개념 한 쪽
덕트와 배관 내 흐름 상태는 레이놀즈수로 구분하고, 흐름 상태는 압력손실과 설계 방식에 직접적인 영향을 준다. 정압조절평형법은 덕트 분기에서 정압을 일정하게 유지하여 효율을 확보하는 설계 방법이고, 기체 관련 계산은 무차원수와 기체 상태방정식을 정확히 적용해야 한다.
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출제기준 단원 「압력손실」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 레이놀즈수 범위 판단 | 1 | 산업 환기 배관의 레이놀즈수 범위를 고르기 |
| 층류 특성 판별 | 1 | 층류의 속도 분포와 레이놀즈수 관련 설명을 가림 |
| 레이놀즈수 구성요소 구별 | 1 | 레이놀즈수 계산에 포함되는 요소를 판별하기 |
레이놀즈수는 관성력과 점성력의 비율을 나타내는 무차원수로서, 유체의 흐름이 층류인지 난류인지 판단하는 기준이 된다. 레이놀즈수는 밀도·속도·특성길이(예, 덕트 직경) 및 점성계수로 정의되며, 식으로는 Re = ρVD/μ 또는 비슷한 형태로 표현한다고 본다.
산업환기 배관에서는 유속이 빠르고 관치가 비교적 크기 때문에 레이놀즈수가 매우 커서 완전 난류 상태가 되는 것이 일반적이다. 재료에서는 산업 환기 배관의 레이놀즈수가 대략 10^5~10^6 범위라고 설명하고 있으므로, 이러한 난류 특성을 전제로 압력손실과 소음 등을 고려하여 설계해야 한다.
정압조절평형법은 덕트 시스템의 각 분기점에서 정압을 일정하게 유지하도록 설계하는 방법으로, 설계가 정확하면 시스템 전체가 효율적으로 작동하여 적정 유속을 유지하게 한다. 다만 이 방식은 설계·계산이 복잡하고 설치 후에는 각 지점의 송풍량이 고정적이어서 현장에서 송풍량을 쉽게 변경하기 어렵다는 한계가 있다.
기체 관련 계산에서는 무조건 절대온도(K)를 사용하여 기체 법칙을 적용해야 한다. 샤를의 법칙과 상태방정식(PV/T=상수)을 통해 온도와 압력 변화에 따른 부피 변화를 계산할 수 있고, 혼합가스의 유효비중은 각 성분의 비중에 몰분율을 곱한 가중 평균으로 구한다고 본다.
레이놀즈수 계산 예시로, 직경 20cm(0.2m) 덕트에서 속도 10m/s, 동점성계수 ν=2×10^-4 m²/s일 때 레이놀즈수는 Re = VD/ν를 사용하여 Re = (0.2×10) / 0.0002 = 10,000이 나온다. 이 계산은 단위 환산(20cm → 0.2m)과 지수의 취급에 주의하여 대입하면 된다고 설명한다.
기체 상태 변화 예시로, 27℃(300K)에서 부피 2L인 산소를 327℃(600K), 2기압으로 변화시키면 상태방정식 P1V1/T1 = P2V2/T2를 적용하여 V2 = V1×(T2/T1)×(P1/P2) = 2×(600/300)×(1/2) = 2L가 되므로 최종 부피는 초기값과 같다고 계산한다.
또 다른 기체 계산 예시로, 80℃(353K)에서 부피 5m³인 공기를 21℃(294K)로 냉각하면 샤를의 법칙 V1/T1 = V2/T2로 V2 = 5×(294/353) ≈ 4.16m³가 됨을 보인다.
일반적인 산업환기 배관 내 기류 흐름의 Reynold수의 범위로 가장 알맞는 것은?
정답 ④ · 문제는 산업 환기 배관 내 흐름의 레이놀즈 수 범위를 묻는다. 산업용 배관은 보통 속도와 관경이 커서 완전 난류 상태가 되며 레이놀즈 수는 대개 10^5에서 10^6 수준에 해당한다.
산업 환기 배관의 레이놀즈 수는 일반적으로 10^5에서 10^6 범위의 완전 난류 상태이다.
다음 중 층류에 대한 설명으로 틀린 것은?
정답 ② · 문항은 층류의 특징 중 틀린 설명을 찾는 문제이다. 층류는 유선이 평행하게 흐르고 관내 속도분포가 포물선형이며 평균유속이 최대유속의 약 절반이 되는 것이 맞다.
층류는 레이놀즈수가 낮아 유선이 평행한 흐름이며, 4000 이상은 난류 영역이다.
다음 중 레이놀드(Reynolds) 수를 구할 때 고려되어야 할 요소가 아닌 것은?
정답 ④ · 문제는 레이놀드 수 계산 시 고려되는 요소가 아닌 것을 묻고 있다. 레이놀드 수는 Re = (밀도 × 속도 × 특성길이)/점도 형태로 정의되므로 공기속도·덕트의 직경(특성길이)·공기밀도는 포함되지만 유입계수는 흐름 손실과 관련된 별도의 경험계수라서 포함되지 않는다.
레이놀드 수는 유체의 관성력과 점성력 비율로, 유입계수는 흐름의 손실 계수이므로 포함되지 않는다.
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