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오리피스 유량과 차압 평가A좋아요

오리피스 유량과 차압주제: 오리피스유량과 차압내용: 유압장치 오리피스(Orifice)의 유량(Flow Rate)과 차압(Pressure Drop)과의관계에 대한 실험교육기자재: 비중계, 가변유압펌프, 인버터모터, 오리피스, 로타메터(터빈 유량계),압력게이지, 압력센서, PC 외1. 실험목적유공압 부품의 내부유동에는 오리피스 유동, 모세관 유동, 관로 유동 등이 있다. 그 중 각종 제어밸브의 유동은 오리피스 유동으로 해석할 수 있다. 본 실험의 목적은 유체가 오리피스를 통해 유동할 때 유량과 차압과의 관계를 실험을 통해 확인하고 오리피스 유동의 중요 매개변수(Parameter)인 유량계수(Fluid Coefficient)를 측정하는 데 있다.2. 이론적 배경o 질량 보존의 법칙o 베르누이 (Bernoulli) 방정식질량 보존의 법칙 : rho_1 V_1 A_1 = rho_2 V_2 A_2~베르누이 방정식 : P_1 + {rho_1 V_1^2} over 2 = P_2 + {rho_2 V_2^2} over 2~액체는 비압축성 유체로 분류하며 비압축성 유체라는 것은 밀도의 변화가 크지 않아 이의 변화가 유량 측정에 미치는 영향을 무시할 수 있다는 것을 의미한다. 즉 rho_1 = rho_2 = rho~이다. 따라서 위의 질량 보존의 법칙 및 베르누이 방정식은 아래와 같이 표현할 수 있다.질량 보존의 법칙 : V_1 A_1 = V_2 A_2~베르누이 방정식 : P_1 + {rho V_1^2} over 2 = P_2 + {rho V_2^2} over 2~V_2 = 1 over {sqrt{1-(A_2 /A_1 )^2}} sqrt{ {2 (P_1 - P_2 )} over rho}~부피 유량은 유속에 단면적을 곱하면 구할 수 있다.Q_v = {A_2} over {sqrt{1-(A_2 /A_1 )^2}} sqrt{ {2 (P_1 - P_2 )} over rho}~위의 식에서 (P1 - P2)는 단면 A1과 A2 사이의 압력차이(차압)를 가리키며, 1 / {sqrt{1-(A_2 rge coefficient, Cd)라는 개념을 도입하여야 한다. 유출계수는 아래와 같이 정의된다.유출계수 (C_d ) = {실제~ 유량} over {이론~ 유량}따라서 식을 다시 쓰면 아래와 같이 된다.Q_v = C_d E A_2 sqrt{ {2 Delta P} over rho}~오리피스 유량식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Q= { C}_{d }A SQRT { { 2} over { rho } DELTA P }(1)식 (1)에서 Q는 유량,{ C}_{d }는 유량계수,A는 오리피스 개도 면적,rho는 밀도,DELTA P는 오리피스 입,출구 양단의 차압력(압력강하)이다.그림1: 오리피스 형상{ C}_{d }값은 다양한 상류조건을 조합시킨 몇 가지의 특정한 오리피스 형상에 대하여 실험적으로 결정되어 있다. 이러한 실험 데이터의 상관관계는 레이놀즈 수를 기준으로 하고 있다.칼날 오리피스(sharp edged orifice)의 경우에 있어서 레이놀즈 수에 따른 오리피스 유량계수의 변화를 나타내고 있다. { C}_{d }는 레이놀즈 수가 4000이상일 때 대략 0.61이 된다.그림2 : 오리피스 유량계수* 레이놀즈 수유체유동에서 유체입자들이 층을 이루면서 안정된 진로를 따라 움직일 때를 층류(laminar flow)라 하고, 이와 반대로 움직일 때, 즉 유체입자들이 대단히 불규칙적인 경로로 움직일 때 난류(turbulent flow)라 한다. 