Transcript 압력 유량 온도

Determination of Flow rate, Pressure,
Temperature and Velocity
A-1조 / 김병섭, 이승준, 김휘문, 윤동준
실험목적
 연돌(stack)가스의
배출속도 및 유
량 측정방법과 정압, 동압, 계기압력
의 측정방법을 이해한다.
실험방법
가스
 압력
 유속
 유량

온도의 측정
측정
계산
계산
가스 온도(dry-bulb temperature)의 측정
Glass-tube thermometers
(수은온도계)
 Bi-metallic thermocouple (열전대)

[참고] 본 실험은 Thermocouple을 사용함
Thermocouple (열전대)
열전대란, 종류가 다른 금속선 두 개의 양 끝단
을 접속하여 만든 것으로 이 양 긑단 접점에 온
도차가 발생할 때 폐 회로에 열기전력이 발생
하여 회로에 전류가 흐르게된다.
 이 열기전력의 크기와 극성은 양단의 온도와
두 개의 금속선의 조합에 의해 결정되며 금속선
의 굵기 또는 길이에 영향을 받진 않는다. 따라
서 특정 열전대의 온도에 따른 열기 전력을 미
리 읽을 수 있으므로 온도 측정이 가능하다.

Thermocouple의 구조
열전대 소선
(Thermocouple
wires)
 보호관 열전대
(Protection tubes)
 단자함 및 단자판
(Terminal head and
terminal plate)
 전열관

압력 측정
Bourdon pressure gage
 Manometers
[참고] 본 실험은 Inclined Tube
Manometer를 사용하였음.
[방법] 배출원에서 manometer와 pitot
tube를 이용하여 정압, 동압, 전압, 절대
압력 등을 측정 및 계산한다.

Static Pressure, Dynamic Pressure,
Total Pressure
정압(Ps=Static Pressure)
: 정압은 기체의 흐름에 평행인 물체의 표면에 기체가 수
직으로 미치는 압력이고 그 표면에 수직 Hole을 통해
측정한다.

동압 (Pd=Dynamic Pressure=Velocity Pressure)
: 동압은 속도에너지를 압력에너지로 환산한 값

전압 (Pt=Total Pressure)
: 전압은 정압과 동압의 절대압의 합이다.

Manometer

액주형 압력계는 0.1~200 kPa의 압력범
위에서 적용되어, 기압, 차압 및 미차압
의 측정 외에 진공압 측정에도 쓰인다.
압력의 절대측정이 가능해, 정밀측정에
도 이용할 수 있고, 압력교정용의 기준기
로써도 사용된다.
Inclined Tube Manometer
(경사관형 압력계)
① 사용범위
: 1∼500 mmH2O
②정
도:
±0.01 mmH2O
③용
도:
상대압, Draft압력,
미압의 표준으로
사용
Inclined Tube Manometer의 구조
Inclined Tube Manometer의 구조 설명
액주높이 h와 길이 l과의 관계는
l/h=l/(h1+h2)=l/(a/A+Sinθ)l
=1/(a/A+Sinθ)
 a가 A보다 아주 작으면, l=h/Sinθ이고,
θ=30인 경우 l=2h가 되므로 더욱 정밀
도를 높일 수가 있다.

유속측정
Pitot tube
 Velocity meter
 Orifice meter
[참고] 본 실험은 pitot tube를 사용하였음.
[방법] pitot tube를 사용하여 동압(ΔP)을
측정하고 유속을 결정한다.

Pitot tube

Pitot Tube의 원리는
1972년 프랑스인
PITOT에 의해 고안
되었으며, 이 원리는
유체역학이나 유체기
계의 성능시험에 많
이 사용되고 있다.
Pitot Tube의 원리(1)

PITOT TUBE의 원리는 관(TUBE)내에 흐르는 액체,
기체,증기의 유속을 정압(Static Pressure)과 전압
(Total Pressure), 동압(Dynamic Pressure)의 유속을
측정함으로써 베르누이(Bernonulli)정리에 의해 비압
축성유체의 관(TUBE) 내에 흐르는 유속을 알 수 있다.
결국 Bernonulli의 식을 적용하면 비압축성 유체의 유
속(V)는 이론적으로 윗 식과 같다.
Pitot Tube의 원리(2)

상기의 식은 이론적인 식이며 실제로는 다음과 같은
실험적으로 구하여진 속도계수와 압력계수를 적용
하여 계산한다.
[참고] c=유량계수(flow coefficient)
측정지점(Sampling Port)
측정지점(Sampling Port)
r2=0.886R
r1=0.5R
온도측정

