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증기압 측정 장치 설계,제작 및 성능평가
2015 기계공학부 종합설계 3조
강현웅, 신원석, 임채혁
1
목차
증기압이란?
필요성
목표
증기압 측정 장치 원리
측정 장치 구성
제작 과정 및 실험 결과
2
0.증기압이란?Vapor pressure
3
증기가 고체나 액체와 동적평형상태에 있을때의 포화 증기압
같은 물질이라도 온도가 높아지면 증기압이높아짐 → 증기압은 온도함수
출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Vapor_pressure
• 습증기란?
– 액체 방울을 부유 상태로 함유하고 있는 증기 ex) 눈에 보얗게 보이는 김, 스팀등
• 건증기란?
– 액체 방울을 수반하지 않고 순수하게 포화증기만으로 되어 있는 것
• 우리가 구하려는 증기압은 건증기압
습증기와건증기구분
발생 시 문제점1) 소음 및 진동 증가2) 부품의 파손3) 수명 단축 및 고장의 원
인4) 펌프의 경우 유량, 효율
감소
0.증기압이란?증기압의 중요성
Cavitation효과
4
http://www.thehulltruth.com/boating-forum/173520-prop-cavitation-burn-marks.html
출처 : http://eswt.net/cavitation
Micro-jet creation through collapsing cavitation bubbles
내용 출처 : http://blog.naver.com/shmul/60142232740
유체의 속도 변화에 의한 압력변화로 인해 유체 내에 공동이 생기
는 현상
펌프나 프로펠러 같은 장치에서발생
1.필요성
액체 별 증기압에 대한 이해와측정에는 실험이 효과적인 학습방법
이에 따라 학부 4학년 기계공학실습실험에 증기압 측정 장치가필요
장치를 직접 제작하는 과정을통해 많은 학습적 효과 획득 기대
5
MINIVAP VPXpert 제품사진
2.목표
현재 시장에 출시되어 있는 상용 증기압측정 장치를 벤치마킹하여 제작
4학년 학부생의 실습 실험에 적합한 정확도와 인터페이스 갖추기
증기압 측정장치 원리의 이해를 돕도록실험메뉴얼 작성
쉽게 구할 수 있는 시료인 물의 DVPE 실험식 도출
6
3.증기압 측정 장치 원리
7
1) Gas saturation method 2) Isoteniscope (static method)
3) Boiling point method 4) Piston expansion principle
출처 : http://www.ltp-oldenburg.de/index.php/vapor-pressures.html출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/Isoteniscope
출처 : D. P. Shoemaker, C.W. Garland and J. W. Nibler,“Experiments in PhysicalChemistry”, McGraw-Hill, New York (1989) 출처 : Eralytics사의 ERAVAP의 제품 설명 자료(pdf)
1) Gas saturation method 2) Isoteniscope (static method)
3) Boiling point method 4) Piston expansion principle
비활성기체를 시료에 주입해 밀려나
오는 증기를 포집한 후 그 질량을 측
정∙이용하여 증기압을 구하는 방법
증기압과 외부에서 가해준 압력이 같
을 때 액주의 높이가 같아지는 점을
이용한 측정방법
외부 압력의 변화에 따른 끓는 점의
변화를 측정해 증기압을 측정하는 방
법
일정 온도 하에 공기가 없는 상태
에서 피스톤을 이용해 팽창시켜 증
기압을 측정하는 원리
3.증기압 측정 장치 원리-4) Piston expansion principle
8
출처 : Eralytics사의 ERAVAP의 제품 설명 자료
액체를 일정량 주입한 후, 일정 온도하에
공기가 없는 상태에서 피스톤을 이용해
팽창시켜 증기압을 측정하는 원리
피스톤 팽창방식이나 중간과정, 팽창비율등에 따라서도 방법이 나뉨
→각각의 방법들은 여러 규격들로 등
록됨
팽창
4) Piston expansion principle
증기압 측정 부분 개략도
3.증기압 측정 장치 원리
9
Triple expansion Method – ASTM D6378
Dissolved air
1:1 1:2 1:4
*장점
Sample의 사전 준비과정(air saturation)을 거칠 필요가 없음증기압을 구할 때 dissolved air의 압력을 계산해주기 때문
① 일정량의 액체를 주입
② 액체와 증기의 비율이 1:1되도록
팽창 후에 부피와 압력을 측정
③ 마찬가지로 1:2 , 1:4 비율로 팽창
한 후 측정
④증기압은 부피에 상관없이 일정한
원리를 이용해 dissolved air의 압력
을 구함
