을 도금하는 데 많이 쓰인다.전기 도금법으로 강철에 막을 입히는 데 쓰이는 아연은 산화막을 형성하지 않는다. 그러나 아연이 철보다 활성이 더 큰 금속이기 때문에 산화 반응이 발생하면 철보다 아연이 더 잘 녹슬게 된다. 따라서 아연은 철 표면에서 '희생막'으로 작용한다.땅에 묻혀있는 연료 탱크나 송수관 강철을 보호하는 데 흔히 쓰이는 방법이 음극화 보호이다. 보호하려고 하는 송수관이나 탱크에 마그네슘과 같은 활의 전해질이 존재하고 양극 - 음극 반응이 일어나면서 생기는 것으로 방식에는 다음과 같은 기본적인 방법들을 고려한다.(1) 금속표면과 전해질의 차단(도장)?-자연전위가 낮은 금속(아연 등)에 의한 도금?-콜타르, 아스팔트 등에 의한 도장(2) 전위 차 즉 양극반응을 없애는 것(전기방식)?-희생 양극 법(Mg가 방식금속(Fe 대신 부식되어 줌)?-외부 전원 법(외부에서 방식전류 공급)(3) 양극과 음극 분리(절연)6. 부식 방지대책?-부식성이 적은 배관재료를 선정하고, 급탕 배관에는 내식성재료 사용?-수질관리 철저?-온수 온도 조정?-공기가 정체할 우려가 있는 부분 공기 벤트기 설치7. 부식의 예(1) 관의 상처에 의한 부식Fig.8 상처에 의한 부식위에서 보는 것처럼 상처가 있는 부분에서 녹이 발생한다.(2) 다른 금속과 의 접촉에 의한 부식Fig.9 접촉에 의한 부식중성환경에서 철은 스테인레스강, 황동 등에 대하여 양극(+극)이 된다. 예를 들면 땅속에 있는 강관 라인에 동 합금의 밸브를 부착하면 그 접속부 부근의 철 부분이 부식을 일으킨다.8. 참고자료가스안전공사 http://www.kgs.or.kr/9. 부식의 종류9.1 균일부식금속표면의 전체에 걸쳐서 균일하게 발생하는 부식을 균일부식 또는 일반부식이라 한다.균일부식이 발생하게 되면 금속은 점점 두께가 감소하게 되고 마침내는 사용이 불가능해지게 된다. 예를 들면, 묽은 황산 용액에 담구어져 있는 Fe 또는 Zn 시험편은 표면 전체에 걸쳐 균일한 속도로 용해된다. 그러나 이 균일부식은 공업적인 관점에서 그다지 큰 중요성을 갖지 못하여 우리의 관심을 끌지 못한다. 균일부식에 의한 장비의 수명 단축은 간단한 실험으로도 정확히 계산할 수 있을 뿐만 아니라 부식의 발생과 위험정도 등을 쉽게 예측할 수 있기 때문에 이 부식의 발생으로 인한 문제점은 별로 심각하지 않다. 시험편을 용액 속에 담구어 놓는 것만으로 실험은 행해질 수 있으며 우리의 육안으로도 실제의 부식발생 및 부식진행 상황을 확인할 수 있다. 균일부식에틈부식에 특히 민감하다. 틈이 부식영역으로서 작용하기 위해서는 용액이 들어올 수 있을 만큼은 충분히 넓어야 되며 또한 들어온 용액이 갇히어 정체될 수 있도록 충분히 좁아야한다. 따라서 틈부식은 그 폭이 수천분의 1인치 이하인 곳에서 주고 발생한다. 폭이 넓은 홈에서는 틈부식이 거의 발생하지 아니한다. 섬유질의 가스켓은 플랜지면과 접촉할 경우 용액을 완전히 정체시킬 수 있기 때문에 아주 이상적인 틈부식 발생 장소가 된다.(2) 틈부식의 발생기구틈과 그 바깥 사이의 산소 농도 차이로 인해 틈부식이 발생한다고 일반적으로 알려져 왔다. 따라서 틈부식을 농담전지부식이라 바꾸어 부르기도 하는 것이다. 그러나 엄격히 말하면, 틈부식이 발생하는 동안 산소 농도 차이가 존재하기는 하지만 이것이 틈부식의 근본 원인은 아니다.틈 내부에는 산소의 공급이 힘들기 때문에 잠시 후에 이곳의 산소가 전부 소비되어 산소환원반응이 정지되고 만다. 산소가 고갈됨으로 인해서 금속 이온이 더욱 쉽게 수화 될 수 있을 뿐만아니라 스테인레스 강, AI, Ti 등 부동태 금속의 경우 금속 표면에 생성된 부동태산화피막이 국부적으로 파괴되어 금속용해속도가 빨라진다. 그러나 더욱 중요한 것은 산소의 고갈이 부식 거동에 미치는 간접적 영향이며 노출 시간에 따라 이 영향은 커진다. 일단 산소가 고갈되면 더 이상의 산소환원반은은 일어날 수 없지만 금속 M의 용해는 계속된다. 그리하여 틈 내부의 용액 속에 (+)전하가 과도하게 많아지게 되고 따라서 평형을 유지하기 위해서는 틈 바깥으로부터 틈 내부로 Cl-이온이 이동해 와야 한다. 중성의 묽은 NaCl 용액에서의 틈 내부 Cl-이온 농도는 틈 바깥에 비해 3～10배가 많으며 pH는 2～3인 것이 관찰 되었다. 틈 내부에서의 부식 속도가 증가할수록 그 인접영역의 표면에서는 산소환원속도가 더욱 빨라진다는 사실을 알 수 있다. 따라서 이 부분은 음극보호를 받게 된다. 결국 틈부식이 진행되는 동안 부식은 틈내부에만 국한되어 국부적으로 일어나게 되고 다른 영역은 거의 또는 공식은 저장 탱크 속의 물 등과 같은 정지상태의 조건에서 쉽게 발생한다.- 산화제와 온도할로겐이온이 공식을 일으키기는 하지만 산화제가 없을 경우 그 정도는 심하지 않다. 산화제로서 가장 중요한 것은 용해 되어 있는 산소이다. 공식에 미치는 산소와 산화제금속 이온의 영향은 다르다. 산소의 경우 용해도가 온도 및 염농도에 따라 감소하므로 공식속도가 최대점을 나타내는 온도가 존재하게 되지만, 산화제금속 이온의 경우 온도상승에 의한 공식속도의 최대점은 없다. 즉 Cl-이온이 공식발생에 미치는 영향은 온도에 따라 커진다.b. 합금 : 공식이 가장 문제되는 것은 스테인레스강과 Al합금이다.- 스테인레스강스테인레스강은 어떤 금속 또는 합금보다 공식에 민감하다. 따라서 스테인레스강의 공식을 줄이기 위한 많은 연구가 행해졌다. 스테인레스강은 Cr 첨가량의 증가에 따라, 또한 Ni 첨가량의 증가에 따라 Ec,pit가 더욱 귀전로 이동하게 되고 따라서 공식에 때한 저항이 커진다. Cr이나 Ti의 경우에, Ec,pit값이 대단히 높기 때문에 공기와 접촉하고 있는 실온의 염욕액에서 이들 금속은 공식을 일으키지 않는다. 그러나 온도가 증가하고 Cl-이온 농도가 증가하면 이들 금속의 Ec,pit는 낮아지며 공식이 발생한다. N 와 Mo도 공식에 대한 저항을 증가시킨다. S와 Si는 공식에 대한 저항을 감소시키는데, Si의 경우 Mo와 함께 존재하게 되면 공식저항을 증가시키게 된다.- Al 합금순수한 Al은 Fe, Si와 같은 불순물의 함량이 많을수록 공식에 대한 저항성이 나빠진다. 또한 Cu, Cr, Ni 등과 같은 중금속의 첨가는 공식저항을 감소시키고 Mn, Mg, Zn 등의 첨가는 공식저항을 감소시키지 아니한다. 전자는 Al에서의 고용도가 적으므로 이들이 Al에 첨가될 경우 Al에 대해서 음극으로 작용하는 제 2상이 석출 되는데 비해 후자는 Al에서의 고용도가 크며 또한 석출이 되더라도 그것이 Al에 대해서 양극으로 작용하기 때문이다.c. 표면상태 및 열처리공식의 발생에 영향을 미부식속도는 더욱 증가될 것이다. 탈탄된 영역을 분석해 보면 90～95%가 Cu이며 이 중의 약간은 산화물로 존재한다는 것을 알 수 있다.c. 탈아연부식의 방지환경의 부식촉진성분을 감소시키거나 음극방식등에 의해서 탈아연부식을 발지할 수 있다. 그러나 대부분의 경우 이러한 것들은 경제적인 방법이 못된다. 따라서 탈아연 부식에 덜 민감한 합금을 사용하는 것이 가장 좋은 방법이다.(2) 흑연화회주철은 가끔 비교적 온화한 분위기에서 선택부식을 일으키는 경우가 있다. 이때 주철의 표면층은 흑연처럼 보이며 칼로서 쉽게 잘라낼 수 있다. 이러한 외관과 거동에 근거하여 이 부식을 흑연화라고 일컫기도 한다. 주철의 부식에서는, 사실은 흑연조직을 남기고 철과 강이 선택적으로 부식된다. 흑연은 강에 비해서 귀전위를 가지고 있으며 따라서 강과 갈바닉전지를 이룰 때 음극으로 작용하기 때문이다. 강이 용해되면서 흑연, 기공, 녹 등으로 된 다공성의 물질을 남기게 된다. 그리하여 주철은 그 강도 및 금속성질을 상실하게 된다. 재료의 면적이 변화되든가, 치수가 e라라지는 등의 변화가 없으며 따라서 발견되지 않은채 크게 부식이 되어 무서운 결과를 초래하는 경우가 있다. 표면에는 약간의 녹을 보일 뿐이지만 금속은 그 강도를 상실하기 때문이다. 이때 강도의 감소는 부식의 깊이와 관계가 있다. 흑연화는 회주철에서만 발생하며 백주철, 가단주철 등에서는 일어나지 않는다.(3) 기타 합금의 선택부식선택부식은 황동, 회주철 이외에도 Al 청동에서의 Al, Co-W-Cr 합금에서의 Co 등에서도 발생할 수 있다. 때로는 선택부식이 유일한 경우가 있다.9.7 침식부식(erosion corrosion)(1) 일반적 특징침식부식이란 부식용액과 금속표면 사이의 상대적인 운동으로 인하여 금속의 부식속도가 더욱 촉진 또는 증가되는 현상을 말한다. 일반적으로, 용액과 금속표면 사이의 상대적인 운동은 대단히 빠르며 그리하여 기계적인 마멸효과도 포함이 된다. 따라서 침식부식을 마모부식이라 일컫기도 한다. 금속성분은 용해된다.

