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[화공현상실험] 이중열 교환기 평가B괜찮아요

1. 목적열 교환장치를 사용하여 온도가 높은 유체로부터 전열벽을 통해서 온도가 낮은 유체로 열이 전달하는지 확인하고, 그 원리를 이해한다.2. 이론열은 에너지의 이동이다. 즉, 온도차 때문에 한 물체에서 다른 물체로 전이하는 중의 에너지를 말한다. 온도의 차이가 나는 두 계를 서로 맞대고 있으면 어느 정도의 시간이 경과된 후에 두 계는 온도가 서로 같은 상태를 유지하게 된다. 이때 우리는 두계 사이에서 열의 이동이 있었다고 한다. 쉽게 말하자면 이러한 열은 상대적인 개념이어서 온도 차이가 있을 때만 이동이 일어나게 되고 그러한 경우에만 열은 이동한다고 한다. 이러한 열의 전달형태로는 알고 있는 바와 같이 전도, 대류, 복사의 세 가지로써 전달 가능하다. 이 세 가지 중에서 열 교환기를 사용할 때의 열 전달 수단은 전도와 대류이다.열 교환기는 이러한 열의 전달성질을 잘 파악하고 있어야만 이해가 쉽게 된다. 열 교환기의 특성은 바로 찬 유체의 온도를 상승시키고, 더운 유체의 온도를 강하시키는 것이다.전달되는 열은 응축 또는 증발과 같이 상변화를 수반하는 잠열이거나 또는 상변화 없이 유체온도의 상승 또는 감소로부터 오는 것을 현열이다. 전형적인 예는 한 유체로부터 현열이 더 찬 유체로 전달되어 그 온도가 감소되고, 찬 유체의 온도가 상승되는 경우, 냉각수에 의하여 수증기가 응축되는 경우, 그리고 고압 수증기의 응축에 의하여 주어진 압력 하의 용액으로부터 물을 증발시키는 경우 등이다. 이와 같은 모든 경우에서, 열은 전도와 대류에 의하여 전달된다.먼저 우리는 대류에 관하여 잠시 생각해 본다면 유체에 실려있는 에너지의 전달... 이것은 곧 우리가 앞으로 해결해야 할 문제이다. 에너지의 전달에서도 항상 일정하게 같은 양만큼 전달되리라고는 생각하기 힘들다. 곧 우리는 정상상태에 도달한 에너지의 흐름을 생각해야 하는데 이는 Fourier법칙을 생각하거나 정상상태에 도달한 열 손실이 적은 얇은 평판을 생각하면 묘사가 가능하다.그림 1.은 열 교환기를 개략적으로 나타낸 것이다.와 같은 표현은 열 교환기 전역에서 총괄 열전달계수가 일정하다는 가정에서이다.이와 같은 교환기는 수직으로 쌓아올린 배열로 여러 겹으로 구성되기도 하나, 2중관 교환기는 표면적 100 ∼ 150ft2이하가 요구되는 경우에 쓰이게 된다. 더 큰 용량의 것으로는 수천 ft2까지 되는 더 정교한 다관원통형교환기를 사용하게 된다.위의 2중관 열 교환기를 보는 바와 같이, 교환기의 양쪽 끝에서 두 유체가 들어가 그 장치 내에서 서로 반대방향으로 통과된다. 이와 같은 흐름 형태를 역류 또는 향류라 한다. 이 경우, 온도 거리 곡선은 아래의 그래프와 같다. 네 개의 종단온도는 다음과 같이 표기된다.유입되는 뜨거운 유체의 온도 : Tha유출되는 뜨거운 유체의 온도 : Thb유입되는 찬 유체의 온도 : Tca유출되는 찬 유체의 온도 : Tcb이때 접근단은,Tha - Tcb = T2 및 Tha - Tcb = T1그리고 더운 유체와 찬 유체의 범위는 각각 Tha - Tcb , Tha - Tcb 이다.두 유체가 교환기의 같은 끝 부분에서 들어가고, 그 흐름이 같은 방향이면 그 흐름은 평행류라 한다. 이에 대한 온도-거리 곡선은 위에서 나타낸 그래프와 같이 나타내었다. 하첨자 A는 유입유체, 하첨자 B는 유출유체를 표시한다. 이 때 접근단은 Tha - Tcb = T2 및 Tha - Tcb = T1이다.평행흐름은 단일통과 교환기에서는 잘 사용되지 않는다. 왜냐하면, 이 방법으로는 한 유체의 유출온도가 반대쪽에서 들어오는 유체의 온도에 거의 접근될 수 없고, 전달될 수 있는 열량도 비향류 흐름에 비하여 적기 때문이다. 하지만 다중통과 교환기내의 평행류에 대해서는 기계적인 이유 때문에 몇 개 정도의 통과까지만 사용된다. 그래서 그 용량과 얻을 수 있는 어프로치는 영향받게 된다. 찬 유체의 최대 허용온도에 제한을 받는 경우, 또는 적어도 갑자기 어느 유체의 온도변화를 주어야 할 겨우 평행류를 사용하게 된다. 어떤 열교환기에서는 한 유체가 과 다발에 직각으로 흐른다. 이것을 직교류라 한다.열전그리고 찬 유체에 대해서는 다음과 같이 쓸 수 있다.mC(HCb - HCa) = qC여기서, mc, mh=유입되는 뜨거운 유체 각각의 질량유속Hca, Hha = 유입되는 찬유체와 뜨거운 유체 각각의 단위 질량당 엔탈피qc, qh = 찬 유체와 뜨거운 유체에 각각 가해지는 열의 속도qc의 부호는 양이고, qh의 부호는 음인데, 이것은 뜨거운 유체가 열을 잃기 때문이다. 뜨거운 유체가 잃은 열은 찬 유체가 빼앗아간 것이다. 만일 현열만이 전달되고 일정 비열이라고 가정된다면, 열교환기에 대한 총괄 엔탈피수지는 다음과 같이 된다.(온도에대한 식으로표현할수있다.)mhcph(Tha - Thb) = mccpc(Tcb - Tca) =qcpc = 찬 유체의 비열cph = 뜨거운 유체의 비열열 전달 계산은 가열 표면적을 기준으로 하고, 열이 통과되는 그 표면의 ㎡당 w 또는 Btu/hft2로 표시된다. 단위 면적당 열 전달 속도를 열속(heat flux)이라 한다. 