개념 한 쪽
요로 영역은 연료 저장과 배관 흐름, 내화재 및 열손실 계산 같은 기초 원리를 포함한다고 한다. 가스홀더는 기체연료 대량 저장의 구조별 분류 기준이 분명하다고 한다. 관내 유체 흐름은 레이놀즈수로 층류·난류를 판단한다고 한다. 열전도는 재료의 열전도율과 두께로 열손실이나 보온두께를 산정하는 방식으로 다룬다고 한다.
이 개념을 문제로 확인하고 싶으면 이 개념 문제 10개 풀기
출제기준 단원 「요로 일반」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 레이놀즈수 직접 계산 | 1 | 주어진 물성값을 Re 공식에 대입해 레이놀즈수 값을 구하기 |
| 유속 산출 계산 | 1 | 분당 유량과 관직경을 단위 환산해 Q÷A로 유속을 구하기 |
| 전도열·두께 계산 | 1 | Q = kAΔT/d를 이용해 열손실 또는 보온두께를 산정하기 |
가스홀더는 기체연료를 저장하는 설비로 분류가 정해져 있다고 한다. 재료에서는 유수식(수봉식), 무수식(피스톤식), 고압식의 세 가지 구조 분류를 제시한다고 한다. '저압'은 이들 중 하나의 고유한 구조명이 아니라 유수·무수식을 포괄하는 압력 명칭이라는 점을 반드시 구분한다고 한다.
관속 흐름 상태는 레이놀즈수(Re)에 의해 판정한다고 한다. Re는 물리량을 무차원으로 조합한 수로, 관속 평균속도와 관 지름이 클수록, 점성계수가 클수록 판정치가 바뀐다는 원리를 담는다고 한다. 제시된 기준에서는 Re가 약 2320 미만이면 점성력이 우세하여 층류가 되고, 그보다 크면 난류가 된다고 한다. 경계값 2320은 전이 구간을 나타내므로 '딱 같아야' 같은 조건으로 쓰지 않는다고 한다.
배관 내 유속 계산은 유량을 단면적으로 나눈 Q/A 공식이 기본이라고 한다. 문제 풀이에서는 유량을 m³/s로, 지름을 m로 환산한 뒤 단면적 A = π/4·D²를 사용해 유속을 구한다고 한다. 단위 환산 실수가 오답의 주된 원인이라는 점을 주의한다고 한다.
벽을 통한 전도 열량과 보온두께 계산은 동일한 열전도식 Q = k·A·ΔT/d를 쓴다고 한다. 면적이 1m²일 때는 A=1로 두고 d를 구하거나 Q를 구하는 형태로 계산을 전개한다고 한다. 두께는 문제에서 주어진 단위를 m로 통일해 계산한 뒤 필요하면 cm로 환산한다고 한다.
1) 레이놀즈수 계산 대표 예제는 주어진 값들을 공식 Re = ρvD/μ에 그대로 대입하는 방식으로 푼다고 한다. 예를 들어 ρ=80kg/m³, v=20m/s, D=100mm=0.1m, μ=0.02일 때 Re = 80×20×0.1÷0.02 = 8000으로 계산된다고 한다. 지름을 mm로 두어 넣는 환산 실수가 흔한 함정이라고 한다.
2) 전도 열량과 두께 계산은 Q = k·A·ΔT/d를 변형해 사용한다고 한다. 예를 들어 열전도율 k=0.8kcal/m·h·℃, A=1m², ΔT=25−20=5℃, d=5cm=0.05m일 때 Q = 0.8×1×5÷0.05 = 80 kcal/h가 된다고 한다. 보온두께를 묻는 문제는 d = k·ΔT/Q로 정리해 단위를 확인하면 된다고 한다(예: k=0.1, ΔT=1000℃, Q=400 → d=0.25m=25cm).
관속을 흐르는 유체가 층류가 되려면?
정답 ② · 문제는 관내 흐름이 층류가 되기 위한 레이놀즈수 조건을 묻고 있다. 관속 흐름에서는 레이놀즈수 Re = vd/ν가 약 2320보다 작을 때 점성력 지배의 층류가 되고 그 이상이면 난류로 전이한다.
관속 흐름은 레이놀즈수 Re=vd/ν가 약 2320 미만이면 층류, 그 이상이면 난류이다.
직경이 100mm인 수평 원형관 속을 밀도가 80kg/m³이고 점성계수가 0.02kgfㆍsec/m²인 유체가 20m/sec의 속도로 흐를 때 레이놀즈수는 얼마인가?
정답 ① · 문제는 주어진 유체 물성으로 레이놀즈수를 계산하라는 문제이다. 레이놀즈수는 Re = ρ v D / μ 이므로 값을 대입하면 Re = 80 kg/m^3 × 20 m/s × 0.1 m ÷ 0.02 kg·s/m^2 = 8000이 된다.
레이놀즈수는 Re=ρvD/μ이며, 수치를 대입하면 80×20×0.1÷0.02=8000이다.
직경 200mm 배관을 이용하여 매분 2500L의 물을 흘려 보낼 때 배관 내의 유속은 약 몇 m/s 인가?
정답 ② · 문제는 직경 200 mm 배관을 통해 분당 2500 L의 물이 흐를 때 유속을 묻고 있다. 유속은 유량을 단면적으로 나눈 값이므로 먼저 유량을 m³/s로 환산하면 2500 L/min = 2500/1000 m³/min = 2.5 m³/min = 2.5/60 m³/s ≈ 0.0417 m³/s이다.
유속은 유량÷단면적으로 구하고, 0.0417m³/s÷0.0314m²≈1.3m/s이다.
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