유체의 밀도가 관계하므로 반드시 온도가 고려되어야 한다. U자관 대신 한 개의 유리기둥을 액체가 담겨 있는 용기에 세워 놓은 웰(well)형 마노미터는, 용기에 작용하는 압력의 크기에 따라 유리기둥 내의 액체의 높이가 달라지는 것을 이용하여 압력을 측정하는 장치이다. U자관과 달리 높이 차이를 읽을 필요가 없이 한 개의 액체 기둥의 높이만을 읽으면 되므로 편리하다.
< 용기 마노미터 >
3) 경사 마노미터(inclined-type manometer) : 거리의 증폭효과를 고려한 마노미터. 작은 압력도 쉽게 측정하기 위하여 유리기둥 중 한 개를 비스듬히 세워 놓아 작은 압력 변화에도 액체 기둥의 길이가 많이 변하도록 한 경사 마노미터(inclined manometer)가 있다.
경사형 마노미터의 경우 이므로 , 압력차가 작아도 크게 읽어진다.
- = ( )
<경사 마노미터>
6. 손실두
- 손실두는 유체가 관을 통하여 이동할 때 관내 마찰이나 굴곡 또는 위치차이로 인하여 손실되는 에너지를 물의 위치에너지로 바꾸어 나타내는 것이다. 간단히 예를 들어 설명하면 투명한 호스에 물을 넣고 양끝의 수면이 같게 수평으로 놓으면 양쪽의 수면이 같게 된다. 이때 한쪽으로 물이 흘러넘치게 하려면 한쪽에 수압을 가하든지 높이를 조금 높게 해야한다. 이 때, 가해지는 압력이 바로 관내마찰로 인한 수압차다. 이것을 손실수두라 한다. 손실수두는 굴곡이 심하거나 관의길이 형상등이 매끄럽지 않거나 하면 저항이 증가하여 손실수두가 커지게 된다. 손실수두가 크면 클수록 한쪽으로 물을 흘려 보내려면 많은 압력 즉 에너지가 필요하게 된다.
- (1)
(P : 압력, V : 유속, Z : 물의 높이, γ : 단위 부피당 물의 중량, g : 중력의 가속도)
단면에 있어서의 압력수두, 속도수두 또는 위치수두의 합은 일정하고, 하나의 관로에 지점에서 다음식이 성립된다.
- (2)
위식은 관로중의 한 점에서 다른 점으로 흐르는 동안 물의 관벽간의 마찰저항으로 인해 일부소모된다. 이때의 이 손실수두이다. 이 식에서 각 항은 흐르는 유체의 단위중량당 에너지의 차원을 갖는다. 그러면 의 실제 차원은 L 또는 m(미터)이다. 수두손실이라는 용어가 보편적으로 사용되었기 때문에 는 (단위 중량당 또는 단위길이당 에너지의 차원) 혹은 (단위 질량당 에너지의 차원)이 언급될 때 사용된다. 만일 수두 손실이 결정될수 있다면 파이프 장치내의 두지점에서의 압력차이를 구할수 있다
- 수두 손실의 계산
a. 주손실 (마찰 손실)
단면적이 일정한 파이프 내의 완전히 발달된 유동에서 마찰효과에 기인한 손실수두. 위의 (2) 식은 에너지 평형은 주수두손실을 계산하게 해준다. 단면적이 일정한 파이프 내의 완전히 발당될 유동에서 부차적손실 = 0 이다 . 그리고 이다. 그러므로 식 1은 다음과 같이 된다.
파이프가 수평일 경우에는 이 된다.
주손실은 일정한 수평 파이프를 통과하는 완전히 발달된 유동에 대한 압력손실로 나타낼수 있다. 수두손실은 마찰효과에 의하여 기계적 에너지가 열에너지로 변환되는 것을 나타내므로, 단면적이 일정한 덕트 내의 완전히 발달된 유동에 대한 수두손실은 단지 턱트에 통과하는 유동의 상세한 특성에 따라 결정된다. 수두손실은 파이프 방향과는 무관하다.
ⅰ) 충류 유동
: 층류 유동에서의 수평 파이프 내의 완전히 발달된 유동에 대한 압력강하는 해석적인 방법으로 구할 수 있다. 관내의 유속, 유속분포, 압력강하, 마찰력분포 등의 관계를 유도 (마찰 손실)에 층류조건인 대입하면,
(L:관의 길이, D:관의 직경, V:평균 유속, ρ: 유체밀도, μ: 점성계수)
평균유속과 최대유속의 관계 : 이 된다.
ⅱ) 난류운동
: 난류운동에서는 압력강하를 해석적인 방법으로 구할 수 없다. 실험적 결과에 의존해야만 하고, 실험 자료를 서로연관시키기 위해 차원해석법을 이용한다. 단면적이 일정한 수평 파이프의 완전히 발달된 난류운동에서 마찰 영향에 기인하는 압력강하 는 에 따라 결정되는 것으로 알려져 있다. (마찰손실)에 난류조건인 을 대입하면 다음 식이 성립한다.
b. 부차적 손실
- 흐름단면의 급변화(단면의 확대/축소, 만곡부, 엘보우, 벨브, 분류 등)로 인한 손실.
(Darcy-Weisbach 공식)
- 유입부 손실수두:
{← Ki는 유입부 형태에 따라 변하며, 직각(Ki=0.5), 돌출(Ki=1.0)}
- 단면급확대 손실 : 급확대부분의 와류로 인한 손실, 연속 Bernoulli 운동량방정식
물이 관수로에서 큰 수조로 유출시 이므로
- 단면급축소 손실 :
7. 플랜지
- 파이프의 결합 방법에는 영구결합법과 분해식 결합법이 있다. 영구결합법에는 용접이음과 납땜이음이 있는데, 내용물이 새어 나오지 않으며, 유지비나 설비비가 절약된다. 분해식 결합법은 관로에 파손이 생겨 분해해야 될 경우에 사용한다.
플랜지는 관의 결합 방법중의 하나로서, 분해식 결합법에 해당한다. 플랜지는 주로 유리나 주철 처럼 깨지기 쉬운 재질로 만든 관에 사용한다. 주로 2in 이상되는 관은 주로 플랜지나 용접에 의해 연결한다. 플랜지는 금속판이나 고리를 서로 마주보게하여 볼트로 죄는 것이다. 두 면 사이에는 개스킷을 끼운다. 플랜지 자체를 관에 붙일때는 나삿니를 파서 끼우거나 용접 또는 땜질을 한다. 관을 막는데 사용하는 플랜지는 블라인드 플랜지 또는 블랭크 플랜지등이 사용된다. 환경보호 법규에는 플랜지나 나사 연결 부위를 휘발성 물질의 방출원으로 본다. 이와같이 플랜지는 연결이 간단하고 관의 보수가 쉬운장점을 가지고 있지만, 용접에 비해 누출이 많다.
■ 참 고 문 헌
-‘Transport Processes & Unit Operation' 서명교, 송주영, 최용희 역
도서출판 대웅 1997
- 화학공학 대사전/김규진/ 집문사/ 1995.3.5
- Mass Transfer and its Applications/Warren L. McCabe/Mcgraw-Hill
- http://sfel-nt.soongsil.ac.kr/lod/fcn-et/press.html