많은 열 전달 장치에서 전달 표면은 관 또는 튜브로 만들어지는데 따라서 열속은 관의 내부 면적 또는 외부 면적을 기준하게 된다. 선정하는 것은 임의로 할지라도, 선정한 표면을 명백히 밝혀야 한다. 왜냐하면 열속의 수치적 크기가 양쪽 표면에서 서로 동일 하지 않기 때문이다. 유체가 가열되거나 냉각될 때, 그 온도는 그 흐름의 단면적에 걸쳐 변하게 된다. 유체가 가열된다면 그 유체의 온도는 가열표면의 벽에서 최대가 될 것이고, 그 중심부를 향해 감소하게 될 것이다. 유체가 냉각된다면 온도는 벽에서 최소가 되고, 중심을 향해 증가될 것이다. 흐름의 단면을 통해 이와 같은 온도 구배 때문에, 그 흐름의 온도가 의미하는 바를 설명해 줄 필요가 있다. 온도는 문제의 단면을 흐르는 전체 유체흐름을 모아서 단열적으로 혼합시킨다면 균일 온도로 될 수 있다. 이렇게 정의된 온도를 평균흐름온도 또는 혼합용기온도라 한다.3. 실험 장치 및 시약▶ 열교환기1. 단관식 열교환기는 비교적 간단한 제작법때문에 또 매우 넓은 온도 및 압력범위에서B437B339A141{병류향류뜨거운유체의 입구온도 Tha5555뜨거운유체의 출구온도 Thb4239찬유체의 입구온도 Tca2324찬유체의 출구온도 Tcb3741Tha-Thb=13Tha-Thb=16Tcb-Tca=37Tcb-Tca=17E (열교환기의효율) =Thb - ThaTca - ThaE0.406250.51613CP = 18.2964 + 47.212ㆍ10-2ㆍT - 133.88ㆍ10-5ㆍT2 + 1314.2ㆍ10-9ㆍT3 (J/molㆍ℃)4.184 J/g ℃ =1 cal/g ℃=75.312 J/mol ℃7.5 Lpm (ℓ/min) 부피유속 ⇒ 질량유속으로 바꾸면 물의 밀도가 1g/㎤ 이므로{7.5ℓ/min16.7 ㎤/sec1 g=125.25 g/sec1ℓ/min㎤◎CP 값{병류( 1 cal/g ℃ = 75.312J/molㆍ℃ )온냉55℃40.43(J/molㆍ℃)23℃28.46(J/molㆍ℃)42℃35.8637℃34향류온냉55℃40.43(J/molㆍ℃)24℃28.87(J/molㆍ℃)39℃34.7541℃35.49-WhCPh(Th2-Th1) = WcCPc(Tc2-Tc1)=q{온수,냉수평균CP125.25 g1 mol△Tmolㆍ℃sec18 g{병류온평균CP38.145(J/molㆍ℃)냉평균CP31.32향류온평균CP37.59냉평균CP32.18{병류향류온냉온냉△T131416173450.533051.094185.023806.63총괄엔탈피(J/sec)399.44378.39오차6. 토의 및 고찰열교환 실험을 하는데 있어 처음 정상상태를 유지하지 않고 실험을 행함으로 인해 올바른 결과값을 낼수가 없었다.입구와 출구쪽의 sensor의 위치가 잘못위치한 것을 발견할수 있었다. 냉각수 sensor의 위치가 온수의 영향을 받는곳에 위치해있기 때문에 초기 냉각수의 온도가 실재 온도보다 높게 측정되었다. 냉각수의 공급이 수도꼭지와 연결되있어 유량이 일정하게 유지 되지않았다. 이번실험을 통해서 열효율과 엔탈피의 크기를 짐작할 수 있었으며 열교환의 원리를 조금이나마 이해할수 있었다.이론적으로는 달 방식에 따라 복사형과 대류형, 복사형과 대류형의 혼합방식등으로 구분할수 있다. 복사열 전달방식은 흔히 stack에 많이 설치하므로 stack type이라고도 한다. 대류형 열교환기는 다시 항류형, 병류형, 직교류형으로 구분된다.대류형 열교환기의 특징은 복사형에 비해 콤팩트한 형상을 갖게 되어 열교환기 입구의 온도가 낮아도 충분한 성능을 발휘하는 것이며, 단점으로는 가스중 분진으로 인한 퇴적현상과 부식문제 등이 있으며, 종류로는 다관식, 이중관식, plate type등이 있다.단순 이중관 교환기는 몇 개의 관으로 쉽게 처리할 수 없는 유량에는 부적합하다. 여러 개의 이중관을 병행하여 사용한다면, 외관에 필요한 재질의 무게가 너무 커지기 때문에 위의 그림과 같이 하나의 동체(shell)가 여러 관(tube)에 기여할 수 있는 다관원통형 구조(shell-and-tube construction)가 더 경제적이다. 이 교환기는 한번의 동체측(shell-side) 통과와 한번의 관측(tube-side)통과가 있기 때문에 1-1교환기라 한다.교환기에서 동체측과 관측 열전달계수는 비교적 중요하고, 이들 값은 만족할 만한 총괄계수가 되려면 아주 커야만 한다. 동체측 액체의 속도와 난류성은 관측 유체와 마찬가지로 매우 중요하다. 동체특 유체이 십자류와 평균속도를 증진시키기 위하여 장애판을 동체내에 설치한다.위의 그림에서 보는 구조에서 장애판 A는 한쪽 끝이 잘린 금속원판으로 되어 있다. 보통 환꼴 높이는 동체 안지름의 1/4이 되도록 절단한다. 이런 장애판을 25% 장애판이라 한다. 장애판은 관이 들어가도록 구멍이 뚫려 있다. 누출을 최소화하기 위해 장애판과 동체 관 사이의 틈새가 작아야 한다. 장애판은 하나 또는 여러 개의 지지봉 C에 의해 받쳐진다. 이 지지봉은 고정나사에 의 해 관판 D와 D;사이에 조여진다. 장애판을 적소에 고정시키기 위하여 관의 짧은 부분 E가 장애판 사이에서 지지봉 C상을 미끄러지게 된다.◎ 1-2평행 - 향류 열교환기(1-2 parallel-co것이다.

