[화공기초실험]배관 내 에너지 손실 측정 1부

실험 목적

1. 벤튜리 및 오리피스관의 유량 측정 실험에서 수두 차를 측정하여 유량계수를 계산하고 각각 유량 계수에 따른 이론 유량과 실제 측정 유량을 비교해본다.

2. 급확대, 급축소 실험과 여러가지 직경의 관 그리고 elbow에서 수두 차를 측정하여 각각 부차적 마찰손실계수, 마찰계수, 마찰손실계수를 실험적으로 구하고 이론값과 비교해 본다.

3. 비압축성 유체의 흐름에 대한 에너지 밸런스 식을 이해하고, 에너지 손실을 이해하는 것이 실제 공정에서 어떠한 필요성이 있는지 고찰한다.

실험 이론 및 원리

1. 비압축성 유체에 대해 에너지 손실이 있는 Bernoulli 식

배관 내에서 a지점에서 b지점으로 이동하는 유체에 대해 에너지 손실을 감안한 에너지 balance 식은 와 같다.

여기서 a는 유속 u에 대해 으로 보정상수이며 hl은 지점 a와 b 사이에

유체 단위 질량에서 발생하는 에너지 손실을 나타낸다.

에너지 손실은 배관 벽과의 마찰에 의한 열에너지 손실인 주 손실과 배관의 모양에 따른 특이한 유체의 흐름에 의해 발생하는 에너지 손실인 부 손실로 나뉘게 된다. 또한 위 식의 모든 항의 차원은 J/㎏ (에너지/질량)이다.

 

2. 벤튜리미터

배관 내 유체 흐름의 유속 및 유량을 측정하기 위해 사용되는 대표적인 측정기로, 도입부 상단과 목의 압력탭을 마노미터에 연결한다. 상류 원뿔에서 유속이 증가하면서 압력이 감소하는데 이를 유량 측정에 이용하며 배출 원뿔에서는 각도를 작게 하여 경계층 분리를 막고 마찰을 줄인다.

상류와 하류의 평균 유속을 벤튜리미터 입구 속도, 벤튜리미터 목에서의 속도라고 하고 유체 밀도가 ρ이며, 마찰과 중력에 대한 영향을 고려하지 않는 조건을 위의 에너지 balance 식에 적용하면로 나타난다.

또한 a점과 b점을 지나는 유량이 일정하다는 연속방정식을 이용하고 밀도가 일정하다고 가정하면  를 얻을 수 있다.

두 식을 연립하면 , 여기서이다.

그러나 이 식은 마찰을 고려하지 않은 식으로 마찰을 고려한 실제 유속은  로 얻어진다. 

최종적으로 유량 q는     로 구할 수 있다. 추가로, q는 부피 유량으로, 질량유량을 얻고 싶으면 m=qρ 로 구할 수 있다.

 

3. 오리피스미터와 레이놀즈수

오리피스미터의 원리도 벤튜리미터와 마찬가지로 흐름 단면적이 감소하며 속도가 증가하고 압력이 감소할 때 탭 사이의 압력 차를 마노미터로 측정하게 되고 속도 증가와 압력 감소 사이의 관계를 Bernoulli 식으로 나타내게 된다. 그러나 벤튜리미터와는 다르게 오리피스미터에서는 하류에서 흐름이 분리되어 유체 중에 유리 제트를 형성하고 베나 콘트랙터가 생기는 까다로운 문제가 있다. 

대개 벤튜리계수에 비해 오리피스계수는 값이 작고 변동이 심하다는 특징이 있어 검량하고 보정하는 작업이 필요하다. 식은 이며 C0값은 실험에 의해 측정되는데 β와 레이놀즈수의 변화에 크게 영향을 받는다. 

여기서 레이놀즈수는 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로, 와 같이 정의한다. Re0 > 30000이면 C0는 거의 일정하다.

