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[공학]바이오에탄올

옥수수에서 바이오에탄올까지Introduction Part대체에너지 왜 필요한가요? 바이오 에너지 기술의 분류 바이오 에탄올의 부각 바이오 에탄올Introductionwhat meaning?what about it?The solution is..대체 에너지1) 대체 에너지 왜 필요한가요?석유파동 - 1973~1974년 - 1978~1980년교토 의정서 1997년 12월 일본 교토 온실가스의 배출량 조절사 진 온실효과로 녹고있는 빙하2) 바이오 에너지 기술의 분류바이오 고형연료 생산 및 이용기술 (왕겨탄, 칩, RDF(폐기물연료) 등)바이오 고형연료 생산, 이용기술바이오매스 재배, 산림녹화, 미세조류 배양기술생물학적 CO2 고정화 기술에너지 작물 재배, 육종, 수집, 운반, 가공 기술에너지 작물 기술바이오매스 생산,가공 기술생물학적 바이오 수소 생산기술바이오 수소 생산기술바이오매스 열분해, 가스화, 가스화발전 기술바이오매스 가스화기술(열적전환)유기성 폐수의 메탄가스화 기술 및 매립지 가스 이용 기술 (LFG)혐기소화에 의한 메탄가스화 기술바이오매스 가스화기술바이오매스 액화, 연소, 엔진이용기술바이오매스 액화기술(열적전환)바이오디젤 전환 및 엔진적용기술바이오디젤 생산기술당질계, 전분질계, 목질계연료용 바이오 에탄올 생산기술바이오 액체연료 생산기술내 용중분류대분류당질계, 전분질계, 목질계연료용 바이오 에탄올 생산기술바이오 액체연료 생산기술3) 바이오 에탄올의 부각석유의 의존도 감소효과 온실가스 감축효과 고용창출 효과작물을 발효 - 에탄올 생산옥수수를 이용한 바이오 에탄올4) 바이오 에탄올이란?공정 Part제분혼합탈수증류발효당화작용액화포도당(당화)(발효)바이오에탄올옥수수1. 제분옥수수를 갈아 미세한 가루로 만든다.제분혼합탈수증류발효당화작용액화2. 액화옥수수가루를 물과 섞어 걸죽하게 만든다.여기에 알파아밀라아제 효소를 첨가한 뒤기계에 넣고 가열한다.감소한다.기계안에서 녹말이 녹고 박테리아의 양도제분혼합탈수증류발효당화작용액화3. 당화작용옥수수가루를 식힌 뒤,글루코아밀라아제 효소를 첨가한다.이 효소는 녹말을 포도당으로 분해한다.제분혼합탈수증류발효당화작용액화4. 발효효모를 넣어 당이 발화되어에탄올과 이산화 탄소가 생긴다.효모란?빵 ·맥주 ·포도주 등을 만드는 데 사용되는 단세포 미생물의 총칭포도당피부르산아세트알데히드에탄올 + CO2제분혼합탈수증류발효당화작용액화5. 증류에탄올의 발효공정에서는 최종적으로 8%에서 10%의 에탄올이 생성증류과정을 거쳐서 그 농도가 95%까지 높아진다.증류부산물(옥수수반죽,효모)은 단백질이 풍부하여 동물의 먹이로 이용제분혼합탈수증류발효당화작용액화6. 탈수알코올을 '분자 체' (알코올은 통과하지만 물 분자는 통과 하지 못하는 필터)로 걸러 물을 제거하면 무수에탄올이 만들어진다.제분혼합탈수증류발효당화작용액화7. 혼합10% 에탄올90% 휘발유E 1085% 에탄올15% 휘발유E 85제분혼합탈수증류발효당화작용액화제분혼합탈수증류발효당화작용액화경제/정책 Part바이오 에탄올의 배경바이오에탄올의 확산요인1. 장기적인 고유가행진 2. 지속적인 에탄올 공정비용 하락 3. 탄소배출권 가치상승 4. 정책에 의한 청정에너지의 수요 확산 5. 곡물의 효율적 이용고유가 장기행진유가상승요인세계 석유시장, 구조적 요인으로 수급불안 - 고유가 불구 BRICs, OECD 석유소비 증가 추세 유지 - 중동 산유국, 잉여생산능력의 감소와 투자 부진 2. 이란, 이라크 및 사우디 등 중동정세 악화 3. 기후여건 및 사건, 사고 (ex) hurricane kartrina) 4. 투기펀드의 상품선물시장 가세바이오에탄올 생산단가 하락1. 옥수수외의 자물 가공시 당화공정 배제 2. 효소의 발달 3. 원유의 상대적 격차 해소 4. 유전자 조작 생물의 발달바이오에탄올 단가하락 요인2007년 1월 이미 톤당 30달러를 넘어선 탄소배출권은 그 자체가 투자의 대상이 되었으며 교토의정서에 의하여 배출량을 의무적으로 감축해야하는 선진국에서의 수요가 커지고 있음. 한국은 2012년까지 의무조항을 지킬 필요는 없으나 2008년 개도국 심사에 의하여 변경 될 수 있음.탄소 배출권의 대두바이오 연료 수요 증가1.유전자 조작의 용이 - GMO(Genetically modifiyed organism) 2. 대규모경작이 보편화된 작물 3. 폐기용량의 최소화 4. 효율적 셀룰로오스 획득 5. 브라질, 미국의 정책왜 옥수수인가?경제적 부담 : 상승 요인곡물가격의 변동요소곡물가격의 상승1. 지구온난화에 의한 장기적 흉작의 수요불안 2. 식용작물의 수요증가(공정에 의한) 3. 열대우림의 파괴(열대우림 개간) 4. 중국의 급부상(인구폭발) 5. 부산물 처리문제곡물 사용에 의한 문제 발생세계 여러 국가들의 정책1. 브라질 - 브라질은 1975년에 석유위기의 대응책으로 도입한 PROALCOHOL을 통하여 바이오에탄올을 국가의 핵심 에너지 자원화. 2. 미국 - 조지 W 부시 미 대통령은 07년 4월 14일 10년 내 휘발 유 소비 20% 감축 등을 골자로 한 국정연설 중 언급 3. 한국 - 바이오에탄올 생산은 이루어지지 않고 브라질 등에서 수입주요 국가의 산업과 정책1. 타국 경작권 매입 2. 기술원조에 의한 현지플랜트 건설 3. 국외에서의 완성품의 수입한국의 해결 방안결 론어떤 지구를 원하십니까?{nameOfApplication=Show}