공학/기술| 2007.11.19| 24페이지| 2,000원| 조회(2,485)

금속, 부식, 피로, 산화물, 전자 이동

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고속가공의 종류와 예

1. 고속가공에 대한 정의Table 1 고속가공의 정의정성적 의미정량적 의미주변형 영영에서 전단의 국부화가 완전히 일어나는 속도 이상의 가공기존 가공방법에 비해 높은 주축 회전수와 빠른 이송속도로 가공Table 2 금형가공용 밀링가공기 개발 현황고속가공이란 소재 제거율(MRR: Material Removal Rate)을 크게 향상시킴으로써 생산비용 및 생산시간을 단축시키는 가공기술을 말한다. 현재까지 추구된 고속가공은 세 가지 방향으로 나누어진다.1. 초기에 추구된 것으로 티타늄합금과 같은 고경도 난삭재 가공 작용 심각한 공구마모의 발생2. 고속가공을 통해 소재 제거율을 크게 해 생산성을 향상3. 정삭 가공에 고속 가공을 적용해 가공 표면 품질과 가공 정도의 개선을 추구, 생산성 향상과 가공 품질 개선 동시 추구일반적인 절삭가공뿐만 아니라 고속가공에서도 절삭 속도는 다음 사항을 고려하여 선정된다.1. 피삭재 : 알루미늄 합금. 티타늄 합금. 니켈 합금. 탄소강2. 가공 방법 : 선삭 밀링 드릴 등3. 공작기계 : 동력(정적 및 동적) 강성4. 절삭공구 : 고속도강. 초경합금. 세라믹. CBN .다이아몬드 등5. 부품의 요구 조건 : 형상, 크기, 강성, 정밀도 등이 밖에도 칩 배출의 용이성. 안정성 및 경제성 등에 따라서 선정되어지므로 고속가공에 대한 절대적 절삭 속도를 정의하기는 어렵다. 피삭재의 종류에 따라서 적절한 공구 수명 내에서 가공할 수 있는 절삭속도에 큰 차이가 나기 때문이다. 그래서 고속가공을 주변형 영역에서 전단의 국부화가 완전히 일어나는 속도이상에서의 가공으로 정의하기도 한다. 그러나 이 정의는 정량적이지 못하므로 고속가공이라 함은 대부분의 현재 현장에서 사용되는 가공속도보다 현저히 높은 경우로 부르는 것이 일반적이다.2. 고속가공의 필요성과 효과독일의 CARL SALOMAN이 1931년 절삭속도의 증가에 따르는 절삭온도와 마모의 거동에 관하여 다음과 같은 가설을 제시했다.절삭속도가 증가함에 따라 절삭공구의 온도와 마모는 어떤 특정값에 도달할두께가 얇아지게 되어 표면 품질이 향상되고 절삭력의 감소로 인한 전단각의 증가로 칩의 배출속도가 절삭속도보다 크게 되어 칩의 배출이 원활하게 되고 버(BURR)의 발생이 억제된다.Table 3 고속가공에서의 절삭조건피 삭 재절삭속도(m/min)절삭 깊이(mm)이송 속도(mm/rev)알루미늄 합금900 ~ 15000.13 ~ 0.500.05 ~ 0.20구리 합금500 ~ 11000.13 ~ 0.500.03 ~ 0.15소결 텅스텐 카바이드150 ~ 5000.01 ~ 0.130.03 ~ 0.08유리섬유/플라스틱 복합재120 ~ 11000.03 ~ 0.080.03 ~ 0.25탄소/플라스틱 복합재150 ~ 6100.25 ~ 2.300.13 ~ 0.38고 알루미늄 세라믹500 ~ 9200.01 ~ 0.130.03 ~ 0.10탄소강300 ~ 6100.02 ~ 0.400.02 ~ 0.40이러한 장점들이 있는 고속가공을 적용함으로써 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다. 고속가공은 가공의 효율성을 추구하는 고능률 기공과 가공표면의 정밀성을 추구하는 고품위가공으로 구분한다. 고 능률가공은 가공속도와 함께 이송을 증가시킴으로써 재료 제거율을 극대화 시켜 가공사간을 단축시키는 방법이며 고 품위가공은 고속가공과 함께 공구경로의 간격을 감소시킴으로써 최종표면에 남는 커숲(cusp)높이를 최소화시키는 가공방법이다.3. 고속가공의 절삭특성(1) 절삭현상절삭은 공구 또는 피삭재가 이동함에 따라 피삭재가 탄성변형, 소성변형을 거쳐 칩의 형태로 제거하는 과정이다. 대부분의 재료들은 재료시험에서 변형률(strain) 0.002(0.2%)에서 항복(yield)하고 0.01~0.1의 범위에서 파단 된다. 그리고 인장시험에서의 단위시간당 변형률(strain rate)의 크기는 약/sec, 충격시험(impact test)에서는 약 103/sec의 크기가 된다.그러나 절삭에서 칩 형성시의 변형률은 1이상(2~5)의 크기가 되고 변형률 변화율(strain rate)의 크기가 약 105/sec 으로 매우 큰 하가 감소하게 된다.(2) 모멘텀 효과(momentum effects)가공속도가 빨라질수록 달라지는 것 중의 하나가 모멘텀 효과에 의한 영향이다. 일반가공에서는 큰 영향이 없는 모멘텀 효과가 가공속도가 커질수록 무시할 수 없는 크기가 된다. D'ALEMBERT 힘으로 불리는 모멘텀력은 전단면에서 칩의 모멘텀을 바꾸기 위한 힘이다.모멘텀력의 크기는 다음과 같다Fm = pbtV * Vs위의 식에서 각 기호의 의미는 아래와 같다.V : 절삭 속도Vs : 전단속도 (Shear Velocity : 칩 배출 속도로 보면 됨)p : 밀도btV : 단위 시간당 제거되는 칩의 부피윗 식에서 전단속도 Vs는 전단각 'a' 와 경사각 'ψ'를 이용하여 아래와 같이 나타낼 수 있다.Vs = V * (cos (a) / cos (ψ-a))이 관계식을 이용하여 모멘텀력을 표현하면 아래와 같다.Fm = p * ( (V² * bt) * cos (a) / cos (ψ-a))다시 모멘텀력에 의한 단위체적당 모멘텀 에너지를 계산하면 아래와 같다.Um = Fm * Vs / Vbt ?