 

4. 단면 급확대 및 급축소 손실

단면의 급격한 확대로 인한 마찰 손실, 즉 hfe는 작은 유로에서의 유속에 비례하며 식으로는 , 여기서 확대손실계수는 난류일 경우 로 나타난다.

단면이 급격하게 축소하게 되면 흐름은 모서리를 따라 흐를 수 없어 벽면에서 이탈하게 되고 이때 유로는 수축하였다가 팽창하게 된다. 이때 단면적이 최소인 부분을 병목부라 하며 식으로는 , 여기서 축소손실계수는 난류일 경우  로 나타난다.

 

5. 관 이음쇠와 밸브의 영향

관 이음쇠와 밸브는 정상 유선을 교란시키기에 마찰의 원인이 된다. 이로 인한 마찰손실 hff는

여기서 Kf는 이음쇠로 인한 손실계수로 이 계수는 관로 부속물의 Kf 표를 참조한다.

 

6. 직관의 마찰 손실

마찰 계수 선도를 이용하거나 레이놀즈수를 식에 응용한 값을 이용해 구할 수 있다. 식으로는

로 나타내고 이때 NRe < 2300인 층류영역인 경우 마찰계수 f=16/NRe를 적용하고, 5000 < NRe < 200000인 난류영역인 경우 마찰계수 f=0.0791NRe-0.25를 적용한다.

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

1) 유체마찰손실실험장치, 마노미터, 직관(10㎜, 15㎜, 20㎜), 그로브 밸브

2) 게이트 밸브, 볼 밸브, 급확대 급축소(40㎜, 20㎜), 벤튜리미터, 오리피스미터

3) 순환펌프, 90 엘보, 180 유보, 유체 저장조, 초시계, 온도계, 메스실린더, 비커

실험 장치도

실험 방법

1. 실험 과정

1) Water tank 내부를 깨끗이 청소 후 호수를 이용하여 tank의 2/3 정도 물을 채운다. 전원을 넣기 전 bypass 밸브를 개방하고 pump를 가동한다.

2) 실험 장치의 모든 밸브를 완전히 열어 놓는다.

3) 실험 장치의 pump전원 콘센트를 220V에 연결하고 켠다.

4) 각 관로 중 실험하고자 하는 line의 흐름 방향 밸브와 bypass 밸브만을 열어 놓고 다른 밸브는 모두 잠근다.

5) 유량 조절은 bypass와 control 밸브를 이용하여 조절한다. 이유는 마노미터로 수두 차를 읽을 수 있는 유량으로 맞추기 위해서이다. (장치의 조작이 숙달되면 Flow control 밸브를 사용하여 조작할 수 있다.)

6) 마노미터의 수두 차를 읽기 전 마노미터와 pipe line 상의 기포를 제거한다. 기포를 제거하려면 마노미터 상단의 공기 vent 밸브 Ⓐ를 열고 Ⓑ를 닫은 상태에서 (마노미터 속의 기포가 line을 통해 배출된다.) control 밸브를 수차례 서서히 개폐동작을 반복한다.

7) 기포를 완전히 제거한 후 공기 vent 밸브 Ⓐ를 잠근 후 공기주입밸브 Ⓑ를 열어 공기주입 펌프 Ⓒ로 공기를 마노미터에 넣어주고 이때 수두 차가 나타나면 공기주입밸브 Ⓑ를 잠근 후 수두 차를 읽는다.

8) 수두 차를 확인한 후 이때의 유량을 메스실린더와 초시계를 이용하여 측정한 후 기록한다.

주의 사항

1. Water tank에 물이 없는 상태에서 pump를 가동하지 않는다.

2. 장치의 동파 방지를 위해 실험이 끝나면 장치의 모든 밸브를 열어 물을 배수하고 tank 안의 물도 완전히 뺀다.

3. 측정 작업 시 밸브의 개, 폐 동작을 확실히 확인한 후 실험에 적당한, 즉 마노미터로 측정가능한 유량으로 조절한다.

4. 마노미터의 관로에 기포를 빼준 후 수두와 실험 유량을 체크해야 한다.

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