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[기계공학실험]열기기 실험

1. 당량비(local equivalence)와 총괄(global equivalence)당량비 개념 차이 주의- 주위류의 양에 따른 문제점 주의다음Table의 각 조건에 대한 총괄 당량비를 산출하고 각 경우에 대한 결과 그래프를 그리시오.Non-PremixedPremixed flame순서12345678O2(％)13.714.114.414.915.015.115.415.8CO(％)41.040.035.031.028.026.022.014.0CO2(％)4.03.93.73.43.33.23.12.8① aCH4+b(O2+3.76N2) → 13.7O2+0.41CO+4CO2+cH2O+3.76bN2a=4+0.41=4.41 , c=2a=8.82 ,2b=(13.7×2)+0.41+(4×2)+c 임으로, b=22.315,② aCH4+b(O2+3.76N2) → 14.1O2+0.4CO+3.9CO2+cH2O+3.76bN2a=0.4+3.9=4.3 , c=2a=8.6 ,2b=28.2+0.4+3.9×2+c 임으로, b=22.5,③ aCH4+b(O2+3.76N2) → 14.402+0.35CO+3.7CO2+cH2O+3.76bN2a=0.35+3.7=4.05 , c=2a=8.1 ,2b=2×14.4+0.35+3.7×2+c 임으로, b=22.325,④ aCH4+b(O2+3.76N2) → 14.9O2+0.31CO+3.4CO2+cH2O+3.76bN2a=0.31+3.4=3.71 , c=2a=7.42 ,2b=2×14.9+0.31+2×3.4+c 임으로, b=22.165,⑤ aCH4+b(O2+3.76N2) → 15.002+0.28CO+3.3CO2+cH2O+3.76bN2a=0.28+3.3=3.58 , c=2a=7.16 ,2b=2×15.0+0.28+2×3.3+c 임으로, b=22.02,⑥ aCH4+b(O2+3.76N2) → 15.1O2+0.26CO+3.2CO2+cH2O+3.76bN2a=0.26+3.2=3.46 , c=2a=6.92 ,2b=2×15.10+0.26+2×3.2+c 임으로, b=21.89,⑦ aCH4+b(O2+3.해서는 연소 과정에서 투입되는 산소량을 적절하게 조절하여산소 부족 상태를 유지하여야 한다.이와 같은 연소조건을 달성하기 위해서는 미분탄 분사노즐에서 초기에 연료의 분리가 이루어지고, 이후에 연소공기가 air register를 통해 단계적으로 공급 되어야 한다.② 기술 개발 성과- 저 NOx 버너저 NOx 미분탄 버너는 아래의 그림 2에 나타난 것과 같이 초기 화염대 내로 제한된 공기를 공급하여 A영역에서 미분탄 중의 휘발분을 열분해 연소시키고 이어지는 B영역에서는 저산소 분위기를 계속 유지하여 환원성 물질을 효과적으로 형성시켜야 한다. 이때 형성된 환원성 물질에 의해 C영역에서 NOx가 저감된다. A영역에서 최소한의 공기로 휘발분의 방출을 최대화하면서 안정적인 화염을 형성하기 위해서는 미분탄 노즐에서 분사되는 미분탄이 과농균질의 특성을 가져야하며, 또한 2차공기(se condary air)가 A, B, 및 C 영역으로 과도하게 유입되는 것을 억제할 수 있어야 하고 3차공기(tertiary air)는 완전연소를 위해 D영역에서빠른 혼합이 이루어져야 한다. 연소 공기의 유입량을 적절하게 제어할 수 있는 연소 공기 공급 장치인 register는 저 NOx 미분탄 버너에서 아주 중요한 역할을 수행한다.