P1 = Pliquid + Pgas1P2 = Pliquid + Pgas2P3 = Pliquid + Pgas3
Gas law : P × V = constant
Pgas1 × V1 = Pgas2 × V2 = Pgas3 × V3
𝐏𝐥𝐢𝐪𝐮𝐢𝐝 = 𝐏𝐚𝐛𝐬 = 𝐏𝟑 − 𝐏𝐠𝐚𝐬𝟑
V1
V2
V3
P1
P2
P3
Pliquid는 습증기 압력
Pgas는 각 단계별 dissolved gas의 압력
DVPE = Pabs – 1.005kPa
습증기의 압력 구함
3.증기압 측정 장치 원리
10
일정 온도 하에 증기압을 측정하기 때문에 측정 장치가 측정한 온도가 아닌 다른 온도에서의 증기압 값을 알고 싶을 경우
Clausius-clapeyron equation식 이용
Clausius-clapeyron equation이란?증기압과 온도는 선형 대응관계가 아닌 비선형임을 알 수 있는데 이 식은 열역학적 관계를이용해 증기압과 온도의 관계를 나타낸 식
증기압&온도 선도
출처 : http://chemistry.umeche.maine.edu/~amar/spring2012/vaporpressure.html
𝐥𝐧 𝐏 = −∆𝐇𝐯𝐚𝐩
𝐑
𝟏
𝐓+ 𝐂
𝐥𝐧𝐏𝟏𝐏𝟐
= −∆𝐇𝐯𝐚𝐩
𝐑
𝟏
𝐓𝟏−𝟏
𝐓𝟐
∆Hvap = 몰 증발열, 액체 1몰을 기화시키는데 필요
한 에너지 (enthalpy of vaporization)R = 이상기체상수
4.측정 장치 구성
11
리니어 엑츄에이터
컨트롤러
작동 스위치
DAQ장비
써모커플
열선
압력 트랜스미터
피스톤 실린더
3way valve 및 호스 연결부
장치 구성도
5.제작 과정 및 실험결과
1) 하드웨어
2) 실험결과 및 고찰
3) 소프트웨어 설명
12
13
5.제작과정 - 하드웨어
리니어 액츄에이터
프레임
3-way밸브
실린더
서모 커플 및 압력 트랜스듀서
서모 커플 및 압력 트랜스듀서
온도 측정을 할 서모 커플을 실린더의 오른편에 조그만 구멍을 뚫고 삽입하고 에폭시를 이용하여 부착함.
압력을 측정할 압력 트랜스듀서도 실린더의 왼편에 구멍을뚫고 탭 작업을 하여 연결함. 실링을 위해 태프론 테이프다수 감음
프레임
연구실의 있는 바닥판과알루미늄 프레임, 나사 등을 이용하여 고정 프레임제작, 고정
흔들림을 최소화 하기 위해 그림처럼 바닥에 3개의고정핀을 설치
3-Way 밸브
시료의 주입과 배출을 위해 3-Way 밸브 설치. 원하는 방향으로 잠그고액츄에이터를 작동시키면 압력의 변화에 의해 시료의 주입과 배출이이뤄짐.
주입 시 배출 시측정시
리니어액츄에이터
프레임의 윗부분에 고정핀을 설치하고 나사와 볼트를 이용하여 고정
실린더
바닥에 구멍을 뚫어 나사와 볼트로 고정한 후에 M8X1.25 탭 가공을 한 리니어 액츄에이터의 끝 부분과 연결
열선
온도 유지를 위한 열선을실린더 주위에 감음
5.제작과정 - 하드웨어
14
Pressure Transducers Calibration
Hand pump와 Calibrator를 이용해 압력 트랜스미터의 calibration 과정 거침
전류[mA] 압력gage[bar] 압력gage[kPa]
4.33 0.19 19.25175
4.38 0.225 22.79813
4.47 0.28 28.371
4.58 0.353 35.76773
4.65 0.4 40.53
4.78 0.478 48.43335
4.86 0.525 53.19563
5.02 0.627 63.53078
5.24 0.766 77.61495
Pgage = 63.846x - 256.87
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4
압
력[
k
P
a]
전류 [mA]
압력 트랜스미터 calibration
5.제작과정 - 하드웨어
15
3. 피스톤 내부 부피 계산 – 팽창 높이 설정
16mm
20mm
55mm
4.6mm
3.8mm
10mm
5mL의 시료 주입할 경우 높이 계산
측정 액체의 부피 = 입구 쪽 호스 안 액체 부
피
+ 피스톤 내부 액체 부피
5mL = 0.703mL + π × 0.52 × 1 + π × 12 × h
= 0.703mL + 0.785mL + π × 12 × h𝐡 = 𝟏. 𝟓𝟔𝐜𝐦
10+15.6 =
25.6mm
입구 쪽 호스 안 액체 부피
호스 내경 : 3.8mm
π × 0.192 × 6.2 = 0.703cm3
= 𝟎. 𝟕𝟎𝟑𝐦𝐋
62mm
5.제작과정 - 하드웨어
16
3. 피스톤 내부 부피 계산-팽창 높이 결정
20mm
55mm
4.6mm
3.8mm
첫번째 팽창 높이 H1
첫번째 팽창 높이 H1 결정
두번째 팽창 높이 H2
세번째 팽창 높이 H3
두번째 팽창 부피 (1:2상태) = 피스톤 내부 부피5mL = π × 12 × H2
∴ H2 = 1.59cm
세번째 팽창 부피 (1:4상태)= 피스톤 내부 부피10mL = π × 12 × H2
∴ H2 = 3.18cm
첫번째 팽창 부피(1:1상태) = 압력 트랜스미터 안쪽 부분 부피 + 피스톤 내부 부피 + 밸브 안쪽에 있던 공기 부피
5mL = π ×0.46 + 0.38
2
2
