機械工学実験I（T-3, T-4）説明

2 / 87

目的

・実験レポートの書き方（グラフの書き方）、まとめ方を習得する パソコンでのレポートの書き方（グラフの書き方） ・プレゼンテーション資料の作り方、発表の仕方を習得する ・T-3 高温から低温への自然対流での伝熱 ・T-4 低温から高温へ冷凍機（ヒートポンプ）で熱を伝える 　（エアコンの動作原理）

資料のまとめ方、発表の仕方

実験の内容の理解

実験前に教科書を読んでから実験に参加してください

3 / 87

予定

諸注意＋レポートの書き方 T-3の基礎知識の説明 T-4の基礎知識の説明 約３０分 約３０分 約３０分

4 / 87

成績の点数配分

シラバスより レポート 60%(6-2:40%,7-3:20%),プレゼンテーション 40%(7-4:40%) 6-2 実験結果を工学的に考察する能力を修得する 7-3 資料作成能力を修得する 7-4 プレゼンテーションのための基本能力を修得する 何故 何故その現象が起こったか

5 / 87

注意事項

場所 実習工場南側 一番左の部屋 T-3 2F, T-4 1F パソコンの持ち込み可（計算シートは自分で作ること） ただし、実験室なので、狭いことと 汚れる可能性があります T-3は単純計算の繰り返しがあります 関数電卓・定規・レポート用紙を必ず持ってくること 服装　サンダルは履いてこない 赤ペンなどの色の違うペン（T-4） 持ち物

6 / 87

注意事項

・時間を守る 授業の遅刻は認めません 椿レポートボックスへ金曜12:00までに 遅れた場合は受け取りません ・不正をしない 写していることが疑われる場合は、二人とも不可 データのコピーや、コピー機でのコピーは不可 （ウェブページからWord等へのワープロソフト へのコピーを除く） ・仕様を守る

7 / 87

不正をしない

必ず自分で書くこと！！ パソコンで作成したデータを人に渡さない 毎年内容を変えているので、過去のデータはすぐに わかります。明確に証拠の残る不正行為なので、厳 しく対処をします。

8 / 87

不正をしない

・目的・方法・データ整理（ウェブページ） 実験前、遅くとも実験終了後すぐに終わらせること 自分で余裕を持ってレポートを完成させるために 自分で余裕を持ってレポートを完成させるために 佐賀大学 機械システム工学科のウェブページから、 教員一覧をたどって、私の教員ウェブページへ行くと 、機械工学実験のページを作っています。

12 / 87

仕様を守る

書き方、用紙 パソコンと手描き可、用紙A4で左上一箇所でとじる 実験結果の記録表を配布するので、提出時には ボールペン等で清書すること コピー機でコピーしたレポート、のりで貼付け たレポートは一切受け取りません

13 / 87

仕様を守る

14 / 87

仕様を守る　図表

図 1　実験装置概略 実験日 電圧 [V] 電流 [I] 6/8 5 2 10/9 10 4 表1　実験条件

15 / 87

仕様を守る　図表

実験は3回、条件を変えて行う。用い た実験装置の概略を図１に示す。装 置は～ 図 1　実験装置概略 図や表の内容の 説明を本文中、 図の直前で必ず 記述する。 図や表は説明の直後 に記載する。用紙一 枚分の図や表でも、 必ず次のページに。

16 / 87

仕様を守る　図表、式番号

グラフ１　温度分布 図１　温度分布 本文中に入るのは、図と表のみ レポートの先頭から同じ形式で通し番号 図番号・表番号・式番号 図 １　実験装置 図４．２　配線図 図３．３　温度分布 図１　実験装置 図２　配線図 図３　温度分布