저 NOx 미분탄 버너는 그림 2와 같은 단계별 연소가 일어날 수 있도록 미분탄 분사조건을 만들 수 있는 접선형 미분탄 노즐과 직접형 미분탄 노즐을 연소조건이나 설치 조건에 따라 적용할 수 있으며, 또한 연소용 공기의 지연 효과를 창출할 수 있는 air register를 채용하고 있다.그림 2 미분탄 버너의 저 NOx 화염구조- 다단연소/재연소 기술다단연소(Over Firing Air) 및 재연소(Reburning) 기술 분야에서 다단연소는 그림3(a)에 보여지는 바와 같이 버너에 인접한 주연소 영역에서는 저 산소 상태 연소가 이루어지다가 상단의 OFA를 통해 공급되는 공기를 이용해 완전 연소를 이루도록 되어 있다. 그리고 재연소는 그림3(b)에 보여지 듯이 버너가 인접프에서 발생된 고압연료를 콤몬레일에 저장시켜 압력을 축압하여 있으면서, 인젝터내의 전자밸브로서 노즐의 배압을 제어하여 분사시작과 종료를 제어한다.콤몬레일에 연료가 저장되어 공급되므로 분사기간 동안 엔진 회전속도에 관계없이 적은 압력변동과 최적압력 제어가 가능하며, 분사율, 분사량, 분사시기 등의 전자제어 구현이 가능하다. 3방향밸브(three-way valve)를 이용하여 콤몬레일의 압력을 분사 종료 시에 역으로 작동시켜 노즐의 니들을 막아줌으로써 분사급속종료(sharp cut)가가능하며, 이에 따라 분사말기에 낮은 분사압력에 의한 후적이나 2차 분사를 막을 수 있어 연소불량을 개선할 수 있다. 또한 고속 3방향밸브를 사용하여 파일롯터분사도 제어가 가능하다.콤몬레일은 유럽을 중심으로연구가 활발하며 특히 독일의 보쉬사가 가장 앞서 있으며 일본 니폰덴소(Nippondenso)사의 ECD-U2 시스템도 우수한 결과를 보이고 있다. 콤몬레일 시스템은 승용차와 중형화물차용 디젤엔진 사용에 장점이 많은 것으로 분석하고 있다.이미 1세대 기술을 지나 현재는 다단계 분사기술을 적용하는 2세대 콤몬레일시스템을 개발하고 있다. 현재의 pilot 분사에 비해 pilot, pre, main, post, delayed의5단계 분사제어가 가능하며, 소음이 30-40% 감소하고, 성능도 6-7% 향상되는 것으로 발표하고 있다.※ 기술 개선과제?고압분사분사압력을 보다 고압화하기 위한 연구는 계속되고 있다. 고압 분사압력이 필요한 이유는 첫째, 중저속 운전영역에서 분무를 미립화하기 위해서 노즐의 분무공 직경을 줄이며 이에 따라 고속 출력점에서 분사기간이 길어진다. 이와 같은 문제를 해결하고 엔진의 고출력화를 위해서는 높은 분사압력이 필요하다. 둘째이유는 고압분사의 높은 에너지가 연소실내 공기도입을 활성화하여 분무내의 당량비가 균일하며 과농한 혼합기가 적어 매연을 대폭적으로 저감시킨다.?다단분사다단분사는 연료를 분할하여 분사함으로서 연소율을 제어하여 PM과 NOx를 동시에 저감할 수 있다. 핑손실의 저감은 물론 연소실내에 분사되는 연료분포의 균일화를 통하여 연소를 개선함으로서 NOx, 매연, PM의 저감과 열효율을 향상시킨다.EGR은 NOx 저감에 매우 효과적이나 계속되는 배기규제에 대응하기 위해서는 EGR 량의 증가를 필요로 하고 있다. 특히 T/I 엔진의 경우 배기측으로부터 고압의 흡기측으로 배기가스를 재순환시키기 위한 장치가 필요하며, 역류방지밸브, Cold EGR, EGR펌프, 벤츄리 EGR 등이 연구되고 있다. 향후 과제로는 EGR량의 증가에 의한 피스톤과 라이너의 부식마모, 밸브계통의 마모방지 방안과 함께 연료중의 유황저감이 필요하다.