3.4: 파이프 네트워크 및 압력 손실

1. 배관 시스템의 제조 (회로도 및 사진 참조, 도 2)

1. 작은 플라스틱 물 저장소를 작업 표면에 부착(테이프 또는 접착제)합니다. 지붕이 있는 용기인 경우 입구와 콘센트 워터 라인 및 펌프 전원 케이블을 위해 뚜껑에 구멍을 뚫습니다.
2. 저수지에 작은 잠수정 펌프를 장착합니다.
3. 작업 영역에서 회전계(물 흐름 계)를 수직으로 장착합니다. 로타미터를 작은 수직 빔 또는 L-브래킷에 묶어 똑바로 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 펌프 출구에서 로타미터 입구(하부 포트)에 유동 튜브를 연결합니다.
4. 플라스틱 압축 피팅 티를 단단한 플라스틱 튜브 섹션의 양쪽 끝에 연결합니다(길이 L ~ 0.3m, 내부 튜브 직경 D ~ 6.4 mm 권장). 파이프 클램프에 티를 장착합니다. 고무 튜브를 1티(입구)에서 로타미터 콘센트에 연결합니다. 다른 티(콘센트)에서 저수지에 고무 튜브를 연결합니다.
5. 두 개의 장착 티 피팅으로 두 번째 어셈블리를 구성합니다. 원통형 코어 주위에 부드러운 플라스틱 튜브 코일의 길이를 보람 (골판지 튜브, R ~ 30mm 및 ~ 5 튜브 랩을 권장). 지퍼 넥타이 나 클램프는 튜브 코일링을 유지하는 데 도움이 될 수 있습니다. 튜빙의 두 개의 무료 끝을 티 피팅에 설치합니다.
6. 장착된 티 피팅 2개로 세 번째 어셈블리를 구성합니다. 티 사이에 단단한 플라스틱 튜브의 짧은 길이와 네 (또는 그 이상의) 팔꿈치를 연결합니다. 여러 개의 팔꿈치를 사용하면 압력 강하 판독이 증폭되어 측정 정확도가 향상됩니다.
7. 6개의 티 피팅의 개방형 포트에 투명 한 단단한 플라스틱 튜브(~0.6m)를 설치합니다. 레벨을 사용하여 튜브가 수직인지 확인합니다. 이 튜브는 기마계 (압력 측정 장치)가 될 것입니다.
8. 저수지를 물로 채웁니다.

2. 작동

1. 스트레이트 튜브: 펌프를 켜고 로타미터 밸브를 조정하여 물 흐름 속도를 변경합니다. 각 케이스에 대해 각 기압계 튜브의 수유 속도와 수직 수위를 기록합니다. 기마계 레벨(Eqn. 1)의 차이에 따라 압력 강하를 기록합니다.
2. 코일 튜브: 코일 테스트 섹션 입구를 로타미터 콘센트에 연결하고 테스트 섹션 콘센트를 저수지에 연결합니다. 2.1 단계에서와 마찬가지로 여러 유량의 물 유량 및 압력 강하를 기록합니다.
3. 팔꿈치 피팅: 팔꿈치 피팅 테스트 섹션을 로타미터 및 저수지에 연결합니다. 2.2단계에서와 같이 유량 및 압력 측정 집합을 수집합니다.

3. 분석

1. 직선 튜브 케이스의 경우 레이놀즈 수 및 마찰 계수 f(Eqn. 2)를 평가합니다. 레이놀즈 수 및 마찰 계수 불확실성평가(Eqn. 6). 여기서 e_ΔP는 압력 측정의 불확실성 (, 기마계 수준에서 불확실성), 전자_U는 평균 채널 속도의 불확실성이다 (로타미터 데이터 시트에서, 범위의 전형적인 불확실성3 - 5 %). 실온(22°C)에서 물의 경우, 998kg m^-3 및 μ = 0.001 kg m^-1 s^-1.
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2. 3.1단계의 마찰 계수 결과를 분석 모델(Eqn. 3)과 비교합니다.
3. 코일 튜브 케이스에 대해 3.1 단계를 반복합니다. 이번에는 ΔP로부터테스트 섹션의 직선 부분에 대해 예측된 압력 강하(Eqns. 2-3)를 뺍니다. 여기서 우리는 직선 길이 압력 보정의 불확실성이 무시할 수 있다고 가정합니다. 측정된 마찰 계수를 상관관계(Eqn. 4)의 값과 비교합니다.
4. 팔꿈치 피팅 케이스의 경우 3.2 단계를 반복합니다. 팔꿈치 피팅 사이의 튜브의 직선 길이에 대한 예측 압력 강하를 빼서 올바른 압력 손실을 얻습니다. 각 팔꿈치에 해당하는 길이와 불확실성을 평가합니다. 여기서, N_전자는 파이프 팔꿈치의 수입니다.
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5. 동등한 길이결과(Le/D)를 일반적인 보고된 값(~30)과 비교합니다.

