하젠 윌리암스 식(6.053 , 6.174)

하젠 윌리암스

하젠 윌리암스 식의 기본 형태, 유도과정, 변수 설명

하젠 윌리암스 (Hazen-Williams) 식은 물과 같은 비압축성 유체가 배관을 통해 흐를 때, 압력 손실을 계산하는 데 사용되는 경험적 방정식입니다. 이 식은 배관의 거칠기, 유량, 그리고 배관의 내경을 고려하여 압력 손실을 구할 수 있게 해줍니다.

1. 하젠 윌리암스 식의 기본 형태

하젠-윌리암스 식의 일반적인 형태는 다음과 같습니다:

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}} \]

  • \Delta P: 배관의 압력 손실 (Pa)
  • Q: 유량 (L/s)
  • C: 하젠-윌리암스 계수 (배관의 거칠기를 나타내는 상수)
  • D: 배관의 내경 (mm)

 

2. 유도 과정

하젠-윌리암스 식은 실험 데이터를 바탕으로 유도된 경험적 식입니다. 이 식은 배관을 통한 물의 흐름에서 발생하는 마찰에 의한 압력 손실을 설명합니다. 이때, 배관의 거칠기 C, 유량 Q, 그리고 배관의 내경 D는 중요한 변수로 작용합니다.

  • 하젠-윌리암스 계수 C는 배관의 거칠기를 나타내며, 값이 클수록 배관이 매끄럽다는 것을 의미합니다.
  • 유량 Q는 배관을 통해 흐르는 유체의 양을 나타내며, 유량이 클수록 압력 손실이 커집니다.
  • 배관의 내경 D는 배관의 크기를 나타내며, 직경이 커지면 압력 손실이 감소합니다.

 

3. 변수 설명

각 변수는 압력 손실 계산에 직접적인 영향을 미칩니다.

  • \Delta P: 압력 손실은 물이 배관을 흐를 때 발생하는 마찰에 의해 감소하는 압력입니다.
  • 유량 Q: 유량이 증가하면 배관 내부에서의 마찰도 증가하여 압력 손실이 커집니다.
  • 배관 거칠기 계수 C: 이 값은 배관의 재질에 따라 결정됩니다. 매끄러운 재질의 배관은 거칠기 계수가 높고, 거친 재질의 배관은 거칠기 계수가 낮습니다.
  • 내경 D: 배관의 직경이 커지면 유체가 흐를 수 있는 단면적이 증가하여 압력 손실이 줄어듭니다.

 

4. 하젠 윌리암스 식에서 상수의 차이

상수 6.053 × 10⁵:
이 상수는 SI 단위계를 사용할 때 나타나는 값입니다. 압력 손실 \Delta P파스칼(Pa) 또는 메가파스칼(MPa)로 측정되는 경우 사용됩니다. 이 상수는 유량 Q이 리터/초(L/s), 배관의 직경 D밀리미터(mm)로 주어질 때 적용됩니다.

상수 6.174 × 10⁵:
이 상수는 kgf/cm² 단위계를 사용할 때 적용되는 값입니다. 여기서 압력 손실은 kgf/cm²로 측정되며, 유량과 배관 직경이 동일한 단위로 제공됩니다. 이 상수는 압력 손실을 kgf/cm²로 계산할 때 주로 사용됩니다.

따라서 상수 차이의 이유는

하젠-윌리암스 식에서 상수의 차이는 압력의 단위 변환에 의해 발생합니다. 6.0536.174는 본질적으로 같은 식에서 유도된 값이지만, 각각 SI 단위계kgf/cm² 단위계를 사용할 때 상수가 달라집니다.

상수 변환 과정:
SI 단위계에서 압력 손실은 파스칼(Pa)로 계산되며, 상수는 6.053 × 10⁵입니다.
kgf/cm²로 압력을 계산할 때, 1 Pa0.000010197162129779 kgf/cm²에 해당하기 때문에 상수는 이에 맞춰 6.174 × 10⁵로 변환됩니다.

 

4. 예제 문제

다음은 상수 6.0536.174의 차이를 사용하는 문제입니다:

문제 1:

배관의 직경이 150mm이고, 유량이 40 L/s인 배관에서 압력 손실을 계산하려고 합니다.