(3) 후처리기술연소 과정이 끝난 후에 완전히 타지 않은 실린더 가스 혼합물 내의 성분은 팽창 행정과 배기 블로다운 기간과 배기과정 중에 반응을 지속한다. HC 잔유물의90%까지가 연소 후 이기간 동안 실린더 내 배기 포트 근처나 배기 다기관의 윗부분에서 반응한다. CO와 소량의 탄화수소 성분은 산소와 결합하여CO2와H2O 가 되어, 바람직하지 못한 배기물은 줄어든다. 배기 온도가 더 높을수록 더 많은 2차 반응이 일어나고, 기관 배기물은 더 줄어든다. 더 높은 배기 온도는 이론 공연비에 의한 연소와 더 빠른 기관 속도와 점화 지연과 또는 낮은 팽창비에 의해 생길 수 있다.ⓛ 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst; DOC)디젤산화촉매기술은 가솔린엔진에서 삼원촉매가 개발되기 이전에 사용되던 산화촉매(이원촉매) 기술과 기본적으로 동일한 기술이기 때문에 효과나 성능은 이미 입증되어 있는 기술이다.DOC는 배기가스중 HC와 CO를 80% 이상 감소시키고 PM의 용해성유기물질인 SOF(soluble organic fraction) 성분도 50-80%를 제거한다. 그러나 전체 PM 중 SOF 비율이 적어 전체 PM의 20-40% 정도를 저감시킨다.DOC는 또한 디젤악취(diesel odor)와 흑연(black smoke)도 감소시키며 촉매로는 백금(platinum;Pt)이나 팔라듐(palladi사의 금속분말필터 방식 등 많은 회사에서 다양한 연구가 계속되고 있다.- CRT 방식 매연여과장치유럽에서는 Johnson Matthey에서 개발한 CRT(Continuous Regeneration Trap) 매연여과장치가 가장 유력한 기술로 평가되고 있다 .CRT의 캐니스터 내부에는 필터가 2개 설치되어 있으며, 전단의 백금산화촉매 (platinum-based oxidation catalyst)에서는 산화반응으로 NO를 NO2로 변환시키며, CO와 HC도 저감시킨다. NO2는 탄소입자가 250℃에서 산화할 수 있도록 작용하며 따라서 후단에 설치된 필터(cordierite wall flow particulate filter)에 포집된 PM은 배기가스 온도가 250℃ 이상이면 연속 재생된다.성능은 PM과 CO, HC를 90%수준으로 저감시키며, NOx는 3-8%정도 감소한다. 특히 PM중 10nm-250nm 크기의 nanoparticle 수량도 현저하게 감소하는 것으로 발표되고 있다.그러나 촉매의 PM 재생능력에는 한계가 있기 때문에, 엔진에서 배출되는 PM과 NOx의 비율(NOx/PM)이 8 이상이고, 배출가스가 275oC 이상이어야 작동이 확실하다. 또한 촉매의 정상적인 작동을 위해서는 경유의 황(sulphur)성분이 50ppm이하가 요구되어 CRT의상용화에 큰 장애가 되며, 전세계적으로 보급되기에는 상당한 시일이 소요될 것으로 예상된다. 참고로 현재 국내 경유의 유황 규제는 500ppm이며 2005년에 유럽에서 50ppm으로 강화된다.- PSA 연료분사장치 제어 첨가제 방식 매연여과장치프랑스의 Peugeot사에서는 2.2리터 고급 경유승용차인 Model 607에 첨가제방식 매연여과장치를 장착하여 2000년부터 판매를 시작하였다.장치의 특징으로는 porous silicon carbide substrate필터를 사용하여 가격을 저감시켰고, Rhodia에서 생산한 Cerium-based Eolys 첨가제를 사용하며 450oC 이하에서 재생이 가능하다.또한 첨가제만이다.

