【 참고 】 공식 정리
가. 플랜지 볼트에 작용하는 힘
여기서, F : 플랜지에 작용하는 힘 [N]
γ : 물의 비중량 (9,800 [N/㎥]
Q : 유량 [㎥/s]
A1 : 소방호스의 단면적 [㎡] = π/4·d2 [㎡]
A2 : 노즐의 단면적 [㎡] = π/4·d2 [㎡]
g : 중력 가속도 (9.8 [m/s2])
▣ 단면적 부분 계산식)
▣ 또 다른 계산식
여기서, F : 플랜지에 작용하는 힘 [N]
P : 압력 [Pa = N/㎡]
A1 : 소방호스의 단면적 [㎡] = π/4·d2 [㎡]
Q : 유량 [㎥/s]
v1 : 소방호스의 유속 [m/s]
v2 : 노즐의 유속 [m/s]
나. 노즐에 걸리는 반발력 (운동량에 따른 반발력)
여기서, F : 노즐에 걸리는 반발력 (운동량에 따른 반발력) [N]
ρ : 물의 밀도 (1,000 [N·s2/m4])
Q : 유량 [㎥/s]
v : 유속 [m/s]
v1 : 소방호스의 유속 [m/s]
v2 : 노즐의 유속 [m/s]
다. 노즐을 수평으로 유지하기 위한 힘
여기서, F : 노즐을 수평으로 유지하기 위한 힘 [N]
ρ : 물의 밀도 (1,000 [N·s2/m4])
Q : 유량 [㎥/s]
v2 : 노즐의 유속 [m/s]
라. 노즐에 작용하는 반동력
여기서, R : 노즐에 작용하는 반동력 [N]
P : 방수압력 [MPa]
D : 노즐 구경 [㎜]
【노즐에 걸리는 반발력】 (운동량에 따른 반발력)
가. 노즐에 걸리는 반발력 (운동량에 따른 반발력)
여기서, F : 노즐에 걸리는 반발력 (운동량에 따른 반발력) [N]
ρ : 물의 밀도 (1,000 [N·s2/m4])
Q : 유량 [㎥/s]
v : 유속 [m/s]
v1 : 소방호스의 유속 [m/s]
v2 : 노즐의 유속 [m/s]
나. 유량
여기서, Q : 유량 (방수량) [㎥/s]
A : 단면적 [㎡] = π/4·d2 [㎡]
v : 유속 [m/s]
d : 관의 내경 [m]
다. 유량
여기서, Q : 유량 [ℓ/min]
d : 관의 내경 [㎜]
P : 압력 [MPa = MN/㎡]
1. 옥외 소화전 1개를 개방하여 피토게이지로 방수압을 측정한 결과 0.6 [MPa]이었다.
호스구경이 65 [㎜]이고 노즐구경이 20 [㎜]일 경우 노즐에 걸리는 반발력 [N]을 구하시오. [5점] ★★★★★
※ 노즐에 걸리는 반발력 (운동량에 따른 반발력]
F = ρ · Q (v1 -v2) [N]
위 식을 적용할 때 유량은 지문에서 피토게이지로 측정한 압력이 주어졌으므로 다음 식을 이용하여 유량을 구한다.