  1. (a) SI 단위계(SI, Pa)로 계산한 압력 손실을 구하십시오.
  2. (b) 압력 손실을 kgf/cm²로 변환한 값을 구하십시오.
(a) SI 단위계(SI, Pa)로 계산한 압력 손실을 구하십시오.

하젠-윌리암스 식을 사용하여 압력 손실을 계산할 수 있습니다.
주어진 조건을 바탕으로, SI 단위계에서 하젠-윌리암스 식은 다음과 같습니다:

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}} \]

여기서:

  • Q = 40 \, \text{L/s} = 0.04 \, \text{m}^3/\text{s}
  • D = 150 \, \text{mm} = 0.15 \, \text{m}
  • C = 140 (일반적으로 사용되는 배관 거칠기 상수, 예를 들어 동 배관의 경우)

따라서 계산은 다음과 같습니다:

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.04)^{1.85}}{(140)^{1.85} \times (0.15)^{4.87}} \]

계산 결과는:

    \[ \Delta P \approx 10105.35 \, \text{Pa} = 10.105 \, \text{kPa} \]

(b) 압력 손실을 kgf/cm²로 변환한 값을 구하십시오.

1 Pa는 1.0197 \times 10^{-5} \, \text{kgf/cm}^2에 해당하므로, 이를 적용하여 Pa 단위를 kgf/cm²로 변환할 수 있습니다:

    \[ \Delta P = 10.105 \, \text{kPa} \times 1.0197 \times 10^{-5} \, \text{kgf/cm}^2 = 0.103 \, \text{kgf/cm}^2 \]

따라서, 압력 손실은 약 0.103 kgf/cm²입니다.

 

5. 예제 문제를 통한 심화 학습

문제 1: 배관 내 압력 손실 계산

내경이 200mm인 배관을 통해 50 L/s의 물이 흐르고 있습니다. 배관의 거칠기 계수는 120이며, 배관 내에서 발생하는 압력 손실을 계산하시오.

해설

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}} \]

주어진 조건:

  • Q = 50 L/s = 0.05 m³/s
  • D = 200 mm = 0.2 m
  • C = 120

계산:

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.05)^{1.85}}{(120)^{1.85} \times (0.2)^{4.87}} \approx 10254.7 \, \text{Pa} = 10.254 \, \text{kPa} \]

문제 2: 유량이 변화할 때 압력 손실 계산

내경이 150mm인 배관을 통해 30 L/s의 유량이 흐를 때 압력 손실을 계산하시오. 배관의 거칠기 계수는 140입니다. 또한, 유량이 60 L/s로 증가할 때 압력 손실이 얼마나 증가하는지 계산하시오.

해설

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}} \]

주어진 조건:

  • Q₁ = 30 L/s = 0.03 m³/s
  • Q₂ = 60 L/s = 0.06 m³/s
  • D = 150 mm = 0.15 m
  • C = 140

계산:

    \[ \Delta P_1 = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.03)^{1.85}}{(140)^{1.85} \times (0.15)^{4.87}} \approx 6758.2 \, \text{Pa} = 6.758 \, \text{kPa} \]

유량이 60 L/s로 증가할 때:

    \[ \Delta P_2 = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.06)^{1.85}}{(140)^{1.85} \times (0.15)^{4.87}} \approx 21151.6 \, \text{Pa} = 21.152 \, \text{kPa} \]

압력 손실 증가: \Delta P_2 - \Delta P_1 = 21.152 \, \text{kPa} - 6.758 \, \text{kPa} = 14.394 \, \text{kPa}

문제 3: 배관의 내경이 압력 손실에 미치는 영향

내경이 100mm인 배관을 통해 40 L/s의 물이 흐르고 있을 때, 배관의 거칠기 계수는 130입니다. 만약 내경을 200mm로 변경한다면, 압력 손실이 어떻게 변화하는지 계산하시오.

해설

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}} \]

주어진 조건:

  • Q = 40 L/s = 0.04 m³/s
  • D₁ = 100 mm = 0.1 m, D₂ = 200 mm = 0.2 m
  • C = 130

계산:

    \[ \Delta P_1 = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.04)^{1.85}}{(130)^{1.85} \times (0.1)^{4.87}} \approx 46340.2 \, \text{Pa} = 46.34 \, \text{kPa} \]

내경을 200mm로 변경할 때:

    \[ \Delta P_2 = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.04)^{1.85}}{(130)^{1.85} \times (0.2)^{4.87}} \approx 10254.7 \, \text{Pa} = 10.254 \, \text{kPa} \]

압력 손실 감소: \Delta P_1 - \Delta P_2 = 46.34 \, \text{kPa} - 10.254 \, \text{kPa} = 36.086 \, \text{kPa}

문제 4: 거칠기 계수 변화에 따른 압력 손실

내경이 250mm인 배관을 통해 80 L/s의 물이 흐르고 있습니다. 배관의 거칠기 계수가 100일 때와 150일 때, 압력 손실의 차이를 계산하시오.

