파이프 네트워크 및 압력 손실

배관 네트워크는 유체를 효율적으로 운반, 순환 및 배포할 수 있기 때문에 엔지니어링 및 자연 시스템에서 일반적으로 발견됩니다. 가정에서 수돗물에서 나오는 물은 엔지니어링 배관 네트워크의 훌륭한 예인 복잡한 도시 급수 시스템을 통해 이동합니다. 유체가 배관 네트워크를 통해 순환함에 따라 채널 벽과 피팅에서 마찰 저항을 발생시키고 유체 스트림이 이러한 흐름 저항을 극복함에 따라 압력을 잃습니다. 새로운 설계에서 올바른 구성 요소와 크기를 지정하거나 기존 시스템의 문제를 진단하기 위해 이러한 압력 손실을 특성화하고 이해하는 것이 필요합니다. 이 비디오에서는 파이프 네트워크 내의 압력 강하를 측정하기 위한 간단한 접근 방식을 설명하고 손실 및 몇 가지 일반적인 형상을 예측하기 위한 몇 가지 표준 모델에 대해 설명합니다. 그 후, 이러한 방법은 모델과의 비교를 위해 압력 손실을 실험적으로 측정하기 위해 사용될 것입니다. 마지막으로, 배관 네트워크 및 압력 손실의 몇 가지 다른 응용 프로그램에 대해 설명 하겠습니다.

유체가 닫힌 채널을 통해 흐를 때마다 채널 벽에서 약간의 마찰 저항이 발생합니다. 결과적으로 유체의 기계적 에너지의 일부가 열로 변환되어 흐름 방향으로 압력이 지속적으로 손실됩니다. 이러한 압력 손실은 종종 기모노미터라고 하는 간단한 액체 수준 장치를 사용하여 수행되는 채널을 따라 이산 지점에서 유체 압력을 측정하여 주어진 시스템에서 특징지어질 수 있다. 기미터는 배관 채널에 연결된 튜브의 개방형 수직 또는 경사 면이므로 부분적으로 액체로 채웁니다. 액체 컬럼의 높이는 채널을 따라 해당 시점의 유체 수준에 직접 비례합니다. 따라서 두 지점 또는 델타 P 사이의 압력 차이는 액체 높이 또는 델타 H의 두 기압계 사이의 변화로부터 결정될 수 있습니다. 안타깝게도 적절한 유체 유량을 보장하기 위해 시스템을 구축하기 전에 직접 측정및 압력 손실을 예측하는 것이 항상 실용적이지는 않습니다. 이러한 상황에서 Darcy 마찰 계수 수식을 사용하여 마찰 압력 손실을 예측할 수 있습니다. 이 방정식에서, 델타 P는 원형 단면 및 내부 직경 D를 가진 채널에 대한 길이 L에 대한 압력 손실이며, 행은 유체 밀도이며, U는 평균 유량 속도이며, 채널의 단면 영역으로 나눈 부피 유량으로 정의되며, f는 레이놀즈 수와 기하학적으로 다른 경험적 및 이론적으로 파생된 추세를 따르는 다르시 마찰 계수이다. 직선 원형 채널 및 헬리칼 코일에 사용되는 모델의 텍스트를 참조하십시오. 파이프 네트워크의 다양한 채널 섹션은 밸브, 확장기 및 굴곡과 같은 개별 피팅으로 연결되어 압력 손실에도 기여합니다. 이러한 피팅을 통한 압력 손실은 사소한 손실로 알려져 있으며 동일한 압력 강하를 산출하는 데 필요한 직선 채널의 동등한 길이로 보고되기도 합니다. 이러한 손실은 여전히 연결 채널의 마찰 계수 및 유량 속도와 피팅에 대한 내부 직경에 의해 배율로 배율된 동등한 길이의 표고값을 사용하여 Darcy 마찰 계수 공식으로 모델링됩니다. 배관 시스템의 총 손실은 단순히 개별 섹션 및 피팅에서 모든 손실의 합계입니다. 다음 섹션에서는 마찰 계수와 동등한 길이를 결정하기 위해 다른 대표 파이프 구성에서 이러한 손실을 측정합니다.