= p * V² *?(cos (a) / cos (ψ-a))²Table 4 모멘텀힘과 모멘텀 에너지절삭 속도모멘텀 력모멘텀 에너지16580.53305262.11182895075.9330**************************8026430021200앞의 식들에서 모멘텀력과 모멘텀 에너지의 크기가 가공속도의 제곱에 비례함을 알 수 있다. 저속가공에서는 영향이 무시될 수 있는 작은 크기지만 고속가공에서는 매우 큰 값을 갖게 된다. 모멘텀 에너지는 가공 속도 10000m/min에서 절삭에너지의 10% 정도의 크기지만 30000m/min의 가공속도에서는 절삭에너지와 같은 크기가 된다. 그러므로 고속가공에서는 비 절삭에너지(specific energy)에 모멘텀 에너지가 더해진 에너지가 가공에 소요된다. 즉 고속가공에서 절삭력은 작아지지만 가공에 소요되는 에너지는 더욱 크게 된다.(3) 칩 형상(chip formation)가생하는 전단변형 칩은 작은 조각들로 완전히 분리되어 있으므로 칩의 배출면에서 유리하다.전단변형발생초기에는 전단각이 최대가 되며 칩의 소성변형으로 두께가 증가함에 따라 전단각이 감소한다. 칩의 두께가 최대일 때 전단각은 최소가 된다. 칩이 피삭재로부터 분리되면 일정의 탄성회복으로 칩이 편평하게 되어 전단각이 증가하게 된다. 전단각의 주기적인 변화에 비례하여 칩의 배출속도가 주기적으로 변화하게 된다. 또한 절삭력이 주기적으로 변화한다. 티타늄합금의 경우 거의 전 속도 범위에서 전단변형 칩이 생성되며 니켈합금 등의 고경도 소재들은 일정한 속도보다 클 때 전단변형 칩이 생성된다.(4) 마모(wear)절삭속도가 증가함에 따라 절삭온도가 증가함에 되며 결과적으로 일반가공보다 공구의 마모가 증가하게 된다. 일반적인 저속가공에서는 물리적인 접촉으로 연삭에 의한 마모가 주로 되는 반면 고속가공에서는 높은 절삭온도에 기인하여 확산(diffusion)에 의한 마모가 주로 발생한다. 밀링 가공에서 초경합금과 세라믹 공구를 사용하여 탄소강인 S45C를 300, 400, 600 m/min으로 기공한 결과 여유면 마모(flank wear)는 절삭속도의 증가에 따르는 특별한 변화가 보이지 않는다. 경사면마모의 경우는 절삭속도에 따라 급격히 증가함을 관찰할 수 있고 초경합금에 비하여 열적으로 안정한 세라믹 공구의 마멸이 적다. 공구의 산화에 의한 마모인 경계마모는 칩의 경계선(depth of cut)에 위치한다. 보통 경계마모는 여유면 마모의 크기에 비례하는 크기를 갖는다. 그러나 고속가공에서는 높은 절삭온도에 의하여 경계마모가 여유면 마모에 비하여 매우 크게 발생한다. 또한 밀링 가공과 같은 단속절삭에서는 높은 절삭온도뿐만 아니라 물리적인 충격 및 열 충격도 발생하게 된다.4. 고속가공의 기술특성1) 시간당 절삭량 극대화2) 미소 절삭력 실현3) 고속가공에 의한 가공표면의 고품질화4) 고주파수 가진에 따른 주축의 동적 안정성 증대5) 이송축의 고속화 유도로 가공기의 성능 극대화6) 얇은 주 노력은 내 결손성의 향상에 주어지고 있다. 서밋공구의 고온 특성은 초경합금과 세라믹의 중간적 성질을 나타내는 사실로부터 현재 주종을 이루고 있는 초경합금공구가 서밋의 개발에 의해서 교체될 것으로 예측된다.절삭속도가 증가함에 따라 절삭온도가 증가하게 되며 결과적으로 일반가공보다 공구의 마모가 증가한다. 그리고 선삭 가공에서는 높은 내열성을 갖는 세라믹 공구를 적용함으로써 고속가공에 대응할 수 있다. 그러나 세라믹 공구는 내마모성이 좋은 반면 인성이 작아 취성에 취약하다. 그러므로 밀링가공과 같은 단속절삭에서는 높은 절삭뿐만 아니라 물리적인 충격 및 열 충격도 발생하게 되어 인성이 작은 세라믹공의 적용이 용이하지 않다.SI3N4의 경우 굽힘강도와 열충격에 강한 특성을 가지고 있어 밀링과 같은 단속절식에도 적용이 가능하다. AL2O3(산화알루미늄 세라믹)에 ZrO2를 첨가하여 확산마모에 대한 내마모성을 향상시킨 공구재가 개발되고 있다. 다이아몬드와 CBN은 타 공구재료에 비하여 경도와 열전도율이 월등히 뛰어나다. 이러한 다이아몬드와 CBN의 개발은 지금까지는 연삭가공에 의존할 수밖에 없었던 고경도 재료들의 절삭가공을 가능하게 하였고 고속가공을 실용화 할수 있는 길을 내주었다. CBN 및 세라믹은 주철의 가공에서 표면 정밀도에 영향을 주는 칩 용착이 잘 일어나지 않는다.(2) 공구재료의 기계적 성질Table 5 공구재료의 기계적 성질공 구 재 료상 온 온 도항 절 력(Kg/Cm²)열 전도율(Cal/K.Cm²)고속도강(HSS)HRA83 ~ 86400 ~ 600분말 고속도강HRA87 ~ 88250~ 350초미립자 초경합금HRA90 ~ 91180 ~ 300초경합금(P종)HRA90 ~ 93150 ~ 2000.07~0.12초경합금(K종)HRA90 ~ 94200 ~ 2200.17~0.19CERMET(TICN계)HRA91 ~ 94170 ~ 1800.05CERMET(TIN계)HRA83 ~ 86100 ~ 150SICHV27000.1AL2O3HV210070 ~ 900.05~0.2