해설

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}} \]

주어진 조건:

  • Q = 80 L/s = 0.08 m³/s
  • D = 250 mm = 0.25 m
  • C₁ = 100, C₂ = 150

계산:

거칠기 계수 C₁ = 100일 때:

    \[ \Delta P_1 = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.08)^{1.85}}{(100)^{1.85} \times (0.25)^{4.87}} \approx 18120.3 \, \text{Pa} = 18.12 \, \text{kPa} \]

거칠기 계수 C₂ = 150일 때:

    \[ \Delta P_2 = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.08)^{1.85}}{(150)^{1.85} \times (0.25)^{4.87}} \approx 10647.8 \, \text{Pa} = 10.647 \, \text{kPa} \]

압력 손실 차이: \Delta P_1 - \Delta P_2 = 18.12 \, \text{kPa} - 10.647 \, \text{kPa} = 7.473 \, \text{kPa}

문제 5 (심화): 하젠-윌리암스 식을 활용한 압력 손실과 배관 설계

내경이 300mm인 배관을 통해 100 L/s의 물이 흐를 때, 거칠기 계수는 110입니다. 만약 배관의 길이가 500m일 경우, 전체 압력 손실을 계산하시오. 또한, 배관의 내경을 150mm로 줄인다면 압력 손실이 얼마나 증가하는지 비교하시오.

해설

    \[ \Delta P = 6.053 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}} \]

주어진 조건:

  • Q = 100 L/s = 0.1 m³/s
  • D₁ = 300 mm = 0.3 m, D₂ = 150 mm = 0.15 m
  • C = 110
  • L = 500 m

계산:

\Delta P_1 (내경 300mm일 때):

    \[ \Delta P_1 = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.1)^{1.85}}{(110)^{1.85} \times (0.3)^{4.87}} \approx 2553.6 \, \text{Pa} = 2.553 \, \text{kPa} \]

배관의 길이를 고려한 전체 압력 손실:

    \[ \Delta P_{total} = 2.553 \, \text{kPa} \times 500 m = 1276.8 \, \text{kPa} \]

\Delta P_2 (내경을 150mm로 줄였을 때):

    \[ \Delta P_2 = 6.053 \times 10^5 \times \frac{(0.1)^{1.85}}{(110)^{1.85} \times (0.15)^{4.87}} \approx 38820.6 \, \text{Pa} = 38.821 \, \text{kPa} \]

배관의 길이를 고려한 전체 압력 손실:

    \[ \Delta P_{total2} = 38.821 \, \text{kPa} \times 500 m = 19410.5 \, \text{kPa} \]

압력 손실 증가:

    \[ \Delta P_{increase} = 19410.5 \, \text{kPa} - 1276.8 \, \text{kPa} = 18133.7 \, \text{kPa} \]

 

문제 6 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제

직경 150 mm인 배관을 통해 1,200 Lpm의 유량이 흐르고 있다. 이때 배관의 압력차가 1.5 [MPa]이다. 만약 유량이 2배 증가한다면 배관의 압력차는 얼마나 증가할지 계산하시오.

해설

 

압력손실 계산식 : 하젠-윌리암스 식

    \[ \Delta P[MPa] = 6.053 \times 10^4 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87} \times L} \]

압력강하와 유량의 관계

    \[ \Delta P \propto Q^{1.85} \]

압력차 계산

    \[ \frac{\Delta P_1}{\Delta P_2} = \left(\frac{Q_1}{Q_2}\right)^{1.85} \]

여기서 Q_1 = 1,200 \, Lpm, Q_2 = 2 \times Q_1 = 2,400 \, Lpm, \Delta P_1 = 1.5 \, MPa

    \[ \frac{1.5}{\Delta P_2} = \left(\frac{1200}{2400}\right)^{1.85} \]

    \[ \Delta P_2 = 1.5 \times 0.275 \approx 0.4125 \, MPa \]

문제 7 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제

내경 200 mm의 배관을 통해 유량 3,000 Lpm이 흐르고 있다. 이때 압력차는 0.6 [MPa]이다. 유량이 절반으로 감소할 경우 압력차는 어떻게 변할지 계산하시오.

