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파이프 및 교축 통과하는 기체의 흐름

Thermodynamics Basic Theory Compressed Air Wiki Physics of Air Compressors

열역학은 물리학의 매우 흥미로운 부문 중 하나로서, 공기압축기를 이해하는 데 특히 유용합니다. 이 문서에서는 기체 흐름과 스로틀링에 대해 알아본 다음 열역학 소개를 살펴봅니다.

레이놀즈 수

레이놀즈 수 공식, 계산

레이놀즈 수는 유동 매체에서 관성과 마찰 사이의 무차원 비율으로, 다음과 같이 정의됩니다.

파이프 내의 다른 유형의 흐름에는 어떤 것이 있나요?

파이프를 통과하는 기체

원칙적으로 파이프에는 두 가지 종류의 흐름이 있습니다. Re가 2000 미만이면 매체에서 점성력이 우세하여 얇은 층을 이루면서 흐르게 됩니다. 즉, 다양한 층의 매체가 상호 적절한 순서로 이동합니다. 얇은 층의 속도 분포는 일반적으로 타원형을 이룹니다.

Re가 4000보다 크거나 같은 경우 관성력이 유동 매체의 동작을 지배하여 소용돌이 치면서 흐르게 됩니다. 따라서 입자가 무작위로 이동합니다. 난류 층을 통해 속도 분포가 확산됩니다.

Re가 2000보다 작거나 같고 4000보다 크거나 같은 임계 영역에서는 흐름 조건이 확정되지 않고, 층류 또는 난류를 이루거나 둘 모두를 혼합합니다. 이러한 조건은 파이프의 표면 평활도, 다른 난류의 존재 등과 같은 요소에 의해 규제됩니다. 파이프에서 흐름을 시작하려면 파이프와 커플링의 압력차를 극복할 수 있는 압력 차이가 있어야 합니다. 압력 차이의 크기는 파이프의 직경, 길이, 형태, 표면 평활도, 레이놀즈 수 등에 따라 달라집니다.

줄 톰슨 효과란?

기체가 리스트릭터를 통과할 때 리스트릭터 앞뒤의 압력이 일정하고 온도가 일정하게 유지된다면 이상적이겠지만, 실제로는 내부 에너지가 운동 에너지로 전환하여 리스트릭터를 통과한 후 압력 강하가 발생합니다. 따라서 온도가 떨어지게 됩니다. 실제 기체의 경우 기체의 에너지 함량이 일정하게 유지되더라도 이 온도 변화는 영구적입니다. 이를 줄 톰슨 효과라고 합니다. 온도 변화는 스로틀을 통한 압력 변화를 줄 톰슨 계수로 곱한 값과 같습니다.


유동 매체의 온도가 충분히 낮다면(기체의 경우 +329°C 이하) 리스트릭터를 통과한 후 스로틀을 통해 온도 강하가 발생하지만, 유동 매체의 온도가 높다면 오히려 온도가 높아집니다. 이 조건은 냉동 기술, 기체 분리 등과 같은 다양한 기술 분야에서 사용됩니다.


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열역학 소개: 기본 원칙 및 기체 법칙

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