공학/기술| 2007.11.19| 9페이지| 2,000원| 조회(2,101)

공구, 절삭, 속도, 가공, 고속가공

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1. 서론1.1. 실험목적본 실험은 복사의 원리를 이해하고 차폐판의 거리를 달리하여 전달되는 복사에너지의 양을 측정함으로써 복사 특성을 결정하는 인자들을 이해하는데 그 목적이 있다.2. 이론적 배경2.1. 복사의 이론열전달의 종류에는 전도, 대류, 복사가 있다.열복사가 열전도와 열대류와 다른 특징은 연속매체가 없어도 일어난다는 것이다. 전도나 대류는 어떤 물질에서 온도 구배가 존재할 때 일어나는 것이고 복사는 고체나 유체 등의 중간 매질을 거치지 않고 공간 내에서 빛이나 전자기파 등의 형태로 열이 전달되는 것이다. 이러한 복사는 태양에너지의 전달, 연소, 전열기와 난로 등에서 쉽게 찾아볼 수 있다.진공에 둘러싸인 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 열복사에 의한 방사(emission)의 직접적인 결과이다. 한 물체에서 방사되는 복사에너지는 Maxwell의 전자파이론에 따라 전자기파(electromagnetic wave)의 형태 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 액체로부터 방사는 표면적인 현상으로 간주 될 수 있다.태양에서 나온 복사에너지는 일부는 지구 대기권에서 반사 또는 흡수된다. 복사에너지가 감소되지 않는 경우는 진공 중에서 뿐이다. 그러나 대기권은 수백 ㎞에 이르는 공기덩어리이고 실내에서 작은 거리내의 공기에 의한 복사에너지의 감소는 매우 작다.표면에서 방사된 복사에너지는 크게 두 가지에 의해서 달라지는데 첫째는 표면의 성질과 온도이다. 온도에 따라 복사의 크기와 파장의 스펙트럼 분포가 달라진다. 둘째는 방향성과 관계된다. 그러나 우리가 도입하는 흑체의 개념에는 복사를 온도나 파장의 함수로 보고 방향에는 무관하다고 여긴다. 즉, 흑체는 확산 방사체로 간주된다.이번 실험에서는 두 물체사이에서 온도차에 의한 전자기복사, 열복사를 주로 다루게 된다. 공학에서 사용하는 대부분의 물질은 표면의 수 ㎛내에서 복사에너지를 방출하고 흡수한다. 복사에너지가 통과하지 못하는, 즉 복사에너지를 투과시키지 못하는 물질을 불투명체라 부르고 소수의 예외를 제외하면 고체는 대부분 복사에 불투명이다. 입사되는 복사의 일부를 통과하는 물질을 반투명체라 한다. 불투명체에 복사에너지가 들어갈 때에는 표면에만 크게 작용하고 반투명체인 경우에는 물체 내의 부피에 작용된다. 어떤 물체에 복사에너지가 흡수될 때에 입사복사의 파장에 따라 달라진다. 예를 들면 보통의 유리는 가시적인 복사에 대하여 완전히 투명하지만 적외선 범위의 파장에 대해서는 거의 불투명하다. 물질에 입사되었으나 투과하지 않은 분율을 물질에서 흡수되고 그 표면에서 방사된다. 물질에 흡수된 복사 분율은 물질의 표면에서 방출하거나 그 물질로 전도된다.2.2. 복사와 흑체(1) 복사모든 물체는 그 물체의 온도 때문에 에너지를 계속적으로 방사한다. 그렇게 방사하는 에너지를 열복사라고 부른다. 한 물체에 의해 방사되는 복사에너지는 맥스웰(James Maxwell)의 고전 전자파 이론에 따라 전자파의 형태, 또는 플랑크(Max Plank)의 가설에 따라 불연속의 광자의 형태로 공간내를 투과한다.맥스웰의 이론이 헤르츠에 의하여 실험적으로 입증되었다. 공기를 통하여 음파와는 같이 움직이는 전자기파는 한 위치에서 다른 위치로 전달된다. 그러나 음파와는 다르게 전자기파는 빛의 속도로 이동한다. 전자기파의 주기와 파장은 다음의 관계식과 같이 그들의 속도에 관련된다.(1)여기서는 매체에서 광속도,는 파장(m),는 주기이다. 공기와 같은 기체 속에서 광속도는 실제적으로 진공에서와 같다. 그러나 투명한 액체나 고체 속에는 더 느리다.예를 들면 물속에서 광속도는 약이다. 전자기파인 복사속도와 파장은 매체의 함수이지만, 주기는 복사원만의 함수라는 것이 밝혀졌다.복사에 관한 제2의 물리적 모델은 1900년에 플랑크에 의해서 밝혀졌다. 복사의 양자론이라 불리는 플랑크 이론은 전자기의 복사를 양자 또는 광양자라 불리는 에너지의 불연속 다발(packet)로 취급하였다. 이 모델에서 광양자의 에너지는 다음의 식으로 계산된다.(2)여기서는 에너지,는 플랑크 상수,는 주파수이다.와는 상수이므로 복사에 의한 에너지는 파장에 반비례함을 알 수 있다. 따라서선과 감마선과 같이 아주 짧은 파장의 복사는 높은 에너지를 가지며 장시간 여가에 노출되면 생체계통에 심각한 손상을 초래한다.(2) 흑체Fig. 1 밀페공간과 열평형에 있는 작은 물체는 Kirchhoff의 법칙으로유도하는데 이용될 수 있다.어떤 물체에 전달된 복사에너지는 그 물체의 흡수된 양만이 열로 변환된다. 받는 복사에너지의 전부를 흡수하고 반사나 투과는 전혀 없는 즉 흡수율이 1인 물체를 흑체(black body)라고 한다.(3)여기서 비례상수를 Stefan-boltzmann의 상수또는,는 온도이다. 이 법칙에 따라서 표면으로부터 복사열을 방출하는 물체를 흑체라 부른다.흑체는 이상적인 것으로 실제표면을 비교하는 기준으로 작용한다. 실제표면은 스테판-볼츠만 법칙에 의하여 복사를 방출하지 않는다. 실제표면의 복사력는 다음 관계식에 의해 구해진다.(4)여기서은 복사능(emissivity)이다. 복사능은 어떤 고체 물질의 표면 특성으로서 같은 온도에서 흑체와 실제표면에서의 복사력을 비교하는데 사용된다.Fig. 2 흑체의 공동 모델※ 흑체의 특성① 주어진 표면온도와 파장에서 흑체보다 더 많은 복사에너지를 방출하는 물체는 없다. 즉. 흑체는 완전한 복사체이다.② 흑체는 방향과 파장에 관계없이 입사되는 모든 복사에너지를 흡수한다. 즉 완전한 흡수체이다.③ 모든 방향으로 복사에너지를 방출한다. 즉 흑체는 난반사하는 복사체이다.Fig. 3 표면으로부터 반사되는 복사 (흑체인 경우)Fig. 4 표면으로부터 반사되는 복사 (실제인 경우)2.3. 실험 관련식Fig. 5 표면에 투사되는 복사는 흡수되고 반사되고 투과될 수 있다.1) 방사율(Emissivity)(5)2) 흡수율(Absorptivity)(6)3) 반사율(Reflectivity)(7)4) 투과율(Transmissivity)(8)5) 반투과율 매질(9)6) 비투과성 매질(10) 형태계수 관계식※ 형태계수(View Factor): 표면를 떠나는 복사 중에서 표면에 의해 차단되는 분율.① 상호관계(reciprocity relation)(11)② 합규칙(summation rule)(12)③ 중첩규칙(superposition rule)(13)7) 시편의 방사율(Emissivity) 계산실험장치에서 시편 가열부를 표면1, 서모파일을 표면2로 취급하면 서모파일에 전달되는 순열전달량을 다음과 같이 표현할 수 있다.(14)(15): 표면의 방사: 표면의 출사: 표면에 대한 조사: 서모파일 계기상수의 역수()서모파일을 흑체로 시편 가열면을 확산 회표면으로 취급한다.3. 실험장치 및 실험방법3.1. 실험장치Fig. 6 복사 실험 장치Fig. 7 복사 실험 장치 개략도3.2. 실험방법1) 시편을 시편가열부①에 설치한다.2) 복사계, 차폐 및 시편가열부의 위치를 고정한다.3) 온도조절기②를 적당히 조절한다.4) 밀리볼트미터③의 지시값이 정상상태에 도달하기를 기다려 각 온도지시계④⑤의 온도가 정상상태에 도달하였는지 확인한다.5) 각 온도지기계④⑤의 값이 정상상태에 도달하였다고 판단되면 값들을 읽어 기록한다.6) 형상계수를 계산하기 위해 필요한 길이를 측정한다.을 측정하기 위하여 먼저을 측정하여 다음 식에 대입하면 된다.(16)7) 측정값으로부터 기하학적 형상계수를 계산한다. 형상계수를 계산하기 위하여 먼저 직경를 구해야 하는데 다음 식과 같다.(17)(18)8) 시편의 평균유효 방사율(각도에 대한 전방사율)을 계산한다.(19) 4. 실험결과 및 고찰4.1. 실험결과(1) 실험값(m)(℃)(℃)0.060.0650327.00.100.0650027.50.140.0750028.1(2) 계산방법(3) 계산값(m)(m)ε10.3750.09670.011250.13060.3350.10830.014060.10620.2950.12300.018050.0965(4) 결과그래프Fig. 8 거리에 따른 방사율 비교4.2. 결론 및 고찰이번 실험은 차폐판의 거리를 달리하여 방사율을 구해보고 거리와 방사율의 관계를 알아보는 것이 목적이다.(1)가 증가함에 따라 방사율은 반비례하여 점점 감소하는 것을 알 수 있다. 복사는 전파할 매질을 필요로 하지 않기 때문에 복사는 공간 중에 모든 부분으로 퍼져나가므로 그에 따라 형상계수가 커지게 되고 복사에 의해서 전달되는 열이 작아지는 것 같다.