해설

 

압력손실 계산식 : 하젠-윌리암스 식

    \[ \Delta P[MPa] = 6.053 \times 10^4 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87} \times L} \]

압력강하와 유량의 관계

    \[ \Delta P \propto Q^{1.85} \]

압력차 계산

    \[ \frac{\Delta P_1}{\Delta P_2} = \left(\frac{Q_1}{Q_2}\right)^{1.85} \]

여기서 Q_1 = 3000 \, Lpm, Q_2 = \frac{3000}{2} = 1500 \, Lpm, \Delta P_1 = 0.6 \, MPa

    \[ \frac{0.6}{\Delta P_2} = \left(\frac{3000}{1500}\right)^{1.85} \]

    \[ \Delta P_2 = 0.6 \times 0.275 = 0.165 \, MPa \]

문제 8 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제

관의 직경이 250 mm인 배관에서 유량이 1,500 Lpm일 때 압력손실이 0.8 [MPa]입니다. 만약 유량이 2,250 Lpm으로 증가한다면 새로운 압력손실은 얼마일까요?

해설

 

압력손실 계산식 : 하젠-윌리암스 식

    \[ \Delta P[MPa] = 6.053 \times 10^4 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87} \times L} \]

압력강하와 유량의 관계

    \[ \Delta P \propto Q^{1.85} \]

압력차 계산

    \[ \frac{\Delta P_1}{\Delta P_2} = \left(\frac{Q_1}{Q_2}\right)^{1.85} \]

여기서 Q_1 = 1500 \, Lpm, Q_2 = 2250 \, Lpm, \Delta P_1 = 0.8 \, MPa

    \[ \frac{0.8}{\Delta P_2} = \left(\frac{1500}{2250}\right)^{1.85} \]

    \[ \Delta P_2 = 0.8 \times 1.514 \approx 1.21 \, MPa \]

문제 9 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제

내경이 100mm인 배관을 통해 유량이 2,500 Lpm이 흐르고 있고, 이때 압력손실은 0.75 [MPa]입니다. 만약 유량이 1,250 Lpm으로 줄어든다면 압력손실은 어떻게 변할까요?

해설

 

압력손실 계산식 : 하젠-윌리암스 식

    \[ \Delta P[MPa] = 6.053 \times 10^4 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87} \times L} \]

압력강하와 유량의 관계

    \[ \Delta P \propto Q^{1.85} \]

압력차 계산

    \[ \frac{\Delta P_1}{\Delta P_2} = \left(\frac{Q_1}{Q_2}\right)^{1.85} \]

여기서 Q_1 = 2500 \, Lpm, Q_2 = 1250 \, Lpm, \Delta P_1 = 0.75 \, MPa

    \[ \frac{0.75}{\Delta P_2} = \left(\frac{2500}{1250}\right)^{1.85} \]

    \[ \Delta P_2 = 0.75 \times 0.275 \approx 0.206 \, MPa \]

문제 10 (심화): 하젠-윌리암스 비례식 문제

관의 직경이 350 mm인 배관에서 유량이 2,000 Lpm일 때 압력손실은 0.5 [MPa]입니다. 만약 유량이 1.2배로 증가한다면 압력손실은 어떻게 변할까요?

해설

 

압력손실 계산식 : 하젠-윌리암스 식

    \[ \Delta P[MPa] = 6.053 \times 10^4 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87} \times L} \]

압력강하와 유량의 관계

    \[ \Delta P \propto Q^{1.85} \]

압력차 계산

    \[ \frac{\Delta P_1}{\Delta P_2} = \left(\frac{Q_1}{Q_2}\right)^{1.85} \]

여기서 Q_1 = 2000 \, Lpm, \(Q_2 = 1.2 \times

 

 

기술사 기출

관로상의 압력손실 계산할때 다음 항목의 오차범위를 계산하기 연습문제

 

문제 1

  1. C-Factor 10[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
  2. 배관직경 8[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
해설

1. C-Factor 10[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위 계산

1) C의 오차 범위

C의 오차 범위는 0.9C ~ 1.1C입니다.