배관 네트워크는 유체를 효율적으로 운송, 순환 및 분배할 수 있기 때문에 엔지니어링 및 자연 시스템에서 일반적으로 볼 수 있습니다. 가정의 수도꼭지에서 나오는 물은 복잡한 도시 급수 시스템을 통해 이동하며, 이는 엔지니어링 배관 네트워크의 훌륭한 예입니다. 유체가 배관 네트워크를 통해 순환할 때 채널 벽과 부속품에서 마찰 저항을 만나게 되고 유체 흐름은 이러한 흐름 저항을 극복하면서 압력을 잃게 됩니다. 이러한 압력 손실을 특성화하고 이해하는 것은 새로운 설계에서 올바른 구성 요소와 크기를 지정하거나 기존 시스템의 문제를 진단하는 데 필요합니다. 이 비디오에서는 관망 내의 압력 강하를 측정하는 간단한 접근 방식을 설명하고 손실을 예측하기 위한 몇 가지 표준 모델과 몇 가지 일반적인 형상에 대해 설명합니다. 그 후, 이러한 방법을 사용하여 모델과의 비교를 위해 압력 손실을 실험적으로 측정합니다. 마지막으로, 배관 네트워크 및 압력 손실의 몇 가지 다른 응용 분야에 대해 설명합니다.

유체가 닫힌 채널을 통해 흐를 때마다 채널 벽에서 약간의 마찰 저항을 만나게 됩니다. 결과적으로 유체의 기계적 에너지 중 일부가 열로 변환되어 흐름 방향으로 압력이 지속적으로 손실됩니다. 이러한 압력 손실은 채널을 따라 개별 지점에서 유체 압력을 측정하여 주어진 시스템에서 특성화할 수 있으며, 이는 종종 압력계라고 하는 간단한 액체 레벨 장치를 사용하여 수행됩니다. 압력계는 배관 채널에 연결된 튜브의 개방, 수직 또는 경사 부분이므로 부분적으로 액체로 채워집니다. 액체 컬럼의 높이는 채널을 따라 해당 지점의 유체 레벨에 정비례합니다. 따라서 두 지점 또는 Delta P 사이의 압력 차이는 두 압력계 사이의 액체 높이 또는 Delta H의 변화로 결정될 수 있습니다. 불행히도 직접 측정하는 것이 항상 실용적인 것은 아니며 적절한 유체 유량을 보장하기 위해 시스템을 구축하기 전에 압력 손실을 예측해야 하는 경우가 많습니다. 이러한 상황에서 Darcy Friction Factor 공식을 사용하여 마찰 압력 손실을 예측할 수 있습니다. 이 방정식에서 Delta P는 원형 단면과 내부 지름 D를 가진 채널에 대한 길이 L에 대한 압력 손실이고, row는 유체 밀도이며, U는 체적 유량을 채널의 단면적으로 나눈 값으로 정의되는 평균 유속, f는 레이놀즈 수 및 채널 형상을 기반으로 경험적 및 이론적으로 파생된 다양한 추세를 따르는 Darcy Friction Factor입니다. 직선 원형 채널 및 나선형 코일에 사용되는 모델에 대한 텍스트를 참조하십시오. 관망의 다양한 냉각관 단면은 밸브, 확장기 및 절곡부와 같은 개별 부속품으로 연결되며, 이러한 부속품도 압력 손실에 기여합니다. 이러한 피팅을 통한 압력 손실은 경미한 손실로 알려져 있으며 동일한 압력 강하를 생성하는 데 필요한 직선 채널의 등가 길이로 보고되기도 합니다. 이러한 손실은 여전히 연결 채널의 마찰 계수 및 유속을 사용하여 Darcy Friction Factor 공식으로 모델링되고 피팅의 내경으로 조정된 등가 길이의 표 형식 값을 사용합니다. 배관 시스템의 총 손실은 단순히 개별 단면 및 부속품의 모든 손실을 합한 것입니다. 다음 섹션에서는 마찰 계수와 등가 길이를 결정하기 위해 다양한 대표 파이프 구성에서 이러한 손실을 측정합니다.

