하젠 윌리암스 식의 기본 형태, 유도과정, 변수 설명
하젠 윌리암스 (Hazen-Williams) 식은 물과 같은 비압축성 유체가 배관을 통해 흐를 때, 압력 손실을 계산하는 데 사용되는 경험적 방정식입니다. 이 식은 배관의 거칠기, 유량, 그리고 배관의 내경을 고려하여 압력 손실을 구할 수 있게 해줍니다.
1. 하젠 윌리암스 식의 기본 형태
하젠-윌리암스 식의 일반적인 형태는 다음과 같습니다:
: 배관의 압력 손실 (Pa)
- Q: 유량 (L/s)
- C: 하젠-윌리암스 계수 (배관의 거칠기를 나타내는 상수)
- D: 배관의 내경 (mm)
2. 유도 과정
하젠-윌리암스 식은 실험 데이터를 바탕으로 유도된 경험적 식입니다. 이 식은 배관을 통한 물의 흐름에서 발생하는 마찰에 의한 압력 손실을 설명합니다. 이때, 배관의 거칠기 , 유량
, 그리고 배관의 내경
는 중요한 변수로 작용합니다.
- 하젠-윌리암스 계수
는 배관의 거칠기를 나타내며, 값이 클수록 배관이 매끄럽다는 것을 의미합니다.
- 유량
는 배관을 통해 흐르는 유체의 양을 나타내며, 유량이 클수록 압력 손실이 커집니다.
- 배관의 내경
는 배관의 크기를 나타내며, 직경이 커지면 압력 손실이 감소합니다.
3. 변수 설명
각 변수는 압력 손실 계산에 직접적인 영향을 미칩니다.
: 압력 손실은 물이 배관을 흐를 때 발생하는 마찰에 의해 감소하는 압력입니다.
- 유량
: 유량이 증가하면 배관 내부에서의 마찰도 증가하여 압력 손실이 커집니다.
- 배관 거칠기 계수
: 이 값은 배관의 재질에 따라 결정됩니다. 매끄러운 재질의 배관은 거칠기 계수가 높고, 거친 재질의 배관은 거칠기 계수가 낮습니다.
- 내경
: 배관의 직경이 커지면 유체가 흐를 수 있는 단면적이 증가하여 압력 손실이 줄어듭니다.
4. 하젠 윌리암스 식에서 상수의 차이
상수 6.053 × 10⁵:
이 상수는 SI 단위계를 사용할 때 나타나는 값입니다. 압력 손실 가 파스칼(Pa) 또는 메가파스칼(MPa)로 측정되는 경우 사용됩니다. 이 상수는 유량
이 리터/초(L/s), 배관의 직경
이 밀리미터(mm)로 주어질 때 적용됩니다.
상수 6.174 × 10⁵:
이 상수는 kgf/cm² 단위계를 사용할 때 적용되는 값입니다. 여기서 압력 손실은 kgf/cm²로 측정되며, 유량과 배관 직경이 동일한 단위로 제공됩니다. 이 상수는 압력 손실을 kgf/cm²로 계산할 때 주로 사용됩니다.
따라서 상수 차이의 이유는
하젠-윌리암스 식에서 상수의 차이는 압력의 단위 변환에 의해 발생합니다. 6.053과 6.174는 본질적으로 같은 식에서 유도된 값이지만, 각각 SI 단위계와 kgf/cm² 단위계를 사용할 때 상수가 달라집니다.
상수 변환 과정:
SI 단위계에서 압력 손실은 파스칼(Pa)로 계산되며, 상수는 6.053 × 10⁵입니다.
kgf/cm²로 압력을 계산할 때, 1 Pa는 0.000010197162129779 kgf/cm²에 해당하기 때문에 상수는 이에 맞춰 6.174 × 10⁵로 변환됩니다.
4. 예제 문제
다음은 상수 6.053과 6.174의 차이를 사용하는 문제입니다:
문제 1:
배관의 직경이 150mm이고, 유량이 40 L/s인 배관에서 압력 손실을 계산하려고 합니다.
- (a) SI 단위계(SI, Pa)로 계산한 압력 손실을 구하십시오.