공학/기술| 2007.06.08| 43페이지| 1,000원| 조회(1,950)

대체에너지, 바이오, 옥수수, 대체연료, 에탄올

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CSTR

Ⅰ.실험 제목- 연속교반 액상반응기( CSTR )을 이용한 속도식 측정Ⅱ.실험 목적- Ethyl acetate와 NaOH를 CSTR에서 반응시킬 때 유출속도를 구하여 반응속도상수와 반응차수를 구하여 반응 속도식을 결정한다.Ⅲ. 실험 원리1. 반응기의 종류- 반응장치라고도 한다. 또한 이 기구는 반응을 자유롭게 제어할 수 있게 만들어져 있다. 조작방식에 따라 회분식(回分式:배치식)?유통식(플로식)?반회분식으로 분류된다. 회분식은 한 번 원료를 넣으면, 목적을 달성할 때가지 반응을 계속하는 방식이고, 유통식은 계속해서 원료를 공급하고, 제품을 끌어내는 방식이다. 또, 반회분식은 처음에 원료를 넣고 반응이 진행됨에 따라 다른 원료를 첨가하는 방법이다.어떤 방식을 택하는가는 제품의 생산량, 균일성, 화학반응의 성질, 장치의 제어성 등의 조건으로 결정되지만, 근대적 화학공업에서는 유통식을 채택하는 경우가 많다. 가장 일반적으로 사용되는 액체상반응의 경우 실험실에서 사용되는 것으로는 플라스크?비커 등의 반응용기, 교반기, 가열 또는 냉각기, 시료도입기(試料導入器) 등이 있다.1) 교반기- 액체와 액체, 액체와 고체, 또는 분체(粉體) 등을 휘저어 섞기 위한 기구.주로 화학공업에서 사용된다. 또 교반의 형식에 따라 탱크 교반기와 유동식 교반기로 크게 나누어지는데, 가장 오래 된 것으로는 G.아그리콜라가 쓴 《데레메탈리카》(1556)에서 볼 수 있다. 그 후 화학공업이 발전함에 따라서 여러 형태의 교반기가 만들어졌는데, 현재는 대부분이 탱크 교반기이다.탱크 교반기의 구조는, 탱크 속에 교반하기 위한 장치를 넣은 것으로, 교반용 날개의 형식에 따라 프로펠러형?오어형?터빈형?나선축형 등 여러 종류로 분류된다.① 프로펠러형 - 점도가 낮은 액체교반용 또는 고체입자를 함유하고 있는 액체에도 사용.② 오어형 - 낮은 점도용에서 제일 간단한 것이다.③ 터빈형 - 원심력을 이용하는 것인데 상당히 능률적이다.④ 나선축형- 점도가 높은 대상물의 교반에 사용된다. 교반기 내의 액체의 움직임도은 복수기(復水器)라고 한다. 화학실험용의 콘덴서는 냉각기(冷却器)라고 하며, 종류도 많다. 간단한 것은 리비히냉각기로서, 증기를 1개의 유리관을 통과하게 하고 그것을 둘러싼 바깥쪽 관에 물을 흘려서 냉각한다. 화학공장에서는 증류탑?증류솥 등에 콘덴서가 달려 있으며, 금속관 등을 통하여 간접적으로 열교환하는 표면콘덴서와, 직접 접촉하여 응축시키는 혼합콘덴서가 있다.전기냉장고 뒤쪽에 있는 가는 파이프의 한 면에 들어 있는 검은 판(板)도 콘덴서의 일종이며, 이 파이프에는 냉장고 내를 냉각한 냉매(冷媒)가 흐르고, 냉매는 공기에 의해 냉각되어 액체가 된다. 복수기에는 보일러에서 발생한 수증기를 증기터빈을 돌린 후, 물로 되돌리는 장치 등이 있다.3) 연속 교반 액상 반응기(CSTR)- 연속탱크형 반응기(CSTR)의 유동특성은 일반적으로 매우 복잡하고 액상반응에 이용되는 교반탱크형 반응기는 액이 고점도가 아니면 충분히 교반된 상태에서 완전 혼합으로 되는 경우가 많다. 이상적 CSTR은 반응 물질들이 도입되는 완전히 교반되는 탱크에 해당된다. 완전혼합형 반응기에 대해서 생각한다면 탱크형 반응기는 반응기 내의 조성 및 온도는 균일하고 반응은 어느 위치에서도 같은 속도로 진행한다. 