[논문]PB 배관에서의 유체압력에 관한 연구

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This study is to investigate the pressure wave characteristics and the maximum pressure rise generated by instantaneous valve closure at the end of the straightening polybutylene piping system. Experiments were conducted under the following conditions: initial pressure $1\~5$ bar, flow ve...

This study is to investigate the pressure wave characteristics and the maximum pressure rise generated by instantaneous valve closure at the end of the straightening polybutylene piping system. Experiments were conducted under the following conditions: initial pressure $1\~5$ bar, flow velocity $\~0.5-3.0m/s$ and water temperature $25^{\circ}C$. Results indicated that the peak pressure generated by quick valve closure reached Joukowsky's value. We also found that the maximum pressure rise and the pressure history depended on not only initial steady pressure but also flow velocity.

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문제 정의

이에 본 연구에서는 폴리부틸렌관에서의 효과적인 수격현상의 방지 및 제어를 위한 기초연구로서, 급수관로 내 수온 25℃, 정수압 l~5bar, 유속 0.5-3m/s 하에서 밸브 폐쇄시에 발생하는 압력 특성에 대해 실험적으로 구명하고자 한다.
본 연구는 밸브 급폐쇄에 의해 발생되는 압력을 효과적으로 제어하기 위한 기초연구로서, 실제 급수배관으로 사용되고 있는 폴리부틸렌관 내에서 수온 25℃, 초기압력 l~5bar, 유속 0.5~3 m/s의 '범위 하에서 밸브의 급페쇄시 발생하는 시간에 따른 압력변동에 대해 실험한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

6mm)⁽⁸⁾으로 하였으며, 시험부의 길이는 전자밸브의 중심으로부터 헤더의 출구까지의 거리가 20m가 되게 구성하였다. 압력측정을 위해 설치한 압력계의 위치는 전자밸브 중심으로부터 0.5m되는 위치에 설치하여 압력을 측정하였다. 배관 내의 초기압력을 변화시키거나 일정하게 유지하기 위하여 공기압축기와 공기탱크를이용하였으며, 배관 내의 사용유체는 급수설비용으로 상정하여 일반 수돗물을 사용하였다.
배관 내의 초기압력을 변화시키거나 일정하게 유지하기 위하여 공기압축기와 공기탱크를이용하였으며, 배관 내의 사용유체는 급수설비용으로 상정하여 일반 수돗물을 사용하였다. 또한 배관 내의 수온을 25P로 일정하게 유지시키기위하여 항온수조를 이용하였다. 그리고 펌프에 의해 서 지탱크에 물을 보낸 후, 배관 말단에 설치된 밸런싱 밸브와 유량계에 의해 적정유량을 측정한 후, 하류측 수조로 방류시킨 후, 순환 펌프에 의해 항온수조로 순환시켰다.
전자밸브는 A/D 콘버터에 의해서 개폐할 수 있도록 하며, 밸브의 개폐 시 발생하는 수격작용에 의한 압력파의 측정은 압력변동이 심하므로, 응답 특성이 빠른 pressure transducer로 측정하여 A/D 콘버터를 통해 변환하고 측정된 압력값은 PC에 저장할 수 있도록 하였다.
탱크 내의 압력은 급수배관의 조닝시 압력을 약 2~4bar로 조정하는 것을 고려하여, l~5bar 로 변화시켰으며, 배관내 유속은 0.5~3.0m/s 범위 하에서 수행하였다.
25);">n)을 평균하여 1파장의 시간(T_f)을 구할 수 있다. 본 연구에 사용된 솔레노이드 밸브는 통전시 개방되는 형태의 밸브이기 때문에 유량에 따라 밸브 폐쇄속도가 달라질 것으로 생각되어, 밸브 폐쇄속도를 다음과 같이 구하였다. Fig.
본 연구에 사용된 솔레노이드 밸브는 통전시 개방되는 형태의 밸브이기 때문에 유량에 따라 밸브 폐쇄속도가 달라질 것으로 생각되어, 밸브 폐쇄속도를 다음과 같이 구하였다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 밸브로부터 상류 측으로 0.5m 떨어진 위치에서의 압력치를 시간 경과에 따라 계측하여 배관 내의 압력이 급상승하는 시간부터 압력이 최대치가 되는 시간과의 차T_c를 밸브 폐쇄시간으로 하였다.⁽⁷⁾Fig.
이 때, 1파장의 시간을 구하는 방법으로는 Fig. 2 에 나타낸 바와 같이, 압력파가 맥동상태가 되었을 때, 수 개 파장을 평균하여 구하였다.⁽⁷⁾

