개념 한 쪽
덕트 내부 흐름의 압력손실은 설계 성능을 좌우하는 핵심 요소이므로 마찰손실의 비례관계와 표면 거칠기의 무차원화 개념을 정확히 이해해야 한다. 또한 국소배기계통은 포집 후드에서 시작해 덕트·송풍기·정화장치로 이어지는 흐름을 전제로 설계해야 한다.
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출제기준 단원 「닥트의 길이 및 곡률반경」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 마찰손실 비례관계 판별 | 1 | Darcy-Weisbach 항들의 비례·반비례 관계를 판별하기 |
| 상대조도 정의 확인 | 1 | 절대 표면조도를 관 지름으로 나누어 무차원화하는 정의를 묻기 |
| 국소배기 계통 순서 판단 | 1 | 후드에서 시작하는 배기계통의 올바른 연결 순서를 가리기 |
덕트의 마찰손실은 다르시-와이스바흐 공식으로 표현되며 마찰손실(hf)은 관의 길이(L)에 비례하고 관 직경(D)에 반비례하며 유속의 제곱(V²)에 비례한다고 정리한다. 따라서 유속이 증가하면 손실은 제곱으로 크게 증가하고, 직경이 작아지면 손실이 크게 증가한다.
마찰계수(f)는 레이놀즈 수와 관 내부 표면의 거칠기 정보를 이용해 Moody 차트로 결정하는 무차원값이다. 이 마찰계수는 관의 유동상태와 표면 상태에 따라 달라지므로 계산 시 Moody 차트 또는 이에 상응하는 관계식을 참조해야 한다.
상대조도(Relative roughness)는 절대 표면조도(ε)를 관의 직경(D)으로 나눈 무차원값 ε/D로 정의한다. 상대조도는 관의 크기와 상관없이 표면 거칠기의 영향을 비교할 수 있게 하므로 마찰계수 결정에 중요한 인자이다.
국소배기장치의 계통은 오염원에서 공기를 포집하는 후드가 첫 위치를 차지하고, 이어서 덕트를 통해 공기를 이송하며 송풍기가 흐름을 구동하고 공기정화장치로 오염물질을 제거한 뒤 배출하는 순서를 기본 흐름으로 본다. 송풍기와 정화장치의 상대적 위치는 설계에 따라 달라질 수 있으나 후드→덕트의 선행 관계는 고정적이다.
덕트 설계에서 곡률반경이 작은 급격한 곡관이나 직각 접속은 국소손실을 증가시켜 전체 압력손실을 확대하므로 가능한 완만한 곡률을 유지하고 직각 접속을 피하는 것이 바람직하다.
다르시-와이스바흐 공식을 이용한 마찰손실 성질 판단 문제에서는 항들의 비례관계를 빠르게 식으로 정리하면 유리하다. 예를 들어 마찰손실 ∝ (L/D)×V² 로 기억하면 '속도 제곱에 반비례'와 같은 오류 선지를 즉시 배제할 수 있다.
상대조도 개념 확인 문제에서는 절대 표면조도를 관 지름으로 나누어 무차원화한다는 정의만 떠올리면 정답 도출이 쉬워진다. '상대'라는 접두어가 절대값을 기준치로 나눈다는 의미임을 이용해 단번에 확인할 수 있다.
국소배기 계통 순서 문제에서는 후드가 시작점임을 우선 확인하고 덕트를 거쳐 송풍기 및 정화장치로 이어진다는 흐름을 적용하면 오답 소거가 빠르게 진행된다.
환기시스템에서 덕트의 마찰손실을 설명한 것 중 틀린것은? (단, Darcy-Weisbach 방정식 기준 )
정답 ② · 문항은 덕트 내 마찰손실의 비례관계 중 틀린 것을 고르는 문제이다. Darcy-Weisbach 식에 따르면 마찰손실은 마찰계수×(길이/직경)×(속도²/2g) 형태로 속도의 제곱에 비례하고 직경에 반비례하며 길이에 비례한다.
다르시-바이스바흐 방정식에 따르면 마찰손실은 속도의 제곱에 비례하고 직경에 반비례하므로, '속도 제곱에 반비례'한다는 설명은 명백히 틀린 진술이다.
덕트의 조도를 나타내는 상대조도에 대한 설명으로 옳은 것은?
정답 ④ · 덕트 내부의 공기 흐름에서 마찰손실과 관련된 상대조도(Relative Roughness)는 관내벽의 절대 표면조도(Absolute Roughness, ε)를 해당 덕트의 직경(Diameter, D)으로 나눈 값을 의미합니다. 이 무차원 값은 레이놀즈 수와 함께 달시 마찰계수를 결정하는 주요 인자로 작용하며, 궁극적으로 덕트 전체의 마찰에 의한 압력 손실을 평가하는 데 있어 핵심적인 역할을 합니다.
상대조도는 절대 표면조도를 덕트 직경으로 나누어 무차원화한 값이다.
일반적으로 사용되는 국소배기장치의 계통도를 바르게 나열한 것은?
정답 ① · 문제는 국소배기장치의 일반적인 계통도를 올바른 순서로 나열하는 문제이다. 국소배기계통은 오염원을 포집하는 후드에서 시작하여 덕트를 통해 오염공기가 이동하고, 송풍기로 구동된 흐름이 공기정화장치에서 처리를 거치는 순서로 구성된다.
국소배기장치는 오염원 포집 후드, 덕트 이송, 송풍기 구동, 공기정화장치의 순서로 연결된다.
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