17 / 87

仕様を守る　参考文献

引用していない文献は入れない ３．３．６　参照すべき資料や文献 [1] 東京天文台編纂，「理科年表」，丸善，(1991)． [2] 西川兼康・藤田泰伸，「伝熱学」，理工学社，(1982)． [3] 吉田駿，「伝熱学の基礎」，理工学社，(1999)． [4] 相原利雄，「伝熱工学」，裳華房，(1994)． [5] 日本機械学会，「伝熱工学資料」，日本機械学会，(1986)． [6] 日本機械学会，「伝熱ハンドブック」，日本機械学会，(1993)． T-3の教科書のリスト 教科書のリストをそのまま写さない

18 / 87

仕様を守る　参考文献

文献を参考にしたら、本文中に文献番号を示し引用する （引用しない場合は盗作です） 実験テキストは引用する必要はありません （もし引用のであれば、引用箇所を明記すること） (a)　温度の算出 熱電対の起電力の0℃から100℃のJIS規格の基準値[1]を用いて，起電力E [mV]と温度T [℃]との関係を表す2次の校正式を最小二乗法で求めると，次 式が得られる． [1] JIS規格 C 1602-1995, (1995), 日本工業標準調査会, 　　http://www.jisc.go.jp, (2011/01/24). 本文中の記述 リストに追加 文献番号はレポート先頭から引用順に

19 / 87

仕様を守る　参考文献

Webpageを引用する際は、タイトルとアドレス、参照日を示す リストはレポートの最後に載せる ダイキン工業webpage，http://www.daikin.co.jp/csr/ information/influence/index.html，2010年6月3日 例

20 / 87

仕様を守る　考察

測定した内容

+

測定結果からわかること 教科書の_{T-3、T-4の“報告書の書き方および課題”} の項を読むこと 何故 何故その現象が起こったか 伝熱量が70Wから120Wに上がると熱伝達率が50W/mKから 95W/mKになった。これは伝熱量が上昇することで自然対流に よる流れが速くなったためである。 具体的な数値を示して変化を書く。

21 / 87 本実験では，熱伝達率と自由対流熱伝達について，また流 れの状態（層流，乱流）が伝熱に与える影響について実験を 通して理解を深める．そのために，スピンドル油中にいれた 鉛直円管周りに発生する自由対流現象を観察するとともに， 流体中の温度分布の測定を行う．また，測定した実験データ から熱伝達率を算出し，自由対流熱伝達における鉛直鉛管 での熱伝達率の予測式を求める．

仕様を守る　結論

結論は目的に対して分かったこと 分かったことを簡潔に。考察と重なってもよい。 T-3 目的

22 / 87

予定

諸注意＋レポートの書き方 T-3の基礎知識の説明 T-4の基礎知識の説明 約３０分 約３０分 約３０分 実験装置の使い方など具体的な説明は当日

23 / 87

実験内容

熱の移動

高温 低温 高温 低温 仕事 冷凍機・ヒートポンプ T-3 T-4

24 / 87

T-3

T-3実験内容

本実験では，熱伝達率と自然対流熱伝達について，また流れの 状態（層流，乱流）が伝熱に与える影響について実験を通して理 解を深める．そのために，スピンドル油中にいれた鉛直管周りに 発生する自然対流現象を観察するとともに，鉛直管周りのスピン ドル油の温度分布の測定を行う．また，測定した実験データから 熱伝達率を算出し，自然対流熱伝達における鉛直管の熱伝達率 の予測式を求める． T-3 目的

25 / 87

T-3

26 / 87

T-3 熱伝達率

静止流体 物体 物体

Q

_熱伝導

<

Q

_熱伝達 熱伝導 対流熱伝達

熱の移動　伝熱（伝熱工学）

高温

T

 低温

T

_W

27 / 87 対流熱伝達とはどんな現象か？

Q

_h

Q

_h

A

T

_W

T

_

T

_

T

_ 高温の固体表面 低温の流体

T-3 熱伝達率

28 / 87

T-3 熱伝達率

ニュートンの冷却法則

Q

_h

Q

_h

A

T

_W

T

_

T

_

T

_ (3.3.1)

