현장의 압력 손실을 억제 대책의 중요 포인트와 계산 방법

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- 순서 목차 -

1. 배관 내의 유체에 압력 손실이 발생하는 이유와 원인은?

2. 흐름의 상태에 따라 달라집니다! 유체 마찰에서 압력 손실을 구하는 방법

3. 배관 계통의 다양한 도관 요소에서 발생하는 압력 손실 요약

4. 압력 손실을 줄이고 낭비되는 에너지 비용을 줄이는 방법?

 

1. 배관 내의 유체에 압력 손실이 발생하는 이유와 원인은?

보일러로 만든 증기는 배관을 통해 소정의 공장 설비에서 사용됩니다. 그 때, 긴 관로 내에 증기(유체)가 흐르면 상류측의 압력에 비해 하류측의 압력이 저하해 갑니다. 이것이 "압력 손실"이라고 불리는 현상입니다. 압력이 저하된다는 것은 그만큼의 일을 빼앗겨 에너지를 잃는 것과 같은 의미가 됩니다.

 

그렇다면 “압력손실” = “에너지”가 빼앗기는 원인은 무엇일까요? 유체 자체의 점성(점착성), 배관 표면의 거칠기(마찰), 유체의 속도, 소용돌이와 유동의 혼란 등 여러 요인에 의해 압력 손실이 일어난다.

 

비록 이야기가 됩니다만, 자신을 유체(물)의 한 입자라고 생각해, 수영장에서 걷고 있다고 가정합니다. 그 때 빠른 발로 걸으려고하면 저항을 받아 체력을 소모합니다. 또, 풀의 벽에 몸을 문지르거나, 곡선을 따라 방향을 바꾸면서 걷거나, 풀에 끈적끈적한 기름(점성이 높은 유체)을 넣으면, 걷기 어려워져 피곤해 버립니다. 몸이 지치는 것은 에너지를 사용하는 증거입니다.

이런 작용이 배관 내에서도 일어나고 있다고 이미지화 하면 이해가 빨라질겁니다.

 

2. 흐름의 상태에 따라 달라집니다! 유체 마찰에서 압력 손실을 구하는 방법

여기까지의 이야기를, 조금만 수식을 사용해 표현해 봅시다. 간단하게 생각하기 위해, 아래 그림과 같이 무한히 긴 직선 원관로를 상정합니다.

이때 유체의 마찰에 의한 압력 손실의 기본식은 다음과 같습니다.

 

【압력 손실의 기본식】(직관로)​

P1-P2=ΔP=λ(l/d)(ρv2/2)

(ΔP: 압력 손실 λ:관 마찰 계수 L:배관 길이 d:배관 직경 v:평균 유속 ρ:유체 ​​밀도)

 

여기서 λ(관마찰계수)는 방금 전 비유와 같이 관내벽의 요철이나 흐름의 상태에 따라 달라지는 값입니다. 그럼, 이 흐름의 상태란, 도대체 어떤 것일까요?

 

흐름이 느린 물에 잉크를 연속적으로 떨어뜨리면 선형 근육을 그려 흐릅니다. 이 상태를 "층류"라고합니다. 그러나, 서서히 흐름을 빨리 해 나가면, 후방에서 흐름이 흐트러지기 시작해 소용돌이가 생겨, 더욱 불규칙한 흐름으로 변화해 갑니다. 이것이 "난류"라고 불리는 상태입니다.

 

층류인가? 난류인가? 의 확인을 하기 위해서, 「레이놀즈수」(Re)라고 하는 단위 없는 무차원수가 이용됩니다. 이 레이놀즈 수는 흐름의 상태를 나타내는 수치이며 다음 식으로 표시됩니다.

 

Re=Vd/ν

(V:유속, d:관내경, ν:동점도)

 

유속이 어느 범위(이 수치에는 폭이 있습니다)가 되면, 층류로부터 난류로 천이합니다. 그 변화(임계 레이놀즈 수)는 2000~3000 정도의 값입니다.

 

그리고 λ는 층류와 난류의 경우에 따라 다음 식으로 표시됩니다.

 

<층류> λ=64/Re

＜난류＞ λ＝0.3164/Re－1/4

 

이제 방금 전 압력 손실 방정식으로 돌아갑시다.

 

ΔP=λ(l/d)(ρv2/2)

 

압력 손실은, 유속 v의 제곱으로 효력이 오므로, 유속의 영향이 상당히 크지만, 거기에 λ의 영향도 더해져 오는 것이 됩니다. 또한, 난류시에는 Re가 상당히 영향을 받고, 지수함수적으로 λ가 커지므로, 압력 손실도 매우 커진다.

