수격압

출처 : m.blog.naver.com/catiaman/80008415193

 

유속 υ(m/s)으로 흐르고 있는 관로를 밸브 A로 갑자기 닫으면, 밸브 가까이의 유체는 압축되어 고압이 되며 이 압력 상승은 압력파가 되어 일정속도 (m/s)로 상류에 전달되고 마침내 B점에 이른다. 이 때 관내의 유체는 모두 압축되어 동일하게 압력이 상승한다. 따라서 관내의 물은 -υ(m/s)의 유속으로 수조에 흘러 들어가려 하며 압력은 환원된다. 이것이 속도 (m/s)로 역으로 하류에 전해져 밸브 A에 이르면 -υ(m/s)의 유속을 상실하게 되므로 압력이 저하된다. 이 저압파가 상류의 B지점에 이르면 관내의 압력은 저압이므로 수조 내의 물이 관내로 흘러 유속 υ(m/s)압력을 원상태로 환원시킨다. 이런 동작을 여러 번 반복하면 에너지는 마찰로 인해 상실되고 마침내 정지상태로 되돌아간다.
수격작용에 의해 일어나는 이상적인 압력상승은 소음을 발생시키며 또한 관이음 및 밸브류 등을 파손시키는 경우가 있으므로 관로의 설계시 충분히 주의를 해야 한다.

1. 방지 방법
① 위 설명에서와 같이 수격압은 유속에 비례하므로 관내 유속을 가능한 느리게 한다.
② 전자밸브(또는 solenoid 전자식 valve)나 급폐전 등을 사용할 때 급폐쇄, 또는 유사상태가 될 수 있는데, 이 때에는 수격작용 발생에 대처를 한다.
③ 관로의 탄성이나 액체의 압축성에 의한 상쇄를 위하여 수격압을 흡수하는 장치를 부착한다.
④ 수격작용 방지기 설치(질소나 공기로 Flexible하게 밀폐된 장치)
⑤ 볼탭은 폐지시 탱크 내의 물결로 개폐를 반복하게 되어 수격방지의 발생 가능성이 있는데 이 때는 2개 이상 분할된 불탭의 설치로 해결한다.
2. 펌프 양수관에서의 수격작용의 원인과 방지
① 펌프 양수관에서 발생하는 수격작용은 펌프 정지시 발생하는데 그 발생 과정은 일반 급수배관보다 복잡하여 메카니즘은 다음과 같다.
펌프 정지시(전원 off시) 펌프의 임펠러는 관성력에 의해 회전을 지속하나 곧바로 회전수가 검소하게 되고, 양정, 양수량도 감소하게 된다.

 

수격압 검토

 

         ① 파괴압력

             PEC PIPE의 단기 원추응력은 상온에서 약 230㎏/㎠이상으로 나타난다.

             따라서 순간적인 파괴압력은 Naday공식을 사용하여 산출하면 다음과 같다.

 

            수도관

 

SDR = 11	SDR 13.5	SDR 15.5
P = 2σ x t/D-t   P = 2σ/SDR-1    P = 2x230/11-1      = 46㎏/㎠	P = 2x230/13.5-1      = 36.8㎏/㎠	P = 2x2.30/15.5-1   = 31.7㎏/㎠

     ※온도조건 23℃

 

         ② 수격압

             관 내부에 흐르는 유체가 외부의 영향에 의하여 흐름이 정지되거나, 제지될 경우

             흐르는 유체의 에너지가 흐름의 반대 방향으로 순간적으로 변하게 되며, 이로

             인하여 관 내부에 비정상적인 큰 압력차가 발생된다.

             이와 같이 순간적인 압력파가 발행하는 현상을 수격작용(Water hammer)이라하며,

             이때 압력파는 어떤 속도를 가지고 관로내에 전파된다. 이 속도를 "압력파의 전파

             속도"라 하며, 그 크기에 따라 수격압의 크기가 달라진다.

 

             압력파의 전파속도는 관의 재질 및 두께에 따라 다르며 다음 식에 의해 계산된다.

 

               

 

              여기서, a : 압력파의 전파속도(m/sec)

                          g : 중력가속도(9.8m/sec²)

                          w : 물의 단위중량(1000㎏/㎥)

                          D : 관의 내경(m)

                          E : 관 재료의 종방향 탄성계수(㎏/㎥)

                          K : 물의 체적 탄성계수(㎏/㎥)

                          e : 관의 두께(m)

                          C : 관의지지 형상에 따른 계수(보통1.0)

                                                                        

               ＊물의 체적 탄성계수(10℃일 때 2.07x108㎏/㎥)

                                                                      

               ＊PEC PIPE의 종방향 탄성계수(0.8x108㎏/㎥)

 

         ③ 수격압 산출

             최대 수격압 산출은  Joukowsky의 식에 의거 구한다.

 

             Hmax = a(V₁- V₂)/g  (순간 폐쇄시 적용)

     

             여기서,    Hmax : 최대 수격수두(m)

 

                           a      : 압력파의 전파속도

                           V₁  : 폐쇄전 평균유속((m/sec)

                           V₂  : 폐쇄후 평균유속(m/sec)

                            g     : 중력가속도(m/sec²) 

 

         ④ 수격압에 의한 영향

              PEC PIPE는 타재질보다 종방향 탄성계수가 상대적으로 낮기 때문에 전파속도가

              느리다. 따라서 타재질에 비하여 수격압이 상대적으로 적게 걸린다.

              또한 자체 탄성계수가 낮아 일차 충격을 흡수하고 신율이 작용하므로 타관에

              비교하여 대하여 연결이 완벽할 때는 영향을 크게 받지 않는다.

 

          (예) 수도관 300φ(318x28.9)를 사용하여 3m/sec로 물을 양수하고 있다.

                 갑작스런 정전으로 Pump중단시 최대 수격압은?(K:2.07x108㎏/㎠)

 

              (풀이)