유량, 유속을 산정식에 대입하여 문제를 풀면
작용하는 힘 F = ρ · Q (v1 -v2) [N]
= 1,000 [kg/㎥] × 0.01 [㎥/s] × (31.83-3.013) [m/s] = 288.17 [N]
※ 구경 (d) 값이 주어지지 않은 경우
⊙ 옥내 소화전 : d = 13 [㎜]
⊙ 옥외 소화전 : d = 19 [㎜]
2. 내경이 65 [㎜] 인 소방호스에 내경이 36[㎜]인 노즐이 부착되어 있다. 대기 중에 0.02 [㎥/s]의 방수량으로 방사할 경우
노즐에 걸리는 반발력 [N]을 구하시오. [5점] ★★★★★
노즐 반발력 F = ρ · Q (v1 -v2) [N]
= 1,000 [㎏/㎥] × 0.02 [㎥/s] × (19.648 - 6.027)[m/s] = 272.42 [N]
【노즐에 걸리는 반발력】 (운동량에 따른 반발력)
가. 노즐에 걸리는 반발력 (운동량에 따른 반발력)
여기서, F : 노즐에 걸리는 반발력 (운동량에 따른 반발력) [N]
ρ : 물의 밀도 (1,000 [N·s2/m4])
Q : 유량 [㎥/s]
v : 유속 [m/s]
v1 : 소방호스의 유속 [m/s]
v2 : 노즐의 유속 [m/s]
나. 유량
여기서, Q : 유량 (방수량) [㎥/s]
A : 단면적 [㎡] = π/4·d2 [㎡]
v : 유속 [m/s]
d : 관의 내경 [m]
3. 지름이 10 [㎝]인 소방용 호스에 노즐구경이 3 [㎝]인 노즐 팁이 부착되어 있다. 3 [㎥/min]의 방수량으로 대기 중에 방사
할 경우 다음 각 물음에 답하시오. (단, 유동에는 마찰이 없는 것으로 본다) [6점] ★★★★★
가. 소방용 호스의 평균 유속 [m/s]을 구하시오.
나. 소방용 호스에 부착된 노즐의 평균 유속 [m/s]을 구하시오.
다. 소방용 호스에 부착된 플랜지 볼트에 작용하는 힘[N]을 구하시오.
[풀이]
가. 소방용 호스의 평균 유속 [m/s]을 구하시오.
나. 소방용 호스에 부착된 노즐의 평균 유속 [m/s]을 구하시오.
다. 소방용 호스에 부착된 플랜지 볼트에 작용하는 힘[N]을 구하시오.
※ 앞쪽 계산 먼저하고 난 후 Ans × 뒷 쪽 분수 계산을 한다.
[해설] 플랜지 볼트에 작용하는 힘
① 플랜지 볼트에 작용하는 힘
여기서, F : 플랜지에 작용하는 힘 [N]
γ : 물의 비중량 (9,800 [N/㎥]
Q : 유량 [㎥/s]
A1 : 소방호스의 단면적 [㎡] = π/4·d2 [㎡]
A2 : 노즐의 단면적 [㎡] = π/4·d2 [㎡]
g : 중력 가속도 (9.8 [m/s2])
② 유량 · 유속
여기서, Q : 유량 (방수량) [㎥/s]
A : 단면적 [㎡] = π/4·d2 [㎡]
v : 유속 [m/s]
d : 관의 내경 [m]
4. 옥내소화전설비의 노즐선단 방수압력이 0.3 [MPa]일 때 작용하는 반동력 [N]을 구하시오. [4점] ★★★
※ 노즐 구경이 주어지지 않은 경우
⊙ 옥내소화전 노즐구경 : 13 [㎜]
⊙ 옥외소화전 노즐구경 : 19 [㎜]
[해설] 노즐에 작용하는 반동력
반동력 F = 1.57 P · D2 [N]
여기서, R : 노즐에 작용하는 반동력 [N]
P : 방수압력 [MPa]
D : 노즐 구경 [㎜]
5. 소방시설의 가압 송수장치에서 주로 사용하는 펌프로 볼류트 펌프와 터빈 펌프가 있다.
이들 펌프의 특징을 비교하여 다음 표의 빈칸에 유·무, 대·소, 고·저 등으로 작성하시오. [6점] ★★★★★
|
구 분
|
볼류트 펌프
|
터빈 펌프
|
|
임펠러 날개 (유·무)
|
무
|
유
|
|
송출유량 (대·소)
|
대
|
소
|
|
송출압력 (고·저)
|
저
|
고
|
[해설] 소방용 펌프
소방용 펌프는 원심펌프를 사용하며 원심펌프에는 볼류트 펌프와 터빈 펌프가 있다.