공학/기술| 2004.08.13| 12페이지| 1,000원| 조회(565)

기계공학실험, 실험보고서, 열기기, 열기기실험

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기계공학실험결과보고서(열교환기실험)

1. 열교환기 종류(1) 기하학적 형태에 따른 분류1) 원통다관식 (Shell&Tube) 열교환기가장 널리 사용되고 있는 열교환기로 폭넓은 범위의 열전달량을 얻을 수 있으므로 적용범위가 매우 넓고, 신뢰성과 효율이 높다.2) 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기외관 속에 전열관을 동심원상태로 삽입하여 전열관내 및 외관동체의 환상부에 각각 유체를 흘려서 열교환시키는 구조이다. 구조는 비교적 간단하며 가격도 싸고 전열면적을 증가시키기 위해 직렬 또는 병렬로 같은 치수의 것을 쉽게 연결시킬 수가 있다. 그러나 전열면적이 증대됨에 따라 다관식에 비해 전열면적당의 소요용적이 커지며 가격도 비싸게 되므로 전열면적이 20m2이하의 것에 많이 사용된다. 이중관식열교환기에서는 내관 및 외관의 청소점검을 위해 그랜드 이음으로 전열관을 떼낼 수 있는 구조로 하는 수가 많다. 이같은 구조에서는 열팽창?진동 기타의 원인으로 이음부분에서 동측유체가 누설되는 수가 있으므로 동측유체는 냉각수와 같은 위험성이 없는 유체 혹은 저압유체를 흘린다. U자형 전열관과 관상동체 및 동체커버로 이루어지며 전열관은 온도에 의한 신축이 자유롭고 관내를 빼낼 수 있는 이중관 헤어핀형 열교환기기 있다. 또 전열효과를 증가시키기 위해 전열관 외면에 핀(fin)을 부착시킨 것도 있다.3) 평판형 (Plate Type) 열교환기유로 및 강도를 고려하여 요철(凹凸)형으로 프레스 성형된 전열판을 포개서 교대로 각기 유체가 흐르게 한 구조의 열교환기이다. 전열판은 분해할 수 있으므로 청소가 완전히 되고 보존점검이 쉬울 뿐만 아니라 전열판매수를 가감함으로써 용량을 조절할 수 있다. 전열면을 개방할 수 있는 형식의 것은 고무나 합성수지 가스켓을 사용하고 있으므로 고온 또는 고압용으로서는 적당하지 않다. 액체와 액체와의 열교환에 많이 사용되며 한계사용압력 및 온도는 각각 약 5kg/cm2, 150℃이다. 주로 식품공정과 같이 자주 세척하여 청결을 유지할 필요가 있는 경우에 사용되며 아래와 같은 경우에는 적절하지액체 혹은 기체연료를 버너를 이용하여 연소시키고 이 때 발생하는 연소열을 이용하여 투브 내의 유체를 가열하는 방식이다. 가장 큰 열량을 얻을 수 있으며 열전달 메카니즘은 복사 및 대류를 포함하므로 설계하기가 매우 어렵다. 공해의 문제가 있으나 매우 큰 열량을 얻기 위한 공정에서 많이 쓰인다.6) 코일식 (Coil Type) 열교환기탱크나 기타 용기내의 유체를 가열하기 위하여 용기 내에 전기 코일이나 스팀 라인을 넣어 감아둔 방식이다. 교반기를 사용하면 열전달 계수가 더욱 커지므로 큰 효과를 볼 수 있다.(2) 기능에 따른 분류1) 열교환기 (Heat Exchanger)좁은 의미의 열교환기는 일반적으로 상변화가 없는, 두 공정 흐름사이에 열을 교환하는 장치를 말하고, 넓은 의미로는 냉각기, 응축기 등을 포함한다.2) 냉각기 (Cooler)냉각수 등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 냉각한다.3) 응축기 (Condenser)냉각수 등의 냉각매체를 이용하여 Process Stream을 부분응축 (Partial Condensation) 또는 총응축 (Total Condensation) 시키기 위한 열교환기로서 