공학/기술| 2006.06.20| 10페이지| 2,000원| 조회(1,113)

실험, 기계공학, 열전달, 복사, 결과

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[기계공학]대류실험 결과레포트

1. 서론1.1. 실험목적본 장치에서는 평판으로부터의 자유대류 열전달 실험 및 평판(flat plate), 단면이 일정하게 확장된 원형튜브(pinned) 그리고 단면이 일정치 않게 확장된 휜(finned)형 플레이트의 자유 및 강제 대류 실험을 할 수 있으며, 또 공기의 속도와 표면온도와의 관계를 정립할 수 있도록 하였다.기본적 실험은 다음과 같다.1. 자유대류에서의 입력 전력량과 표면온도와의 관계2. 강제대류에서의 입력 전력량과 표면온도와의 관계3. Pinned 과 Finned exchanger 의 비교 실험2. 이론적 배경2.1. 대류열전달이란?대류는 고체 표면과 그 위를 유동하는 유체사이의 열에너지 교환이며 우리 주변에서 많이 접할 수 있다. 뜨거운 음식물에 공기를 불어 넣어 냉각하는 일, 뜨거운 음료가 열을 주위로 발산하는 현상 등은 잘 알려진 대류 현상이며, 더운 여름날 미풍이 불면 시원함을 느낀다든지 겨울에 바람이 불면 추위가 더 느껴지는 것도 그 예들이다.벽면에서의 유속은 점성이 작용하므로 영이다. 벽면에서 수직으로 올라갈수록 유속은 증가한다. 어떤 거리에 도달하면 유속은 자유흐름속도 U∞가 되어 일정해진다. 유속이 영에서 자유흐름속도까지 변하는 영역을 속도경계층이라고 부른다. 이 경계층 내에서 유동은 층류 또는 난류이다. 층류유동에서는 인접한 유체의 엷은 층들이 서로 미끌려 스치면서 유동한다. 난류에서는 주유동에 불규칙한 속도의 변동성분이 부가된다. Fig1.1에서처럼 가열면은 Tw의 온도로 유지되고 있다. 하첨자 w는 벽면 표는 표면의 의미이다. 벽면근처에는 유체의 온도가 Tw에서 T∞로 변하는 구간이 존재하며 이 구간을 열경계층이라고 부른다. 열경계층을 넘어서면 유체의 온도는 주류의 온도인 T∞로서 일정하다. 일반적으로 속도경계증과 열경계층은 일치하지 않지만, 두 경계층은 서로 관련이 깊으며 대류 열전달에 큰 영향을 미친다.층류유동에서 인접한 두 유체층은 유동에 수직한 뱡향으로는 혼합되지 않으므로 대류효과는 난류보다 약하다. 난류에서는 변동속식 (2)로부터 온도차 (Tw-T∞)가 일정할 때 열전달이 증가하려면 열전달계수 h 혹은 표면적 A를 증가시켜야 함을 알 수 있다. 열전달 특성이 좋은 유체를 사용하면 h를 증가시킬 수 있지만 시스템의 요구 조건상 제한될 수 있다. 유속을 증가시켜도 h는 증가한다. 그러나 이 경우에도 유속의 증가에 따라 송풍기나 펌프의 소요 동력이 증가하여 장치의 중량과 가격 면에서 무리가 따른다. h를 증가시키는 현실적으로 가능한 방법은 휜(fin)을 열전달 표면에 부착하는 것이다. 주위 유체로 돌출된 휜의 표면을 확장표면이라고 부르며 이처럼 표면을 확장하면 대류 열저항이 감소한다.열전달의 응용 분야에서 열전달 와 주위 유체의 온도 T∞는 일정한 경우가 많다. Newton의 법칙을 표면 온도 TW에 대해서 정리하면(4)즉, 열전달계수 h가 주어질 때 온도 T∞인 주위 유체 속에서 의 열량을 방출하는 표면 온도는 Tw이다. 표면을 확장하여 A를 증가시키면 Tw를 최소화 할 수 있다. A를 무한대로 확장하면 이론적으로는 Tw를 T∞까지도 낮출 수 있다. 그러나, 실제 시스템에서는 휜의 크기가 제한되므로 Tw와 T∞는 같을 수가 없다.2.3 longitudinal 휜Fig. 2 높이 b, 길이 L 및 두께 t인 longitudinal 휜Fig. 2는 전형적인 longitudinal 휜이다. 대부분의 longitudinal 휜에서 L ≫ b ≫ t 이다. 휜의 단면적 A는 A = Lt이다. 휜을 통해 전도되는 열에너지는 휜의 주로 두 넓은 면을 통해 주위로 대류되며 두 측면의 면적은 작으므로 측면에서의 대류는 무시한다.휜의 미소 체적에 열역학 제 1법칙을 적요하고 Fourier 열전도법칙을 이용하면 휜의 열전달에 대한 지배방정식을 아래와 같이 얻을 수 있다.(5)여기서 θ는 휜의 임의 위치에서 온도와 주위 유체사이의 온도차이다.식 (5)의 일반해는(6)여기에서 파라미터 m은 다음과 같이 정의 된다.(7)k는 휜의 전도율이며, P=2L, A=Lt이다.경계조건 T=T0 at x=0, .2.5 히트싱크(heat sink)Fig. 4 히트싱크에서의 열전달은 휜 및 휜과 휜 사이의 기저부에서 일어난다.단일 휜에 대한 해석을 히트싱크로 확대하는 방법으로는 단일 휜에서 구한 열전다에 휜 수를 곱하는 간단한 방법을 들 수 있다. 이러한 단순해석으로도 히트싱크의 설계에 충분할 수 있겠지만 휜과 휜 사이의 기저부에서 열전달을 고려하면 더 정밀하게 히트싱크를 최적화 할 수 있다. Fig.4와 간이 다수의 longitudinal 휜을 부착한 히트싱크를 생각하자. 히트싱크에서 휜의 총 표면적을 Af라고 하면(13)휜과 휜 사이의 기저부에서 열전달은(14)여기에서 At는 히트싱크의 총 표면적으로서 휜의 표며적과 휜과 휜 사이의 기저부 면적의 합이다. 따라서 히트싱크에서 총 열전달은(15)대괄호 부분을 어떤 의미의 효율로 정의하면 식 (15)는 식 (13)과 유사한 형태이다. 