마찰 헤드 곡선이 더 어려운 시스템 구성요소인 이유

지난 달 우리는 시스템 저항 곡선 계산의 처음 두 부분인 총 정적 수두와 압력 수두를 다루었습니다. 전체 방정식의 이 두 부분은 모두 흐름에 독립적입니다. 이번 달에는 흐름에 따라 달라지는 세 번째이자 더 어려운 구성 요소인 마찰 헤드 곡선을 다룰 것입니다. 종속 및 독립이라는 용어를 변수 및 상수와 혼동하지 마십시오.

계산을 위해 액체 특성을 뉴턴이라고 가정합니다. 즉, 점도가 유량에 따라 변하지 않고 원형 파이프만 고려한다는 의미입니다.

시작하기 전에 시스템 저항 곡선 계산에 도움이 되는 여러 가지 온라인 계산기와 앱이 있다는 점을 알려드리고 싶습니다. 유료로 이용할 수 있는 프리미엄 프로그램(상용 소프트웨어)도 있습니다. 상용 소프트웨어는 분기 회로, 다양한 파이프 크기의 회로, 병렬 펌프, 노즐 및 다양한 열 균형이 필요한 열 교환기와 같은 수많은 구성 요소가 포함된 정교한 시스템을 접할 때 특히 유용합니다. 앱과 계산기는 일반적으로 무료이지만 제한이 있으며 간단한 시스템으로 제한됩니다. 초심자에게는 상용 프로그램 비용이 비싸 보일 수도 있지만, 내 경험으로는 1센트의 가치가 있습니다. 프리미엄 프로그램의 가격을 고려할 때 이를 올바르게 수행하지 않을 때 발생하는 위험과 실존 비용도 평가해야 합니다. 가격에 관계없이 앱이나 프로그램을 사용하려면 기본 프로세스의 개념을 이해하는 것이 여전히 중요하며, 이 칼럼은 프로세스가 수동이든 컴퓨터이든 관계없이 도움이 될 수 있습니다.

특정 길이의 파이프를 통해 지정된 유속으로 액체를 강제로 통과시키면 프로세스를 완료하기 위해 극복해야 하는 마찰(액체 피트 단위로 측정)이 항상 발생합니다. 마찰은 액체의 점성 전단 응력과 파이프의 내부 표면 거칠기로 인해 발생합니다. 주어진 파이프 직경과 길이에 대해 단위 시간당 지정된 양의 액체를 펌핑하는 데 관련된 비용이 있다는 점에서 흐름 프로세스를 유료 도로와 같이 생각하십시오. 다른 세금과 마찬가지로 시스템의 통행료는 과학과 자연의 법칙에 따라 지불되어야 하며, 그 요금을 피할 수 있는 방법은 없습니다. 그러나 적절한 파이프 직경과 건축 자재를 선택하는 등 비용을 완화할 수 있는 영리한 방법이 있습니다. 통행료를 줄이는 또 다른 방법은 기하학적 단순성을 고려하여 시스템을 설계하는 것입니다. 방해받지 않는 파이프의 직선 도로는 이 유료 도로에서 갈 수 있는 만큼 급행 차선에 가깝습니다. 배관 시스템의 모든 구성 요소에는 배관보다 훨씬 더 높은 통행료가 필요합니다. 엘보우, 밸브, 티, 스트레이너, 열 교환기, 리듀서, 노즐 및 심지어 파이프 크기 변경에도 비용이 필요합니다. 마찰 비용을 완화하려면 전체 피팅을 최소화하고 보다 효율적인 구성 요소를 선택해야 합니다. 이에 대한 예는 긴 반경 엘보와 짧은 반경일 수 있습니다. 또한 가능한/실용적인 경우 티 및 완전 포트 밸브 대신 와이와 같은 효율적인 구성 요소 및 배관 형상 선택이 있습니다.

시스템의 마찰 곡선을 계산하는 세 가지 일반적인 방법이 있습니다.

K 인자(저항 계수)는 일반적으로 K로 표시됩니다.

Cv(유량계수)

등가 길이 방법(L/D). 단위는 피트이고 기호는 Le입니다.

이 칼럼에서는 등가 길이 방법에 중점을 둘 것입니다. 이는 가장 간단한 접근 방식이며 올바르게 수행하면 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있습니다. 주의: 등가 길이 방법은 때때로 실제보다 종이에 더 제한적으로 나타나는 시스템 곡선을 초래할 수 있습니다. 특히 액체 속도가 하부 층류 영역에 속하는 경우 더욱 그렇습니다. 결과적으로, 이 방법은 필요한 것보다 더 큰 펌프 선택을 가져올 수 있습니다. 위험을 이해하면 문제를 완화할 수 있습니다.

K 인자 접근 방식은 등가 길이 방법에 비해 정확도가 증가하지만 계산이 더 지루합니다. K 요인 접근법은 두 가지 접근법 중 더 정확합니다. 정확도의 정도는 시스템 설계와 해당 액체 속도 범위에 따라 달라집니다.