1. 실험 목적밸브의 개폐 각도에 따라 생기는 압력 차를 구한 후 그에 따른 유량계수를 계산한다.밸브의 개폐 각도에 따라 유량계수가 달라지는 이유를 고찰한 후 개폐각도와 유량계수의 관계를 이해한다.2. 실험 순서1. 펌프를 작동시켜 수조에 유체가 흐르게 한다.2. 밸브를 조금씩 돌려 관을 막은 후 그때의 압력 차를 측정한다.3. 2의 과정을 밸브를 다 잠굴 때까지 반복한다.4. 각 밸브의 개폐 각도에 따른 압력 차를 이용하여 밸브 유량계수를 구한다.3. 실험 원리유체가 통과하는 부분인 밸브에서 유체는 내 외부의 형상에 관계없이 입구에서 출구 방향으로 흐르며 이때 유량 계수는 밸브 내부 상태에 따른 압력의 변화와 밸브의 개폐 각도에 따라 유체에 가해지는 압력의 변화와 유량 값에 따라 달라진다.3-1 실험 기본 개념- 밸브의 의미관의 중간이나 관 끝에 결합되어 유체의 양, 압력을 제어하기 위해 통로를 개폐함으로서 유체의 유동을 통과시키거나 막음의 제어를 할 수 있는 제어 장치- 밸브의 사용 목적1. 유량, 압력, 속도 등의 물리량 조절을 위함2. 유체의 이동 방향을 바꾸기 위함- 밸브 유량계수밸브의 유량을 계산할 때 사용하는 수치로써 유량 특성을 표시하는 계수이다.밸브를 통해 단위 압력 당 유체가 손실 될 때의 유량을 나타낸다.3-2 실험에 쓰인 각 밸브의 특징- Gate valve게이트가 상하로 움직여 유체의 흐름을 개폐하는 밸브이며 완전 개폐용으로만 이용된다.밸브의 개폐가 서서히 이루어져 유체에 충격이 거의 가해지지 않는 장점이 있지만 부분 개방 상태에서 사용 시 게이트의 일부분이 유체의 압력을 받아 마모가 발생한다.- Ball valve손잡이를 회전시킴으로써 볼 형상의 디스크가 움직여 유체의 개폐가 90°에서 일어나는 밸브이며 완전 개폐용으로 이용되는 밸브이다. 사용법이 간편하고 기밀성이 우수한 장점이 있지만 부분 개방 상태에서 사용 시 디스크와 시트 링이 마모되는 특징이 있다.- Glove valve유체가 디스크의 아래에서 위로 올라가는 방식의 밸브이며 유르게 가해져 디스크의 손실이 크게 일어나지 않지만 압력 손실이 커 저압의 유체에는 쓰이지 못한다.3-3 실험 공식1. 베르누이 방정식P1-P2= h(ρ1-ρ2)g2. 마노미터에서의 압력 차 계산 식△P= (ρHg-ρwater)*g*△H△P= 압력차 [kg/ms2], ρHg= 수은 밀도 [kg/m3], ρwater=물 밀도 [kg/m3] g= 중력가속도 [m/s2], H= 높이 차[m]비중 값={물체의`비중`값} over {4`[ DEG C]일때`물의`비중`값}={물체의`비중`값} over {1} (비중 값은 무차원수이다.)3. 유량계수 계산 식Cv={Q} over {sqrt {△P/G}}Cv= 유량계수, Q= 체적 유량 [US Gal/min], G= 비중, △P= 압력차 [PSI]4. 실험 준비값이름물리량관 길이1.5 [m]수온18 [℃]동작 유체의 비중0.99853중력가속도9.81 [m/s^2]실험 전 압력관 길이 차이(?h)49 [mm]각 온도에 따른 수은 밀도 표4-1 밀도 값 계산- 각 온도에 따른 물의 밀도 값 표- 보간법을 이용한 18 [℃]일 때 물의 밀도 값 계산X= 0.99823 [g/cm3] -{0.99823-0.99973} over {20-10}*(20-18) [g/cm3]X= 0.99853 [g/cm3]- 18 [℃]일 때 물의 비중 값Y={0.99853`[g/cm ^{3} ]} over {1`[g/cm ^{3} ]} = 0.998535. 실험 값 계산5-1 각 밸브에 대한 실험 값 표1) Gate valve실험 번호개폐각도[°]유량 [LPM]Q [GPM]왼쪽H오른쪽HΔH [mm]ΔH [m]ΔP [kg/ms^2]ΔP [psi]Cv[US gallon/min]1*************.73597693.0427514.1692029205.28248-3135610.56174565.7101810.81491.604368318348.97693-1632560.25634026.420334.935124.*************.03222-921140.114512.8695170.9446110.585767544010.56-11-61500.056645.7852210.9638910.748078634010.56-9-60510.0516778.7009250.9831710.642179724010.56-10-60500.056645.7852210.9638910.7480710814010.56-12-59470.0476247.0381080.9060611.0857911904010.56-11-60490.0496512.8695170.9446110.857192) Ball valve실험 번호개폐각도[°]유량[LPM]Q[GPM]왼쪽H오른쪽HΔH [mm]ΔH [m]ΔP [kg/ms^2]ΔP[psi]Cv[US gallon/min]1*************.7397028.4642314.0728029205.28325-3957200.7295699.3071813.881.416182318246.336278-3556330.63384135.640912.20291.812445427307.92128-2033310.33143995.098166.380963.