⑴ Fluid Circuit Apparatus
⑵ `Mass Cylinder
⑶ Stop Watch
5. 실험 방법
⑴ 우회 밸브(Bypass Valve)를 이용하여 유량을 조절하고, 단위 시간당 유량을 측정함으로 유속을 산출한다.
⑵ 유체가 정상상태를 유지하도록 잠시 기다린다.
⑶ 직선 관, T자, 엘보(Elbow), 벤튜리 유량계, 오리피스 유량계 등 각 장치양단 에 걸리는 두손실을 측정한다.
⑷ 위 실험을 반복하여 평균값을 낸다.
Fluid Circuit Experiment
6. 결과값의 고찰
⑴ 유량(Q)과 두손실(Δh)을 도시하여 고찰하라.
⑵ 관의 직경과 길이에 따른 두손실의 변화에 대해 쓰라.
⑶ 각 부분에서의 두 손실의 크기를 비교하여 보라.
⑷ 층류와 난류에서의 마찰계수 변화에 대해 논하라.
⑸ 직선관 또는 관 부속품에서 레이놀즈수가 증가함에 따라 마찰계수는 어떠한 영향을 미치는가.
⑹ 직선관에서 관의 직경이 커짐에 따라 마찰계수는 어떠한 영향을 미치는가.
⑺ 이상의 실험으로부터 공정설계시 어떻게 해 주는것이 두손실을 최소로 해 줄 수 있는지 그 방안을 검토하라.
실험5 Bernoulli Theorem Apparatus
1. 목적
유량 및 유속의 측정에 유용한 Venturi-Meter, Pitot Tube 등의 사용법 및 원 리를 이해함으로써 실제 공정상의 유체흐름에 대하여 이해한다.
2. 이론
⑴ Venturi Meter
< Assumption >
① 유체는 미소구간 내의 압력변화를 무시할 수 있는 비 압축성 유체이다.
② 축일(Shaft Work)은 없다.
③ 정상상태의 흐름이다.
④ 유량계는 수평흐름이다.(Horizental Flow)
⑤ 파이프 내에 마찰손실이 없다.
⑥ 완전 발달 흐름이다.(Fully Turbulent Flow : α1= α2= 1)
Δ K E + Δ P E + Δ P
ρ + Ws + hf = 0 (5-1)
가정에 의해 (5-1)식은
Pρ + u2
2 = constan t (5-2)
로 쓸 수 있고, 그러므로
Bernoulli Theorem Apparatus
P2-P1
ρ + α2u22 - α1u21
2 = constan t (5-3)
연속방정식 u1A1 = u2A2 이므로,
u1 = u2( A2
A1 ) = u2 ( πD2
πD1 )2 = u2β2 (5-4)
where, β = ( D2 D1 )
(5-4)식을 (5-3)식에 대입하여 정리하면
P1-P2
ρ = 12 [ α2u22 - α1(u2 β2)2 ] (5-5) u2에 대해 정리하면
u22 = 1 α2- α1 β4
2(P1 - P2) ρ
u2 = 1 α2- α1 β4
2(P1 - P2)
ρ (5-6)
위 식은 마찰이 없는 비 압축성 유체에 엄격히 들어 맞는다. 작은 값이지만 마 찰손실을 고려하기 위하여 실험인자 CV(Venturi Coefficient)를 도입하여 수정 하면,
u2 = CV 1- β4
2(P1 - P2)
ρ (5-7)
위 식을 이용하여 부피유량을 계산하여 낼 수 있다.
q (volumetr ic flow r ate) = ṁ ρ
= CVS2 1- β4
2(P1 - P2)
ρ (5-8)
⑵ Pitot Tube
피토관은 유선에서의 국부속도를 측정하는 기구이다. 축일이 없는 평행흐름을 가정했을 때, 비 압축성 유체에 대한 Bernoulli 식은 다음과 같이 표현할 수 있 다.
Δ( u̇2
2 ) + ΔP
ρ + hf = 0 (5-9) Where, u̇ : 국부속도
마찰손실을 무시하고 국부속도에 대하여 정리하면 아래 식으로 정리된다.
u̇ = 2(P2- P1)
ρ (5-10)
다른 유량계와 마찬가지로 위 식은 실제에 꼭 적용되지는 않는다. 따라서 보정 인자를 사용하여 그 정확도를 높일 수 있다.
u̇ = C Pi 2(P2- P1)
ρ (5-11)
주의해야 할 것은 오리피스 및 벤튜리 유량계에서는 전체 흐름의 평균속도를 측정하는데 비하여, 피토관은 단지 한 점에서의 속도를 측정한다는 것이다. 속 도는 파이프의 단면에서 위치에 따라 달라진다. 그러므로 피토관을 이용하여 평 균속도를 구하려면, 관 중심에서의 최대속도를 구하여 계산이나 그래프를 이용 해야 한다.