따라서, 히트싱크 표면 효율을 x=대괄호 라고 정이할 수 있다. 표면 효율 x는 히트싱크 전체의 효율이므로 휜 효율 η보다 높다. 따라서 식 (15)와 x를 결합하여 총 열전달을 다음과 같이 나타낼 수 있다.(16)앞에서의 해석에서 히트싱크의 기저부 전체 온도는 T0로 유지되는 것으로 가정하였다.2.6 유체의 점성점성은 유체가 흐를 때 저항의 척도이다.Fig1.5에 묘사된 상황을 고려함으로써 점성이 수학적으로 설명되어질 수 있다. 정지 상태의 평판과 일정한 u의 속도로 움직이는 평판으로 구성된 두 평판사이의 유체를 고려하자. 평판의 표면에 직접 접촉하고 있는 유체는 평판에 부착된다. 따라서, 아래 평판에 접한 유체는 정지하고 있고, 위 평판에 접한 유체는 u의 속도를 가진다. 유체의 속도는 아래 평판에서의 영에서 위평판에서의 u로 선형적으로 변하게 되어, 속도구배는 증가하게 된다. 이 속도구배는 속도가 큰 지역에서 속도가 작은 지역으로, 즉 위 평판으로부터 아래 평판으로 운동량의 교환이 일어나게 한다. 이 운동량 전달은 유체의 진행 방향과 평행하게 작용되는 전단응력으로 나타나게 된다. 유체다. 큰 Reynolds수는 관성력이 지배적인 것을 의미하며, 반면에 작은 Reynolds수는 점성력이 지배적인 것을 의미한다. 식 (19)의 Rex에서의 하첨자 x는 특성길이를 나타내며, 평판 위의 유동에 대한 Reynolds수는 선단으로부터 거리에 기초하고 있음을 나타낸다.Reynolds수가 약 5×105일 때, 천이가 생긴다는 것이 실험적으로 구해졌다. Reynolds수가 이 값의 두 배 정도일 때 완전발달 난류유동이 관찰된다. 따라서, 평판 위의 유동에 대한 Reynolds수는 다음과 같이 요약된다.평판을 지나는 유동층류Rex≤5×105천이5×105＜Rex＜106난류Rex≥106Reynolds수의 범위는 개략적인 것이다. 표면조건 및 자유유동 교란의 크기는 이들 값을 상당히 변화시킨다. 또한 이 범위는 평판에만 적용된다.2.8 Nusselt수열경계층에서는 다른 무차워 파라미터인 Nusselt수가 상당히 중요하며 그 이유는 Nusselt수가 표면에서의 대류열전달계수를 알려주기 때문이다. 평판 위의 유동에 대한 국소 Nusselt수, Nux는 다음과 같이 정의된다.(20)Nusselt수는 물리적으로 표면에서의 무차원온도구배로 해석된다. 큰 Nusselt수는 표면에서의 큰 온도구배를 의미하며, 따라서 큰 대류 열전달을 나타낸다. Reynolds수, Rex와 마찬가지로 Nux의 하첨자 x는 평판의 특성길이를 의미한다.유체의 모든 열적 물성치는 온도의 함수라는 것을 알고 있으나, 속도 및 열경계층의 해석에서 일정한 유체의 물성치를 가정한다. 만약 표면의 온도와 자유유동의 온도 차이가 클 경우에는 표면의 온도와 자유유동의 온도의 산술 평균으로 정의되는 막온도, Tf에서 유체의 물성치를 구한다.(21)이 단순한 평균 방법은 대부분의 대류 문제에서 충분한 정확성을 보장하여 준다.Nusselt수는 고체표면에서의 온도구배의 크기를 반영한 것이기는 하나 고체 측과는 무관하다.2.9 Prandtl수Prandtl수는 물리적으로 층류경계층에서 운동량의 이송율과 열에너지의 이송율 10 heat sinkFig. 11 속도측정기Fig. 12 온도 측정센서3.3 시편Fig. 13 Finned Exchanger※ 휜형 열교환기의 사양단면적 : A = Ap + Af여기서, Ap는 평판부분의 노출된 단면적Ap=0.1x0.11-0.1x0.0031x12=0.00728 m²Af는 휜의 단면적Af = 0.063x0.1x12x2=0.1512 m²그러므로∴ A = 0.15848 m²3.4. 실험 방법1) Flat Plate Exchanger Model을 장착한다.2) 온도계로써 입구공기온도를 측정한다.3) 전력량조절기를 100watts로 조절하여 히터를 가열한다. 가열 후 온도지시계가 정상상태에 이르도록 충분한 시간을 가지고 가열한다.4) 히터온도 () 기록한다.5) Finned Exchanger Model로 교체한다.6) 풍력계로써 입구유속 (V) 및 입구공기온도를 측정한다.7) 휜의 속도조절기를 0.8m/s로 조절한다.8) 히터온도 () 기록한다.9) 정상상태까지 기다렸다가 각 구멍별 온도를 기록한다.10) 열교환기 모델을 교환하여 반복 실험한다.평판에서온도까지의 거리 : 10 mm평판에서온도까지의 거리 : 34 mm평판에서온도까지의 거리 : 58 mm11) 휜의 속도를 1.3m/s, 2.0m/s, 2.5m/s로 변화시켜 반복 실험한다.4. 실험결과 및 고찰4.1 실험결과(1) 실험값유속입구온도바닥온도길이방향0.825504439371.322434037352.021413734322.52139353229(2) 물성치유속()막온도()막온도()(m/s)(°C)(K)(㎡/s)(W/m?K)0.837.5310.6516.96127.0880.7061.332.5305.6516.45826.7180.7062.031.0304.1516.30726.6070.7062.530.0303.1516.20726.5330.707열전달(인터비젼) 참고Table F_1 Thermal Properties of gases at atmospheric pressure.(K)(J/㎏?K)(㎡/s)(W/