공학/기술| 2002.11.04| 18페이지| 1,000원| 조회(1,789)

향류, 이중열교환기, 병류, 푸리에법칙

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[자연과학] 지구온난화원리및기후현상,세계의동향

{지구 온난화와 기후현상, 세계각국의 동향{지구 온난화지금 지구 환경에는 엄청난 변화가 일어나고 있다. 세계 도처에서 이상기상 현상이 갖 가지 형태로 나타나고 있다. 허리케인, 사이클론, 태풍이 모두 지금까지와는 다른 규모 와 루트를 통해 빈번하게 발생하고 있다. 북미 대륙, 아시아, 유럽 도처에서 강수 형태 가 크게 변하고 있다. 대홍수와 큰 가뭄이 교대로 일어나 수많은 생명이 상실되고 자연 이 파괴되는 한편, 해수면의 상승도 한층 빠른 속도로 일어나고 있으며 해류의 흐름에 도 커다란 변화가 보이기 시작했다. 더 나아가 지구상의 모든 생물을 보호해 온 대기의 오존층이 크게 파괴되기 시작한다는 심각한 현상도 일어나고 있다.지구적 규모로 일어나는 환경의 커다란 변화는 지구온난화라는 현상으로 집약된다. 그 러나 지구 온난화를 일으키는 기온 상승이 기후 변화에 따른 자연 현상인지 아니면 화 석 연료 사용 등으로 인한 인위적 현상인지 명확하지 않다. 그러나 온실 효과는 대기 중에 있는 이산화탄소의 양과 관계가 있는 것은 분명하다.대기 중의 이산화탄소의 농도는 산업혁명 당시에 비해서 25% 상승하였다. 온실효과 가스 전체로 보면 무려 50%나 상승했다. 21세기 중반에는 산업혁명 당시에 비해 대기 중의 이산화탄소의 농도가 50% 상승하고 온실효과 가스 전체로는 2배가 되리라고 예 측된다. 겨우 300년 정도의 기간에 대기 중의 이산화탄소를 비롯해 온실효과 가스의 농 도가 이와 같은 빠른 속도로 변화한 것은 오랜 지구의 역사를 통해서 아직 경험한 적 이 없다. 이산화탄소를 비롯한 온실효과 가스의 비정상적인 증가에 의해서 지구의 기온 이 크게 상승하고 있다.{그림 하와이의 마우나 로아(Mauna Loa)에서 관측된대기 중의 이산화탄소 량의 변화기후 변화의 원인자연적 요인지구 궤도 요인 : 지구 궤도 요인에는 태양활동의 변화, 지축 변화, 지구 공전 궤도 변화가 있다. 태양에 의한 기후 변화 요인 중 가장 주기가 짧은 것이 11년 주기의 태 양 활동 변화이다.오래 전부터 태서 해수의 온난 현상은 적어도 세계의 1/3이상의 날씨에 영향을 미친다.{그림 엘니뇨시의 대기 변화. 지역별로 한발과 홍수가 발생하였다.인위적 요인온실기체의 증가온실효과(Greenhouse Effect)지표면은 태양으로부터 에너지를 흡수하여 대기 중으로 지 표 복사에 의한 에너지를 내보낸다. 이때 대기는 지표면에서 방출하는 복사 에너지를 흡 수하여 그 일부를 다시 지표로 방출한다. 즉, 대기는 지표면에서 방출하는 복사 에너지가 직접 우주공간으로 빠져나가지 못하게 하며 이러한 에너지 순환 과정이 반복되면서 대기 는 지표면을 보온하는 역할을 한다.{ 그림 온실효과 모식도그림5 에서 태양 복사 에너지가 지구 대기권을 통과하 여 지표면에 도달하는 것을 나타내고 있다(A). 태양 복 사 에너지는 대부분 대류권의 공기에 흡수되지 않고 그 냥 통과하여 지면에 흡수된다(B). 햇빛에 가열된 지표 면은 재복사 에너지(지구 복사 에너지)를 방출하는데, 이는 파장이 긴 장파 복사 에너지이므로 투과력이 약해 서 대기중의 수증기나 이산화탄소 등에 흡수된다(C). 이때 대기는 흡수한 에너지를 다시 우주 공간과 지표면 으로 복사하게되고(D), 이러한 에너지 순환 과정이 반복되면서 대기권은 지구를 보온하게 된다. 이러한 대기의 보온을 온실 효과 (greenhouse effect) 또는 대기 효과라 한다.그림6 의 복사 평형 자료에서 지표면은 태양으로부터 50%의 에너지를 흡수하였지만 지표면 -이 방출하는 에너지는 153%(대기로 직접 방출하는 양 14% + 순환 과정에서 지표 복사량 103% + 증발, 대류, 전도를 통하여 대기로 나가는 양 30%)이다. 따라서 103%의 에너지는 대기가 있기 때문에 나타나는 온실 효과 또는 대기 효과로 인한 것이다.{{{그림 6 복사 평형실제 대기에 의해 일어나는 온실 효과는 지구를 항상 일정한 온도를 유지시켜 주는 매우 중 요한 현상이다. 만약 대기가 없어 온실 효과가 없다면 지구는 화성처럼 낮에는 햇빛을 받아 수십 도 이상 올라가지만, 반대로 태양이하고 있는 실정이다.《그러면 지구는 계속하여 더워질 것인가?》100여 년간 대기 중 온실기체의 양은 계속하여 증가하여 왔고 기온 또한 점차 상승하였다. 그러면 과연 지난 100년 동안 지구의 온난화는 온실기체 증가와 더불어 진행되고 있는가? 또 온실기체가 계속 증가하면 기온 따라 계속 상 승할 것인가? 적어도 일차적인 지구 열수지 연구를 근거 로 하면 앞으로 지구는 당분간 더 더워질 것이다. 그러나 일부의 기후학자들은 지난 100년간 관측된 자료 분석으로는 지구 온난화의 증거를 보이기에는 다소 미흡하다고 보고 있다. 사실 북반구에서는 대부분의 기온 상승이 대기 중 온실기체 함유량의 증가가 급격하지 않은 2차 대 전 이전에 일어났다. 특히, 북반구에서는 1940∼1980년의 기간 동안 평균 기온이 하강하였고, 이로 인하여, 한 때 현재의 지구온난화에 대한 우려보다는 빙하기가 도래하지 않을까 염려하기 도 하였다. 