유체의 평균속도를 V , 관의 내경을 d, 유체의 밀도와 점성계수를 각각 ρ와 μ라고 하면 레이놀즈수를 다음과 같이 나타낼수 있다.그런데그러므로여기서 는 동점성계수(m2/s)이다. 층류에서 난류로, 또는 난류에서 층류로 천이할 때의 유속을 임계 속도라 하고, 그 때의 레이놀즈수를 임계레이놀즈수라고 한다.층류에서 난류로 바뀔 때의 레이놀즈수의 값을 상임계레이놀즈수라 하고, 난류에서 층류로 바뀔 때의 레이놀즈수를하임계레이놀즈수라 한다.그림. 파이프내의유동형태3. 실험장치의 설명Fig. 1 Schematic of experimenta정한 용적체적(Volumetric Displacement: 1회전 당 토출유량)을 유지할 수 있다. 따라서 펌프 토출유량은 다음 식 (2)와 같다.{ Q}_{ p}= { D}_{ p} omega(2)식 (2)에서 { Q}_{ p}는 펌프 토출유량, { D}_{p }는 용적체적, omega는 회전속도이다.펌프에 의해 토출된 유량은 유량계와 가변스로틀밸브를 거쳐 저유기(Reservoir)로 회유된다. 유량계의 양단에는 압력센서(Pressure Transducer)가 2개(#1, #2) 부착되어, PC로 데이터가 로깅(Logging) 시간계(Time domain)에서의 압력변화를 읽을 수 있다.4. 실험 및 질문1) 유압유 시료의 비중을 비중계로 측정한다. 시료의 비중을 밀도로 단위 변화하여 계산한다.질문: 유압유의 비중과 밀도는 얼마인가? 밀도의 단위는 식 (1)의 차원을 만족하여야 한다.비중(SG): 0.86 물 밀도:밀도:2) 가변 스로틀밸브를 완전히 연(Open) 상태에서 펌프의 회전속도를 200rpm으로 조정한다. 유량계에 게시된 유량과, 유량계 양단의 압력(변동압력의 평균값을 취함)을 읽어 기록한다.유량(Q)=질문: ① 유량계의 유량-압력계수(Flow-pressure coefficient) { K}_{flowmeter} = { ({ C}_{d} { A} )}_{flowmeter }는 얼마인가?(1)식을 이용하여Q= K SQRT { { 2} over { rho } DELTA P }K= {Q } over {SQRT { { 2} over { rho } DELTA P } }K= {Q } over {SQRT { { 2} over { rho } DELTA P } } ={ 55.83cm^3 /sec} over {sqrt{{ 2} over {8.7578*10^-7 k_g f.sec^2 /cm^4 }*0.4034 K_g f/cm^2 }}=0.05817cm^2② 가변 스로틀밸브의 유량-압력계수(Flow-pressure coefficient) { K}_{throttleval증가시키며, 2)와 같이 유량과 압력을 측정하여 기록한다.200rpm일때유량(Q)=300rpm일때유량(Q)=400rpm일때유량(Q)=500rpm일때유량(Q)=질문: ① 식 (2)에 의한 이론적 펌프유량과 실제 측정된 유량을 회전속도에 따라 그래프로 비교하여 나타내라. 이론과 실험결과 간에 어떤 차이가 있는지 설명하라.이론적 펌프유량{ Q}_{ p}= { D}_{ p} omega가변 피스톤 펌프 { D}_{ P}=0.022l/m회전속도 유량이론적 펌프유량측정된 유량200rpm4.43.35300rpm6.65.42400rpm8.87.54500rpm119.70이론적 펌프유량과 실제 측정된 유량이 차이가 나는 이유는 펌프로 부터의 축일이 유압유 내에서 유용한 기계적 일로 변환되는 과정에서 손실이 발생하게 된다. 