설정을 시작하기 전에 작업할 수 있는 빈 공간과 구성 요소를 조립할 수 있는 평평한 표면이 있는지 확인하십시오. 물통을 표면에 부착하고 필요한 경우 물 유입구와 배출구용 구멍과 펌프 전원 케이블을 뚫습니다. 수중 펌프를 저장소에 장착합니다. 이제 저장소 근처에 작은 수직 빔 또는 L 브래킷을 부착합니다. 로타미터 유량계를 빔에 수직으로 장착하고 튜브 섹션을 사용하여 펌프 배출구를 로터미터 입구에 연결합니다. 로타미터는 작은 비드의 부유 수준을 기준으로 유체의 체적 유량을 나타내는 기기입니다. 텍스트에 설명된 대로 3파이프 테스트 섹션을 구성합니다. 완료되면 직선 단면, 코일 단면 및 여러 엘보우 굽힘이 있는 단면이 있어야 합니다. 코일의 중심축에서 튜브의 중간점까지 측정된 튜브 코일의 반경뿐만 아니라 직선 부분의 길이를 주의 깊게 기록하십시오. 파이프 cl로 세 섹션을 모두 표면에 장착합니다.amps. 분기 측면 포트가 위를 향하도록 끝의 T 피팅을 조정한 다음 이 포트에 투명한 융기 튜브를 설치하여 압력계를 형성합니다. 수평기를 사용하여 압력계 튜브가 수직인지 확인하십시오. 마지막으로 튜브의 한 부분을 회전계의 배출구에 연결하고 저장소로 돌아가는 두 번째 튜브를 놓습니다. 이 두 개의 튜브는 테스트 섹션의 입력 및 출력에 연결되어 실험 중에 완전한 루프를 형성합니다. 물통에 물을 채우면 준비가 완료됩니다.

회전계 출력의 튜브를 직선 테스트 섹션의 한쪽 끝에 연결하고 리턴 튜브를 다른 쪽 끝에 연결합니다. 이제 펌프를 켜고 회전계 밸브를 조정하여 유량을 최대화하십시오. 모든 공기가 파이프 루프에서 빠져 나오면 펌프를 끕니다. 흐름 루프가 채워지면 저장소에 물을 추가해야 할 수도 있습니다. 모든 공기가 파이프 루프에서 빠져 나오면 펌프를 끄고 T 피팅 상단에서 측정 한 두 압력계의 물 높이를 비교하십시오. 두 높이가 다른 경우 측정된 높이가 같아질 때까지 심을 사용하여 테스트 표면의 수평을 맞춥니다. 펌프를 다시 켜고 흐름이 안정될 때까지 잠시 기다린 후 두 압력계 튜브에 유량과 수직 수위를 기록합니다. 이제 회전계 밸브를 조정하여 흐름을 약간 제한하고 새로운 유량과 압력계 수준을 기록합니다. 이 절차를 반복하여 직선 테스트 섹션에 대해 6개 또는 7개의 유속으로 데이터를 수집합니다. 완료되면 필요한 경우 각 새 섹션에 대한 테스트 표면 재조정을 포함하여 다른 두 테스트 섹션으로 실험을 반복합니다.