Q

_h

=

h A

(

T

_w

−

T

_∞

)

29 / 87

T-3 熱伝達率

ニュートンの冷却法則

Q

_h

Q

_h

A

0°C or 19°C

0°C or 19°C

0°C or 19°C

温度差の影響 (3.3.1)

20°C or 40°C

Q

_h

=

h A

(

T

_w

−

T

_∞

)

30 / 87

T-3 熱伝達率

ニュートンの冷却法則

Q

_h

Q

_h

A

T

_W

T

_

T

_

T

_

A / 2

面積の影響 (3.3.1)

Q

_h

=

h A

(

T

_w

−

T

_∞

)

31 / 87

T-3 熱伝達率

ニュートンの冷却法則

熱伝達率

h ?

(3.3.1)

Q

_h

=

h A

(

T

_w

−

T

_∞

)

32 / 87

T-3 熱伝達率

ニュートンの冷却法則 T_w = 37 ℃ （体温） A 一定 （体表面積） 暑い！ (3.3.1)

Q

_h

=

h A

(

T

_w

−

T

_∞

)

33 / 87

T-3 熱伝達率

ニュートンの冷却法則 T_w = 37 ℃ （体温） A 一定 （体表面積） 暑い！

Q

_h

Q

_h 体からの放熱量Q_cを 大きくして、涼しく快適 にするには？ (3.3.1)

Q

_h

=

h A

(

T

_w

−

T

_∞

)

34 / 87

T-3 熱伝達率

ニュートンの冷却法則 T_w = 37 ℃ （体温） A 一定 （体表面積）

Q

_h

Q

_h T_(周囲温度)を変える (3.3.1)

Q

_h

=

h A

(

T

_w

−

T

_∞

)

35 / 87

T-3 熱伝達率

ニュートンの冷却法則 T_w = 37 ℃ （体温） A 一定 （体表面積）

Q

_h

Q

_h h変える 扇風機（強制対流） 水の中 流れや流体の特性の影響 (3.3.1)

Q

_h

=

h A

(

T

_w

−

T

_∞

)

36 / 87

T-3 流れの影響

T_w T_∞ 温度分布 位 置 温度 速度分布 位 置 速度 T_∞ T_w T_w T_∞ 温度分布 位 置 温度 速度分布 位 置 速度 T_∞ T_w 層流 乱流

37 / 87

T-3 自然対流熱伝達

流れのおこり方

扇風機（ファン）やポンプなどに よる外部からの流れ 外部からの影響ではなく 温度差などの内部の要因で 発生する流れ

強制対流

自然対流

38 / 87

T-3 自然対流熱伝達　

実験で扱う装置での自然対流現象 電気ヒータにより円管を加熱 ：壁面温度 T_w T_：周囲温度

39 / 87 電気ヒータにより円管を加熱 円管から油（周囲）へ熱が伝わる Q [W] T_w：壁面温度 T_：周囲温度

T-3 自然対流熱伝達　

実験で扱う装置での自然対流現象

40 / 87 電気ヒータにより円管を加熱 円管から油（周囲）へ熱が伝わる 油の温度が上昇 T_w：壁面温度 T_：周囲温度

T-3 自然対流熱伝達　

実験で扱う装置での自然対流現象

41 / 87 電気ヒータにより円管を加熱 円管から油（周囲）へ熱が伝わる 油の温度が上昇 油の密度が低下する（体積が膨張） T_w T_ ：壁面温度 ：周囲温度

T-3 自然対流熱伝達　

実験で扱う装置での自然対流現象

42 / 87 電気ヒータにより円柱を加熱 円柱から油（周囲）へ熱が伝わる 油の温度が上昇 油の密度が低下 浮力の発生 F_b [N] 浮力 T_w：壁面温度 T_：周囲温度

