[화공기초실험]배관 내 에너지 손실 측정 2부

실험 결과

1. 벤츄리 실험

D1	0.02[m]	메스실린더 유량/시간	1.808[L]
D2	0.011[m]		5.25[s]
A1	3.14×10-4[㎡]	Q측정	3.44×10-4[㎥/s]
A2	9.50×10-5[㎡]	유속(D2)	3.62[m/s]
로터미터 유량	20[LPM]	수온	22.8[℃]
수두차	0.72[mH2O]	밀도	0.9976×103[㎏/㎥]
		점도	0.940×10-3[㎏/m·s]

1) 유량계수를 구하시오.

2) 일정 유량에서의 NRe를 구하시오.

2. 오리피스 실험

D1	0.02[m]	메스실린더 유량/시간	1.572[L]
D2	0.0135[m]		5.12[s]
A1	3.14×10-4[㎡]	Q측정	3.07×10-4[㎥/s]
A2	1.43×10-5[㎡]	유속(D2)	2.15[m/s]
로터미터 유량	16[LPM]	수온	20[℃]
수두차	0.42[mH2O]	밀도	0.9982×103[㎏/㎥]
		점도	1.005×10-3[㎏/m·s]

1) 유량계수를 구하시오.

2) 일정 유량에서의 NRe를 구하시오.

 

3. 급확대/축소 실험

i) 급확대

D1	0.02[m]	유속 V1	1.65[m/s]
D2	0.04[m]	유속 V2	0.41[m/s]
A1	3.14×10-4[㎡]	메스실린더 유량/시간	2.658[L] 5.13[s]
A2	1.26×10-5[㎡]		5.18×10-4[㎥/s]
로터미터 유량	32[LPM]	수온	20.6[℃]
수두차	0.03[mH2O]	밀도	0.9981×103[㎏/㎥]
이론 마찰손실(F)	0.0783[m]	점도	0.985×10-3[㎏/m·s]

1) 레이놀즈 수를 구하고 유체의 흐름 종류에 따른 Ke값을 구하시오.

난류에 해당하므로

2) 이론 수두의 마찰 손실을 구하고 실제 수두와 비교하시오.

 

ii) 급축소

D1	0.04[m]	유속 V1	0.43[m/s]
D2	0.02[m]	유속 V2	1.74[m/s]
A1	1.26×10-3[㎡]	메스실린더 유량/시간	2.860[L] 5.25[s]
A2	3.14×10-4[㎡]		5.45×10-4[㎥/s]
로터미터 유량	32[LPM]	수온	21[℃]
수두차	0.18[mH2O]	밀도	0.9980×103[㎏/㎥]
이론 마찰손실(F)	0.560[m]	점도	0.9815×10-3[㎏/m·s]

1) 레이놀즈 수를 구하고 유체의 흐름 종류에 따른 Ke를 구하시오.

난류에 해당하므로 

2) 이론 수두의 마찰손실을 구하고 실제 수두와 비교하시오.

4. L-bow 실험

i) 90°L-bow

D(in)	0.02[m]	유속 V(in)	1.88[m/s]
A(in)	3.14×10-4[㎡]	메스실린더 유량/시간	3.179[L] 5.40[s]
			5.89×10-4[㎥/s]
로터미터 유량	32[LPM]	수온	21.3[℃]
수두차	0.10[mH2O]	밀도	0.9980×103[㎏/㎥]
이론 마찰손실(F)	0.162[m]	점도	0.9810×10-3[㎏/m·s]

1) 이론상 마찰손실을 구하고 측정 수두차와 비교하시오.

ii) 180°L-bow

D(in)	0.02[m]	유속 V(in)	1.83[m/s]
A(in)	3.14×10-4[㎡]	메스실린더 유량/시간	2.790[L] 4.86[s]
			5.74×10-4[㎥/s]
로터미터 유량	32[LPM]	수온	21.9[℃]
수두차	0.12[mH2O]	밀도	0.9978×103[㎏/㎥]
이론 마찰손실(F)	0.376[m]	점도	0.958×10-3[㎏/m·s]

 

1) 이론상 마찰손실을 구하고 측정 수두차와 비교하시오.

 

5. 직관의 마찰손실 실험

i) 10A

D(in)	0.010[m]	유속 V(in)	5.54[m/s]
A(in)	7.85×10-5[㎡]	메스실린더 유량/시간	2.250[L] 5.17[s]
L	1[m]		4.35×10-4[㎥/s]
로터미터 유량	32[LPM]	수온	22[℃]
수두차	1.96[mH2O]	밀도	0.9978×103[㎏/㎥]
이론 마찰손실(F)	3.19[m]	점도	0.958×10-3[㎏/m·s]

1) 레이놀즈수를 구하고 마찰 계수를 구하시오.