체류시간 분포가 높은 경우가 가끔 있지만 온도제어가 쉽고 일정한 전환율로 반응이 되고 평균 체류시간을 넓게 변화시킬 수 있는 것이 장점이다.(즉 CSTR내의 농도들은 최종적인 농도들로서, 반응 물질들에 대해서는 가장 낮은 값들이며 생성물질들에 대해서는 가장 높은 값들이다. 정상 상태 조건하에서는 시간이 지나도 농도들이 변하지 않는데 이것은 반응 물질들이 소모되는 속도와 반응물질들이 반응기 밖으로 유출되는 속도를 합한 것은 반응 물질들이 반응기내로 유입되는 속도와 동일하다는 것을 의미한다.)반응기 형태의 선택은 원하는 반응과 원하지 않는 부반응들의 반응속도에 의해서 흔히 결정된다. 반응물질들의 농도가 높을 때 원하는 생성물과 원하지 않는 생성물간의 비율이 크면 더 높은 농도들을 갖기 때문이다. 정한 온도에서 '반응 물질'의 몰 농도의 곱에 비례함(질량 작용의 법칙).a A(g) + b B(g) → c C(g) + d D(g)반응 속도식(v) = -(단, k : 반응 속도 상수, m, n : 반응 차수)※ 역반응의 반응 속도식(v') = k [C][D]⇒ A에 대해 m차 반응, B에 대해 n차 반응이며, 전체 반응의 차수는 (m+n)차 반응임.반응 차수(m, n): 계수와는 무관하고, 실험에 의해 결정됨(정수가 아닐수도 있음).[A], [B] : 몰농도m, n : a. 일반적으로 정수이지만 분수나 음의 값을 가질 때도 있다.b. 화학방정식의 계수 a, b와는 아무런 관계가 없으며 실험적으로 구한다.c. m과 n은 각각 A와 B에 대한 반응차수 (reaction order) 이다.d. 반응의 전체 차수는 m+n이다.② 반응 속도 상수(k): 농도에 따라 변하지 않고, 온도에 의해서만 변한다.a. 속도 상수(rate constant)라고 하며 반응속도와 반응물의 농도와의 관계를 규정하는 값.b. 단위는 각각의 특정한 속도법칙에 따라 달라진다.c. k의 값은 각각의 특정한 반응, 온도, 촉매의 존재 여부에 따라 달라진다.d. k의 값이 클수록 반응은 빨리 진행된다.③ 반응 차수 결정 방법a A(g) + b B(g) → c C(g) + d D(g)∴ 반응 속도식(v) = k [A][B]ⅰ) A에 대한 차수 결정- B의 농도를 일정하게 하고, A의 초기 농도를 변화시켜 그 결과로 나타난 초기 속도의 변화를 측정한다. 이렇게 하여 m의 값을 산출할 수 있다.ⅱ) B에 대한 차수 결정- ①의 경우와 같은 방법으로, A의 농도를 일정하게 하고 B의 초기 농도를 변화시킴으로써 n의 값을 결정할 수 있다.ⅲ) A의 농도를 일정하게 고정시키고 B의 농도를 2배로 할 때(=변인통제) 반응 속도가 2배로 증가한다면 B에 대한 1차 반응(n=1)임.ⅳ) B의 농도를 일정하게 고정시키고 A의 농도를 2배로 할 때(=변인통제) 반응 속도가 4배로 증가한다면 A에 대한 2차 반응(여부를 점검한다. 만일 직선 식으로 표현된다면 가정한 반응속도식이 올바른 식이 된다.ⅲ) 사용하기 비교적 간단하여 많이 사용하며, 특히 실험 결과가 흩어져 있어 미분법을 사용하기가 곤란한 경우에 적합하다.② Differential method(미분법)ⅰ) 실험으로부터 얻은 시간에 따른 반응물과 생성물의 농도 그래프로부터 직접 반응속도를 구하여 반응속도식을 도출하는 방법이다. 즉 도식화된 시간과 농도 곡선의 기울기로부터 반응속도인를 계산하여 농도를 종속변수로 하여 그래프를 그린다. 농도에 따른 반응속도 관계 그래프로부터 함수식을 통계적인 방법으로 유도한다.