(1) 온도측정
관크기
온도(℃)
온도(F)
20.0㎝
22
71.6
12.5㎝
22
71.6
큰관의 압력측정(동압)
관크기(20㎝)
Point1(0.866r)
Point2(0.5r)
압력측정(1)
0.02
0.025
압력측정(2)
0.02
0.025
압력측정(3)
0.02
0.027
평균압력(Inch) (0.02+0.02+0.02+0.025+0.025+
0.025)/6=0.023
큰관의 압력측정(전압)
관크기(20cm)
Point1(0.866r)
Point2(0.5r)
압력측정(1)
0.03
0.032
압력측정(2)
0.02
0.018
압력측정(3)
0.025
0.03
평균압력(Inch)
(0.03+0.032+0.02+0.018+0.025
+0.03)/6=0.25
작은관의 압력측정(동압)
관크기(12.5㎝)
Point1(0.866r)
Point2(0.5r)
압력측정(1)
0.07
0.06
압력측정(2)
0.12
0.08
평균압력(Inch)
(0.07+0.06+0.12+0.08)/4=0.082
작은관의 압력측정(전압)
관크기(12.5㎝)
Point1(0.866r)
Point2(0.5r)
압력측정(1)
0.14
0.15
압력측정(2)
0.09
0.11
평균압력(Inch)
(0.14+0.15+0.09+0.11)/4=0.112
압력 (단위:Inch)
관크기(cm)
전압
동압
정압
20cm
0.025
0.023
0.002
12.5cm
0.122
0.082
0.040
∴ 정압=전압-동압
압력(단위:cm)
관크기(cm)
전압
동압
정압
20cm
0.063
0.058
0.005
12.5cm
0.309
0.208
0.1
∴ 1inch=2.54㎝이므로 Inch Data에 각각 2.54를 곱해주면 ㎝로
환산된다.
압력(단위:mm)
관크기(cm)
전압
동압
정압
20cm
0.635
0.584
0.05
12.5cm
3.098
2.082
1.01
∴ 1㎝=10㎜이므로 ㎝ Data에 10을 곱해주면㎜로 환산된다.
절대압력(㎜H20)
관크기(cm)
절대압력
20.0㎝
0.635+10332=10332.6㎜H20
12.5㎝
3.098+10332=10335.1㎜H20
∴ 절대압력(㎜H20)=계기압력(㎜H20)+대기압(㎜H20)
유속측정(1)

Air density(D)
관크기
Air density
20cm
0.074
12.5cm
0.074
∴ D=1.325× PB/T
(PB=29.92inHg, T=531.6)
[참고] T=460+t(F), F=9/5C+32
유속측정(2)

유속 (V) 단위(ft/min)
관크기
20.0㎝
12.5㎝
V  1.092
∴
Density
0.023
1.092
0.074
1.092
0.082
0.074
ft/min
= 608.7
= 1149.4
Pv
D 에서 Pv는 동압, D는 유속측정(1)의 Air
유속 측정(3)

단위(cm/min)로 단위 변환
관크기
cm/min
20.0㎝
608.7(ft/min)×12(inch/ft)×2.54
(cm/inch)=18555.4
12.5㎝
1149.4(ft/min)×12(inch/ft)×2.5
4(cm/inch)=35036.1
∴ 1ft=12inch , 1inch=2.54cm
유량측정(실측유량)
관크기
실측유량(㎤/min)
20.0㎝
5826424
12.5㎝
4297393
∴ Q=A×Vare 이므로 큰관과 작은관의 A(단면적)는 각각 100π,
39.06π이므로 유속(cm/min)을 곱해주면 다음과 같은 값을 구할
수 있다.
유량측정(표준상태에서의 유량)
관크기
표준상태에서의 유량(㎤/min)
20.0㎝
5787278
12.5㎝
4269539
∴ Qa=A×Vare×(Tstd/Ta)×(Pa/Pstd)이므로 실측 유량 값의
Q값을 Pa=절대압력(㎜H20), Pstd=10332㎜H20, Tstd=293,
Ta=295로 보정한다.
유량측정(산소농도의 보정 유량)
관크기
20.0㎝
산소농도의 보정 유량
(㎤/min)
4425566
12.5㎝
3264941
∴ Q=Qa ÷ (21-Ostd)/21-Oa 여기에서 Ostd=4%, Oa=8%이다.
표준상태에서의 유량 값에서 좌측의 식에 맞추어 산소보정 값을
대입하여 계산하면 된다.
토의

피토튜브는 액체, 기체 등의 유량 측정에 사용가능하나
오물, 이 물질이 함유된 유체의 유량 측정에는 부적합하
다. 즉 깨끗한 유체의 유량측정에 적합하다. 일반적으
로 관로 내의 평균유속을 직접 측정하므로 유량측정
정확도는 ±1.0% 이내로 매우 높은 편이고, 관로 내의
평균유속을 직접 측정하므로 유량계 전후단의 요구되
는 직관부 길이는 전단부 5D, 후단부 3D로 매우 짧아
충분하지 않은 공간에서의 설치에 매우 유리하다. 하지
만 압력의 변화가 거의 없는 20cm의 큰 관에서는
manometer의 눈금 변화가 정확하게 읽혀지지 않아 정
확도가 많이 떨어졌다. 실험을 통해 관의 크기에 따른
압력과 유속, 유량, 온도와의 관계를 알 수 있었다.
결론

압력 측정에 있어 Manometer 눈금의 변화가
크지 않아 측정값의 신뢰도가 많이 떨어졌지만,
앞의 Data를 분석해보면 두 관의 관내 온도가
일정한 가운데 두 관의 압력은 2%정도의 차이
를 보이는 반면, 반경이 2배정도 적은 작은 관
의 유속은 큰 관의 유속에 비해 2배정도 빨라졌
음을 알 수 있었다. 그리고 유량은 큰 관이 작은
관에 비해 1.4배정도 높게 측정되었다.