배관 유속의 계산방법
배관을 설계할 때는 안으로 흐르는 유체의 유속이 매우 중요 합니다. 유속이 너무 빨라지면 마찰에 의해 에너지가 손실되어, 압력 손실이 커지거나, 기기의 수명을 단축시켜 버립니다.
압력 손실이 크면, 사용처에서 원하는 유량을 확보하지 못하고, 기기의 능력이 저하됩니다.
이번에는 배관 유속의 기본적인 개념에 대해 정리해 보겠습니다. 실제로 실무에서 배관을 설계하시는 분은 계산 소프트웨어 등을 이용할 것으로 생각합니다만, 소프트웨어의 계산 로직을 알아 둔다는 의미에서도 중요합니다.
1. 배관 유속의 계산방법
배관 유속은 다음 세 단계로 계산할 수 있습니다.
①체적 유량을 계산.
②배관의 단면적을 계산.
③체적 유량을 단면적으로 나눈다.
각각 하나씩 확인해보도록 하겠습니다.
1-1. 체적 유량을 계산한다
유체에는 체적 유량과 질량 유량이라는 두 가지 방식이 있습니다.
체적 유량의 단위는 m3/h, 질량 유량의 단위는 kg/h 이 됩니다.
예를 들면, 1 t/h의 물을 흘렸을 경우는 체적 유량 약 1 m3/h, 질량 유량 1000 kg/h가 됩니다. 물의 경우는 압력이 변해도 비체적(m3/kg)은 거의 변하지 않으므로 특별히 고려하지 않아도 문제 없습니다.
단, 공기, 가스, 증기 등을 흘려 보내는 배관을 설계하는 경우는 압력에 의해 비체적이 변동되므로 주의가 필요합니다. 배관내의 압력을 고려하여 비체적값을 입력해야 합니다.
질량 유량에서 체적(부피) 유량으로 변환하려면 다음과 같은 계산을 실시합니다.
체적유량 [㎥/h] = 비 체적 [㎥/kg] × 질량 유량 [kg/h]
이를 통해 시간당 흘려 보내고 싶은 유체의 체적(부피)을 알 수 있었습니다. 이것을 3600 [s]으로 나누면 초당 흐르는 양을 계산할 수 있습니다.
1-2. 배관의 단면적 계산
다음으로 배관의 단면적을 계산합니다.
예를 들어 1인치 25A의 경우, 배관의 내경은 스케줄 40의 경우 27.2mm (0.0272m) 입니다.
이 때의 단면적을 다음 식으로 계산할 수 있습니다.
단면적 [㎡] = 내경 [m] × 내경 [m] × (π÷4)
일반적인 원 면적을 구하는 방법입니다.
이 식에 대입하면 25A 의 경우는 0.000581 ㎡가 됩니다.
1-3. 체적 유량을 단면적으로 나눕니다
배관유속은 다음 식으로 계산할 수 있습니다.
배관 유속[m/s] = 체적 유량 [㎥/s] ÷ ㎡
이것으로 배관내의 유속을 계산할 수 있었습니다.
2) 실제로 계산해보겠습니다.
문제: 1000 kg/h 의 물을 25A 의 배관으로 흘려 보내면 유속은 얼마나 되는가?
물의 비체적은 압력에 관계없이 0.001㎥ = 1kg으로 한다.
이 경우, 1000 kg/h 를 3600으로 나누면 0.278 kg/s 가 됩니다. 이것을 체적으로 변환하면 0.000278 ㎥/s 가 됩니다.
25A 배관의 단면적은 0.000581 ㎡ 이므로 이것으로 나누면 약 0.49 m 임을 알 수 있습니다.
이와 같이 다양한 조건에서 유속을 계산하면서 적절한 배관경을 선정합니다.
3) 마무리
l 체적 유량과 배관 단면적을 알면 유속을 알 수 있다
l 기체의 경우는 비체적이 변하기 때문에 압력이 중요
l 유속을 보면서 배관계를 결정
간단히 배관 유속을 구하는 방법을 알아 보았습니다.
실제로는 유속뿐만 아니라 압력 손실 등도 계산하면서 배관 설계를 하지만 우선은 유속을 보고 문제가 없는지 확인하는 것이 중요합니다.
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