이 변환과정에서 명백하게 알 수 있는 손실중의 하나는 내부누설(즉, 펌프의 배출측으로부터 흡입측으로의 슬립유량)로서 증명되며 펌프의 체적효율 값으로 나타난다. 이러한 특정 손실은 가압된 유체가 펌프의 흡입측으로 유실되기 때문에 전달시스템의 압력에너지의 손실분이 된다. 또 다른 중요한 손실부분은 펌프의 기계적 구조 및 열화 (예컨대. 지지하중, 미끄럼부재 및 회전부재의 마찰, 및 운동전달기구의 형식)로 인하여 발생될수 있다. 이러한 손실은 펌프의 기계적 효율의 감소로 나타나며 궁극적으로는 기계적 에너지보다도 열 에너지의 발생으로 나타나게 된다.②각 회전속도에서의 유량계의 유량-압력계수와 가변 스로틀밸브의 유량-압력계수를 구하라. 펌프 회전속도(즉, 토출유량)의 증가에 따라 유량-압력계수는 일정한가? 아니면 어떠한 변화가 있는가? 그 이유를 설명하라.K= {Q } over {SQRT { { 2} over { rho } DELTA P } }위의 식을 이용하여 유량-압력계수를 구하면 다음과 같다.회전속도 유량압력계수(K)유량계의 유량-압력계수스로틀밸브의유량-압력계수200rpm0.058170.01953300rpm0.063360.02974400rpm0.069560.0383면 레이놀즈수를 다음과 같이 나타낼수 있다.위 식에서 보듯이 유속이 증가하게 되면 레이놀즈 수가 증가한다. 그렇게 되면 { C}_{d }값이 증가하게되고 그로 인해 유량-압력계수도 증가하게된다.4) 펌프 회전속도를 200rpm으로 바꾸고, 가변 스로틀밸브를 서서히 잠궈 펌프 토출부의 압력(압력센서#1, 혹은 압력게이지)이 20 { kg}_{f }/ { cm}^{2 }이 되도록 한다.NOTE: 유량계수는 Reynolds 수의 함수로써 날카로운 모서리 오리피스(Sharped -edged orifice)를 통과하는 난류유동의 경우, 유량계수는 약 0.61로 일정하다. 그러나 층류유동의 경우에는 일정한 값을 유지하지 않고 변동한다.유량(Q)=질문: ① 유량계의 유량-압력계수와 가변 스로틀밸브의 유량-압력계수를 구하라.유량계의 유량-압력계수K= {Q } over {SQRT { { 2} over { rho } DELTA P } } ={ 55.17cm^3 /sec} over {sqrt{{ 2} over {8.7578*10^-7 k_g f.sec^2 /cm^4 }*0.402 K_g f/cm^2 }}=0.05758cm^2가변 스로틀 밸브의 유량-압력계수K= {Q } over {SQRT { { 2} over { rho } DELTA P } } ={ 55.17cm^3 /sec} over {sqrt{{ 2} over {8.7578*10^-7 k_g f.sec^2 /cm^4 }*19.54 K_g f/cm^2 }}=0.008259cm^2② 스로틀밸브를 완전히 열었을 때(실험 2))에 비해 유량-압력계수는 어떠한 변화가 있는가? 만약 실험 2)에서의 유량계수와 실험 4)의 유량계수가 같다고 한다면 스로틀밸브 개도는 실험 2)에 비해 몇% 줄어든 것인가?유량계의 유량-압력계수는 변화가 거의 없으나 가변 스로틀밸브의 유량-압력계수는 많이 줄어들었다. 그 이유는 스로틀밸브를 서서히 잠궈 오리피스 개도 면적(A)이 줄어 들었기 때문이다. 이에 압력차가 많이 발생하였다.K2(20 { kg}_{f하라.

공학/기술| 2003.09.26| 13페이지| 1,000원| 조회(3,680)

유량, 오리피스, 베르누이, 레이놀드수, 차압

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