이와 같은 전구 기온 변화가 대기 중 온실기체 증가와 잘 일치되지 않는 이유 중 하나는 온실효과와 반대 효과를 나타내며 18세기 산업혁명 이후 대기 중 그 배출량이 CO2와 함께 증가되어 온 SO4를 고려하지 않았다는 것이다. SO4는 대기중의 먼지 입자들을 결속하거 나 구름의 응결핵 역할을 하여 대기 중으로 들어오는 태양광선을 더 많이 외계로 반사시킴으 로써 지표면 냉각 효과를 유발할 수 있다.기후 변화 실험 결과에 의하면 대기중 CO2가 두배로 되었을 때 대부분 지역(특히 고위도 지 방)에서 기온이 증가하지만, SO4 증가만을 고려했을 때는 오히려 대부분 지역에서 기온이 하강 한다고 한다. 즉, 이 두 가지를 다 고려하면 지역에 따라 기온이 상승하기도 하고 냉각되기도 한다는 것이다.그러나 이러한 예측은 모두 일차적 반응에 근거할 뿐이다. 대기중의 수증기와 구름이 가장 큰 온실효과를 나타낼 수 있으며 동시에 구름은 태양광선을 반사한다는 사실을 고려하면, 이들 대 기 온실기체에 의한 온난화 정도를 일방적으로 받아들일 수는 없다. 다시 말하면, 일차적 온실바다지구 온난화는 또한 해수면의 대표적인 상승을 야기시킬 것으로 생각된다. 지표 기 온의 상승에 따라서 해수의 온도도 당연히 높아져 해수의 체적이 팽창한다. 더욱이 남극이나 그린랜드의 빙상이 녹아 해수면의 상승을 야기시킬 위험도 지적되고 있다. 지금부터 1만 년 전 정도 전 뷔름빙기가 끝날 무렵 시베리아, 스칸디나비아 반도, 아 프리카, 북아메리카 대륙의 대부분은 두터운 빙상에 덮여 있었다. 그 때문에 해수면 은 현재보다 100m 이상이나 낮았다고 생각된다. 그로부터 1만년 사이에 이들 얼음이 녹아서 해수면이 100m 상승, 현재의 상태가 된 것이다. 가령 남극 대륙이나 그린랜 드를 덮고 있는 얼음이 전부 녹는다면 해수면은 현재보다 60m 상승한다고 추계 되고 있다. 지구 온난화에 의해 남극 대륙이나 그린랜드를 덮고 있는 얼음이 어느 정도 녹 아서 해수면을 얼마만큼 상승시킬 것인가 하는 문제는 세계의 많은 지구과학자들의 관심을 모으고 있다. 특히 로스 해와 웨들 해의 안쪽에 있는 빙붕이 붕괴할 위험이 어느 정도인가에 대한 연구가 행해지고 있다. 빙붕은 지반 위가 아니라 해수 가운데 판 처럼 펼쳐져 있는 두터운 얼음을 말한다. 만약 빙붕이 붕괴하게 되면 남극 대륙의 빙상이 대부분 붕괴하고 말아 해수면이 8m 나 높아질 것으로 예상된다. 지구 온난화 가 지금의 속도로 진행되면 먼 장래에 빙붕의 붕괴가 확실하게 발생할 것으로 생각 된다. 지구 온난화에 의해서 해류의 흐름에도 커다란 변화가 예상된다. 해류의 변화 에 대해서 구체적인 것을 예상하는 것은 대단히 곤란하며 현재 알고 있는 것은 극히 미미한 것에 불과하다. 그러나 해류의 변화는 매우 심하고 기상 조건으로는 예기할 수 없는 영향을 미친다고 생각된다. 특히 인류의 생활에서 중요한 어류의 생식은 해 류나 수온이 조금만 변화해도 크게 좌우되기 때문이다. IPCC의 보고로는 해수면이 2030년에는 현재보다 약 20cm (예측 범위는 10∼32cm) 상승하며, 2070년에는 약 45cm (예측 범위는 23∼75cm) . 생물과 환경은 서로 의존하며 진화한다는 것이 골자다. 생물이 환경에 일방적으로 순응해 진화해온 부속적 존재가 아니라는 뜻. 최근 가이아 가설은 미국 MIT의 정규 교과목에서도 소개되는가 하면 영국은 물론 호주, 뉴질랜드 등에서 관련 세미나가 이어지고 있다.이는 최근 급변하는 양상을 보이고 있는 지구촌의 기후 때문. MIT의 모린 레이모교 수는 가이아 가설에 따르면 상호진화의 한 주체인 인간이 다른 주체인 지구의 기후 를 변화시킬 수 있다 며 그 결과가 인간에 어떤 영향을 미칠지가 관심거리 라고 말 했다. 가이아 가설의 과학적 근거는 우주연구에서 비롯됐다. 러브록 박사는 NASA 태 양계조사에 참여하면서 지구의 대기 조성이 주변 행성과는 크게 다른 점을 발견했다. 금성과 화성은 가장 단적인 예. 두 행성 모두 대기중 이산화탄소의 비율이 95%를 차 지했다. 이는 지구의 0.03%와는 크게 다른 것. 러브록 박사는 원시 지구의 이산화탄 소 비율은 금성. 화성과 비슷했다. 그러나 지구가 생명체를 배태하면서 이 생명체가 지구의 대기조성을 바꾼 것 이라고 설명했다. 광합성을 하는 세균·조류가 이산화탄 소를 빨아들이고 산소를 내뿜어 지구 대기를 변화시켰다는 것이다. 이는 생물체가 자 연에 순응하지만 않고 능동적 으로 자신에 적합한 환경을 만들어 가는 과정. 땅·대기 와 생명체는 이렇게 일체를 이루고 있다는 것이 가이아 가설의 결론이다.기후변화 협약경 과{88.11:기후 변화에 관한 정부간협의회 (IPCC) 설립-기후변화에 대응하기 위함-세계 기상 기구(WMO), 유엔 환경 계획 (UNEP) 주관90.8:IPCC 종합보고서 발표-기후변화의 원인, 영향 및 대응에 관한 종합보고서90.11-제45차 UN총회에서 기후변화협약 제정을 위한 정부간협상위원회(INC) 설치 의결90.12:정부간 협상 위원회(INC) 설립92.6:기후변화협약채택(리우환경회의)94.3 : 기후변화협약발효(50개국 비준)-우리 나라 비준( 93.12)95.3:제1차 당사국총회(COP1)-Berlin M.