2) 압력손실 범위 계산

하젠-윌리엄스 방정식에 따르면 압력 손실 ΔP는 다음과 같이 주어집니다:

    \[ \Delta P_1 = 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{(0.9C)^{1.85} \times D^{4.87}} \]

위 식에서 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}}은 기준 압력 손실 ΔP이므로, 위 식을 다시 정리하면:

    \[ \Delta P \times \frac{1}{(0.9)^{1.85}} \]

계산 결과, 압력 손실의 오차범위는:

    \[ \Delta P : 0.772 ~ 1.351 \Delta P \]

2. 배관직경 8[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위 계산

1) D의 오차 범위

D의 오차 범위는 0.92D ~ 1.08D입니다.

2) 압력손실 범위 계산

하젠-윌리엄스 방정식에 따라 압력 손실 ΔP는 다음과 같이 주어집니다:

    \[ \Delta P_2 = 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times (0.92D)^{4.87}} \]

위 식에서 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}}은 기준 압력 손실 ΔP이므로, 위 식을 다시 정리하면:

    \[ \Delta P \times \frac{1}{(0.92)^{4.87}} \]

계산 결과, 압력 손실의 오차범위는:

    \[ \Delta P : 0.789 ~ 1.284 \Delta P \]

 

문제2

  1. C-Factor 20[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
  2. 배관직경 7[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
해설

문제 2: 압력 손실의 오차 범위 계산

1. C-Factor 20[%]의 오차가 있을 경우

1) C의 오차 범위

C의 오차 범위는 0.8C ~ 1.2C입니다.

2) 압력손실 범위 계산

하젠-윌리엄스 방정식에 따르면 압력 손실 ΔP는 다음과 같이 주어집니다:

    \[ \Delta P_1 = 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{(0.8C)^{1.85} \times D^{4.87}} \]

위 식에서 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}}은 기준 압력 손실 ΔP이므로, 위 식을 다시 정리하면:

    \[ \Delta P \times \frac{1}{(0.8)^{1.85}} \]

계산 결과, 압력 손실의 오차범위는:

    \[ \Delta P : 0.659 ~ 1.529 \Delta P \]

2. 배관직경 7[%]의 오차가 있을 경우

1) D의 오차 범위

D의 오차 범위는 0.93D ~ 1.07D입니다.

2) 압력손실 범위 계산

하젠-윌리엄스 방정식에 따라 압력 손실 ΔP는 다음과 같이 주어집니다:

    \[ \Delta P_2 = 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times (0.93D)^{4.87}} \]

위 식에서 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}}은 기준 압력 손실 ΔP이므로, 위 식을 다시 정리하면:

    \[ \Delta P \times \frac{1}{(0.93)^{4.87}} \]

계산 결과, 압력 손실의 오차범위는:

    \[ \Delta P : 0.772 ~ 1.243 \Delta P \]

 

문제3

  1. C-Factor 12[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
  2. 배관직경 6[%]의 오차가 있을 경우 압력 손실의 오차 범위를 계산하세요.
해설

문제 3: 압력 손실의 오차 범위 계산

1. C-Factor 12[%]의 오차가 있을 경우

1) C의 오차 범위

C의 오차 범위는 0.88C ~ 1.12C입니다.

2) 압력손실 범위 계산

하젠-윌리엄스 방정식에 따르면 압력 손실 ΔP는 다음과 같이 주어집니다:

    \[ \Delta P_1 = 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{(0.88C)^{1.85} \times D^{4.87}} \]

위 식에서 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}}은 기준 압력 손실 ΔP이므로, 위 식을 다시 정리하면:

    \[ \Delta P \times \frac{1}{(0.88)^{1.85}} \]

계산 결과, 압력 손실의 오차범위는:

    \[ \Delta P : 0.793 ~ 1.297 \Delta P \]

2. 배관직경 6[%]의 오차가 있을 경우

1) D의 오차 범위

D의 오차 범위는 0.94D ~ 1.06D입니다.

2) 압력손실 범위 계산

하젠-윌리엄스 방정식에 따라 압력 손실 ΔP는 다음과 같이 주어집니다:

    \[ \Delta P_2 = 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times (0.94D)^{4.87}} \]

위 식에서 6.174 \times 10^5 \times \frac{Q^{1.85}}{C^{1.85} \times D^{4.87}}은 기준 압력 손실 ΔP이므로, 위 식을 다시 정

 

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