ⅱ) 반응식이 복잡한 경우에 적합하나 실험자료가 정확하고 그 수가 충분히 많아야 좋다.3. 적 정 법1) 중화적정- 중화반응이란 산의 수소이온(H)과 염기의 수산이온(OH)이 반응하여 물을 생성하는 반응을 말한다.H+ OH⇔ HOH1mole을 생성할 수 있는 산의 양을 산 1g 당량, OH1mole을 생성할 수 있는 염기의 양을 염기 1g 당량이라고 하며, 용액 1ℓ중에 산 또는 염기가 X g 당량 함유되어 있으며 이 용액의 농도는 N 이다. 중화반응에서 산과 염기는 당량 대당량으로 반응하기 때문에 산용액과 염기용액사이에는 다음과 같은 식이 성립된다.N ? V(산의 당량 수) = N' ? V'(염기의 당량 수)중화적정을 이용하여 산이나 알칼리의 양을 정량하기 위해서는 알칼리 표준용액이나 산 표준용액을 조제하여야만 한다. 중화적정시, 산 표준용액으로는 주로 HCl이 사용되지만 필요에 따라 HSO도 사용하며 알칼리 표준용액으로는 주로 NaOH, KOH 또는 Ba(OH)2 를 사용한다.중화반응에서는 중화가 진행됨에 따라 반응액의 pH가 조금씩 변화하지만 당량점의 전후에서는 일반적으로 pH가 급격히 변화한다. 이 당량점을 정확히 알기 위해서는 당량점에서의 pH 변화에 맞는 지시약을 선택하는 것이 중요하다. 왜냐하면 산, 염기의 중화적정시 그 농도에 따라 pH의 변화가 다르기 때문에 그 반응의 당량점을 나타내 줄 수 있olhard 법, Gay-Lussac법 등이 있다.3) 산화 환원 적정- 산화?환원반응을 이용하는 방법으로서, 산화제나 환원제의 표준용액을 만들어서 적정하게 된다. 과망간산칼륨(KMnO)의 산화반응을 이용한 당유정량, 무기성분 중의 칼슘(Ca)의 산화환원적정법 등에서 풀이한다. 산화환원적정 중에서 반응으로 유리되는 요오드(I)를 티오황산나트륨(sodium thiosulfate, NaSO) 표준용액으로 적정하는 방법을 특히 요오드적정법이라고도 하는데, 유지시험의 요오드가, 과산화물가 측정에서 풀이하였다.4) 요오드 적정법- 요오드(I)는 그 자체보다 낮은 산화전위물질에 대해서는 산화제로 작용하므로 I의 표준용액으로 직접 적정할 수 있고, 이와 반대로 I보다 높은 산화전위를 갖는 물질 KI와 같은 요오드화합물은 환원제로 작용하므로 환원작용으로 생성된 I를 NaSO표준용액으로 적정하게 되면 간접적으로 최저의 물질 양을 구할 수 있다. 이와 같이 표준용액을 산화제로 사용하는 방법을 iodimetry라 하며, 산화성 시료에 KI를 환원제로 가하여 유리되는 I를 NaSO표준용액으로 적정하는 방법을 iodometry 라 한다. 그리고 이를 총칭하여 요오드적정법이라고 한다.5) 킬레이트 적정법- 킬레이트 적정에 있어서 반응종점을 결정하는 데에는 금속지시약을 사용한다. 이것은 금속이온과 반응하여 색깔을 띤 킬레이트 화합물을 만드는 동시에 중화적정에 사용되는 지시약과 같이 pH에따라 그 색이 달라지기 때문에 이 두가지 성질이 같이 작용하여 반응종점을 알려주는 구실을 한다. 가장 많이 쓰이는 지시약은 EBT(eriochrome black T)를 들 수 있다.또한, 이 지시약은 pH 6.5 이하와 12 이상에서는 지시약의 색과 그금속착물의 색이 비슷하므로 지시약으로 사용할 수 없으며 pH 7과 11 사이에서는 EBT 지시약의 금속착화합 물의 색은 붉은색을 띠고 지시약은 푸른색을 띠기 때문에 일반적으로 이 범위에서 사용한다.4. 지 시 약- 일반적으로 적정(滴定)의 당량점(當量點)을있다.