자연과학| 2002.07.19| 31페이지| 1,000원| 조회(966)

온실효과, 지구온난화, 기후협약

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[화학공학 실험보고서] 유기질소

1. 목 적킬달방법을 사용하여 질소를 함유하고 있는 유기화합물인 카세인을 황산으로 분해하여 생긴 암모니아를 정량하여 유기질소를 측정할 수 있다.2. 이 론총질소란 유기질소와 암모니아성 질소의 합을 말한다.총질소의 측정원리는 질소함유 유기화합물에 황산구리 및 황산칼륨 등의 분해보조제의 존재하에 분해제인 농황산을 가한다. 가열해서 질소화합물을 황산암모니아[(NH4)2SO4]로 변화시킨 다음 이것에 수산화나트륨을 가하여 증류한다. 여기에 발생시킨 암모니아를 일정량의 붕산용액에 흡수시키고 과잉의 붕산용액을 황산 표준용액으로 적정하면 전체의 질소량을 알 수 있다.이 방법에 의하면 유기성 질소 대부분은 거의 정량할 수 있으나, 니트로기 화합물, 아질산성 질소, 질산성 질소는 정량되지 않는다.이번 실험에서는 킬달분해 및 증류장치를 이용하여 유기질소를 과산화수소(H2O2) 촉매하에서 진한 황산을 사용하여 분해한 후 생긴 암모니아를 정량한다. 생긴 암모니아는 수증기 증류 를 통해 분해물로 부터 제거한 후 중화적정에 의해 계산한다. H2O2와 같은 촉매는 산화를 가속시켜 완전히 분해한다.1) 황산으로 분해될 때의 화학반응*산화제로서 황산칼륨을 가하면 온도가 높아짐에 따라 아황산이 생성되어 유기물의 분해를 촉진시킨다.K2SO4 + H2SO4 ----------------2KHSO42KHSO4 + H2O2 ----------------K2SO4 + H2O + SO3*아황산은 질소를 환원시켜 암모니아로 만들고 자신은 무수황산이 된다.*생성된 암모니아는 황산과 화합하여 황산암모늄이 된다.*산화제로서 과산화수소를 가하면 반응온도가 높아짐에 따라 아황산이 생성되어 유기물의 분해는 더욱 촉진시킨다.2) 킬달방법이란1883년에 개발된 킬달방법은 질소를 정량하는 가장 정확하고 보편적인 방법이다. 먼저 질소가 든 물질을 끊는 황산에 삭여서 시료중의 질소를 NH4+로 바꾸고 다른 원소들을 산화시킨다.끊는유기 C,H,N --------→ NH4++CO2+H2OH2SO4수은, 구리, 셀렌 화합물들이 그 삭임 과정을 촉진시킨다. 반응속도를 높이기 위해 K2SO4를 가하여 진한 황산의 끊는점(388°C)를 올려 준다. 마이크로 봄에서 H2SO4과 H2SO4로 삭이는 것은 특히 편리하여 15분 정도 밖에 소요되지 않는다. 아래의 삭임 과정은 아민과 아미드(단백질)에 적용된다. 아질산염, 시안화물, 히드라진의 유도체, 니트로 및 아조 화합물 등에 대하여는 수정이 필요하다.( 킬달 익힘은 또한 매우 유독한 유기 폐기물을 파괴하는 데에도 추천된다. )삭임이 끝나면 NH4+ 가 든 용액을 염기성으로 만들때 발생하는 암모니아를 증류하여 이것을 일정량의 HCl용액에 흡수시킨다.반응하지 않은 염산을 NaOH로 적정하여 NH3 에 의하여 소비된 HCl을 정한다. 적정용액에는 HCl과 NH4+가 들어 있으므로 NH4+를 적정하지 않고 HCl 만 적정하게 하는 지시약을 선정해야 한다. 브로모크레졸 초록(변색범위 3.8 - 5.4) 이 적절하다. 분유, 말린 곡물, 밀가루 등의 생화학적 물질은 다음과정으로 분석할수 있다. 순수한 아세트아닐리드, HEPES완충제 , 또는 TPIS완충제 , 암모니아의 p-톨루엔술폰상염, 글리신, 또는 니코딘산으로부터 시료를 대신 만들 수 있다.3) 킬달방법의 4단계①분해반응: 시료중의 질소(N) + H2SO4 ------------→(NH4)2SO4②증류: (NH4)2SO4 + 2(NaOH) ----------→2(NH3) + Na2SO4 + 2(H2O)③중화적정:2(NH3)+H3BO3----------→(NH4)2HBO3 ④적정: H2SO4 + (NH4)2HBO3 ---------------→(NH4)2SO4 +H4BO34)부르신법이 방법은 검수 중의 질산이온이 황산산성에서 부르신과 작용하여 생성한 황색의 흡광도를 측정하여 정량하는 방법이다. 측정범위는 질산성 질소로서 0.001 - 0.01mg이기 때문에 검수 중의 질산성 질소가 미량(1mg/이하)의 경우에 있어서 적용할 수 있다.3. 기구 및 시약1)시약황산칼륨, 30% 과산화수소 용액, 황산, 2%붕산 용액, 0.1%혼합지시약 용액(메틸레드와 메틸렌블루가 1:3의 비율로 메탄올에 녹은 것), 40%수산화나트륨 용액2)기구산화분해장치킬달플라스크질소증류장치4.실 험 방 법1)분해반응시료(카제인) + H2SO4 ----------------→ (NH4)2SO4킬달플라스크에 카제인 0.1g을 종이에 싸서 넣는다.황산칼륨 ¼스푼을 킬달플라스크에 넣는다.킬달플라스크에 과산화수소 1ml를 넣는다.킬달플라스크 내벽을 따라 황산 2ml를 넣는다. 그러면, 무색의 황산 암모니아가 만들어 진다. 만약 노란색이면 과산화수소를 투입하거나 가열하면 된다.2)증류(NH4)2SO4 + 2NaOH -------------------→ 2NH3 + Na2SO4 + 2H2O먼저 순수한 물을 역류시켜 세척을 한다. 그리고 질소증류장치에 사용되는 연결고무는 10% NaOH용액속에서 10-30분간 끓이고 물로 30-60분간 끓인 다음 물로 충분히 씻는다.수기E에 2%붕산 용액 25ml를 취하고 혼합지시액 2-3방울을 가한다. 냉각관 D선단 부분이 반드시 이 용액에 잠기도록 해야 한다.증류플라스크 C에 분해액 10ml를 여두 F를 통해서 부어넣고 소량의 증류수로 여두에 묻은 시료액을 씻어 넣는다.플라스크 A에 물을 적당히 채우고 돌비를 방지하기 위해 비등석을 넣고 코크 b를 열고 c는 닫고서 가열한다. (플라스크에 가할 물은 황산 몇 방울을 가하여 미산성으로 하면 수중에 존재하는 유리 암모니아의 휘발을 막을 수 있으므로 실험오차를 막을 수 있다.)