5000 < NRe < 200000인 경우이므로 f= 0.0791NRe-0.25 = 0.0791×57701-0.25 = 5.10×10-3

 

2) 이론상 마찰손실을 구하고 측정 수두차와 비교하시오.

 

ii) 15A

D(in)	0.015[m]	유속 V(in)	2.86[m/s]
A(in)	1.77×10-4[㎡]	메스실린더 유량/시간	2.681[L] 5.30[s]
L	1[m]		5.06×10-4[㎥/s]
로터미터 유량	32[LPM]	수온	22.4[℃]
수두차	1.13[mH2O]	밀도	0.9976×103[㎏/㎥]
이론 마찰손실(F)	0.603[m]	점도	0.942×10-3[㎏/m·s]

1) 레이놀즈수를 구하고 마찰 계수를 구하시오.

5000 < NRe < 200000인 경우이므로 f= 0.0791NRe-0.25 = 0.0791×45432-0.25 = 5.42×10-3

 

2) 이론상 마찰손실을 구하고 측정 수두차와 비교하시오.

 

iii) 20A

D(in)	0.020[m]	유속 V(in)	1.81[m/s]
A(in)	3.14×10-4[㎡]	메스실린더 유량/시간	3.100[L] 5.45[s]
L	1[m]		5.69×10-4[㎥/s]
로터미터 유량	32[LPM]	수온	22.8[℃]
수두차	0.18[mH2O]	밀도	0.9975×103[㎏/㎥]
이론 마찰손실(F)	0.189[m]	점도	0.938×10-3[㎏/m·s]

1) 레이놀즈수를 구하고 마찰 계수를 구하시오.

5000 < NRe < 200000인 경우이므로 f= 0.0791NRe-0.25 = 0.0791×38496-0.25 = 5.65×10-3

 

2) 이론상 마찰손실을 구하고 측정 수두차와 비교하시오.

토의 사항

1. 실험 고찰

이론상 마찰손실과 측정된 수두차를 비교한 오차값이 크게 나왔다. 실험하는 과정과 계산하는 과정에서 발생한 오차를 알아본다.

 

1) 실험과정에서 발생한 오차원인

- 메스실린더 유량/시간 값을 구하기 위해 일정 시간동안 배출되는 물을 직접 받아 측정했는 데 이 과정에서 오차가 크게 발생할 수 있다. 이 값을 최대한 정밀하게 측정하기 위한 장치 가 필요하다.

실험장치가 오래되어 물의 누수현상이 발생하거나 장치에서 나오는 불순물에 의해 순수하지 못한 물이 흐르는 현상이 발생하여 오차가 발생할 수 있다. 순수한 물이 흐를 수 있게끔 매번 증류수를 갈아주고, 누수현상이 발생하는 장치는 교체한다.

유량 조절에 실패하여 관내에 유량이 가득 채워지지 않아 빈 공간이 생겼을 경우 접촉표면적이 줄어 적은 마찰력을 받았을 수 있다. 유량 조절을 정밀히 할 수 있는 추가적인 장치가 필요하다.

로터미터 유량값을 읽을 때에 값이 수시로 변하는 현상이 발생했다. 여러번 측정하여 평균값을 내어 계산에 이용한다면 적게나마 오차를 줄일 수 있을 것이다.

 

2) 계산하는 과정에서 발생한 오차원인

- 물의 점도와 밀도 기입 시에 온도에 따른 물의 밀도, 점도 표를 통해 구했는데 이 과정에서 내삽법을 이용하였다. 이 과정에서 오차가 발생했을 수 있다.

- 관 이음쇠와 밸브의 영향으로 인한 마찰 손실은 계산과정에서 고려되지 않아 오차가 발생했을 수 있다. 이를 고려하여 계산과정에 포함시킨다.

계산과정에서 계속해서 반올림을 사용하여 정확한 값이 아니므로 오차가 발생했을 수 있다.

 

2. 결론

이론 수업을 통해 배웠던 비압축성 유체에 대한 에너지 손실이 있는 베르누이식을 이용하여 이론상의 마찰손실을 직접 계산해 볼 수 있었다. 또 관의 밸브를 원하는 실험의 방향에 맞게 맞춰 로터미터로 측정하면서 실험장치의 사용방법을 명확히 알게 되었다. 이런 과정으로 이론을 실험을 통해 한번 더 이해해볼 수 있었고, 측정값과 이론값 사이 오차의 원인에 대해서도 깊이 생각해볼 수 있었다.

 

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