화학공학실험 - 벤츄리미터[venturimeter] 실험

목차

Contents ................................................................................................................

Figures & Tables...............................................................................................

Abstract ................................................................................................................

1.Introduction .....................................................................................................
1.1 실험 이론 ..................................................................................................................
1.1.1 관내 연속방정식(continuity equation) .............................................................
1.1.2. Euler 방정식 ......................................................................................................
1.1.3. 베르누이 방정식 ................................................................................................
1.1.4. Venturi meter ....................................................................................................
1.1.5. 유량계수 C .........................................................................................................

2. Experiment .....................................................................................................
2.1 실험 기구 ..................................................................................................................
2.2 실험 방법 ..................................................................................................................
2.2.1 Venturi meter .....................................................................................................
2.2.2 Fluid friction experiment apparatus ............................................................
2.3 실험 시 주의사항 ....................................................................................................

3. Results & Discussion ...............................................................................
3.1 Raw Data ..............................................................................................................
3.1.1 Venturi meter .....................................................................................................
3.1.2 Fluid friction experiment apparatus ............................................................
3.2 Result Data ...........................................................................................................
3.2.1 질량유속() .....................................................................................................
3.2.2 Head loss ...........................................................................................................
3.2.3 Weighing ............................................................................................................
3.2.4 Discharge Coefficient(Cv) ..............................................................................
3.2.5 venturi meter 입구로부터 거리에 대한 static head 값 ........................
3.2.6 Venturi tube와 Orifice tube의 높이차 ......................................................

4. Conclusion ......................................................................................................

Reference ........................................................................................................