공학/기술| 2002.04.28| 5페이지| 1,000원| 조회(831)

총질소, 카세인, 킬달방법

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[화학공학 현상실험보고서] 흡수 평가A+최고예요

1. 실험제목흡 수2. 목 적충전탑에서 기체 혼합물의 한 성분을 액체에 흡수시켜 기체의 흡수비를 구 하여, 액측 물질이동과 조작조건과의 관계를 구하고 흡수의 성질을 이해 하여 산업으로의 응용을 고찰한다.`3. 이론(1) 충전탑의 설계기체흡수 조작에서는 충전탑이 사용된다.그리고 위로는 액체성분이 흘러 들어 가고 탑아래로는 기체성분이 들어간다.흡수액은 탑밑에서,불황성가스 는 탑위에서 배출된다.*충전물의 조건. 유체에 대한 불황성. 과다한 무게를 갖지 않으면서 강해야한다.. 액체를 너무많이 정체시키거나 압력차가 크지않아야 한다.. 기-액간의 접촉을 원활히 해야 한다.. 경제적으로 타당해야 한다.* 충전물의 종류.Rashing ring.PALL RING.cross-paction ring.Lessing ring(2) 확산이론.대부분의 물질전달 조작에서는 확산 현상이 일어난다 즉 기체흡수에는 용 질이 기상을 통하여 두 상간의 계면으로 확산되며,계면으로 부터 액상을 통해 확산한다..확산이 일어나려면 농도차가 있어야한다..확산넓이에 대한 성분의 확산속도는 확산방향(x)으로의 농도구배에 비례Noa/A=-Dma(dya/dx).확산량*길이/시간으로 정의된 속도 U*면N을 가로질러 흐르는 FLUX,몰/면적-시간*속도가 0인 면에 대한 상대적 FLUX J,몰/면적-시간*농도 C 및 m,몰/부피* 농도 구배 dy/dx(3) 흡수의 원리. 충전탑의 윗부분에서 일단 보내진 액체는 모든 충전물의 표면에 얇은 막을 형성하여 탑의 아래로 흐른다. 실제로 이얇은 막은 어떤 곳에서는 두터워지고 다른 곳에서는 더 얇아 져서 액체는 조그만 개울처럼 모이고 충전물의 어떤 특정한 통로를 지 나 흐르게 된다. 특히 액체의 유속이 낮은 경우에 대부분 충전물은 건 조한 채로 있게 된다. 그런데 충전물 표면전체를 골고루 흐르지 못하고 어떤 한곳으로만 흐르 는 현상을 편류라 한다. 이러한 현상은 충전탑의 성능을 저하시키는 원 인이며 탑이 클수록 특히 심하다.. 기체흡수에서 중요한 평형관계는 비휘발성인 흡수액체와 용질인 기체사 이의 평형이다 대개 용질은 불황성가스로부터 제거되어 액체에 흡수된 다(압력,온도,한상에서의 용질의 농도등 세변수가 독립적으로 변한다.). 흡수속도는 액상과 기상을통한 물질전달 속도에 영향을 받는다r=Kya(y-y*)4. 실험장치충전탑, 로터메터기 또는 마노미터, 이산화탄소, 습식가스유량계, 충전물, 삼각플라스크, 수산화바륨, 염산, 페놀프탈레인(1) 수산화바륨물에 녹기 쉽고, 알칼리 표준용액으로 중화적정에 사용된다. 세게 가열하면 분해하여 산화바륨이 되고 이산화탄소 정량에 쓰인다. 수산화바륨수용액은 공기중의 이산화탄소와 반응하여 백색침전물이 발생하게 된다. 비중은 4.495이다.(2) 페놀프탈레인중화적정시 지시약으로 사용된다. 산성에서는 무색이고 염기성에서는 적색이다.5. 실험방법① 충전탑내에 충전물인 1/4인치 Raching ring을 채우고 실험장치를 만든 다.② 충전층의 높이와 직경을 측정한다.③ 시약(수산화바륨수용액과 염산수용액)을 제조한다.④ 이산화탄소는 탑 하부로, 물은 탑 상부로 흐르게 하고 유량을 조절한다.⑤ 물과 이산화탄소의 유량을 정확히 측정한다.⑥ 정상상태에 도달한 후 도입 및 배출되는 물속의 이산화탄소농도를 분석한 다.⑦ 이산화탄소의 유량을 변화시키고 위의 실험을 반복한다.⑧ 특정온도에서 물에대한 이산화탄소의 포화농도를 문헌의 값과 비교한다.6. 실험결과(1) 측정내용제 1 회 실험제 2 회 실험제 3 회 실험공실험의 HCl(ml)1818.618.6이산화탄소의 유량(L/M)161717공기의 유량(L/M)303030물의 유량(L/M)333정상상태의 HCl(ml)13.21515(2) 계산내용제 1 회 실험제 2 회 실험제 3 회 실험시료용액속의 이산화탄소양0.00034(mol)0.000180.00018용액 1L 속의 이산화탄소양0.017 (mol)0.0090.009물 1L당 이산화탄소 유량5.3 (L)5.1 (L)5.1 (L)물 1L당 이산화탄소 몰수0.2250.2160.216흡수율7.56 %4.17 %4.17 %물 1 L당 이산화탄소의 흡수량의 문헌치는 0.05정도이다. (단위조작책)그러므로 실험 1 의 오차는 약 66% 정도이고 실험 2와 3의 경우는 약 82%정도이다.7. 고찰실험 2와 3의 경우는 같은 실험을 한 번 더 되풀이하였다. 결과는 두 실험이 동일하게 나왔으며 오차의 원인으로는 흡수탑의 벽을 따라 물이 내려가는 편류현상이 약간 일어났다.

공학/기술| 2002.04.28| 5페이지| 1,000원| 조회(581)

