열역학 실험 - 보일러 작동원리

소개글

열역학 실험 - 보일러 작동원리에 대한 보고서 자료입니다.

목차

○ 보일러 작동원리 실험 개요

○ 보일러의 작동원리 및 유량계 눈금 읽기

○ 보일러 열 전달율() 계산

○ LPG 발열량과 열전달율과의 비교

○ 냉각열 방출량() 계산

○[추가]방출량의 표 수식 보정

○Cooling water 의 엔탈피 변화 계산

○실험의 오차 발생 요인들과 해결 방안 모색

○사진 출처

본문내용

서 알아야 할 것이 삼방변이라는 것이다. 우리가 가정 집에서 사용하는 온수는 보일러의 열공급에 의해 가열된 물이 공급된는 원리이다. 삼방변은 단순히 물탱크와 방 내부의 관을 순환하는 물이 그 순환을 벗어나 제 3의 관을 통해 온수공급에 사용되는 것을 가능하게 해주는, 3가지 관(물의 공급, 물의 순환, 온수 공급)이 접해 있는 부분을 일컫는다. [그림1]은 삼방변의 단순한 모습으로 3가지 관과 연결 가능한 구조를 나타내고 있음을 알 수 있다.
[그림1]
- 삼방변의 사진이다. 3개의 관과 이어질 수 있는 구조를 가지고 있음을 확인할 수 있다.
요컨대 삼방변은 물의 공급과 물의 순환, 그리고 물의 온수공급 이렇게 3가지 관이 존재하여 물의 방향성을 결정해 주는 변환 장치라 할 수 있겠다.
추가적인 설명으로 보일러의 안전장치에 대해 언급하겠다. 보일러는 뜨거운 열의 공급과 연소 등 자칫 큰 사고로 이어질 수 있는 장치이기에 그만큼 많은 안전장치의 필요성이 요구된다. 보일러의 안전장치로는 안전 벨브(증기 보일러 또는 압력 용기 내의 내압이 규정된 압력을 초과하면 초과된 압력을 외부로 배출하여 파열 사고를 미연에 방지하는 역할을 하는 밸브), 가용전(노통 보일러 등에서 보일러수가 안전 저수위 이하로 감수할 때 노통의 과열로 인해 파열 사고가 발생하는 것을 예방하기 위하여 노통 상단과 같이 제일 먼저 과열되는 부분에 설치하는 마개의 일종), 방폭문 혹은 폭발문(보일러의 점화 실패나 실화 시 또는 불완전 연소 등에 의해 노내에 미연소 가스가 정체시, 재점화나 노벽의 여열 등으로 인해 미연소 가스가 급격한 연소를 일으키는 경우에 대비하여 설치하는 안전 장치),방출 밸브(온수 보일러나 액체용 압력 용기의 내압이 규정 압력을 초과할 때에 초과된 압력을 외부로 배출하여 사고를 예방하는 밸브), 수위경보기, 압력조절기, 압력제한기, 화염검출기, 전자밸브, 그리고 각종 센서 장치 등 이 존재한다. 보일러가 안전하게 운영될 수 있는 것은 이렇게 많은 안전 장치가 존재 함으로 가능해 진 것이다. 참고적으로 [그림2]는 가용전, [그림3]은 화염 검출기의 사진(원형으로 표시한 부분), [그림4]는 압력계, 압력조절기, 압력제한기의 사진이다.
[그림2] - 가용전
[그림3] - 화염 검출기
← [그림4] - 압력계, 압력조절기, 압력제한기
○ 보일러 열 전달율() 계산
1)4LPM
시간
[s]
수돗물유량
[L/min]
1지점온도
[℃]
2지점온도
[℃]
열전달율(KJ/min)
열전달율(KJ/s)
0
4
14
25
184.8
3.08
10
4
14
26
201.6
3.36
20
4
14
27
218.4
3.64
30
4
14
32
302.4
5.04
40
4
14
36
369.6
6.16
50
4
14
43
487.2
8.12
60
4
14
47
554.4
9.24
70
4
14
50
