フリクションヘッドカーブがより難しいシステムコンポーネントである理由

先月、システム抵抗曲線の計算の最初の 2 つの部分、つまり全静水頭と圧力水頭について説明しました。 合計方程式のこれら 2 つの部分は両方とも流れに依存しません。 今月は、3 番目のより難しい要素である、流量に依存する摩擦水頭曲線に取り組みます。 依存と独立という用語を変数と定数と混同しないでください。

計算では、液体の特性がニュートンであると仮定します。つまり、粘度は流量によって変化せず、円形パイプのみを考慮します。

始める前に、システム抵抗曲線の計算を支援するオンライン計算機やアプリがいくつかあることを共有しておかなければなりません。 有料で利用できるプレミアム プログラム (商用ソフトウェア) もあります。 商用ソフトウェアは、分岐回路、さまざまなパイプ サイズの回路、並列ポンプ、ノズル、および熱交換器などのさまざまな熱バランスを必要とする多数のコンポーネントを備えた高度なシステムに遭遇する場合に特に役立ちます。 アプリと電卓は通常は無料ですが、制限があり、単純なシステムに制限されています。 初心者にとって、商用プログラムの費用は高価に思えるかもしれませんが、私の経験では、1 ペニーの価値があります。 プレミアム プログラムの価格を検討するときは、正しく実行しない場合のリスクと実存的コストも比較検討する必要があります。 価格に関係なく、アプリやプログラムを使用する場合は、基本的なプロセスの背後にある概念を理解することが重要です。このコラムは、プロセスが手動であるかコンピューター化されているかにかかわらず役立ちます。

指定された流量で液体を一定の長さのパイプに強制的に通すと、プロセスを完了するために必ず摩擦 (液体のフィート単位で測定) が発生します。 摩擦は、液体内の粘性せん断応力とパイプの内面の粗さに起因します。 流動プロセスを有料道路のように考えてください。指定されたパイプの直径と長さに対して、単位時間あたり指定された量の液体を汲み上げるのに関連コストがかかります。 このシステムの料金は、他の税金と同様、科学と自然の法則に基づいて支払わなければならず、この料金を回避する方法はありません。 ただし、適切なパイプの直径や構造材料を選択するなど、料金を軽減する賢い方法があります。 通行料金を削減するもう 1 つの方法は、幾何学的に単純になるようにシステムを設計することです。 この有料道路では、邪魔にならないまっすぐなパイプが高速道路に限りなく近いところにあります。 配管システム内のすべてのコンポーネントにも、配管よりもさらに高いコストが必要になります。 エルボ、バルブ、ティー、ストレーナー、熱交換器、減速機、ノズル、さらにはパイプサイズの変更もすべて料金が必要になります。 摩擦による負担を軽減するには、取り付け部品の総量を最小限に抑えたり、より効率的なコンポーネントを選択したりするだけで済みます。 この例としては、長半径エルボと短半径エルボが挙げられます。 また、可能な/実用的な場合には、T 字管の代わりに Y 字管を使用したり、フルポートバルブを使用したりするなど、効率的なコンポーネントと配管形状の選択肢もあります。

システムの摩擦曲線を計算するには、次の 3 つの一般的な方法があります。

K ファクター (抵抗係数) は通常 K と表記されます。

Cv（流量係数）

等価長法（L/D）。 単位はフィート、記号 = Le

このコラムでは等価長法に焦点を当てます。 これは最も単純なアプローチであり、正しく実行されれば信頼できる結果が得られます。 注意: 等価長法では、特に液速が低層流領域に該当する場合、紙上では実際よりも制限的に見えるシステム曲線が生成されることがあります。 したがって、この方法では必要以上に大きなポンプを選択することになる可能性があります。 リスクを理解していれば、問題を軽減することができます。

K ファクターのアプローチでは、等価長法よりも精度が向上しますが、計算はより面倒になります。 K ファクターによるアプローチは、2 つのアプローチのうちより正確です。 精度の程度はシステム設計と対応する液速範囲によって異なります。