원심펌프 - 볼류트 펌프 : 임펠러의 날개(안내깃)가 없으며 고유량, 저양정(압력)에 사용
- 터빈 펌프 : 임펠러의 날개(안내깃)가 있으며 저유량, 고양정(압력)에 사용
6. 펌프 2대를 병렬로 운전할 때와 펌프 1대를 운전할 때를 비교하여 그래프로 나타내시오. [4점] ★★★★★
[해설] 펌프의 직렬 · 병렬 운전
7. 펌프에서 NPSH란 무엇인지 간단히 쓰고, 공동현상 (Cavitation)의 발생 한계 조건을 쓰시오. [5점] ★★★★
가. NPSH : 물의 높이로 표시된 실제 흡입양정을 말하며, 펌프가 공동현상을 일으키지 않고 흡입가능한 압력을 물의
높이로 표시한 것
나. 공동현상의 발생 한계 조건
① 공동현상의 발생한계 : NPSHav = NPSHre
② 공동현상이 발생하지 않음 : NPSHav > NPSHre
③ 펌프설계시 여유 : NPSHav ≥ NPSHre × 1.3
※ 여유율 30 % 를 둔다.
[해설] NPSH (흡입양정] (Net Positive Suction Head)
가. NPSH : 물의 높이로 표시된 실제 흡입 양정을 말하며 펌프가 공동현상을 일으키지 아니하고 흡입 가능한 압력을
물의 높이로 표시한 것
나. 펌프의 송수 조건
(대기압 - 저항력의 합) ≥ 펌프에 의해 형성되는 진공 능력 (절대압)
※ 저항력 : 수면 (평상시 수면이 아닌 소요된 시간동안 물을 사용한 이후의 수면)으로 부터 펌프 임펠러 중심까지 흡입
과정에서의 저항력
① 흡입관 높이에 따른 낙차 압력
② 펌프 흡입측 마찰 손실 압력
③ 흡입관 내부에서의 포화증기압
다. NPSHav (유효흡입양정) = NPAHav =available
① 펌프의 설치조건에 따라 결정되는 펌프로 가해지는 흡입측으로 부터의 양정
② NPSHav (유효흡입양정)은 펌프 주변 배관의 설계에 따라 그 값이 달라진다.
라. NPSHre (필요흡입양정)
① 펌프기동에 필요한 흡입측 양정을 말하며 펌프회전에 의해 만들 수 있는 펌프 내부의 진공도에 의해 결정
② 펌프 제작시 결정되는 고유값 (설계시 변하지 않음)
③ NPSHre 가 클수록 펌프의 흡입능력은 저하
마. 공동현상의 발생 한계 조건
① 공동현상의 발생한계 : NPSHav = NPSHre
② 공동현상이 발생하지 않음 : NPSHav > NPSHre
③ 펌프설계시 여유 : NPSHav ≥ NPSHre × 1.3
8. 다음 조건을 참조하여 펌프의 유효흡입양정(NPSH)을 구하시오. [4점] ★★★★★
[조건]
⊙ 소화수조의 수증기압은 0.0022[MPa], 대기압은 0.1[MPa], 흡입배관의 마찰 손실 수두는 2 [m] 이다.
⊙ 흡상일 때 후드밸브에서 펌프까지의 수직거리가 3.8[m] 이다.