× 5.5 + π × 12 × H1 + 0.68mL
= 0.762mL + π × H1 + 0.68mL
∴ H1 = 1.13cm
5.실험 결과
17
실험 1 - Water
45℃ 에서의 증기압 측정
평균[kPa] 이론값[kPa] 편차[kPa]
8.874 9.583 0.709
15회의 반복 실험 후 해당하는 Data을 통해 DVPE식 도출
실험 2 - Ethanol
45℃ 에서의 증기압 측정
5회의 반복 실험 후 이론 값과 실험 평균값의 차이를 이용해 DVPE
식 도출
DVPE = Pabs + 0.709 [kPa]
DVPE = Pabs − 1.371[kPa]
5.실험 결과
18
(Water) 측정온도: 𝟒𝟓℃
1회 2회 3회 4회 5회 6회
1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4
Pabs[kPa]
53.5 35.1 23.1 47.8 30.2 20.1 47.1 29.3 19.3 47.029.95
19.45
47.19
29.67
19.75
47.38
29.79
20.21
PPA[kPa]
14.7007 11.3719 10.8869 12.2337 10.8361 10.1675
VP[kPa]
8.4593 8.752 8.453 7.216 8.9138 10.0428
DVP[kPa]
9.1683 9.462 9.1620 7.9252 9.6228 10.7514
오차율[%]
4.3273 % 1.2721 % 4.392 % 17.298 % 0.4115 % 12.1958 %
이론 값 P=9.583kPa
5.실험 결과
19
(Water) 측정온도: 𝟒𝟓℃
7회 8회 9회 10회 11회 12회
1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4
Pabs[kPa]
48.13
30.57
20.37
47.51
30.36
20.36
49.1 31.4 20.447.44
30.34
20.31
48.42
30.95
20.346.93
30.14
20.23
PPA[kPa]
11.3624 11.1728 13.0404 11.2583 12.3292 11.1785
VP[kPa]
9.00756 9.1871 7.389 9.0516 7.9707 9.0514
DVP[kPa]
9.71656 9.8961 8.0985 9.7606 8.6797 9.7604
오차율[%]
1.3937% 3.2678 % 15.4901 % 1.8539 % 9.4257% 1.8513 %
이론 값 P=9.583kPa
5.실험 결과
20
(Water) 측정온도: 𝟒𝟓℃
13회 14회 15회
1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4
Pabs[kPa]
47.61
30.14
20.447.33
30.21
20.53
47.32
30.5 20.79
PPA[kPa]
10.7767 10.5628 10.7649
VP[kPa]
9.6232 9.9671 10.0250
DVP[kPa]
10.3322 10.6761 10.7340
오차율[%]
7.8182% 11.4070 % 12.0109 %
이론 값 P=9.583kPa
평균약 7% 오차를보임
5.실험 결과
21
(Ethanol) 측정온도: 𝟒𝟓℃
1회 2회 3회 4회 5회
1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4 1:1 1:2 1:4
Pabs[kPa]
59.88
44.31
33.95
57.47
42.11
33.46
57.79
42.47
34.46
59.11
43.89
35.19
58.89
42.63
33.78
PPA[kPa]
12.9275 9.4103 7.9467 9.5724 9.3884
VP[kPa]
21.0244 24.0496 26.6932 25.6176 24.3916
DVP[kPa]
20.0744 23.0446 25.6882 24.6176 24.3916
오차율[%]
12.56% 0.65% 12.20% 7.50% 2.15%
이론 값 P=22.984kPa
5.실험 결과
22
(Ethanol) 측정온도: 𝟒𝟓℃ 이론 값 P=22.984kPa
0
5
10
15
20
25
30
0 1 2 3 4 5 6
건증기압
[kPa]
실험 횟수
Ethanol
DVP [kPa]
이론값 [kPa]
평균약 6% 오차를보임
• 예상되는 Uncertainty 요인
①피스톤 올라가는 높이에 대한 측정 오차
②압력 트랜스미터와 열전대의 측정 오차
③압력 트랜스미터 작동과 보정 시에 ensemble
average에 따르는 오차
④고려되지 않은 Dead Volume에 의한 오차
23
5.실험 결과 고찰
5.실험 결과 고찰열선에 의한 온도 변화의 폭은 Maximum 0.5℃미만
다만 정밀 온도조절의 한계점 실험 시작 및 종료 시의 온도에 주목!
24
온도[
]
압력[k
P
a]
DAQ장비로 입력 받은 전압과
전류를 랩뷰를 통해 각각 온도
와 압력으로 출력
느린 동시측정 속도가 문제
25
5.제작과정-3) 소프트웨어
감사합니다.
Q&A
26