 

3. 배관 계통의 다양한 도관 요소에서 발생하는 압력 손실 요약

실제 배관계통은 직관로만이 아니다. 예를 들어, 경사진 각도가 있는 관구부나, 도중에 관경이 커지는 급확대관, 반대로 관경이 갑자기 작아지는 급축관 등의 이경 배관에서는, 와류가 발생하여 에너지가 손상됩니다. 또, 이관 직경끼리를 연결하는 「레듀사」나, 「벤드(엘보)」라고 불리는 구부러진 관에서도, 상당한 압력 손실이 생깁니다. 특히 굽힘 각도가 90도이거나 굽힘 반경 R이 작으면 압력 손실이 커집니다.

 

(주): 아래의 해설표의 「벤드(엘보)」를 참조

 

그 외에도 열교환기 등의 기계나 일반적인 유량계를 사용하면 흐름의 일부가 저지되어 압력이 손상됩니다.

 

그래서 참고로, 이러한 각종 관로 요소가 원인으로 생기는 압력 손실에 대해서, 일람표에 정리했습니다. 덧붙여 압력 손실을 계산할 때에 사용되는 ζ(지타)는, 손실 계수의 것으로, 관로의 형상이나 설치 방법에 따라서 다릅니다.

관 입구부 1 입구 수평	관 입구부 2 입구 경사	급확대관 A1→A2 (A1<A2)	급축관 A1→A2 (A1>A2)	감속기 면적 A1/A2 속도 V1-V2	벤드 (엘보)
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V: 평균 속도	V：평균 속도 θ：입구의 경사각	V: 급확대 전 평균 속도 A1: 급확 전 단면적 A2: 급확 후 단면적	V: 급축 후 평균 속도 A1: 급축 전 단면적 A2: 급축 후 단면적	A1: 급확대 전 단면적 A2: 급확대 후 단면적 V1: 확대 전속도 V2: 확대 후 속도	R: 중심 반경 d: 관의 내경 θ: 굽힘 각도 l: 원관의 축 길이
ζ=0.5(입구각 부착) ζ=0.25(입구 모따기) ζ=0.005~0.06 (입구 둥근)	ζ＝ζ0＋0.3COSθ＋ 0.2COS2θ	ζ＝(1－A1/A2) 2	ζ＝(1－A1/A2) 2	ζ：A2/A1과 확산 각 θ로 바뀐다	ζ＝（0.131＋0.1632 （d/R） 3.5（θ/90）
ΔP=ζρV2/2(ρ: 유체의 밀도)				ΔP=ζρ(V1-V2)/2	ΔP=(ζ+λl/d) ρV2/2

4. 압력 손실을 줄이고 낭비되는 에너지 비용을 줄이는 방법?

압력 손실이 발생하면 그만큼 에너지가 손실되고 유량과 유속이 감소합니다. 그렇게 되면 유체가, 본래 사용해야 할 공장 설비 등에 충분히 닿지 않게 됩니다. 그래서 펌프(액체의 경우)나 송풍기·압축기(기체의 경우) 등의 유체 기계에서는 압력 손실을 보충할 만큼의 에너지를 고려하여 가동시킬 필요가 있으며, 그만큼의 에너지 비용이 낭비된다. 합니다.

 

그렇다면 가능한 한 압력 손실을 줄이고 에너지 비용을 줄이려면 어떻게해야합니까?

공장에서 실제로 증기 배관을 설치할 때는 압력 손실을 억제하는 유로를 사전 설계하거나 최적의 밸브나 유량계를 선정하는 것이 포인트가 됩니다.

 

간단하게 생각하는 것은, 배관 길이를 짧게 하거나 배관 직경을 크게 하는 것입니다. 배관 길이를 짧게 하려면 보일러실 근처에 설비를 신설하면 됩니다만, 공장 레이아웃의 제한상 현실적이지 않습니다. 배관 지름을 크게 하면 압력 손실은 억제되지만, 배관 비용이 올라갑니다.

그래서 증기의 경우는 유속이 25~30m/s 정도가 되도록 설계함으로써 배관 비용과 압력 손실의 균형이 좋아지기 때문에 이 수치를 기준으로 배관을 설계한다고 합니다. 압력 손실을 줄이기 위해 전체 배관을 한 번 확인하여 쓸모없는 배관이 남아 있지 않은지 확인하십시오. 그것만으로도 의외로 효과가 있을 것입니다. 또, 어느 적절한 기회가 오면 낡은 배관을 재검토해, 똑바른 배관으로 변경하는 등, 문제가 있을 것 같은 부분을 치환해 봅시다.

 

그 때, 유체의 속도나 유량을 계측하거나, 유체의 상태(품질)를 조사할 필요도 나온다고 생각합니다. 그래서 증기 등의 유량을 측정하는 유량계를 사용하면 편리합니다. 그러나 유량계를 도입할 때 흐름이 흐트러지거나 압력 손실을 일으키는 제품에서는 그다지 의미가 없어져 버립니다.

따라서 압력 손실이 적은 기기를 선택하는 것도 포인트가 됩니다. 비접촉으로 유체를 계측할 수 있고 계측 포인트를 간편하게 변경 가능한 초음파식을 선택하면 이러한 문제도 해결할 수 있습니다.

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