Bernoulli Theorem Apparatus
3. 실험 장치
Fig. 5-1. Bernouilli Theorem Apparatus
4. 실험 준비물
⑴ Bernouilli Theorem Apparatus
⑵ 풍향계
5. 실험 방법
⑴ Power를 끈 상태에서 마노미터의 튜브 내에 있는 증류수의 눈금을 모두 Zero 로 맞춘다.
⑵ 공기 송풍기를 가동시켜 관 내에 일정한 유속의 유체흐름을 만든다.
⑶ 풍속계의 Voltage는 빨간 눈금을 넘어가지 않게 작동한다.
⑷ Power를 올리고 유속을 조정하여 압력 손실을 벤튜리미터와 피토관을 이용 하여 마노미터로부터 읽는다.
⑸ 유속을 달리하여 위 실험을 반복한다.
⑹ 벤추리미터의 압력강하를 이용하여 유량을, 피토관을 이용하여 유속을 각각 계산한다.
6. 결과값의 고찰
⑴ 이 실험에서 세웠던 여러가지 가정들에 대하여 실험시에 문제가 되었던 것이 있다면 적어보라.
⑵ 2가지 유량계의 장․단점과 그 차이를 설명하여 보아라.
⑶ 각 유량계의 이론식에서 보정인자가 필요한 이유는 무엇인가?
Natural and Forced Convection
실험6 Natural and Forced Convection
1. 목적
⑴ 열전달의 한 형태인 대류를 이해한다.
⑵ 자연대류에 있어서 대류 대상물의 시간경과에 따른 온도변화를 기록 관찰함 으로 열전달 계수와 Grashof, Prandtl Number와의 관계를 조사하고, 그 현상 을 이해한다.
⑶ 강제대류에 있어서 온도와 시간과의 관계를 알아본다.
⑷ 자연대류와 강제대류의 차이점을 알아본다.
2. 이론
Heat Convection은 크게 자연대류(Natural Convection)와 강제대류(Forced Convection)으로 나눌 수 있다.
⑴ Newton's Equation
q = h A ΔT (6-1)
where, h : Heat Transfer Coefficient [ W/m2℃,Btu/hr ft2℉ ]
전열계수는 Geometry, Physical Property, Flow Velocity, Temperature Profile 등에 따라 변한다.
⑵ 무차원군(Dimensionless Group)
Dimension Analysis로 부터 Nusselt Number, Reynolds Number, Prandtl Number, Grashof Number 등을 구할 수 있는데, 다음과 같이 쓸 수 있다.
NNu = h D
k (6-2)
N Pr = CPμ
k (6-3)
NRe = ρu D
μ (6-4)
NGr = ( βg)( ΔT)( ρ2D3)
μ2 (6-5)
where, β : 열팽창 계수(Termal Expansion Coefficient) ( β = 1
V ( ∂V
∂T )P)
⑶ 자연대류(Natural Convection)
자연대류가 관 지름, 비열, 열전도도, 점도, 열팽창계수, 중력 가속도 그리고 온 도차 등에 의존된다는 가정에 따라 차원해석을 하게되면, 아래의 관계가 성립된 다.
NNu = NNu ( N Pr, NGr) (6-6)
(6-12)식과 같은 실험식을 이용하여 아래와 같은 결과식이 얻어진다.
h = K( ΔT D )
14 (6-7)
시간과 온도와의 관계식은 다음과 같이 정리될 수 있다.
( ΔT) 14 = a' t+ b' (6-8)
where, a' = - a 4
b' = b 4
따라서 (ΔT ) 1/4과 t를 그래프에 도시하면 기울기 a로부터 열전달 계수를 산
Natural and Forced Convection
⑷ 강제대류 (Forced Convection)
강제대류에서는 밀도차이에 의한 자연대류는 무시할 만큼 작으며, 유체의 강제 적인 유속에 의존하게 되어 열전달 계수 h를 내포하는 무차원 계수 Nussult Number는 Prandtl Number와 Reynolds Number의 함수이다.
NNu = NNu(NPr, NRe) (6-9)
실험시 사용될 온도계를 구로 가정하면 다음 실험식을 적용할 수 있다.
NNu = 2.0 + 0.6 ( ρPG
μf )0.5 ( CPμf
kf ) 1/3 (6-10)
적용 범위 : D = 0.0004 - 5.9 in uair = 0 - 62 ft/sec Tair = 60 - 500 ℉ P = 0.4 - 4.0 atm
(6-10)식을 (6-7)식과 같이 온도차와의 관계로 실험에 의해 나타낸다면 (6-8) 식과같은 관계를 얻을 수 있다.
ln ( ΔT ) = a' t + b' (6-11)