설정하기 전에 작업할 명확한 영역과 구성 요소를 어셈블할 평평한 표면이 있는지 확인합니다. 물 저장소를 표면에 부착하고 필요한 경우 펌프 전원 케이블뿐만 아니라 물 입구 및 콘센트에 구멍을 뚫습니다. 저수지에 잠수정 펌프를 장착합니다. 이제 저수지 근처에 작은 수직 빔 또는 L 브래킷을 부착합니다. 원형계 유량계를 빔에 수직으로 장착하고 튜브 섹션을 사용하여 펌프 콘센트를 로타미터 입구에 연결합니다. 로타미터는 작은 비드의 부동 수준에 따라 유체의 체적 유량을 나타내는 계측기입니다. 텍스트에 설명된 대로 세 파이프 테스트 섹션을 구성합니다. 완료되면 직선 섹션, 코일 섹션 및 여러 팔꿈치 굽힘이 있는 단면이 있어야 합니다. 코일의 중앙 축에서 튜브의 중간점에 측정된 튜브 코일의 반경뿐만 아니라 직선 섹션의 길이를 신중하게 기록합니다. 파이프 클램프를 사용하여 세 개의 섹션을 모두 표면에 장착합니다. 분기 측 포트가 위로 점등되도록 끝에 있는 T 피팅을 조정한 다음 이러한 포트에 선명한 능선이 있는 튜브를 설치하여 기마계를 형성합니다. 레벨을 사용하여 기마계 튜브가 수직인지 확인합니다. 마지막으로 튜브의 한 부분을 로타미터 의 출구에 연결하고 두 번째 튜브를 저수지로 되돌려 놓습니다. 이 두 튜브는 실험 중에 완전한 루프를 형성하기 위해 테스트 섹션의 입력 및 출력에 연결됩니다. 저수지를 물로 채우고 준비가 완료됩니다.

로타미터 출력에서 직선 테스트 섹션의 한쪽 끝에 튜브를 연결하고 반환 튜브를 다른 쪽 끝에 연결합니다. 이제 펌프를 켜고 로타미터 밸브를 조정하여 유량을 극대화합니다. 모든 공기가 파이프 루프에서 강제로 꺼지면 펌프를 끕니다. 흐름 루프가 채워지면 저장소에 물을 추가해야 할 수 있습니다. 모든 공기가 파이프 루프에서 강제로 꺼지면 펌프를 끄고 두 기마계의 수위를 비교하여 T 피팅 의 상단에서 측정합니다. 두 높이가 다른 경우 심을 사용하여 측정된 높이가 같을 때까지 테스트 표면을 평평하게 합니다. 흐름이 정착할 때까지 잠시 기다린 후 펌프를 다시 켜고 두 기마계 튜브의 유량과 수직 수위를 기록합니다. 이제 로타미터 밸브를 조정하여 흐름을 약간 제한하고 새로운 유량 및 기압계 레벨을 기록합니다. 이 절차를 반복하여 직선 테스트 섹션의 6~7개의 유량으로 데이터를 수집합니다. 완료되면 필요한 경우 각 새 섹션에 대한 테스트 표면 재조정을 포함하여 다른 두 테스트 섹션으로 실험을 반복합니다.

