02.

인터넷이 안될 때

따뜻한 모닥불 앞에서 창밖의 겨울을 바라보며...

화학 공정을 설계할 때 가장 중요한 일 중의 하나는 각 화학 공정 장치의 에너지 수지
에너지 수지를 계산할 때는 일정한 경계(boundary) 안에 일어나는 변화만을 생각
경계 안에 포함된 모든 부분을 계(system, 화공 장치), 그 외의 부분을 주위(surrounding), 주위는 열과 일들을 교환하는 상호 작용

그림 Ⅰ-7 화공 장치에서의 에너지

(1) 에너지 수지의 기본 원리

장치 중에 출입하는 모든 에너지의 수지 균형을 수량적으로 표시
에너지 보존의 법칙을 응용하여 에너지 수지를 계산, 열역학 제1법칙

(2) 유체 에너지 수지

운동 에너지(kinetic energy) : 질량이 m(kg)인 유체가 속도 u(m/s)로 운동할 때 나타내는 에너지

위치 에너지 : 질량이 m(kg)인 유체가 기준면으로부터 높이 h(m)에 있을 때 나타내는 에너지

압력 에너지(pressure energy) : 질량이 m(kg), 압력이 p(N/m2)에 대응하는 일을 할 때 이일에 해당하는 만큼의 에너지

기계적 에너지 : 운동 에너지, 위치 에너지, 압력 에너지을 통틀어 기계적 에너지

단위 질량의 유체가 가지고 있는 에너지, 크기는 길이(m)
단위 질량의 에너지를 중력 가속도 g(m/s2)로 나누어 주면, 각 에너지는 액체의 기둥 높이로 나타낸다.

비중이 0.9인 액체가 나타내는 압력이 2atm일 때 이를 두로 환산하여라.

에서

기준면에서 3m 높이에 있는 수평관 속에 물이 1m/s로 흐르고 있다. 속도두와 위치두를 계산하여라.

비압축성 유체가 그림과 같은 관을 통하여 정상 상태로 흐른다고 가정

그림 Ⅰ-8 유체의 에너지 수지

기준면에서 의 높이에 있는 단면 ①, ②에서 유속을 , 압력을, 밀도
단면 ①, ②에서 단위 질량의 유체를 펌프 또는 송풍기로 수송하는데 필요한 에너지
마찰 손실(friction loss) 등에 의하여 손실되는 에너지
유체가 단면 ①에서 가지고 있는 에너지에 ①~②에서 얻은 에너지를 합한 것은 단면 ②로부터 가지고 나온 에너지에 ①~②에서 잃은 에너지 손실(두손실)를 합한 것과 같다.
유체 1kg에 대하여 ①~② 구간의 기계적 에너지 수지식은

기계적 에너지 수지식은 단면 ①과 단면 ②의 유체의 내부 에너지가 같고, 축 일는 유체가 외부에 하는 일인데, 펌프의 일은 외부에서 계에 가하는 에너지이므로 방향이 서로 반대
열 는 외부에서 가해 주는 것이지만 마찰 손실 는 마찰에 의해 생긴 열에너지가 외부로 나가므로 방향이 반대

유체가 비압축성이고 단면 ①~② 구간에 펌프 및 마찰 손실 등이 없을 때에 이 되므로 기계적 에너지 수지식은 속도두, 위치두, 압력두의 합이 일정하므로

이 식을 베르누이의 정리(Bernoulli's therorem),

각 항의 차원은 (에너지/질량)으로서 유체의 단위 질량에 대한 에너지를 나타내고 표준 단위는

유체 1kg에 주어지는 펌프의 에너지 량은

유체 1kg을 단면 ①에서 단면 ②로 보내는 데 필요한 에너지(펌프 등에 의한 일)를 라 하고 유량을 라 하면 동력는

펌프의 효율을 라 하면 펌프가 필요로 하는 에너지(일), 는 유체 수송에 소요되는 에너지

는

유체 수송을 위한 펌프가 사용한 동력

그림과 같이 물을 퍼올리는 장치에서 비중이 1.05인 용액을 위의 탱크에 올리려고 한다. 흡입관과 배출관의 안지름을 각각 90mm, 60mm, 흡입관의 평균 유속을 1.20m/s, 흡입 액면에서 펌프의 중심까지의 높이, 즉흡입 양정은 2m, 펌프로부터 배출되는 액면까지의 높이, 즉 배출 양정은 20m이다. 펌프의 출력은 4.5PS, 효율은 62%이다. 이 수송관 안의 마찰 손실은 얼마나 되겠는가?