*************.03265-1702350.23531235.190544.530294.*************.29655-1301850.18524589.405323.56645.4479637543910.29632-66980.09813025.739031.889237.4852628634010.56-1-43420.0425582.4595860.8096711.72719724010.56-24-43190.0192525.3983840.3662817.4356710814010.56-30-42120.0121594.9884530.2313321.939411904010.56-30-42120.0121594.9884530.2313321.93943) Glove valve실험 번호개폐각도[°]유량[LPM]Q[GPM]왼쪽H오른쪽HΔH [mm]ΔH [m]ΔP [kg/ms^2]ΔP[psi]Cv[US gallon/min]1*************19.584318.328022.376769427369.50436-1121480.14819671.524252.853125.6224695363810.032-8-71630.0638373.6893791.21459.0963836453910.296-23-55320.0324253.3025410.6168913.099217543910.296-30-47170.0172259.5669750.3277217.971978634010.56-36-4260.006797.49422650.1156731.0279724010.56-35-4050.005664.57852210.0963933.9883810814010.56-34-3950.005664.57852210.0963933.9883811904211.088-33-3740.004531.66281770.0771139.900175-2 실험 결과 분석- Gate valve게이트 밸브는 3개의 밸브 중 유량계수가 가장 작게 나왔으며 그래프가 개폐 각도 45 [°]까지 선형적으로 올라가다가 그 이후 증가하지 않고 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있었다.- Ball valve볼 밸브는 두 번째로 큰 유량계수를 가지며 그래프 상 유량계수의 상승 폭이 다른 부분에 비해 급격히 증가하는 부분이 있었다.- Glove valve글로브 밸브는 3개의 밸브 중 제일 큰 유량계수를 가졌으며 그래프가 비교적 선형적으로 증가하는 모양을 가졌다.6. 실험에 대한 고찰1) 오차와 측정불확도오차: 측정값-참값을 나타내는데 해당 실험은 참값이 없으므로 오차는 측정 불가능하다.측정 불확도: 측정 결과에 대한 의심을 수치로 나타낸 것- 측정 불확도 a타입에 대한 분석{s} over {sqrt {n}}(s= 표준 편차, n= 반복 횟수)이번 실험에서는 각 밸브에 대한 개폐각도에 대한 유량을 1번씩만 측정하였으므로 a타입에 대한 분석은 의미가 없다.- 측정 불확도 b타입에 대한 분석{a} over {sqrt {3}}(a= 최댓값과 최솟값 사이의 반 범위)이번 실험은 참값이 명확하지 않아 오차율의 아무리 정확히 밸브를 돌렸다 해도 밸브를 정확한 각도에 맞춰 돌리기 못했을 것이다. 이 경우 반 바퀴 주기로 밸브를 돌릴 수 있게 해주는 기계를 이용해 돌렸다면 정밀한 실험이 이루어졌을 것이다.- 측정자의 정확하지 못한 측정관 내부의 조도가 유체의 유동을 원활하게 하지 않아 발생한 압력 차와 실험자가 실험 중 밸브를 돌려 발생 한 압력 차를 측정자가 제대로 관찰하지 못했다.마노미터의 오염, 작게 나와 있는 눈금 등의 이유로 정확한 값을 읽기 어려웠다.이 경우 평소 마노미터를 관리하여 오염을 줄이고 관 내부를 매끈하게 관리했다면 오차가 줄어들었을 것이다.- 실험 중 각 밸브마다 달랐던 회전각도볼 밸브는 한 번 돌릴 때 10 [°], 게이트 밸브는 90 [°], 글로브 밸브는 180 [°]씩 돌려서 실험값을 측정 하였다. 이 경우 실험자의 미숙한 실험으로 똑같은 각도의 오차가 발생을 하였어도 각 밸브마다 돌림 각도가 달라 오차 각도/돌림 각도의 비율이 달라져 오차에 대한 오류 값이 다르게 측정되어 그래프 모양에 영향이 갔다.- 밸브의 노후화로 인한 떨어진 기능게이트 밸브와 볼 밸브는 부분 개폐 상태로 유량 제어 시 시트와 디스크의 일부분이 유체의 압력을 부분적으로 크게 받아 마모되는 단점이 있다. 두 밸브의 경우 오래된 사용으로 밸브와 디스크가 마모되어 실험에 대한 압력 차가 기존보다 크게 발생하여 유량계수의 값에 영향이 생겼을 가능성이 있다.글로브 밸브는 디스크와 유체가 만나기 전 유체의 흐름이 90 [°]로 변형되어 압력이 줄어들고 두 밸브에 비해 유체의 압력을 디스크의 모든 부분이 분산되어 맞아 부분적 마모가 잘 일어나지 않는다. 그 이유로 글로브 밸브는 밸브의 노후화로 인한 압력 차가 크게 생기지 않았을 것이다.-> 이러한 이유들로 게이트 밸브와 볼 밸브의 압력 차가 크게 발생하여 유량계수가 작게 측 정이 되었으며, 글로브 밸브는 두 밸브에 의해 유량계수가 커 보이게 측정이 되었다.3) 밸브가 개방될수록 유량계수가 커진 이유- 밸브의 개방될수록 유체가 흐를.
