화학생물공정실험 | Combined Convection and Radiation

 

 

 

가열된 표면은 주로 Convection및 Radiation 에 의해 주변 환경으로 열을 방출하게 된다. 하지만 실제로 Convection 과 Radiation을 따로 고려하는 것은 매우 힘들기 때문에 표면 온도와 표면 유체 속도에 따른 Convection 및 Radiation을 함께 살펴보는 것이 더 유용하다. Convection 및 Radiation의 합쳐진 효과는 가열된 실린더 표면의 온도와 전기적 Power Input을 측정함으로 계산할 수 있으며 이를 이론 값과 비교해 볼 수 있다. 가열된 표면에서의 Convection은 평상시의 Free Convection, 공기의 흐름이 존재할 경우의 Forced Convection으로 일어나게 되며 Forced Convection에 의한 열 방출량은 Free Convection에 의한 열 방출량보다 더 크다.

 

또한 낮은 온도에서의 열 전달은 주로 Convection, 높은 온도에서는 주로 Radiation으로 일어나게 된다. 본 실험에서는 수평 실린더의 Convection 및 Radiation의 합쳐진 열 전달량을 넓은 범위의 Power Input과 표면 온도에서 구해보고 Free convection 시 Power Input 과 표면 온도와의 상관관계를 구해본다. 또한 열 방출에 있어서 Convection 과 Radiation 의 비율을 살펴보고 낮은 온도에서는 주로 Convection, 높은 온도에서는 주로 Radiation으로 열이 방출된다는 것을 각 열 전달 Mode의 Heat Transfer Coefficient (H_c, H_r)의 값의 계산을 통해 확인한다.

 

그리고, 만일 접촉해있는 두 계의 온도가 다르다면, 에너지가 온도차에 의해 이동한다. 이 현상을 열전달이라고 하며, 이 현상은 열역학 제 2법칙에 의해 설명될 수 있다. 하지만 열역학에서는 열전달도 방향성에 초점을 맞추지만, 열전달은 interaction의 종류와 구체적 내용, time rate 등의 관점에 더욱 관심이 있다. 열전달은 세 가지 interaction으로 이루어진다고 간단하게 요약할 수 있다. 그 세 가지는 conduction(전도), convection(대류), radiation(복사)로, 이들은 각각 단순화된 model로 rate equation을 유도할 수 있다. 실제 상황들에서는 이 세 가지가 적절하게 섞여서 이루어지게 된다.

 

그 중 특히, convection과 radiation에 의해 나타내어지는 상황들을 볼 수 있는데, 이 예로는 대기 중에 놓인 고체(주위 공기와 온도가 다른)를 대표적으로 들 수 있다. 고체의 온도가 그렇게 높지 않을 경우에는 고체 주위의 공기가 convection함에 의해 열에너지가 이동하게 되며, radiation은 주된 interaction이 아니게 된다. 하지만, 매우 높은 온도의 고체가 공기 중에 놓여 있다면, 물론 convection에 의한 열전달도 꽤 많겠지만, radiation에 의한 에너지 전달이 주를 이루게 될 것이다.

 

본 실험에서는 위에서 예를 든 상황과 개념적으로 일치하는 경우에 대해 여러 각도에서 조작하게 된다. 즉, forced convection이 아닌 natural convection만이 존재할 경우, 열전달에 있어서 온도에 따른 radiation과 convection의 공헌도 변화를 알아보고, 또 이 공헌도 변화가 온도뿐 아니라 어떤 다른 요소에 영향을 받는지, 실험기구에 넣어준 에너지가 radiation과 convection에 의해서 전달된 전체 열에너지와 일치하는지 등에 대해 중점적으로 알아본다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) HT104 Combined Convection and Radiation Accessory를 HT10X Heat Transfer Service Unit 옆에 위치한다.

 

2) 가열된 실린더에 연결되어 있는 Thermocouple을 Service Unit 앞에 있는 T10 소켓에 연결한다.

 

3) Fan 앞에 위치한Throttle Plate 을 열고 공기가 Fan Casing에 들어오게끔 한다. 하지만 Fan의 Mains Lead를 Service Unit 소켓에 연결하지는 않는다.

 

4) VOLTAGE CONTROL Potentiometer를 최소 (시계반대방향)로 설정해 놓고 Selector 스위치를 MANUAL로 설정해놓는다. 가열된 실린더의 Mains Lead를 HT14의 뒤쪽에 있는 O/P3 소켓에 연결한다.

 

5) Front Main 스위치를 킨다.

 

6) Heater Voltage를 5V 로 설정하고 HT14가 안정화될 때까지 기다린다.

 

7) 온도가 일정하게 되면 T9, T10, V, I 값을 측정한다.

 

8) 12, 15, 20V 에서 위와 같은 과정을 반복한다.

 

 

 

[화학생물공정실험]Combined Convection and Radiation 레포트