화학공학실험 | Heat Transfer

TIP

 

 

열 흐름(열전달속도)을 온도의 구배, 전달면적의 함수로 나타내는 기본적인 Fourier's law을 이해하는데 목적이 있다. 즉, 1차원적인 선형 및 반경방향 전도에 있어서 여러 가지 전도체(Brass stainless steel), 절연체(코르크, 종이)에 대한 면적의 효과, 열전도도, 복합재료에 대한 총괄전열계수 절연체 등의 영행을 고찰하는데 목적이 있다.

 

 

 

열전달

열은 전도, 대류 및 복사의 세 가지 방법으로 전달된다. 모든 형식의 열전달은 온도차가 있어야만 가능하며, 열은 높은 온도의 매체로부터 낮은 온도의 매체로 전달된다.

 

1. 전도

전도는 입자간 상호 작용의 결과로서 보다 활동적인 물질의 입자로부터 인근의 활동이 적은 입자로의 에너지 전달이다. 전도는 고체, 액체, 또는 기체내에서 일어날 수 있다. 기체와 액체에서는 분자들의 무작위 운동 동안에 분자들의 충돌에 의해 일어나고, 고체에서는 격자 내의 분자 진동과 자유 전자에 의한 에너지 수송에 의해 전도가 일어난다.

 

2. 대류

대류는 고체 표면 주의에서 운동 중인 액체 또는 기체와 고체 표면사이의 에너지 전달 형식이며, 전도와 유체 운동이 조합된 결과이다. 유체 운동이 빠를수록 대류 연전달은 크다. 유체 운동이 없는 경우에, 고체 표면과 주위의 유체사이의 열전달은 순수한 전도이다. 유체 운동은 고체 표면과 유체 사이의 열전달을 증진시키지만, 열전달률 계산도 복잡하게 만든다.

 

판의 표면 위에 차가운 공기를 불어 넣어 뜨거운 판을 냉각하는 과정을 생각해 보면 먼저 에너지는 전도에 의해 표면에 인접한 공기층에 전달된다. 그 다음에 이 에너지는 대류에 의해 표면으로부터 전달되어 나간다. 즉, 공기 분자들의 무작위 운동에 기인한 공기 내부의 전도와 판 주위의 가열된 공기를 밀어내고 차가운 공기로 대체하는 공기의 대량 운동이나 거시적 운동의 복합 효과에 의해 열이 전달된다.

 

송풍기, 펌프 또는 바람과 같은 외부 수단에 의해 유체가 관 내나 표면 위에서 강제로 유동하는 경우의 대류를 강제대류라고 한다. 이에 비하여 유체 내의 온도변동으로 인한 밀도차에 의해 생간 부력에 의하여 유체 운동이 일어난 경우의 대류를 자연대류(또는 자유대류)라고 부른다.

 

3. 복사

복사는 원자나 분자의 전자 배열의 변화로 인하여 전자기파나 광양자의 형태로 물질에 의해 방사된 에너지이다. 전도나 대류와는 달리 복사에 의한 에너지 전달은 매개 물질을 필요로 하지 않는다. 복사에너지는 광속으로 전달되며, 진공을 통과할 때 에너지가 감소하지 않는다.

 

이러한 방법이 태양 에너지가 지구에 도달하는 방법이다. 열전달 연구 중 열복사에 관심이 집중되고 있으며 열복사는 물체의 온도 때문에 물체에 의해 방사된 복사 형태이다. 이것은 온도와 관계가 없는 ×선, 감마선, 국초단파, 라디오파 및 텔레비전파와 같은 전자기 복사와는 다르다. 절대온도 0℃이상의 모든 물체는 복사열을 방출한다.

 

복사는 체적 현상이며, 모든 고체, 액체 및 기체는 정도는 다르지만 복사열을 방출하고, 흡수하고 또한 전파시킨다. 그러나 금속, 나무 및 바위와 같이 고체의 내부에서 방사된 복사는 표면에 도달할 수 없고, 입사된 복사는 표면으로부터 수 미크론 내에서 흡수가 끝나기 때문에, 이와 같이 열복사가 통과할 수 없는 고체에 대한 열복사는 보통 표면 현상이다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) heat power control이 잘 작동되는지 확인을 해보고 25㎜ brass bar와 13㎜ brass bar의 직경과 두께를 측정하였다.

2) 25㎜ brass bar를 실험장치에 연결하고 온도센서를 순서대로 T₁에서 T₉까지 연결하였다.

3) Heat power control을 20W로 유지하고 T₁ 온도센서의 온도가 60℃정도 까지 올라가길 기다렸다.

4) 하지만 주어진 시간 내 에 실험을 마무리하기 에는 무리가 있어 보여 40W로 유지하고 T₁ 온도센서의 온도가 60℃에 가까워지면 다시 20W로 유지하고 온도를 측정하기 전에 정상상태에 도달하기 위해 3분정도 기다렸다가 온도가 일정해 졌을 때의 T₁ ～ T₉의 온도센서의 온도를 측정하였다.

5) 그리고 다음 실험을 위해 얼음을 이용해 실험장치를 최대한 신속히 냉각 시켰다.

6) 충분히 냉각 시킨후 본에는 13㎜ brass bar를 실험장치에 연결하였다.

7) 실험시간이 넉넉하지 않았기에 본에는 처음부터 실험장치를 40W로 유지하고 T₁ 온도센서의 온도가 60℃정도까지 올라가길 기다렸다.

8) 13㎜ brass bar에는 온도센서가 연결되지 않았기에 본에는 T₁ ～ T₃, T₇ ～ T₉까지의 온도를 측정하였다.

 

 

 

[화학공학실험]Heat Transfer 레포트