Determination of Flow rate, Pressure, Temperature and Velocity

1. Determination of Flow rate, Pressure, Temperature and Velocity A-1조 / 김병섭, 이승준, 김휘문, 윤동준

2. 실험목적 • 연돌(stack)가스의 배출속도 및 유량 측정방법과 정압, 동압, 계기압력의 측정방법을 이해한다.

3. 실험방법 • 가스 온도의 측정 • 압력 측정 • 유속 계산 • 유량 계산

4. 가스 온도(dry-bulb temperature)의 측정 • Glass-tube thermometers (수은온도계) • Bi-metallic thermocouple (열전대) [참고] 본 실험은 Thermocouple을 사용함

5. Thermocouple (열전대) • 열전대란, 종류가 다른 금속선 두 개의 양 끝단을 접속하여 만든 것으로 이 양 긑단 접점에 온도차가 발생할 때 폐 회로에 열기전력이 발생하여 회로에 전류가 흐르게된다. • 이 열기전력의 크기와 극성은 양단의 온도와 두 개의 금속선의 조합에 의해 결정되며 금속선의 굵기 또는 길이에 영향을 받진 않는다. 따라서 특정 열전대의 온도에 따른 열기 전력을 미리 읽을 수 있으므로 온도 측정이 가능하다.

6. Thermocouple의 구조 • 열전대 소선(Thermocouple wires) • 보호관 열전대(Protection tubes) • 단자함 및 단자판(Terminal head and terminal plate) • 전열관

7. 압력 측정 • Bourdon pressure gage • Manometers [참고] 본 실험은 Inclined Tube Manometer를 사용하였음. [방법] 배출원에서 manometer와 pitot tube를 이용하여 정압, 동압, 전압, 절대압력 등을 측정 및 계산한다.

8. Static Pressure, Dynamic Pressure,Total Pressure • 정압(Ps=Static Pressure) : 정압은 기체의 흐름에 평행인 물체의 표면에 기체가 수직으로 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.

9. Manometer • 액주형 압력계는 0.1~200 kPa의 압력범위에서 적용되어, 기압, 차압 및 미차압의 측정 외에 진공압 측정에도 쓰인다. 압력의 절대측정이 가능해, 정밀측정에도 이용할 수 있고, 압력교정용의 기준기로써도 사용된다.

10. Inclined Tube Manometer(경사관형 압력계) ① 사용범위 : 1∼500 mmH2O ② 정 도 : ±0.01 mmH2O ③ 용 도 : 상대압, Draft압력, 미압의 표준으로 사용

11. Inclined Tube Manometer의 구조

12. 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 정밀도를 높일 수가 있다.

13. 유속측정 • Pitot tube • Velocity meter • Orifice meter [참고] 본 실험은 pitot tube를 사용하였음. [방법] pitot tube를 사용하여 동압(ΔP)을 측정하고 유속을 결정한다.

14. Pitot tube • Pitot Tube의 원리는 1972년 프랑스인 PITOT에 의해 고안되었으며, 이 원리는 유체역학이나 유체기계의 성능시험에 많이 사용되고 있다.

15. 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 비압축성유체의 관(TUBE) 내에 흐르는 유속을 알 수 있다. 결국 Bernonulli의 식을 적용하면 비압축성 유체의 유속(V)는 이론적으로 윗 식과 같다.

16. Pitot Tube의 원리(2) • 상기의 식은 이론적인 식이며 실제로는 다음과 같은 실험적으로 구하여진 속도계수와 압력계수를 적용하여 계산한다. [참고] c=유량계수(flow coefficient)

17. 측정지점(Sampling Port)

18. 측정지점(Sampling Port) r2=0.886R r1=0.5R

19. 온도측정 • (1) 온도측정

20. 큰관의 압력측정(동압)

21. 큰관의 압력측정(전압)

22. 작은관의 압력측정(동압)

23. 작은관의 압력측정(전압)

24. 압력 (단위:Inch) ∴ 정압=전압-동압

25. 압력(단위:cm) ∴ 1inch=2.54㎝이므로 Inch Data에 각각 2.54를 곱해주면 ㎝로 환산된다.

26. 압력(단위:mm) ∴ 1㎝=10㎜이므로 ㎝ Data에 10을 곱해주면㎜로 환산된다.

27. 절대압력(㎜H20) ∴ 절대압력(㎜H20)=계기압력(㎜H20)+대기압(㎜H20)

28. 유속측정(1) • Air density(D) ∴D=1.325× PB/T (PB=29.92inHg, T=531.6) [참고] T=460+t(F), F=9/5C+32

29. 유속측정(2) • 유속 (V) 단위(ft/min) ∴에서 Pv는 동압, D는 유속측정(1)의 Air Density

30. 유속 측정(3) • 단위(cm/min)로 단위 변환 ∴1ft=12inch , 1inch=2.54cm

31. 유량측정(실측유량) ∴ Q=A×Vare 이므로 큰관과 작은관의 A(단면적)는 각각 100π, 39.06π이므로 유속(cm/min)을 곱해주면 다음과 같은 값을 구할 수 있다.

32. 유량측정(표준상태에서의 유량) ∴ Qa=A×Vare×(Tstd/Ta)×(Pa/Pstd)이므로 실측 유량 값의 Q값을 Pa=절대압력(㎜H20), Pstd=10332㎜H20, Tstd=293, Ta=295로 보정한다.

33. 유량측정(산소농도의 보정 유량) ∴ Q=Qa ÷ (21-Ostd)/21-Oa 여기에서 Ostd=4%, Oa=8%이다. 표준상태에서의 유량 값에서 좌측의 식에 맞추어 산소보정 값을 대입하여 계산하면 된다.

34. 토의 • 피토튜브는 액체, 기체 등의 유량 측정에 사용가능하나 오물, 이 물질이 함유된 유체의 유량 측정에는 부적합하다.즉 깨끗한 유체의 유량측정에 적합하다. 일반적으로 관로 내의 평균유속을 직접 측정하므로 유량측정 정확도는 ±1.0% 이내로 매우 높은 편이고, 관로 내의 평균유속을 직접 측정하므로 유량계 전후단의 요구되는 직관부 길이는 전단부 5D, 후단부 3D로 매우 짧아 충분하지 않은 공간에서의 설치에 매우 유리하다.하지만 압력의 변화가 거의 없는 20cm의 큰 관에서는 manometer의 눈금 변화가 정확하게 읽혀지지 않아 정확도가 많이 떨어졌다.실험을 통해 관의 크기에 따른 압력과 유속, 유량, 온도와의 관계를 알 수 있었다.

35. 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 차이를 보이는 반면, 반경이 2배정도 적은 작은 관의 유속은 큰 관의 유속에 비해 2배정도 빨라졌음을 알 수 있었다.그리고 유량은 큰 관이 작은 관에 비해 1.4배정도 높게 측정되었다.