먼저 직선 테스트 섹션에 대한 데이터를 확인합니다. 각 유량에서 각 기압계의 수도에 대한 측정값이 있습니다. 기마계 높이의 차이를 사용하여 테스트 섹션의 총 압력 강하를 결정합니다. 그런 다음 로타미터에서 측정된 유량량을 튜브의 단면 면적으로 나누어 튜브내의 평균 유량 속도를 결정한다. 다음으로 이 유량의 흐름에 대한 레이놀즈 수를 계산합니다. 결과를 Darcy 마찰 계수 수식과 테스트 섹션의 측정과 결합하여 마찰 계수를 해결합니다. 길이 284밀리미터및 내지름 6.4mm의 직선 구간의 경우, 3분기에서 분당 2리터까지의 측정된 유량은 난류 조건에 해당한다. 불확실성을 전파하여 레이놀즈 수의 총 불확실성과 텍스트에 설명된 마찰 계수의 마찰 계수를 결정한 다음 직선 섹션에 대한 모델 예측과 함께 결과를 플롯합니다. 실험적 불확실성 내에서 마찰 계수는 모델의 예측과 일치합니다. 낮은 유량에서 마찰 계수의 상대적으로 높은 불확실성은 유량계의 제한된 정확도 때문입니다. 이제 코일 테스트 섹션에 대한 데이터를 살펴보십시오. 이전과 마찬가지로 각 유량의 총 압력 강하, 평균 유량 속도 및 레이놀즈 수를 결정합니다. 이 섹션의 총 압력 강하는 직선 부분및 코일 부분에서 드롭의 합계이므로 Darcy 마찰 계수 수식및 직선 채널 모델을 사용하여 직선 단면의 기여를 추정하고 합계에서 이를 뺍니다. 남은 압력 강하와 코일 반경 측정을 사용하여 코일 부분의 마찰 계수를 결정합니다. 레이놀즈 수와 마찰 계자에 대한 불확실성을 다시 한 번 전파하며, 직선 섹션에 대한 보정으로 인한 무시할 만한 불확실성을 가정합니다. 코일 섹션에 대한 모델 예측과 함께 이러한 결과를 플롯합니다. 레이놀즈 수는 1,700에서 5,200 사이이며, 이는 주어진 튜브 직경과 코일 반경과 함께 500에서 1,600 사이의 딘 숫자에 해당합니다. 이러한 값은 코일 마찰 계수 수식의 라미나르 부분 내에 있습니다. 이러한 측정된 마찰 요인은 또한 실험적 불확실성 내의 모델과 일치하며 주어진 유량의 경우 직선 섹션에서 발견되는 것보다 훨씬 높습니다. 이는 이 형상에 대해 약 9,900개의 레이놀즈 수치로 난류 흐름으로의 전환을 지연시키는 코일 튜브 형상의 안정화 효과로 인해 증가합니다. 이제 세 번째 테스트 섹션의 데이터를 살펴보십시오. 다시 한 번 각 유량의 총 압력 강하, 평균 유량 속도 및 레이놀즈 수를 결정합니다. 이 섹션의 총 압력 강하는 직선 섹션의 합계와 N 팔꿈치의 각에서 약간의 손실 때문입니다. Darcy 마찰 계수 수식과 직선 채널 모델을 다시 사용하여 직선 섹션의 기여도를 추정하고 뺍니다. 나머지 압력 강하는 테스트 섹션의 N 팔꿈치 피팅 때문입니다. 직선 섹션의 마찰 계수 및 직경과 함께 이 압력 강하를 사용하여 개별 팔꿈치 피팅에 해당하는 길이를 계산합니다. 레이놀즈 번호와 동등한 길이에 대한 불확실성을 전파하고 결과를 플롯합니다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 내부 파이프 직경에 해당하는 길이의 비율은 타부레이트 값에서 예상대로 30에 접근한다. 실제 마찰 저항은 피팅 형상에 만 다르므로 이러한 표고된 값은 지침으로만 간주되어야 합니다.

이제 파이프 네트워크와 압력 손실에 더 익숙해지므로 이러한 개념의 실제 응용 프로그램을 살펴보겠습니다. 열 교환기는 일반적으로 혼합할 수 없는 가까운 열 접촉에서 뜨겁고 차가운 유체를 가져오는 두 개의 별도의 배관 네트워크로 구성됩니다. 펌프가 충분한 유체 유량을 제공하고 원하는 열 전달 속도를 달성할 수 있도록 열 교환기를 설계할 때 압력 하강 해석을 수행해야 합니다. 동맥의 플라크 축적은 혈액이 흐르기 위한 효과적인 직경을 감소시킵니다. 그 결과, 심장은 추가 압력 손실을 보상하기 위해 더 열심히 일해야 합니다. 극단적인 경우에, 축적은 동맥 또는 심부전의 총 막힘의 리스크를 증가시킵니다. 혈관 성형술 시술 중에 동맥을 다시 확장하고 정상적인 혈류를 복원하기 위해 스텐트가 삽입됩니다.

배관 네트워크와 압력 손실에 대한 Jove의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 개별 피팅으로 인한 사소한 손실을 포함하여 Darcy 마찰 계수 공식을 사용하여 파이프 네트워크의 압력 손실을 확인하는 방법을 이해해야 합니다. 마지막으로, 당신은 실험적으로 기마계 튜브를 사용하여 채널을 통해 압력 손실을 결정하는 방법을 보았다. 시청해 주셔서 감사합니다.