먼저 직선 검정 섹션에 대한 데이터를 살펴봅니다. 각 유속에서 각 압력계의 물 높이를 측정했습니다. 압력계 높이의 차이를 사용하여 테스트 섹션의 총 압력 강하를 결정합니다. 그런 다음 회전계에서 측정된 유속을 튜브의 단면적으로 나누어 튜브의 평균 유속을 결정합니다. 다음으로, 이 유속에서의 흐름에 대한 레이놀즈 수를 계산합니다. 결과를 Darcy Friction Factor 공식과 결합하고 테스트 섹션의 측정값을 결합하여 마찰 계수를 풉니다. 길이 284mm, 내경 6.4mm의 직선 구간의 경우 분당 3/4리터에서 2리터까지 측정된 유속은 난류 조건에 해당합니다. 불확실성을 전파하여 텍스트에 설명된 대로 레이놀즈 수의 총 불확실성과 마찰 계수를 결정한 다음 직선 단면에 대한 모델 예측과 함께 결과를 플롯합니다. 실험적 불확실성 내에서 마찰 요인은 모델의 예측과 일치했습니다. 낮은 유속에서 마찰 계수의 상대적으로 높은 불확실성은 유량계의 제한된 정확도 때문입니다. 이제 코일 테스트 섹션에 대한 데이터를 살펴봅니다. 이전과 마찬가지로 각 유속에서 총 압력 강하, 평균 유속 및 레이놀즈 수를 결정합니다. 이 단면의 총 압력 강하는 직선 부분과 코일 부분의 강하의 합이므로 Darcy Friction Factor 공식과 직선 채널 모델을 사용하여 직선 부분의 기여도를 추정하고 총계에서 이를 뺍니다. 남은 압력 강하와 코일 반경 측정을 사용하여 코일 부분의 마찰 계수를 결정합니다. Reynolds 수와 마찰 계수에 대한 불확실성을 다시 한 번 전파하고, 직선 단면에 대한 수정으로 인한 불확실성을 무시할 수 있다고 가정합니다. 이러한 결과를 코일 단면에 대한 모델 예측과 함께 플로팅합니다. Reynolds 수는 1,700에서 5,200 사이이며, 이는 주어진 튜브 직경과 코일 반경을 가진 500에서 1,600 사이의 Dean 수에 해당합니다. 이 값은 코일 마찰 계수 공식의 층류 부분 내에 있습니다. 이러한 측정된 마찰 계수는 실험 불확실성 내에서 모델과도 일치하며 주어진 유속은 직선 단면에서 발견되는 것보다 훨씬 높습니다. 이것은 코일 튜브 형상의 안정화 효과로 인해 증가하며, 이는 더 높은 레이놀즈 수(이 형상의 경우 약 9,900)로의 난류 흐름으로의 전환을 지연시킵니다. 이제 세 번째 테스트 섹션의 데이터를 살펴보겠습니다. 다시 한 번, 각 유속에서 총 압력 강하, 평균 유속 및 레이놀즈 수를 결정합니다. 이 섹션의 총 압력 강하는 직선 섹션과 각 N 엘보우의 경미한 손실의 합으로 인한 것입니다. Darcy Friction Factor 공식과 직선 채널 모델을 다시 사용하여 직선 단면의 기여도를 추정하고 뺍니다. 나머지 압력 강하는 테스트 섹션의 N 엘보우 피팅 때문입니다. 이 압력 강하를 직선 단면의 마찰 계수 및 지름과 함께 사용하여 개별 엘보우 부속품에 대한 해당 길이를 계산합니다. 레이놀즈 수와 이에 상응하는 길이에 대한 불확실성을 전파하고 결과를 도표화합니다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라 내부 파이프 지름에 대한 등가 길이의 비율은 표 값에서 예상한 대로 30에 근접합니다. 실제 마찰 저항은 피팅 형상에 따라 다르므로 이러한 표로 표시된 값은 지침으로만 간주되어야 합니다.

이제 관망 및 압력 손실에 대해 더 잘 알게 되었으므로 이러한 개념의 몇 가지 실제 응용 프로그램을 살펴보겠습니다. 열교환기는 일반적으로 뜨거운 유체와 차가운 유체가 혼합되지 않고 긴밀한 열 접촉을 이루는 두 개의 별도 배관 네트워크로 구성됩니다. 열교환기를 설계할 때 펌프가 충분한 유체 유량을 제공하고 원하는 열 전달 속도를 달성할 수 있도록 압력 강하 해석을 수행해야 합니다. 동맥에 플라크가 쌓이면 혈액이 흐르기 위한 유효 직경이 줄어듭니다. 그 결과, 심장은 추가적인 압력 손실을 보상하기 위해 더 열심히 일해야 합니다. 극단적인 경우, 축적은 동맥의 전체 막힘 또는 심부전의 위험을 증가시킵니다. 혈관 성형술 중에는 동맥을 다시 확장하고 정상적인 혈류를 회복하기 위해 스텐트를 삽입합니다.

Jove가 배관 네트워크 및 압력 손실에 대해 소개하는 것을 방금 시청했습니다. 이제 개별 부속품의 경미한 손실을 포함하여 Darcy Friction Factor 공식을 사용하여 관망의 압력 손실을 결정하는 방법을 이해해야 합니다. 마지막으로, 압력계 튜브를 사용하여 채널을 통한 압력 손실을 실험적으로 결정하는 방법을 살펴보았습니다. 시청해 주셔서 감사합니다.