확산, 흡수, 충전탑, 수산화바륨

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[화공현상실험] 열전도도 실험

1.목 적열 전달의 원리를 이해하고, 실험을 통해 고체의 열전도도를 구 하여 열전도계수(K)값을 산출하여 이것의 경향을 분석한다.2. 이론열은 에너지의 이동이다. 즉, 온도차 때문에 한 물체에서 다른 물체로 전이하는 중의 에너지를 말한다. 온도의 차이가 나는 두 계를 서로 맞대고 있으면 어느 정도의 시간이 경과된 후에 두 계는 온도가 서로 같은 상태를 유지하게 된다. 이때 우리는 두계 사이에서 열의 이동이 있었다고 한다. 예를 들면 두 물체가 접촉되어 있을 때, 뜨거운 물체는 열에너지를 잃고 찬 물체는 열 에너지를 얻는다. 다시 말해서 이러한 열은 상대적인 개념이어서 온도 차이가 있을 때만 이동이 일어나게 되고 그러한 경우에만 열은 이동한다고 한다. 그리고, 서로 다른 온도의 두 물질이 열적으로 접촉이 되면 열은 고온의 물질로부터 저온의 물질로 흐른다. 따라서, 순흐름(net flow)은 언제나 온도감소 방향으로 있게 된다.어떤 평판(slab)이 두께 Δx와 표면적 A를 갖고 있다고 하자.평판(slab)의 한 쪽 면은 일정한 온도 T1, 다른 쪽 면은 낮은 온도 T2로 일정한 온도차가 존재한다고 하면, 열은 뜨거운 쪽에서 찬 쪽으로 슬래브를 통해 전도에 의해 정상적으로 전달된다. 이러한 전도 열전달이 온도구배와 표면적에 비례한다는 것은 경험적으로 관찰되어 왔다. 이 관계식을 수학적으로 표현하면.Q~ ∝ -A { ΔT} over {Δx }· Q :열전달·ΔT/Δx : 평판(slab) 내부에서의 온도구배· A : 열의 흐름에 직각인 표면적위의 식에 비례상수 k를 사용하여 식을 정리하면Q~ = -kA { ΔT} over {Δx }열전도도 k는 어떤 물체가 열에너지를 얼마나 잘 전도시키는가를 나타내는 인자이다. 금속과 같이 높은 열전도도를 가진 재질은 플라스틱과 같은 낮은 열전도도를 갖는 물체보다 더 쉽게 열을 전도한다. 모든 특성들처럼 열전도도도 대부분의 재질에 대해 실험적으로 결정된다. 알고 있는 두께의 재질 사이로 알고 있는 양의 열을 통과시키는 장치를 사용하고, 이 재질의 양쪽 표면의 온도를 측정함으로써 푸리에 법칙을 이용하여 열전도도를 계산할 수 있다.위의 관계식은 프랑스의 물리학자 조셉 푸리에가 발견한 뒤에 푸리에 열전도 법칙이라고 부른다. (푸리에 열전도 법칙은 열전도도를 정의하는 관계식이다.)평판(slab)의 온도는 x의 함수이고 T(x)로 나타낸다. 함수 T(x)는 온도 T1과 T2사이에서 직선이며, 온도구배 ΔT/Δx는 음수이다. 그러므로 음수의 온도구배 앞에 있는 음(-)부호는 열전달을 양수로 만들어 준다. 또, 비 례상수 k는 열전도도(thermal conductivity)라 하는 물질의 한물성이다. 이것은 뉴턴점도(Newtonian viscosity) μ와 같이 소위 한 물질의 전달특성 중의 하나이다.먼저 초기에는 로벽이 25℃로서 냉각수와 평형된 온도에 있다. 이 로벽의 온도분포가 선 Ｉ로 표시되어 있다. 이 온도평형에서 T는 시간과 위치에 무관하다. 이제 로벽의 한 쪽을 700℃의 로기체에 갑자기 노출시켰다고 가정하자. 기벽의 열저항에 비교하면 기체-기벽간 그리고 기벽-냉각수간 열흐름에 대한 저항들은 무시할 수 있다. 기벽 쪽 기체온도는 곧 700℃까지 상승하고 다른 쪽 온도는 25℃로 유지될 것이다. 그래서 열흐름이 시작되고 약간의 시간 경과 후 온도분포는 곡선 Ⅱ와 같은 형태로 표시된다. 