증기압 측정 장치 설계,제작 및 성능평가

2015 기계공학부 종합설계 3조

강현웅, 신원석, 임채혁

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목차

증기압이란?

필요성

목표

증기압 측정 장치 원리

측정 장치 구성

제작 과정 및 실험 결과

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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!

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온도[

]

압력[k

P

a]

DAQ장비로 입력 받은 전압과

전류를 랩뷰를 통해 각각 온도

와 압력으로 출력

느린 동시측정 속도가 문제

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5.제작과정-3) 소프트웨어

감사합니다.

Q&A

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