[풀이] NPSH = 10.496 - 3.8 - 2 - 0.224 = 4.172 ≒ 4.17 [m]
[해설]
⊙ 정압방식 (압입) : NPSH = 대 + 거 - 마 - 수 [m]
대 : 대기압, 거 : 수직거리, 마 : 마찰손실, 수 : 수증기압
⊙ 부압방식 (흡입) : NPSH = 대 - 거 - 마 - 수 [m]
[해설] 흡입 NPSH (수면이 펌프 보다 낮을 경우)
NPSH = Ha - Hh - Hf - Hv [m]
여기서, MPSH : 유효 흡입 양정 [m]
Ha : 대기압 환산 수두 [m]
Hh : 낙차 압력 환산 수두 [m] (흡입 : -, 압입 : +)
Hf : 마찰 손실 압력 수두 [m]
Hv : 포화증기압 환산수두 [m]
[참고] 압입 NPSH (수면이 펌프 보다 높은 경우)
NPSH = Ha + Hh - Hf - Hv [m]
여기서, MPSH : 유효 흡입 양정 [m]
Ha : 대기압 환산 수두 [m]
Hh : 낙차 압력 환산 수두 [m] (흡입 : -, 압입 : +)
Hf : 마찰 손실 압력 수두 [m]
Hv : 포화증기압 환산수두 [m]
9. 다음은 어느 수계 소화설비에서 송수펌프의 계통을 나타내고 있다. 다음 그림과 조건을 참조하여 펌프의 유효흡입양정
(NPSH)을 구하시오 [4점] ★★★★★
[조건]
⊙ 20 [℃]에서의 수증기압은 0.001[MPa]이다.
⊙ 펌프의 시동 최대 송수량은 2,400 [ℓ/min] 이다.
⊙ 펌프 흡입 배관에서의 마찰 손실은 0.002 [MPa](최대 송수시)이다. (단, 설계기준 온도는 20[℃]이며, 대기압은
0.1[MPa], 물의 밀도는 1 [gf/㎤]로 하며 펌프 운전시 배관에서의 속도수두는 무시한다.)
[풀이]
NPSH = Ha - Hh - Hf - Hv [m]
= 10.196 - 4.2 - 0.203 - 0.101 = 5.692 ≒ 5.69 [m]
[해설] 흡입 NPSH (수면이 펌프보다 낮을 경우)
NPSH = Ha - Hh - Hf - Hv [m]
여기서, MPSH : 유효 흡입 양정 [m]
Ha : 대기압 환산 수두 [m]
Hh : 낙차 압력 환산 수두 [m] (흡입 : -, 압입 : +)
Hf : 마찰 손실 압력 수두 [m]
Hv : 포화증기압 환산수두 [m]
※ 압력단위 환산
|
1 [atm]
|
760 [㎜Hg]
|
76 [㎝Hg]
|
|
101,325 [Pa]
|
101.325 [kPa]
|
0.101325 [MPa]
|
|
10,3325 [㎜Aq=㎜H2O]
|
10.3325 [mAq=mH2O]
|
|
|
1.0332 [㎏f/㎠]
|
10,332[kgf/㎡]
|
|
|
1,013 [mbar]
|
1.013 [bar]
|
17.7 [psi]
|
10. 다음 그림을 참조하여 해발 1,000[m] 에 설치된 펌프의 유효흡입양정 [NPSH]을 구하시오. [4점] ★★★★★
[조건] ⊙ 배관의 마찰손실수두는 0.5 [m] 이다.
⊙ 해발 0 [m]에서의 대기압은 0.0132[MPa]이다.
⊙ 해발 1,000 [m] 에서의 대기압은 0.0918[MPa]이다.
⊙ 물의 증기압은 0.0023 [MPa]이다.
[풀이] NPSH = Ha - Hh - Hf - Hv [m]
= 9.36 - 4 - 0.5 - 0.235 = 4.627 ≒ 4.63 [m]
[해설] 흡입 NPSH (수면이 펌프보다 낮을 경우)
NPSH = Ha - Hh - Hf - Hv [m]
여기서, MPSH : 유효 흡입 양정 [m]
Ha : 대기압 환산 수두 [m]
Hh : 낙차 압력 환산 수두 [m] (흡입 : -, 압입 : +)
Hf : 마찰 손실 압력 수두 [m]
Hv : 포화증기압 환산수두 [m]
※ 압력단위 환산
|
1 [atm]
|
760 [㎜Hg]
|
76 [㎝Hg]
|
|
101,325 [Pa]
|
101.325 [kPa]
|
0.101325 [MPa]
|
|
10,3325 [㎜Aq=㎜H2O]
|
10.3325 [mAq=mH2O]
|
|
|
1.0332 [㎏f/㎠]
|
10,332[kgf/㎡]
|
|
|
1,013 [mbar]
|
1.013 [bar]
|
17.7 [psi]
|
11. 다음 그림과 조건을 참조하여 펌프의 유효흡입양정 (NPSH)을 구하시오. [4점] ★★★★★
[조건]
⊙ 설계기준온도는 25 [℃] 이다.