공학/기술| 2006.12.18| 7페이지| 1,000원| 조회(985)

반응기, 지시약, 적정, CSTR, 반응속도식

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침강건조실험

1.실험 일시2.실험 제목:침강/ 건조속도 측정 실험3.실험 목적-침강속도 실험의 목적:두 개의 수직관 내에 비중이 서로 다른 액체를 넣고 단일구가 일정 위치에서 수직으로 침 강할 때 일어나는 현상을 이해하고 항력계수와 Reynolds 수와의 관계를 알아본다.-건조속도 실험의 목적:시료를 건조기 내에서 건조하여 질량 곡선을 작성하고 또한 건조특성 곡선을 구하여 항율 건조기간과 감율 건조기간을 확인하며 한계함수율을 구한다.항율 건조기간에 있어서의 열전달계수를 구하고, 건조계수를 결정하여, 건조시간과의 관계를 구한다.4. 실 험 원 리1. 침강속도 측정실험☆:무차원식!-자연과학의 기본 법칙에서 직접 유도한 식은 각 항의 단위가 동일하거나, 기본 단위의 복합 단위로 정의되는 유도량을 사용하여 같은 단위로 나타낼 수 있다. 이러한 요건을 갖 춘 식을 차원 균일식이라 한다. 이러한 식에서는 한 항으로 다른 항을 나누면, 단위는 전 부 소거되고 수치만 남게 된다. 이러한 식을 무차원식이라 한다.1), Reynolds Number- 관이나 도관에서 액체의 흐름 양상은 두가지이다. 유량이 작을 때는 유체의 압력 강하가 유속에 정비례하지만, 유량이 클 때는 압력 강하가 빨라서 대개 유속의 제곱에 비례한다.이러한 두 가지 흐름 양상을 처음 실증한 사람이 Osbone Reynolds로서 1883년의 일이다. 벽이 유리로 된 탱크 안에 물을 채우고 유리관을 수평으로 설치한 다음, 밸브로 유량을 조절했다. 관 입구는 나팔꽃처럼 벌리고, 물감이 든 플라스크를 상부에 설치한 다음, 물감을 관 입구에 주입하여 실처럼 흐르도록 했다. 유량이 작을 때는 물감이 흩어지지 않고 곧은 실 모양을 그대로 유지하면서 흐른다는 것을 알아내었다. 결국 물이 평행한 직선상으로 흐른다는 것이므로, 이러한 양상의 흐름을 층류(Laminar flow)라 했다. 유량이 증가하여 임계유속(critical velocity)에 도달하면, 더 이상 층류로 흐르지 못하고, 교차흐름과 에디를 형성하면서 멋대로 흐르는데, 이묶으면 다음과 같은 무차원군이 되며, 이 값으로 흐름 양상을 나타낼 수 있다.< D=관 지름 V=유체의 평균 유속 μ=유체의 점도 ρ=유체의 밀도 ν= 유체의 동점도 >이 무차원군을 Reynolds 수라 한다.층류가 난류로 변하는 Reynolds 수는 범위는 아주 넓다. 원관에서는 Reynolds 수가 2,100보다 작으면 언제나 층류이지만, 입구에서 교란을 완전히 제거하면 24,000이상에서도 층류가 유지되도록 할 수 있다. 그러나 유동의 변동 등에 의해, 이처럼 큰 Reynolds 수에서의 층류를 교란시키면 즉시 난류가 된다. 이러한 조건 에서는 교란이 증폭되지만, Reynolds 수가 2,100미만일 때는 교란이 생겨도 감쇠되어 층류가 유지된다. 어떤 유량에서는 교란이 감쇠되지도 않고 증폭도 되지도 않는데, 이러한 흐름은 중립적 안정 흐름이라 한다. 일반조건에서 원관 속에 유체가 흐를 때는, Reynolds 수가 4,000 이상이면 난류이고 2,100～4,000에서는 전이영역(transition region)으로, 관 입구의 조건과 입구로부터 거리에 따라 층류가 되기도 하고 난류가 되기도한다.[층류] [난류]< 관내 유체 흐름의 유속분포 >※ 그 외 중요시되는 무차원군.Pr 수(Prandtl Number)① 정의 및 물리적 의미동점도열확산 계수유체의 점성에 의한 운동량 전도율유체의 열전도에 의한 열확산율② 열공학적으로 지시하는 사항- 유체중에 운동량이 전해지는 정도와 열량이 전해지는 정도의 비(속도 경계층과 온도 경계층의 두께에 대한 비율)Pr > 1 : 액 체Pr = 1 : 기 체Pr < 1 : 액체 금속Nu 수 (Nusselt Number)① 정의 및 물리적 의미Nu 수는 층류층의 상당두께에 대한 관 지름의 비이다.② 열공학적으로 지시하는 사항- 유체와 전열면 사이의 열전달의 세기(크기)를 나타냄열전달 계수(h)의 크기(Nu↑ ⇒ h↑)Gr 수 (Grashof Number)① 정의 및 물리적 의미-h가 관 지름, 비열, 열전도도, 점도, 열팽창계수, 수 Gr라 하고 다음과 같다.(유체가 팽창했기 때문에 생기는 단위면적당 부력)(유체의 점성에 의한 단위 면적당 작용하는 전단력)② 열공학적으로 지시하는 사항- 유체에 작용하는 부력과 점성에 의한 항력과의 관계 ⇒ 자연대류의 영향St 수 (Stanton number)정의 및 물리적 의미2)와(항력계수)의 관계①? 1.0 일 경우.(stokes's law 적용)= 3πμ,, (no eddy)②= 10 ~ 20 일 경우 - 회전류가 구 뒷부분에서 관찰.(뒷쪽에서 경계층 분리)③= 100 근방일 경우 - 뒷부분 공간의 1/2이 소용돌이가 점유.④= 200 ~ 300 일 경우 - Vortex street.