열전달의 메카니즘은 주로 응축에 의해 이루어지며, Heat Duty 또한 응축열이 주가 된다.4) 재비기 (Reboiler)스팀 등의 가열매체를 이용하여 증류탑의 바닥에서 유입되는 공정유체를 Boiling시켜 증기를 발생시킴으로써 증류탑으로 공급되어야 할 열을 전달하는 열교환기로서 증기발생은 단일상 또는 2상 혼합물로 할 수 있다.5) 증발기 (Evaporator)용액의 질을 향상시키기 위해, 스팀 등을 이용하여 증발에 의해 용매를 제거시키는 열교환기이다.6) 예열기 (Preheater)공정으로 유입되는 유체를 가열하는 열교환기이며, 이때 가열매체는 공정유체 또는 스팀 등을 이용한다.7) 2상 흐름 열교환기 (Two Phase Flow Heat Exchanger)2상의 혼합물이 Shell측 또는 Tube측으로 흐르는 열교환기를 말하며, 응축기와 청소 및 점검할 수 있는 구조의 열교환기이다. 이형식의 특징은 다음과 같다.가) 전열관 내외 모두 청소가 가능하므로 오염이 생기기 쉬운 유체에 대해서도 적합 하여 사용범위가 넓다.나) 전열관이나 동체가 서로각기 열팽창될 수 있으므로 온도차가 큰 경우에도 사용 할 수 있다.다) 가), 나)항의 이유로서 어느 형식보다도 설계조건 및 운전조건에 상응할 수 있는 기능을 가진 구조이며 가장 융통성이 크다. 그러나 이에 따라 구조가 복잡하므로 제작비가 비싸게 되는 단점이 있다.2) 고정관판형 열교환기 (Fixed Tube Sheet Type)관판을 동체의 양측에 용접 등의 방법으로 고정시킨 구조의 열교환기이다. 동체측유체와 관측유체의 온도에 의해 전열관과 동체는 열팽창차가 생기고 그 때문에 열응력이 큰 경우에는 동체에 신축이음을 설치하여 열팽창을 흡수하는 구조가 필요하다. 이 형식은 동체측의 청소, 점검 및 보수가 곤란하므로 부식성과 오염이 적고 침전물이 생기지 않는 유체에 적당하다. 고정관판형의 특징은 다음과 같다.가) 동체의 오염이 적고 유체에 의한 동체 및 전열관의 온도차가 작을 때 또는 열팽창차가 작을 때에는 최적의 구조이다.나) 종형의 관식반응기로서 용도가 넓다.3) U-자 관형 열교환기 (U-Tube Type)U자관형의 전열관을 사용한 형식의 것이며 전열관은 동체와는 관계없이 유체의 온도에 따른 신축이 자유로우며, 또 관속을 그대로 빼내서 청소 및 점검할 수 있는 구조로서 유동두형의 경우와 같다. 그러나 유동두형의 경우 직관이기 때문에 청소가 쉬우나 U자형의 경우는 관내의 청소가 곤란하다. U자관형의 특징은 다음과 같다.가) 열팽창에 대해 자유롭다.나) 관속을 빼낼수가 있으므로 관외면의 청소도 쉽게 할 수 있다.다) 고압유체에 적합하다. 고압유체를 관내에 흘리면 내압부분이 적어도 되므로 중량을 경감시킬수가 있다.라) 구조가 간단하여 관판이나 동체측플랜지가 적어도 되므로 제작이 비교적 간단하 다.4) 케틀형 열교환기 (Kettle Type)동체의 상부측은 증발이fluid temp.19.8Specific heat of hot fluid(kJ/kg?K)4.1850Specific heat of cold fluid(kJ/kg?K)4.1805Density of hot fluid()982.2Density of cold fluid()997.8Mass flowrate (hot)0.0491Mass flowrate (cold)0.0166Heat power emitted(W)1.3356Heat power absorbed(W)1.3740Heat power lost(W)-0.0384Overall Efficiency(%)102.87LMTD39.71총열전달 계수U1.822) 평행류hot water332cold