기계공학응용실험 - 열전달 실험 결과보고서

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본문내용

계수는 단위 면적당 단위 시간에 공급된 열량(따라서 Q에는 비례, A에는 반비례)비례하고, 대기의 온도와 평판 표면 온도차에는 반비례 한다. 그리고 평판 핀 고정 판 모두 강제 대류 구간에서는 Re수와 Nu수가 비례관계임을 알 수 있으며, 강제 대류 상태에서 속도가 증가할수록 Re수가 증가했고 자연 대류 상태에서는 속도가 증가할수록 값이 작아져 온도 변화에 영향을 받는 Gr수는 속도의 증가에 따라 감소한다. 따라서 결과적으로 Nu수와 Gr수는 속도의 증가에 따라 반비례 관계에 있다.
Ⅲ. 복사 열전달 실험
1. 실험 목적 및 이론
가. 실험 목적
복사 열전달 실험을 통하여 고체 표면에서 열복사에 의한 단위시간당 복사 열전달량과 열복사 물질의 표면 온도를 측정하여 복사체 표면의 방사율(emissivity)을 알아본다.
나. 실험 이론
① 복사강도 역제곱의 법칙
발열체의 표면에서 방사된 열복사의 강도를 거리의 제곱에 반비례한다.
② 흑체복사(Stefan-Boltzmann Law)
표면에서 방사되는 열속
Stefan-Boltzmann 상수 =
복사체 표면의 절대온도
③ 실제의 표면(회체)에서 열복사율
방사율 (흑체는 1, 회체는 1 이하임)
④ 복사체 표면과 주위의 단위 시간당, 단위 면적당 순 복사 열교환율의 측정
복사계 수치값(R)
주변의 절대 온도(본 실험에서는 대기의 온도 )
2. 실험장치 및 방법
나. 실험장치
복사 열전달 실험장치 개념도
Power Control Unit
Black/Silver Plate
나. 실험방법
1) 복사 열전달 역제곱의 법칙
① 앞의 그림과 같이 실험 장치를 구성한다.
② 출력조절기 위치를 6에 고정시킨다.
③ 부터 까지 거리를 씩 증가시키며 정상상태에서 복사 계의 수치값(R)을 기록한다.
④ 복사계에 감지되는 복사열량을 수치값(R)을 기준으로 다음과 같이 계산한다.
⑤ 거리 와 복사계에 감지되는 복사열량 와의 관계를 선형 좌표계와 Log-Log 좌 표계를 사용하여 그래프를 작성한다.
2) 방사율()
① 앞의 그림과 같이 실험 장치를 구성한다.
② 복사열원 앞에서 만큼 떨어진 거리에 흑색판, 은색판, 광택판 중에서 하나의 금속판 을 설치한다.
③ 위치에 복사계와 금속판을 고정시킨다.
④ 출력조절을 max부터 1까지 감소시키며 정상상태에서 금속판의 표면온도와 복사 계의 수치을 기록한다.
⑤ 흑체복사의 복사능(emissive power)과 실제 표면(회체)에서 실험한 데이터를 비교하 여 실험에 사용된 금속판의 평균 방사율을 구한다.
3. 실험 결과 분석 및 고찰
① 복사 측정과 복사체로부터의 열전달률
실험번호
1
2
3
4
5
기호
단위
거리
100
200
300
400
500
복사계
1470
560
245
115
53
열전달률
8217.3
3130.4
1369.55
642.85
296.27
※ 고찰 : 거리를 100~600mm까지 100mm씩 증가시키면서 R 값을 측정하고 식을 사용하여 를 구한 후, 거리에 따른 복사열량의 그래프를 나타내었다. 결과적으로 복사열량은 거리에 반비례함을 확인할 수 있다. 그래프 상에서는 정확하게 0이 되지 않았지만 조금 더 멀리서 측정했더라면 0에 수렴할 수 있었을 것이다.
복사는 열이나 에너지가 전달될 때, 다른 열전달 방법과는 달리 매체를 통해서 전달이 되지 않고 직접 전달이 되기 때문에 다른 종류의 열전달 보다 거리에 많은 영향을 받는 것 같다.
② 흑색판의 방사율 계산을 위한 데이터
측정값
계산
출력조절
금속판 온도
[]
주위 온도
[]
복사계()
[]
[]
Max
440
294.3
210
1173.9
0.6906
6
404
294
122
681.98
0.6275
5
383
294.1
76
424.84
0.5338
4
355
293.8
27
150.93
0.3157
방사율과 전압의 관계
복사열량과 전압의 관계
※ 고찰 : 이 실험은 공급 열량과 재료에 따라 복사열량과 방사 율이 어떻게 변화하는지 알아보는 실험이었다. 결과는 위와 같았다. 그래프에서 볼 수 있듯이 전압이 커질수록 방사율이 증가하는 범위는 점점 줄어들고 있음을 알 수 있다. 반면에 전압이 커질수록 복사 열량은 더욱 큰 비율로 증가하는 것을 볼 수 있다. 두 그래프 모두 비례하는 형상을 보이지만, 만약에 전압을 무한대로 줄 수 있다면 그래프의 결과형상은 확연하게 차이가 날 것이다.
어쨌든, 복사열량은 물체가 에너지를 받아들이는 양에 따라 좌우되는데, 공급되는 에너지가 크면 물체가 받아들이는 에너지도 커지므로 복사열량이 증가하는 것이다.
4. 결론
우선 복사라는 것은 다른 열전달 방식과는 달리 열이나 빛 등과 같은 에너지를 전달하는데 중간 매개체가 필요 없이 에너지가 전달되는 성질이다. 이 복사에 대하여 알아보기 위하여 크게 2가지로 나누어 실험을 행하였다.
첫 번째 실험에서는 거리와 복사열량의 관계를 알아보았는데, 100mm에서 500mm로 갈수록 열량이 감소했던 것으로 보아 거리와 복사열량과는 반비례 관계에 있음을 확인할 수 있었다. 두 번째 실험에서는 여러 가지 결론을 도출해 낼 수 있었는데, 먼저 복사체의 표면 온도가 높아지거나 공급열량을 높여주면 열전달율과 방사율이 증가함을 알 수 있었다.
이 실험을 토대로 방사율은 물체 표면의 온도에 비례하며, 물체마다 다른 값을 가진다는 것을 알 수 있다.
가장 이상적으로 에너지는 받아들이는 물질이 흑체인데, 상대적으로 보면 검은 색 판이 은색 판보다 흑체에 가깝기 때문에 더 많은 에너지를 받아 들여 방사율과 복사열량이 더 높게 측정된다.
※ 참고문헌/웹 사이트 ( 1,2,3 실험 모두 참고 )
Anycall 백과사전
네이버 백과사전
Frank P. Incropera외 3명, Introduction to Heat Transfer 5th Ed, John Wiley&Sons, 2007
Yunu A. Cengel, Thermodynamics an Engineering Approch 5th Edition, McGraw-Hill Korea, 2007
기계공학실험교재편찬회, 기계공학응용실험, 청문각, 2009
REPORT
실험 2. 열전달 실험
분 반
조
담당 조교
실험날짜
학 번
이 름

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