본문내용

치 내에 압력이 차서 압력이 동일하였다.
실험을 통하여 Table 1,2 와 같이 평균유량의 변화에 따른 관내 각 지점에 대한 Static head 값을 측정하였다. 그 결과 유체(물)가 통과하는 관내의 부피가 증가하거나 감소함에 따라 그 때의 압력이 달라짐을 알 수 있었다. 관내를 통과하는 유체는 부피가 큰 관에서 부피가 작은 관으로 이동하는 입구에서 압력이 감소하게 된다. 즉, 서로 다른 부피의 관이 연결되는 지점 Tap No2와 Tap No6에서 압력이 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다. 이렇게 측정한 값을 이용하여 식 (1-10)을 통하여 각 평균유량에서의 이론부피유속과, 질량유속을 산출하였다.
또 식(1-9)을 통하여 venturi meter와 orifice meter에서의 Head loss(수두손실)을 산출하였다. Table 9∼12를 보면 총 5차 실험에서 발생한 Head loss(수두손실)값을 볼 수 있다. 첫 번째 Venturi meter를 이용한 실험에서는 Head loss가 평균 5.975 정도로 Fluid friction experiment apparatus를 이용한 실험을 통해 산출된 Head loss 평균값 13.21보다 낮게나왔다. Fluid friction experiment apparatus의 파이프 관 내부에 차있는 air나 관내의 이물질 등에 의하여 큰 수두손실이 유발되었을 것이다. 그 다음 각 평균유량에서 purging 되는 물을 2L의 플라스틱 실린더에 초시계로 시간을 재면서 받았다. 이 측정값을 가지고 실제부피유속을 산출하였다.
식 (1-10)을 통하여 산출해낸 이론부피유속과 실험을 통하여 측정한 실제부피유속을 식 (1-11)에 대입하여 Cv를 산출하였다.
[1], p.370을 통해 Cv은 문헌치로 0.92≤Cv≤0.99이다. 하지만 실험에서 venturi meter의 Cv값은 평균 0.642이고, orifice meter의 Cv값은 평균 0.790으로 문헌치보다 많은 오차를 보였다.
실험을 하면서 관내에 차있던 air나 유량을 측정함에 있어서 부정확하고, 장치 내에 존재하는 많은 이물질들로 인하여 이러한 오차가 발생하게 된 것 같다.
또한 약간의 점성을 가지는 물을 가지고 실험을 하였기 때문에 발생하는 마찰로 인한 수두손실도 오차를 발생시켰을 것이다.
4.Conclusion
이번 실험은 관내를 흐르는 유체(물)가 좁은 관로를 흐를 때, 일어나는 유속 및 압력변화 등을 측정하고, 여러 가지 유속에 대한 venturi meter discharge 계수(Cv)를 구하며, 또 venturi tube와 orifice tube 그리고 orifice plate에서의 유속변화에 따른 압력차와 압력손실을 측정함으로써 비압축성 유체의 흐름에 대한 조작방법 및 특성을 이해하는데 있었다.
처음 실험을 하면서 실험 장치에 금이 가있고, 물이 세는 현상이 발생하면서 불안했는데 관내에 air까지 차고, air가 purge되지 않아서 처음 venturi meter의 높이를 일정하게 유지시키는데 많은 시간을 소모하게 되었다. 어느 정도 venturi meter의 높이를 일정하게 만들어서 실험을 실행하려고 하였지만 그 높이가 점차 낮아지기 시작했다. 정상상태라면 이 높이가 유지가 되어야 하지만 장치의 파손으로 인하여 air가 차고 유체의 흐름을 방해함으로써 실험을 실행하고 측정하는데 많은 제한이 따랐다. 이러한 점으로 인하여 우리 조는 또 다른 venturi meter 측정 실험기구를 이용하여 측정한 값을 서로 비교해 보기로 하였다. 우선 우리 조는 이상이 있는 실험기구로 평균유량 3mano, 6mano로 측정하고, 그 때의 결과 값을 기록하였다. 그 결과 air가 차있고, 장치의 이상으로 인하여 관내의 단면적감소로 인하여 static head값이 줄어야 하는 지점에서 전 지점과 동일한 값을 나타내는 현상이 발생하였다. 즉 Table 1과 Table 2를 보면 Tap No.6에서 air가 세면서 압력차가 발생하였고, Tap No3과 Tap No4에서 부피가 변화되면서 압력이 변화되어야 하지만 air가 차는 등의 문제점으로 동일한 압력이 측정되는 오류가 발생하였다.
그리고 또 다른 실험기구를 이용하여 평균유량 4mano, 8mano, 12mano로 측정하였다. 이 때는 air가 쉽게 purging되고 venturi meter의 높이로 일정하게 유지가 잘 되어 실험속도가 빠르게 진행되었다. 하지만 결과적으로 배출계수(Cv)가 0.92에도 못 미치는 큰 오차가 발생하였다.
이러한 오차가 발생한 것은 먼저 실험기구의 파손으로 인한 air의 purging이 불가능했던 것이 가장 컸던 것 같다. 또 파손된 틈 사이로 air가 계속해서 들어오면서 점점 관내의 air 늘어났다. 또한 venturi meter의 static head가 일정하게 유지가 되지 않아서 정상상태에서의 측정이 불가능 한 것이 오차를 발생시킨 것 같다. 그리고 Bernoulli's Equation에 의하면 유체의 점성 효과가 무시 되는 조건에서 성립하지만 우리가 실험에서 유체로 사용한 물도 점성을 어느 정도 가지고 있기 때문에 오차가 발생한 것 같다. 이 외에도 관내에 이물질이 끼어 있거나 유량 등을 측정하는 과정에서 아주 정확한 수치 그대로 측정할 수 없었기 때문에 이러한 부분에 의해서도 오차가 발생했을 것이다.
Reference
[1] 화학공학실험(Experiments in Chemical Engineering), 성기천외2명 공저, (주) 사이텍미디어, p.363 ～393
[2] 화학공학열역학 7th Edition(Chemical Engineering Thermodynamics), J. M. Smith외2명 공저, 김화용 외 2명 공역, 한국맥그로힐(주), p.36～48
[3] 유체역학(Introduction To Fluid Mechanics), James A. Fay 저, 이덕봉
박길문 공역, p28～39, 133～184, 262~264, 354～373
[4] 화학공학 열역학, 김헌 외4명 공저, 아진출판, p.287∼311
[5] 실험유체역학, 모양우 저, 보문당, p.62∼93

키워드

관내 연속방정식,   Euler 방정식,   벤츄리미터,   유량계수 C