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[냉동기]냉동기실험 결과보고서 평가A+최고예요

1. 서론1.1. 실험목적1) 냉동기 원리 및 구조를 습득2) 온도, 압력, 유량 측정하여 냉동사이클의 작동원리를 습득3) 냉매의 상태변화에 따른 열량변화와 냉동효과의 계산2. 이론적 배경2.1 냉동이란?저온부(증발기)로부터 고온부(응축기)로 열이 이동하면서 피냉각 물체로부터 열을 제거하여 그 물질의 온도를 낮추어 주는 것으로 냉각과 냉동으로 구분한다.(열의 결핍 현상을 만드는것)2.2 냉동기란?열은 높은 온도에서 낮은 온도의 방향으로 흘러갈 뿐 그 반대 방향으로는 자연스럽게 전달되지 않는다. 이와 같은 자연 현상을 정확하게 기술하려고 하는 열역학적 제 2법칙에서는 특별한 장치를 사용하면 연속적으로 열을 높은 온도 쪽으로 옮길 수 있다는 가능성을 배제하지 않고 있다. 이러한 장치를 냉동기라고 부른다. 냉동기는 냉동되고 있는 공간으로부터 열을 제거하여 주므로 그 부분을 낮은 온도에 계속하여 유지시켜 주는 기능을 하고 있다.2.3 냉동의 방법 종류(1) 얼음, 드라이아이스 등을 이용하는 방법① 얼음가정에서 아이스박스에 얼음을 넣어 냉동작용을 얻는 것은 가장 간단한 냉동방법의 하나로, 이것은 얼음의 융해열을 이용한 것이다.② 드라이아이스(dry ice)대기압 하에서는 드라이아이스는 -78.3℃에서 승화한다. 이 때 물1kg당 137kg 에 해당되는 열을 주위에서 흡수하므로, 이 열을 냉동작용에 이용하는 것인데, 승화된 가스가 0℃까지 상승할 동안에는 다시 15kcal/kg의 열을 더 주위로부터 흡수하게 된다.(2) 압축가스를 팽창시키는 방법압축기에서 고온, 고압으로 압축된 공기는 냉각기에서 냉각되어 팽창기로 들어간다. 여기서 압력이 저하됨과 동시에 온도가 저하하게 되고, 이렇게 저온으로 된 공기를 냉동에 이용하는 것이다.(3) 펠티어 효과(Peltier's effect)를 이용하는 방법두 종류의 금속을 접속하여 전류가 흐를 때 두 금속의 접합부에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상(4) 증발열을 이용한 방법① 흡수식 냉동법기계적 일을 사용하지 않고 열매체를 이용에서 흡열하여 냉동목적을 달성한 냉매가스는 다시 압축기로 보내져 연속적인 냉동사이틀을 반복한다.2.4 냉동기 원리냉동을 하는 데는 여러 방법이 있으나 냉동장치는 증발하기 쉬운 액체를 증발시켜 그 잠열을 이용하는 방법이 이용된다. 주요 부분으로는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구성되면 냉동장치 안에는 증발하기 쉬운 냉매가 봉입되어 있다FIg. 1 증기압축 냉동장치의 원리도① 압축기(compressor) : 증발기로부터 증발된 냉매증기를 압축시켜 응축기로 보낸다.② 응축기(condenser) : 압축기로부터 나온 고온 ? 고압의 가스냉매를 물 또는 공기로 냉각시켜 응축시킨다.③ 팽창밸브(expansion valve) : 팽창밸브의 역할은 적정량의 액체냉매를 저압의 증발기측으로 보내고, 고압 냉매는 팽창밸브를 통과하는 사이에 급격히 저온 ? 저압의 습증기로 된다.④ 증발기(evaporator) : 냉동목적을 달성할 수 있는 곳으로서 냉매는 여기서 열을 얻어 증발하고 주위는 저온으로 된다.2.5 P-H 선도(몰리에르 선도)(1) 엔탈피 : 어느 압력 하에서 1kg의 물체 내에 들어있는 열량과 그 체적만큼 주위의 것을 밀어낸 일의 열당량을 합한 것을 말하는데 어떤 상태에서 가지고 있는 그 물질의 총열량이라고도 표현할 수 있다. 세로축의 등 엔탈피선 위의 냉매는 모두 같은 엔탈피(kcal/kg)를 가진다.(2) 등압선 : 선도에서 횡으로 그어진 선 위의 냉매 압력은 모두 같다. 등압선에 표시된 압력의 단위는 절대압력(절대압력=게이지압+대기압)을 사용 하므로 냉동장치의 압력계(게이지압)과 비교할 때에는 주의하여야 한다. 압력의 단위는 kg/cm2abs 이다.(3) 포화액선 : 앞의 그림에서 알 수 있듯이 포화액선은 완전포화상태의 상태점들을 연결한 선이다. 이 상태에서 왼쪽부분으로 가면 과포화상태가 되고 오른쪽 부분으로 가면 증기가 포함된 상태가 된다.(4) 포화증기선 : 포화증기선은 냉매액이 엔탈피를 얻어 충분히 활성화 되어 그 압력에 서 액으로서의 냉매를 하나도 같은 점을 연 결한 곡선이다. v=0.1m3/kg이라고 표시된 등비체적선은 냉매 1kg당 체적이 0.1m3인 냉매를 나타내고 있는 것이다.(6) 등엔트로피선 : 엔트로피란 물체가 어느 열량을 잃어버리거나 얻을 때, 그 열량을 물 체의 절대온도로 나눈 값으로서 엔트로피의 감소 또는 증가로 나타난 다고 생각할 수 있다. 바꾸어 말하면 물체에 열의 출입이 없으면 그 물체의 엔트로피는 변화하지 않게 된다. 냉동장치의 압축기에서 냉매가스를 압축할 때 일어나는 과정을 단열압축이라 가정하고 이 때 엔트로피는 변화하지 않는다. 실제 압축기에서의 냉매변화는 등엔트로피선을 따라 움직인다.Fig. 2(a) P-H 선도Fig. 2(b) P-H 선도Fig. 2(c) P-H 선도Fig. 3 R22 P-H 선도2.6. 냉동사이클Fig. 4(a) 기본 냉동사이클Fig. 4(b) 기본 냉동사이클 과 p-h선도Fig. 