water212Hot fluid volume flowrate5.001×10-5Hot fluid inlet temp.T157.166.265.9Hot fluid mid temp.T253.462.359.6Hot fluid outlet temp.T350.459.754.7Cold fluid volume flowrate1.667×10-5Cold fluid inlet temp.T421.511.122.2Cold fluid mid temp.T516.922.717.6Cold fluid outlet temp.T610.431.011.0Reduction in hot fluid temp.6.5Reduction in cold fluid temp.19.9Specific heat of hot fluid(kJ/kg?K)4.1850Specific heat of cold fluid(kJ/kg?K)4.1805Density of hot fluid()982.2Density of cold fluid()997.8Mass flowrate (hot)0.0491Mass flowrate (cold)0.0166Heat power emitted(W)1.3356Heat power absorbed(W)1.3810Heat power lost(W)-0.0454Overall Efficiency(%)1다.향류일때는 교환기의 양쪽끝에서 두유체가 들어가 그 장치내에서 서로 반대로 통과 함으로써 열교환이 더욱 활발히 잘 일어날 수 있는 조건이 됨을 알수 있다 . 평행류의 경우 두 유체가 교환기의 같은 부분에서 들어가고 그 흐름 방향이 같은 방향으로 흐르는 것을 말하는데 열교환기에서 평행류는 잘 사용하지 않는다. 왜냐하면 아래 그래프에서 보듯이 평행류의 방법으로는 한 유체의 유출온도가 반대쪽에서 들어오는 유체의 온도에 거의 접근 될수 없고 전달될 수 있는 열량도 비 향류 흐름에 비해 적기 때문이다. 그러나 이 평행류를 사용하는 경우에는 찬 유체의 최대 허용온도에 제한 받을 경우와 적어도 갑자기 어느 유체의 온도 변화를 주어야 할 경우에 사용되어지고 있다.위의 그래프에서 보듯이 향류일때는 열교환이 고르게 효율적임을 알수있으나 평행류일때는 △T1, 에서는 열교환이 활발히 일어나지만 △T2 에서는 열교환이 거의 일어나지 않음을 알 수 있다.이처럼 열교환기는 평행류보다는 향류가 더욱 효율적임을 알수 있다.우리조의 실험이 잘못나온 것은 정상상태의 조절이 미흡했던 점과 찬유체를 흘러 보낼때에 잘못 조작하여 샜던 것이 오차의 원인이 될수 있음을 생각해본다.그리고 우리는 제대로 조작했다고 했으나 유체흐름방향을 잘못 조작했을 수도 있겠다는 생각도 해보았다. 이번 실험은 수업시간에도 많이 언급되는 부분이라 제대로 실험데이터 값을 얻고 싶었는 데 그렇지 못해 아쉬움과 미련이 남는 실험이었다.이번 열교환기 실험을 통해서 알수 있었던 것은 열전달 시간에 배웠던 이론을 실제로 접해보면서 어떠한 방식으로 열전달이 일어나는지 어떤 경로를 통해서 그리고 얼마나 효율이 좋은지 그러한 점들을 생각해 볼 수 있는 시간이었다. 하지만,결과치를 보면 아무리 생각해고 약간 이상한 것은 이론적으로 효율이 너무 높게 나온 것인데, 200%의 효율이라는 것은 열전달이 그만큼 잘 일어난 다는 것인지? 아니면, 손실동력이 그만큼 크다는 것인지 구분을 할 수가 없었다.하지만, 결과치 만을 놓고 생각해 볼 때 병류와각한다.

공학/기술| 2004.08.13| 10페이지| 1,000원| 조회(1,183)

열교환실험, 기계실험, 열교환기

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