⑤= 10,000 정도일 경우 -= 0.4 ~ 0.45 수렴⑥= 300,000 일 경우- 전반부의 경계층이 난류이면,분리점이 구의 후반부로 이동하여 웨이크가 축소된다.3) Drag force, Drag coefficient① 항력(drag force)- 흐름 방향에서 유체가 고체에 미치는 힘을 항력이라 한다. Newton의 운동 제 3법칙에 의하면, 이 때 물체는 방향이 반대인 같은 힘을 유체에 미친다. 물체의 벽이 흐름방향과 평행이면, 항력은 벽 전단뿐이다. 그러나 일반적으로는 잠긴 물체의 벽이 흐름방향과 어떤 각을 이루게 된다. 따라서 벽 전단 중에서 흐름방향 성분이 항력에 기여하게 된다. 아래의 그림에서, 흐름방향에 대하여 각도 90°-α만큼 기울어진 면적요소 dA 에 작용하는 압력 및 전단력을 나타내었다. 벽 전단으로부터의 항력은sinαdA 이며, 압력으로부터의 항력은 p cosαdA 이다. 물체에 대한 전체 항력은 물체가 유체와 접하고 있는 전체 표면적에 대하여 이 두 양을 적분한 값의 합이 된다.벽 전단 및 압력으로부터의 전체 적분 항력을 각각 벽항력(wall drag) 및 형태항력(form drag)이라 한다.퍼텐셜 흐름에서는=0 이므로, 벽항력이 없다. 또 흐름방향에서의 압력항력은 반대방향의 같은 힘과 균형을 이루므로, 형태항력의 적분은 0이 된다. 따고체에 대하여서는 마찰계수에 상응하는 항력계수(drag coefficient)가 유용하다. 흐르는 유체중에 매끈한 구가 잠겨있고, 이 구에 접근하는 흐름은 고체 경계로부터 충분히 떨어져 있어서 유속이 균일하다고 하자. 흐름 방향에 직각인 평면에 대한 고체의 투영면적을로 표기하면, 구의 투영면적은 원의 면적과 같으므로 지름을라하면 면적은 (π/4)이다. 전체항력을라 하면, 단위 투영면적 당 평균 항력은이다. 마찰계수 f를와 (속도두 × 밀도)의 비로 정의한 것처럼, 항력계수를와 (밀도 × 속도두)의 비로 정의한다.(= 물체에 접근하는 흐름의 유속 )입자의 형상이 구가 아니면 그 크기와 기하학적 형태, 유체의 흐름 방향에 대한 배향을 규정해야 한다. 중요한 기본 치수로는, 특성길이와 이 기준 치수에 대한 비를 사용한다. 입자가 원기둥형인 경우 지름 D룰 기준 치수로 사용하고, 특성 길이는 L/D 비로 나타낸다. 입자와 흐름 사이의 배향은 실린더 축과 흐름 방향 사이의 각도로 정의한다. 이어서 투명면적을 구한다. 길이가 L인 원기둥에서 축이 흐름방향에 직각으로 배향되었다면, 투영면적=(π/4)가 되어, 지름이 같은 구의 투영면적과 같아진다.차원해석에 의하면 비압축성 유체 중에서 매끈한 고체의 항력계수는 Reynolds 수와 형상비(shape ratio)에 따라 달라진다. 특정 형상인 경우이다.형상과 배향이 다르면,와의 관계도 달라진다. Reynolds 수가 낮은 매끈한 구의 경우에는 대략적 이론식이 있지만, 일반적으로는와의 관계를 실험에 의해 구한다. 압축성 유체에서 Mach 수가 0.6 정도 이상일 경우에는, Mach 수에 따라 항력계수가 증가한다. 초음속 흐름의 항력계수는 일반적으로 아음속 흐름에 비해 크다.< 원기둥에의 유체의 흐름 >4) Stoke's Law-( stoke‘s law )? 1.0 일 경우의를 알게해줌.① 유체 중의 입자의 1 차원 운동식- 질량 m인 입자가 유체 중에서 외력의 작용으로 움직이고 있다고 하자. 유체에 상대적인 입자의 속도는 u이edes 원리에 의하여 입자가 대체한 유체의 질량과 외력으로 인한 가속도의 곱이다. 입자의 밀도를라 하면 부피는 m/이며, 이만큼의 유체가 입자로 대체된다. 유체의 밀도를 ρ라 할때 대체된 유체의 질량은 (m/)/ρ이다. 따라서 부력은=- (C)항력은 다음과 같다.- (D)(= 무차원 항력 계수,= u= 입자의 운동방향에 수직인 평면에서 측정한 입자의 투영 면적 )식 (B), (C), (D)에서 힘을 식 (A)에 대입하면 다음 식이 된다.외력이 중력이라면는 g, 즉 중력가속도가 된다. 이때 위의 식은 다음과 같이 된다.=② 종말속도(terminal velocity)- 중력 침강에서는 g가 일정하다. 또 항력은 언제나 속도에 따라 증가한다. 위의 중력에 대한 식은 가속도가 시간 경과에 따라 줄어들다가 0에 접근함을 나타낸다. 입자는 곧 일정속도에 이르게 되는데, 주어진 상황에서 얻을 수 있는 최대값을 종말속도라 한다. 중력 침강인 경우, 종말속도에 관한식은 du/dt=0으로 놓고 구할 수 있다.=③ 구형 입자의 운동- 입자가 지름인 구일 경우,,이므로 이를 terminal velocity를 구하는 식에 대입하면 구의 중력 침강에 대한 식이된다.=일반적으로, 이 종말속도는 시행착오법으로 구하는데, 이때의 초기값을 정하기 위하여를 가정한다.가 아주 작거나 아주 큰 극단적 경우에는 이 식에서 직접를 구할수 있다.가 작으면 항력계수가에 역비례하며,에 관한 식은 다음과 같다.④ 구의 침강속도- 유체 속에서 움직이는 물체에 작용하는 힘은 유체의 비틀림에 의해 생기는 표면 마찰과 저항력이다. 이때 두 힘은 물체가 움직이는데 있어서 속도에 의존한다. 투명한 두 개의 관을 수직으로 세워 점도가 서로 다른 액체를 넣어 구를 투입하였을 때 떨어지는 시간을 일정한 지점에서부터 시작점으로 하여 일정한 거리에 도달하였을 때를 종말점으로 시간으로 측정한다. 구에 대한 수직 방향으로의 힘의 수지는D : 구의 직경(cm),: 구의 밀도(g/㎤), ρ : 액체의 밀도(g/㎤): drag for