⊙ 25[℃] 에서의 수증기압은 70 [㎜Hg]이다.
⊙ 펌프 흡입배관에서의 마찰손실수두는 0.3 [m] 이다.
[풀이]
▣ 유효흡입양정 NPSH = Ha - Hh - Hf - Hv [m]
= 10.332 + 0.8 - 0.3 - 0.952 = 9.882 ≒ 9.88 [m]
[해설] 압입 NPSH (수면이 펌프보다 높을 경우)
NPSH = Ha + Hh - Hf - Hv [m]
여기서, MPSH : 유효 흡입 양정 [m]
Ha : 대기압 환산 수두 [m]
Hh : 낙차 압력 환산 수두 [m] (흡입 : -, 압입 : +)
Hf : 마찰 손실 압력 수두 [m]
Hv : 포화증기압 환산수두 [m]
※ 압력단위 환산
|
1 [atm]
|
760 [㎜Hg]
|
76 [㎝Hg]
|
|
101,325 [Pa]
|
101.325 [kPa]
|
0.101325 [MPa]
|
|
10,3325 [㎜Aq=㎜H2O]
|
10.3325 [mAq=mH2O]
|
|
|
1.0332 [㎏f/㎠]
|
10,332[kgf/㎡]
|
|
|
1,013 [mbar]
|
1.013 [bar]
|
17.7 [psi]
|
12. 펌프 흡입구에 설치된 연성계가 320[㎜Hg]일 때 이론 유효흡입수두는 몇 [m]인가? (단, 대기압은 760 [㎜Hg]이다) [4점]
★★★★★
[풀이] 부압방식일 때 펌프의 흡입측에 진공계 또는 연성계를 설치한다.
진공계와 연성계의 압력은 수직거리수두, 마찰손실수두, 수증기압 수두를 모두 합한 값이 된다.
NPSHav = Ha - (Hh + Hf + Hv) [m]
= 10.332 - 4.35 = 5.982 ≒ 5.92 [m]
[해설] 흡입 NPSH (수면이 펌프보다 낮을 경우)
▣ 연성계는 부압방식(수면이 펌프보다 낮은 위치에 있는 경우)일 경우에 설치되므로 흡입 NPSH를 적용하며 연성계 압력
에는 수직거리수두, 마찰손실수두, 포화증기압수두가 모두 포함된 값이다.
NPSH = Ha - 연성계압력수두 (Hh + Hf + Hv ) [m]
여기서, MPSH : 유효 흡입 양정 [m]
Ha : 대기압 환산 수두 [m]
Hh : 낙차 압력 환산 수두 [m]
Hf : 마찰 손실 압력 수두 [m]
Hv : 포화증기압 환산수두 [m]
#플랜지 #볼트 #노즐 #반발력 #유량 #작용력 #밀도 #구경 #옥내소화전 #소화전
#운동량 #평균유속 #임펠러 #터빈 #원심펌프 #볼류트 #병렬운전 #직렬운전
#유효흡입양정 #NPSH #공동현상 #cavitation #포화증기압
'소방설비기사기계실기' 카테고리의 다른 글
| 소방 유체 역학 문제 풀이 - 6, 관두께, 안전율, 도시기호 등 (2) | 2023.09.24 |
|---|---|
| 소방 유체 역학 문제 풀이 - 5, 유효흡입양정, 공동현상 등 (0) | 2023.09.23 |
| 소방 유체 역학 문제 풀이 - 3 (4) | 2023.09.21 |
| 소방 유체 역학 문제 풀이 - 2 (0) | 2023.09.18 |
| 소방 유체 역학 - 문제 풀이 1 (2) | 2023.09.17 |