604.8
10.08
80
4
14
51
621.6
10.36
90
4
14
52
638.4
10.64
[표1]
유량계 값이 4LPM 일 경우 열 전달율의 시간별 값을 [표1]에 나타냈다. 이때 열전달율 의 계산은 다음과 같다.
의 값은 1Kcal/Kg·K 으로 일정하다고 가정하고, 1Kcal가 4.2KJ이라 계산하여 그 값을 4.2KJ/Kg·K 으로 두었다. 의 경우 4L/min 이고 수돗물의 밀도가 1Kg/L 라 가정하여 그 값을 4Kg/min 으로 단위 변환을 시켰다. 는 1,2 지점의 온도차를 나타내며 그 지점은 각각 Inlet 과 Outlet을 나타낸다.
시간에 따른 열전달율의 변화를 그래프로 나타내면 [그래프1]과 같다.
[그래프1]
여기서 x축은 시간(s)을 나타내며 y축은 열전달율(KJ/s)을 나타낸다. 매 시간별 열전달율의 값에 대한 단순평균 값은 6.972KJ/s 가 되고, 총 시간이 90초 이므로 총 공급된 열전달양은 로 그 값을 구해볼 수 있다.([그래프1]의 개형은 우리가 단순합 평균을 이용해 대략적인 열전달양의 값을 추정해 보는데 합리성을 제공해 주는데, 그 근거로는 그래프의 특정 점에 대한 대칭성 즉 변곡점의 가시적 존재를 들 수 있다.)
2)6LPM
시간
[s]
수돗물유량
[L/min]
1지점온도
[℃]
2지점온도
[℃]
열전달율
(KJ/min)
열전달율
(KJ/s)
0
6
15
35
504
8.4
10
6
15
35
504
8.4
20
6
15
35
504
8.4
30
6
15
37
554.4
9.24
40
6
15
41
655.2
10.92
50
6
15
44
730.8
12.18
60
6
15
45
756
12.6
70
6
15
46
781.2
13.02
80
6
15
46
781.2
13.02
90
6
15
46
781.2
13.02
[표2]
4LPM 일때와 동일한 방식으로 열전달율을 구하며 그 결과는 [표2]에 명시했다. 동시에 시간대별 열전달율의 그래프를 [그래프2]에 나타냈으며, 이 그래프 개형 또한 평균 값과 시간과의 곱이 전체 열전달양의 값으로 어느정도 유사한 근사치를 가질 수 있다는 점에서 합리성이 보정됨을 알 수 있다. 10.92KJ/s 가 평균 열전달율이며 총 열전달양은 가 된다.
[그래프2]
○ LPG 발열량과 열전달율과의 비교
참고한 문헌에서 알아낸 LPG 발열량의 값은 또는 었다. 이때 LPG 소비량이 인 점을 고려해보면 LPG 발열량은
로 계산된다. 이제 이 값을 전에 구한 열전달율과 비교해보자. ([표3]을 참고하라)
우선 그 수치의 차이가 무척이나 크다. 4LPM에 비해 6LPM의 값이 좀 더 근사하다 하더라도 그 차이는 여전히 큼을 알 수 있다. LPG 가스를 사용하여 열공급이 이루어 졌고, 물은 그 열공급으로 열전달이 발생하게 되었는데 그 수치가 차이가 큰 이유가 뭘까?
크게 보면 우선 열전달이 발생하는 상황(여기서는 물탱크와 그 주변의 관들 사이의 열전달에 한정한다.)이 결코 이상적인 경우로 볼 수 없기 때문이다. 관과 물탱크 사이의 열 전달 과정에는 다양한 원인으로 인한 많은 양의 열손실이 발생할 수 있고, 이로 인해 LPG의 발열량이 열전달율과 동등한 값을 갖기는 현실적으로 무척 어렵다. (이는 이미 실험에서 나온 데이터를 통해 입증

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