어느 주어진 지점, 즉 c의 온도는 상승되어 가고 T는 시간과 위치 두 변수에 의존된다. 이러한 과정을 비정상상태 전도라 하고 위 식은 그 평판 내에서 각 시간마다 각 지점에 적용된다. 마지막으로 이 벽이 충분히 긴 시간동안 뜨거운 기체 및 찬 공기와 접촉되어 있게 되면 선 Ⅲ으로 표시되는 온도분포가 얻어질 것이고 이 분포는 더 긴 시간이 지난 후에도 변함없이 존속될 것이다. 일정한 온도분포의 조건하에서의 전도를 정상상태 전도라 한다. 정상상태에서 T는 단지 위치만의 함수이고, 어느 한 지점에서 열흐름의 속도는 일정하게 된다. 정상 1차원 흐름에 대하여 식은 다음과 같이 쓸 수 있다.q~ = { Q} over { A} = -k { ΔT} over {Δx }( 여기서, q : 열플럭스 )여기서 q(W/㎡)는 열유속, 혹은 흐름 방향에 수직한 단위 면적당 열흐름이며 T는 국부온도, x(m)는 흐름 방향의 좌표이다.만약에 dT/dx가 음의 값이면 식에서 음의 부호는 양의 x 방향으로 양의 q 값을 나타낸다.여기서 K는 물질의 열전도계수이며 방정식으로부터 살펴볼때 단위는 (W/m·K)이다. 각 물질의 열전도 계수값 K는 온도에 따라 변화하는 경향이 있다.열플럭스는 단위면적당 일어난 열전달이다. 열플럭스의 개념은 어떤 크기의 표면적을 통한 열이동을 일반화시키기 위해 열전달을 사용한다.그러므로, 열전달 Q를 얻기 위한 간단한 방법은 열플럭스 q에 표면적 A를 곱하면 된다.전도에 의한 열전달은 기체, 액체, 고체 내에서 일어날 수 있고,열전도도는 고체,액체,기체 순으로 높다.기체에서 분자는 불규칙하게 움직이면서 다른 분자와 충돌하며 운동 에너지와 운동량을 교환한다. 만약 분자가 높은 온도지역에서 낮은 온도지역으로 움직인다면 낮은 온도지역 안의 다른 분자와 충돌하면서 에너지가 전달된다.액체에서 열전도의 메카니즘은 분자가 공간 안에 촘촘히 있다는 것을 제외하고는 기체와 거의 같고, 따라서 분자의 힘은 충돌이 일어날 때 에너지의 교환에 영향을 미친다.고체에서의 열전도는 고체의 종류에 따라 여러 메카니즘중 하나로 일어난다. 금속에서 열전도의 중요한 방법은 원자의 원자가 띠 내에서 자유전자의 이동에 의한 것이다.열전도 과정에서 열전도도는 푸리에 법칙(Fourier's law)에서 상수로서 소개되었다. 그러나 모든 기계학적 그리고 열역학적 특성처럼 열전도도(thermal conductivity)도 온도에 따라 변화한다.3. 실험기구① 각각의 두께가 다른 시험편(스테인레스 steel, 구리, 알루미늄, 철)② 열전도도 실험장치③ 버니어 캘리퍼스4.실험 방법⑴ 두께가 다른 금속을 열전도도 측정기 장치의 구간 4∼5에 2mm 짜리를 설치하고,구간 6∼7에 4mm 짜리 금속을 설치 후 유량계를 통하여 냉 각수를 일정량 하부로 통과시킨다.⑵ 열전도도 측정기의 전원을 넣은 후 열전도도 측정기에 부착되어 있는 heater조절계로 전력을 상승시킨 후 온도와 냉각수량을 조절한다.⑶ 온도 지시계의 전환 스위치를 전환한 후 각 구간 정상상태의 온도를 읽고 기록한다.⑷ 이런 방법으로 계속 실험한다.⑸ 각각 시험편을 위와 같은 방법으로 실험한다.⑹ 열전도도 측정기에 있는 온도 조절기로 낮은 온도부터 높은온도를 측 정하는 순으로 한다.(7) 열전도 계수k를 구하고 이를 분석한다.

공학/기술| 2002.04.24| 6페이지| 1,000원| 조회(744)

열전도도, 열전도계수, 온도구배, 푸리에법칙

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