공학/기술| 2006.12.18| 14페이지| 1,000원| 조회(451)

건조, 침강, 침강속도, 건조속도, 항율

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접촉각측정 평가A+최고예요

■ 실 험 제 목 : 접 촉 각 측 정■ 실 험 목 적- 접촉각의 측정을 통해 표면에너지를 계산하고 표면에너지의 화학적 의미와 특성을 이해한다.■ 실 험 이 론1. 접촉각의 정의- 접촉각이란 액체가 고체 표면 위에서 열역학적으로 평형을 이룰때 가지는 각을 말한다. 표면과 시약사이에서 이루는 접촉각의 측정은 접착(adhesion), 표면처리 그리고 폴리머 표면 분석과 같은 많은 분야에서 잘 알려진 분석 기술로서, 수 Å 단위의 단일층 변화에도 민감한 표면 분석 기술이다. 또한 접촉각(θ)은 고체표면의 젖음성(wettability)을 나타내는 척도로서, 대부분 고착된(sessile) 물방울에 의해 측정된다. 낮은 접촉각은 높은 젖음성(친수성, hydrophilic)과 높은 표면에너지를 나타내고 높은 접촉각은 낮은 젖음성(소수성, hydrophobic)과 낮은 표면에너지를 나타낸다. 평평한 고체표면에 접촉한 액체의 접촉각은 액체-고체-기체 접합점에서 물방울 곡선의 끝점과 고체 표면의 접촉점에서 측정된다. 접촉각은 크게 정접촉각과 동접촉각으로 나뉘어진다. 여기서 베이스 라인(base line)인 'B'와 접선(tangent)을 이루는 'T'사이의 각인 theta는 접촉각을 나타낸다. 여기서 작용하는 힘은 각각 액체-기체, 고체-기체, 고체-액체 상호간 크기와 방향을 가지는 벡터로 계면에너지를 나타내게 되며, 이러한 관계를 성립하게 하는 방정식이 Young의 방정식이다.< 친수성이 낮은 접촉각 >< 소수성이 높은 접촉각 >2. Young's Equation- 접촉각에 작용하는 힘은 위의 그림과 같이 각각 액체-기체, 고체-기체, 고체-액체 상호간 크기와 방향을 가지는 벡터로 계면 에너지를 나타내게 된다.이러한 관계를 성립하게 하는 방정식이 Young의 방정식인데, Young의 방정식은 평탄하고(smooth) 균질하며 변형되지 않는 이상적인 표면에서 유도된 식으로 하나의 안정한 접촉각을 갖는다.

공학/기술| 2006.12.18| 7페이지| 1,000원| 조회(2,299)