T-3 自然対流熱伝達　

実験で扱う装置での自然対流現象

43 / 87

T-3 自然対流

加熱 浮 力 （社）佐賀県観光連盟 （フォトランド）

44 / 87

T-3 自然対流

ファンのないコンピュータの冷却 スマートフォン、タブレット、小型ノートPC 加工したガラスの徐冷 雪花ガラス工房 生 hibi.shop-pro.jp

45 / 87

T-3 自然対流

松川地熱発電所 Wikipedia ja.wikipedia.org

自然通風冷却塔

46 / 87

47 / 87

T-3 熱伝達率の予測

無次元数による予測式をつかって計算 Nu= h x_λ 熱伝達率h の無次元化 Gr= gβ(Tw−T∞) x 3 ν2 自然対流の駆動力を表す無次元数 物性の影響 Pr= ν a 自然対流熱伝達の予測式 熱伝達率を求めることは実用上、非常に重要 冷やすことが多い（空気，水，油で） 熱伝達率hを求めたい 形状によって変わる定数

Nu=C (GrPr)

m

48 / 87

49 / 87

50 / 87

予定

諸注意＋レポートの書き方 T-3の基礎知識の説明 T-4の基礎知識の説明 約３０分 約３０分 約３０分 実験装置の使い方など具体的な説明は当日

51 / 87

T-4実験内容

本実験では一般的に用いられる蒸気圧縮式冷凍機による空 気調和（空気の温度と湿度の調整）での，空気の温度と湿度 の変化を測定する．また，エアコン（冷凍機・ヒートポンプ）の 性能に熱源の条件がどのような影響を与えるかを明らかに する．実験装置は家庭用のエアコンに一般的についている冷 房機能および除湿機能と同じ動作をさせる． T-4 目的

52 / 87

T-4 空気調和

エアコンでの除湿モードの動作と温度のコントロール

53 / 87

T-4 空気調和

空気調和 (Air conditioning) 「空気の温度、湿度、清浄度および気流分布を、空気調和を 必要とする空間の要求に合致するように、同時に処理するプ ロセス」 冷凍空調技術 空調編、日本冷凍空調学会、1998 温度と湿度をコントロールする 湿度のコントロールをするには？ （エアコンの除湿方法は？） 温度のコントロールをするには？ エアコン Air conditioner

54 / 87 体感的な値 不快さなどに影響 湿度とは

T-4 湿度のコントロール

？ 空気中に含まれる水蒸気（気体の水）の量 飽和状態100%から更に冷却すると凝縮がはじまる 相対湿度

55 / 87 空気中に含まれる水蒸気量を 簡単に求められる 湿度とは

T-4 湿度のコントロール

？ 空気中に含まれる水蒸気（気体の水）の量 冷却前後を比較することで空気中の 水蒸気量の変化（除湿されたか）が分かる 20℃での飽和状態での絶対湿度　0.015 kg/kg 10℃での飽和状態での絶対湿度　0.007 kg/kg 絶対湿度

56 / 87

T-4 湿度のコントロール

湿度を減らす

空気中の水蒸気量を減らす

水蒸気を含む空気を冷却

水蒸気を凝縮させる（気体の水→液体の水）

冷却→相対湿度100%→さらに冷却

61 / 87

T-4 温度のコントロール

熱 高温 低温 熱の伝わる方向

冬

5℃

室内 20℃

夏

36℃

室内 28℃ 熱 低温物体から高温物体へ熱を伝えなくてはいけない 暖房 冷房

63 / 87

T-4 冷凍機・ヒートポンプ

エアコンや冷蔵庫の効率を良くする（電気代を安くする）方法

64 / 87

T-4 冷凍機・ヒートポンプ

冷却量（冷房・冷蔵庫） 加熱量（暖房） 消費電力 少ない消費電力で、たくさん冷やせる（暖められる） 冷凍機・ヒートポンプが効率がよい エアコン・冷蔵庫で大きい方がよい エアコン・冷蔵庫で小さい方がよい 冷凍機・ヒートポンプの効率 -成績係数(COP)

ε

=

Q

_E

W

66 / 87

T-4 温度のコントロール

外気

36℃

室内

28℃

熱 夏季の冷房 室内機 T_室内機< 28℃ 高温 低温 熱の伝わる方向

?