대상 데이터

l에 나타내었다. 실험 장치는 시험 배관부, 상류측에 서지탱크(전체적 0.5m3) 및 헤더, 항온수조, 공기탱크(전체적 0.5 m3), 압축기, 배관시험부의 하류측 말단에 설치한 전자밸브로 구성되어 있다.
시험부는 폴리부틸렌관(KS M 3363, 내경 12.68 mm, 두께 1.6mm)⁽⁸⁾으로 하였으며, 시험부의 길이는 전자밸브의 중심으로부터 헤더의 출구까지의 거리가 20m가 되게 구성하였다. 압력측정을 위해 설치한 압력계의 위치는 전자밸브 중심으로부터 0.
5m되는 위치에 설치하여 압력을 측정하였다. 배관 내의 초기압력을 변화시키거나 일정하게 유지하기 위하여 공기압축기와 공기탱크를이용하였으며, 배관 내의 사용유체는 급수설비용으로 상정하여 일반 수돗물을 사용하였다. 또한 배관 내의 수온을 25P로 일정하게 유지시키기위하여 항온수조를 이용하였다.
압력 데이터의 1초당 샘플링수는 1,500개로 하였다. 전자밸브는 통전시 개방되는 형태의 솔레노이드 밸브(CKD사, ADK11)로서 급수압 및 유량에 따라 폐쇄시간이 변하게 된다.

성능/효과

5m 떨어진 위치에서의 압력치를 시간 경과에 따라 계측하여 배관 내의 압력이 급상승하는 시간부터 압력이 최대치가 되는 시간과의 차T_c를 밸브 폐쇄시간으로 하였다.⁽⁷⁾Fig.2의 경우에는 밸브 폐쇄시간이 0.022s로 나타났으며, 본 실험범위 하에서의 밸브 폐쇄시간은 약 0.021 ~0.04s로 측정되었다.
본 연구에서 측정한 압력파 전파속도의 평균치는 약 240.6m/s로 측정되었다.
6은 배관 내의 유속이 2m/s일 때, 탱크 내 초기압력을 변화시킨 경우, 시간에 따른 압력변동을 나타낸 것이다. 초기압력이 각각 1, 3 및 5bar일 때 밸브폐쇄 직후에 발생된 최대압력은 6.03, 8.01 및 9.95bar로서 초기압력 증가분 정도만 증가하게 됨을 알 수 있다. 밸브폐쇄 직후에발생된 압력은 압력파의 전파속도 정도로 상류 측으로 전파되며, 초기압력이 3bar 이하에서는 부압도 발생하고 있다.
9는 밸브폐쇄시 발생되는 최대압력에서 탱크 내의 초기압력을 뺀 순수한 압력상승치를 유속에 따라 나타낸 것이다. 배관 내 유속이 증가함에 따라 최대압력 상승치는 증가하지만, 탱크 내의 초기압력변화에 따른 효과는 거의 없음을 알 수 있다. 또한 그림 중 실선은 식(4)로 표시되는 Joukowsky에 의한 발생압력 (P_max—P_o)을 나타 낸 것으로서, Joukowsky의 결과와도 일치하고 있다.
(1) 본 실험조건 하에서 압력파의 전파속도는 평균 240.6 m/s로 나타났다.
(2) 배관 내에서의 최 대압력상승치 P_max- Po 는 Joukowsky의 결과와 잘 일치함을 나타낸다.
(3) 밸브폐쇄시 발생되는 최대압력은 배관 내 유속이 증가할수록 증가하며, 초기압력 3bar인 조건에서 유속이 1 m/s에서 3m/s로 증가하면 약 2배 정도 증가한다. 그리고 초기압력 3bar인 조건에서 유속이 2 및 3 m/s일 때는 부압(負壓)도 발생하게 된다.
(4) 동일 유속 하에서 발생되는 최대압력은 초기 정상압력이 증가할수록 초기압력 증가분 정도만 증가하는 것으로 나타나 초기압력이 최대압력에 미치는 영향은 작으나, 초기압력이 클수록 첫 번째 압력파 이후에도 압력변동이 크게 나타난다.

참고문헌 (10)

Zaruba, J., 1993, Water hammer in pipeline system, Elsevier
Ballanco, 1995, Water hammer control, ASSE 1995 E. J. Zimmer Technical Seminar, pp. 53-55
Han, H. T. and Kim, J. M., 1997, Effects of waterhammer arresters and air chambers in a simple water piping system of buildings, Journal of Air-Conditioning and Refrigeration, SAREK, Vol. 5, pp. 13-20
Lee, Y. H. and Yoo, J. O., 2000, A study of surge pressure absorption by water hammer arrester in water supply piping system, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, SAREK, Vol. 12, No. 12, pp. 1066-107
Kim, J. P., 1992, Development of optimum facility system for high-rise apartments (II), Report of KlCT, 91 ME121-2 (in Korean)
ASME, 1975, Water hammer arresters (ANSI A112.26.1-1969 (R197)). The American Society of Mechanical Engineers
SHASE, 1996, HASS 212, The society of heating, air-conditioning the sanitary engineers of Japan (in Japanese)
KS M 3363, 2003, Plastics piping systems for hot and cold water installations - Polybutylene pipes, Korean Standards Association
SAREK, 2001, Handbook of Air-conditioning, Refrigeration and Sanitary Engineering, SAREK, Vol. 4, pp. 24-28
KS B 2331, 1992, Faucets, Korean Standards Association

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