고체, 표면, 측정, 접촉, 표면에너지

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열교환기

▣ 이론배경? 열교환기산업공정에서 두 유체 사이의 열전달은 일반적으로 열교환기에서 이루어진다. 가장 일반적인 열교환기의 형태는 뜨거운 유체와 차가운 유체가 서로 직접 접촉하여 열전달이 일어나는 것이 아니라 튜브 벽이나 평판 또는 굽어진 접촉면에 의해 두 유체 사이가 분리되어 있으며 접촉면을 통하여 열전달이 일어난다.열전달은 뜨거운 유체에서 튜브 벽이나 튜브 표면까지는 대류에 의해 전달되고, 튜브 벽이나 평판에서는 전도에 의해 전달되며 마지막으로 차가운 유체까지는 다시 대류에 의해 전달된다.가장 간단한 형태의 열교환기는 이중 파이프 열교환기(double-pipe heatexchanger)또는 동심파이프 열교환기(concentric-pipe exchanger)이다.이것은 그림에서와 같이 파이프를 이중으로 한 것으로, 내부 파이프에 한 유체가 흐르고 두 파이프 사이 환상 공간에 다른 유체가 흐르도록 되어 있다.표준 금속관과 표준 리턴밴드 및 리턴 헤드로 구성되었고, 이 밴드와 헤드는 스터핑 박스에 매어져 있다. 한 유체(뜨거운 유체, 고온유체)는 내관을 통하고 제2의 유체 (차가운 유체, 저온 유체)는 외관과 내관 사이의 환형 공간(ohnular space)을 통해 흐른다. 열교환기의 기능은 찬 유체의 온도를 상승시키고, 더운 유체의 온도를 강하시키는 것이다.? 이론(원리)교환기의 양쪽끝에서 두 유체가 들어가 그 장치내에서 서로 반대 방향으로 통과된다. 이와 같은 흐름 형태를 향류라 하며, 두 유체가 교환기의 같은 끝부분에서 들어가고, 그 흐름이 같은 방향이면 그 흐름은 병류라 한다.내관에는 고온 유체를 외관에는 저온 유체를 흐르게 하여 정상상태에서 열교환이 일어날 때 고온 유체가 가지고 있던 열량을 저온 유체가 얻게 된다.① 열전달량 : Q이중 열교환 장치의 내관과 외관으로 흐르는 각각의 더운 유체와 찬 유체가 흐르면 열수지는 다음과 같다.Q = mHCpH(Thi-Tho) = mcCpc(tci-tco)? ?더운 유체가 잃은 열량 찬 유체가 얻은 열량cf) 상변화가 없기 때문에 증발잠열(λ)은 계산하지 않는다.㉠ mH , mc : 더운 유체와 찬 유체의 질량유량 [kg/hr]㉡ CpH , Cpc : 더운 유체와 찬 유체의 정압비열 [kcal/kg?℃]㉢ Thi , Tho : 더운 유체의 입구와 출구 온도 [℃]㉣ tci, tco : 찬 유체의 입구와 출구 온도 [℃]금속관 벽을 통한 더운 유체와 찬 유체의 열교환에 대한 열량은 다음과 같다.Q = UoAoΔto = UiAiΔti = UmAmΔtm㉠ Q : 열전달량[kcal/hr]㉡ Uo, Ui, Um : 개별(외관, 내관, 평균) 총괄전열계수 [kcal/㎡?hr?℃]㉢ Ao, Ai, Am : 외관, 내관, 평균 전열면적 [㎡]㉣ Δto, Δti, Δtm : 외관, 내관, 평균 온도차 [℃]② 대수평균온도차(Δtm). 유체 흐름 형태열교환기는 각 지점에서 온도가 다르므로 열교환기의 입구와 출구의 온도를 측정하여 평균온도를 사용한다. 유체의 흐름의 방향에 따라서 온도차가 다르게 나타난다.ΔT1 - ΔT2Δtm = -------------------ln(ΔT1/ΔT2)※ 향류 또는 병류가 될 때의 평균온도차 계산은 유체의 상변화없이 온도-열량관계가 대략 직선적으로 나타날 경우만 양단 온도차의 대수평균온도를 사용한다. 그러나 실제로 상변화가 일어날 경우는 직선적으로 되지 않아 보정계수 F를 곱해주어야 한다.※ 병류흐름은 단일 이중관 열교환기에서는 잘 사용하지 않는다.왜냐하면 이 방법으로는 윗의 흐름형태에 따른 온도곡선 그림에서 관찰되는 바와 같이 한 유체의 출구온도가 반대쪽에서 들어오는 유체의 온도에 거의 접근될 수 없고, 전달될 수 있는 열량도 향류에 비하여 적기 때문이다.③ 총괄 열전달 계수(U). 개별 계수로부터 총괄 열전달 계수(Um) 계산.이중관 열교환기에 있어서 총괄 열전달 계수 U는 다음과 같다.오염계수(hd. 불결계수 F)은 증류수의 경우 극히 적은 양이므로 을 무시함.( UO : 외관을 기준으로 한 총괄 열전달 계수[kcal/㎡?h?℃])( Ui : 내관을 기준으로 한 총괄 열전달 계수[kcal/㎡?h?℃])㉠ hi , ho : 관의 내부기준, 외부기준으로 한 개별 열전달 계수 [kcal/㎡?h?℃]㉡ k : 열전도도. [kcal/㎡?h?℃]㉢ x : 막두께. [m]㉣ Do, Di, DL: 관의 바깥지름, 안지름, 평균지름 [m]Ui - UoΔUm = --------------ln(Ui/Uo)④ 대수 평균 면적 (Am)내관을 통해 고온 유체가 흐르며, 외관을 통해 저온 유체가 흐른다.(원관) (더운 물) (파이프) (냉각수)Fluid A : 내관(원관). 더운 물Fluid B : 외관(파이프). 냉각수π×L×(Do-Di)대수평균면적 Am = ---------------------------- (여기서, L=전열길이(접촉길이)로서 1.5m)ln(Do/Di)π×1.5m×(0.016m-0.014mi)∴ Am = ---------------------------------------------- = 0.0706㎡ = 0.071㎡ln(0.016m/0.014m)⑤ 열효율 (熱效率. Thermal Efficiency)열효율이란 연료가 가지고 있는 화학에너지(발열량. 열전달량)를어느 정도 유효하게 이용하였는가를 백분율로 나타낸 것을 말한다.Qoutη = ------ × 100(Qout : 출구 열전달량, Qin : 입구 열전달량)Qin1.2 총합열전달계수양 유체간의 평균온도차(대수평균온도차)를Δtm이라고 하면 교환 열량 q는다음 식으로 정의된다.q= A?Δtm?U (식 4)

공학/기술| 2006.12.18| 7페이지| 1,000원| 조회(1,731)

열교환기, 열효율, 대수평균온도차, 열전달계수

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