36℃ <

?

T_室外機 室外機 熱

<

冷房 < 冷媒の循環

67 / 87 室内機 T_室内機< 28℃ 36℃ < T_室外機 室外機 < 冷媒の循環 室内空気 外気 冷媒の循環

68 / 87 T_室内機< 28℃ < 36℃ < T_室外機 室内空気 外気 低圧低温の冷媒 高圧高温の冷媒 冷媒の圧力を下げる 冷媒の圧力を上げる 仕事

70 / 87 気体→液体 凝縮 液体→気体 蒸発・沸騰 相変化を伴う伝熱は熱伝達率が高い

71 / 87

沸騰　日本刀の焼き入れ

一閑人　刀鍛冶　福留房幸の日々 相原利雄 伝熱工学

79 / 87

T-4 冷凍機・ヒートポンプ

成績係数の良くなる運転条件を実験で求める 変更可能な実験条件 ・高温熱源凝縮器入口温度 ・水（高温熱源）流量 ・低温熱源蒸発器入口温度 ・空気（低温熱源）流速 一回目実験 班全員で 二回目の実験条件を決める 二回目実験 一回目・二回目の実験結果を班全員で検討し 三回目の実験条件を決める 三回目実験 三回目の実験結果を検討する

80 / 87

T-4 冷凍機・ヒートポンプ

変更可能な実験条件 高温熱源凝縮器入口温度 水（高温熱源）流量 低温熱源蒸発器入口温度 空気（低温熱源）流速 温度（高温熱源） 速度（高温熱源） 温度（低温熱源） 速度（低温熱源）

81 / 87 成績の良い冷凍機 圧縮機での仕事が小さい　→ 電気代が安い 伝熱量が大きい　→ _{よく冷える or よく暖まる} 圧力差を小さくする　→　温度差を小さくする 熱を伝えやすくする　→　熱伝達率を上げる

82 / 87 高温冷媒 低温冷媒 外気 室内温度 温度差を小さくしたい 高温熱源 低温熱源 熱 熱 圧力差ゼロでは冷却できない 熱源の温度を変えると？？

84 / 87

Q

_c

=

h A (T

_w

−

T

_∞

)

T-4 冷凍機・ヒートポンプ

空気 冷媒 蒸発器 ニュートンの冷却法則 T_w h, T_ 熱伝達率を大きくする 高熱源（水道水） 低熱源（空気） 熱交換器 速度の影響

85 / 87

Q

_c

=

h A (T

_w

−

T

_∞

)

T-4 冷凍機・ヒートポンプ

ニュートンの冷却法則 熱伝達率を大きくする 熱交換器（凝縮器・蒸発器）での 温度差を小さくする 速度の影響 高温冷媒 低温冷媒 外気 室内温度 高温熱源 低温熱源 熱 熱

88 / 87

T-4 効率をあげる

設定温度の変更

熱交換器（凝縮器・蒸発器）の熱交換性能の向上

利用する側で出来ること 製作する側で出来ること 実験条件：外気・室内空気を仮定した熱源水の温度を変える 実験条件：水や空気の速度（流量）を速く（大きく）する

89 / 87

90 / 87

T-4 実験装置

冷媒: フロン(R22) 膨張弁 蒸発器 圧縮機 凝縮器

91 / 87

T-4 実験装置

高熱源　水道水 低熱源　空気

92 / 87

最後に

分からないことがあれば、いつでも質問に来る 教員室：１号館南棟2階208室 実験前に教科書を読んでから 実験に参加する 身につけて欲しいこと そのために 内容を理解して実験を進め 経験として吸収する 文章の書き方 _{再提出時に考察の添削} 議論の進め方 実験中積極的に発言する