- (b) 압력 손실을 kgf/cm²로 변환한 값을 구하십시오.
(a) SI 단위계(SI, Pa)로 계산한 압력 손실을 구하십시오.
하젠-윌리암스 식을 사용하여 압력 손실을 계산할 수 있습니다.
주어진 조건을 바탕으로, SI 단위계에서 하젠-윌리암스 식은 다음과 같습니다:
여기서:
(일반적으로 사용되는 배관 거칠기 상수, 예를 들어 동 배관의 경우)
따라서 계산은 다음과 같습니다:
계산 결과는:
(b) 압력 손실을 kgf/cm²로 변환한 값을 구하십시오.
1 Pa는 에 해당하므로, 이를 적용하여 Pa 단위를 kgf/cm²로 변환할 수 있습니다:
따라서, 압력 손실은 약 0.103 kgf/cm²입니다.
5. 예제 문제를 통한 심화 학습
문제 1: 배관 내 압력 손실 계산
내경이 200mm인 배관을 통해 50 L/s의 물이 흐르고 있습니다. 배관의 거칠기 계수는 120이며, 배관 내에서 발생하는 압력 손실을 계산하시오.
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문제 2: 유량이 변화할 때 압력 손실 계산
내경이 150mm인 배관을 통해 30 L/s의 유량이 흐를 때 압력 손실을 계산하시오. 배관의 거칠기 계수는 140입니다. 또한, 유량이 60 L/s로 증가할 때 압력 손실이 얼마나 증가하는지 계산하시오.
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문제 3: 배관의 내경이 압력 손실에 미치는 영향
내경이 100mm인 배관을 통해 40 L/s의 물이 흐르고 있을 때, 배관의 거칠기 계수는 130입니다. 만약 내경을 200mm로 변경한다면, 압력 손실이 어떻게 변화하는지 계산하시오.
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문제 4: 거칠기 계수 변화에 따른 압력 손실
내경이 250mm인 배관을 통해 80 L/s의 물이 흐르고 있습니다. 배관의 거칠기 계수가 100일 때와 150일 때, 압력 손실의 차이를 계산하시오.
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문제 5 (심화): 하젠-윌리암스 식을 활용한 압력 손실과 배관 설계
내경이 300mm인 배관을 통해 100 L/s의 물이 흐를 때, 거칠기 계수는 110입니다. 만약 배관의 길이가 500m일 경우, 전체 압력 손실을 계산하시오. 또한, 배관의 내경을 150mm로 줄인다면 압력 손실이 얼마나 증가하는지 비교하시오.
문제 6 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제
직경 150 mm인 배관을 통해 1,200 Lpm의 유량이 흐르고 있다. 이때 배관의 압력차가 1.5 [MPa]이다. 만약 유량이 2배 증가한다면 배관의 압력차는 얼마나 증가할지 계산하시오.
문제 7 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제
내경 200 mm의 배관을 통해 유량 3,000 Lpm이 흐르고 있다. 이때 압력차는 0.6 [MPa]이다. 유량이 절반으로 감소할 경우 압력차는 어떻게 변할지 계산하시오.
문제 8 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제
관의 직경이 250 mm인 배관에서 유량이 1,500 Lpm일 때 압력손실이 0.8 [MPa]입니다. 만약 유량이 2,250 Lpm으로 증가한다면 새로운 압력손실은 얼마일까요?
문제 9 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제
내경이 100mm인 배관을 통해 유량이 2,500 Lpm이 흐르고 있고, 이때 압력손실은 0.75 [MPa]입니다. 만약 유량이 1,250 Lpm으로 줄어든다면 압력손실은 어떻게 변할까요?
문제 10 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제
관의 직경이 350 mm인 배관에서 유량이 2,000 Lpm일 때 압력손실은 0.5 [MPa]입니다. 만약 유량이 1.2배로 증가한다면 압력손실은 어떻게 변할까요?
기술사 기출
관로상의 압력손실 계산할때 다음 항목의 오차범위를 계산하기 연습문제
문제 1
- C-Factor 10[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
- 배관직경 8[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
문제2
- C-Factor 20[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
- 배관직경 7[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
문제3
- C-Factor 12[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
- 배관직경 6[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.