5 T-s선도와 P-h선도1→2 : 증기가 이상적으로 단열압축되어 압력이로 상승한다.2→3 : 일정한 압력에서 유체로부터 고온부의 주위로 열전달을 행하고 포화액으로 변화한다.3→4 : 모세관 또는 팽창밸브(Expansion valve)를 통과하며 단열상태에서 스로틀링되어 압력이으로 강하한다.4→1 : 일정한 압력에서 저온부로부터 열공급을 받으며 유체가 증발한다.구 역4 → 11 → 22 → 33 → 4과 정증발압축응축팽창기 기증발기압축기응축기팽창장치냉매 상태증기 - 과열 증기과열 증기과열증기-증기-액냉매액냉매 - 증기냉매의 상2상 - 기상기상기상 - 2상 - 액상액상 - 2상엔 탈 피증가증가감소불변압 력불변증가불변감소온 도불변증가감소감소2.7 실험이론 및 계산(1) 증기압축 시스템 계산Fig. 6 증기압축 사이클의 p-h 선도※ 열역학 과정은 다음과 같다.① 과정 1-2 등엔트로피 압축 :② 과정 2-3 과열제거와 응축 :③ 과정 3-4 등엔탈피 팽창 :⇒④ 과정 4-1 증발 :여기서,(2) 각 사이클의 계산① 압축기의 전효율 ()의 계산식- 참고적으로 1Kw = 860이다.②의 변화의 의한 엔탈피를 기본으로 하는 경우()(2) 증발온도와 응축온도를 기본으로 하는 경우(): 증발온도 (): 응축온도 ()3. 실험장치 구조 설명 및 방법3.1. 실험장치 구조1. 가동스위치 2. 정지스위치 3. 펌프스위치 4. 히터스위치 5. 냉각스위치6. 주전원스위치 7. 비상스위치 8. 전압계 9. 전류계 10. 전력계11. 냉동기온도지시계 12. 온도조절기 13. 브레인온도지시계14. 히터량조절기 15. 냉매유량계 16. 조절밸브 17. 드라이어-1 18. 조절밸브19. 드라이어-2 20. 조절밸브 21. 압력스위치 22. 압력계-고압 23. 압력계밸브24. 압력계-저압 25. 압력계밸브 26. 싸이트글래스 27. 유량조절밸브 28. 유량계29. 순환펌프 30. 히터 31.수조 32. 증발기 33. 팽창밸브34. 수액분리기 35. 오일분리기 36. 응축기 37. 압축기 38. 바퀴Fig. 7 냉동기 실험장치 구조3.2 실험방법3.2.1 작동순서(1) 전원을 220V, 단상 2kW에 연결한다(2) 수조[31]에 수도관을 연결시키고 물을 채운다(3) 주전원스위치[6]을 on한다.(4) 가동스위치[1]을 on한다.(5) 순환펌프스위치[3]를 가동한다.(6) 히터스위치[4]를 on한다.(7) 온도조절기[12]를 15℃에 맞춘다.(8) 히터량조절기[14]를 80~100%에 맞춘다.(9) 조절밸브[18]은 완전히 잠든다.(10) 응축기 압력계[23]이 2가 되도록 냉각휀[5]를 on/off한다.(참고로 응축기 압력계가 1.5이하 또는 고압축 압력계[22]가 20이상이 되면 압축기가 정지한다.)(11) 냉각휀가동스위치[5]가 계속 on되면 고압룩압력계가 떨어지며, off하면 상승한다.본 실험에서는 냉가휀가동스위치를 처음에 off하고 이때의 고압 및 저압축의 압력계값을 기록한다.(약2~15)이 때의 냉매유량[15]과 전력계[10]의 값을 기록한다.온도측정은 압축기출구, 응축기출구, 증발기입구, 증발기출구, 압축기입구, 물 입구, 물 출구순으로 실험 Data 기의 조작을 금한다.(3) 고온파이프에 의한 화상을 조심한다.(4) 실험시 이상발생시 전원스위치를 off하고, 즉시 담당교수 또는 조교에게 보고한다.4. 결과 및 고찰4.1. 실험결과(1) 측정값측정의종류압축기응축기증발기브레인전력온도압력온도유량온도온도입구출구입구출구출구냉매입구출구입구출구저압계고압계℃℃℃℃122994.513370.3-4191817520W2201053.913.4380.5-1181617580W3191073.913.6380.7-1171515640WTable. 1 냉동기 성능 실험 측정값(2) 계산방법유량 : 0.3 L/min저압계 : 4.5kg/cm2 = 4.5 * 98066.5 = 441299Pa = 441.299kPa고압계 : 13kg/cm2 = 13 * 98066.5 = 1274865Pa =1274.864kPa1) 응축온도 (고압계)PT1191.930°c1274.91354.835°c(1354.8-1191.9) : (35-30) = (1274.9-1191.9) : (T-30)T = 32.6°c = 305.7K37°c 응축기 출구온도 비교2) 증발온도 (저압계)PT421.3-5°c441.3477.60°c(477.6-421.3) : (0+5) = (441.3-421.3) : (T+5)T = -3.2°c = 269.9K3) 냉동사이클의 각 구간에서의 계산① 1-2:압축기, 가열단열 s1=s2T1 = t5 = 22°c PL = 441.3kPa22°c 일 때 s1 = 0.9965 kJ/kg?Kh1 = 266.7 kJ/kg② 2-3:응축기 정압방열 P2 = P3 PH = 1274.9kPas1=s2=0.9965kJ/kg?KT2 =76.15°ch2 =296.5 kJ/kgW = h2 - h1 = 296.5-266.7 = 29.8 kJ/kg③ 3-4 : 팽창 h3 = h4 = hfT3 = Th = 32.6°c PH = 1274.9kPah3 = 84.59 kJ/kg= h2 - h3 = 296.5 - 84.59 = 211.91 kJ/kg④ 4-1 증발기 정압흡열= h1 도

공학/기술| 2006.06.20| 14페이지| 2,000원| 조회(2,124)

실험, 기계공학, 열전달, 냉동

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