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管路の損失と流量測定の論点|管摩擦・急拡大・差圧流量・ノズルの閉そく・二相流【エネ管・熱Ⅱ】

管路の損失と流量測定の論点(エネルギー管理士 熱分野)

熱Ⅱの流体のうち、管路の損失と流量の測定の論点を、表と例題で並べました。直管と管路要素の損失、差圧による流量の測定、圧縮性流体のノズル、二相流を扱います。

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管内の流れと直管の圧力損失 ── 長く・細く・速いほど損失が大きい

直管の圧力損失:基準の管を1とすると、長さ2倍で2倍、流速2倍で乱流4倍・層流2倍、同じ流量で内径1/2なら乱流32倍・層流16倍。細くするのがいちばん効く
1つだけ変える乱流(f 一定)層流(f=64/Re)
管の長さを2倍2倍2倍
同じ管で流速(流量)を2倍4倍(流速の2乗)2倍(流速の1乗)
同じ流量で内径を 1/232倍16倍
管壁を粗くする増える(影響がとくに大きい)変わらない

なぜ:摩擦の力は管の内面(周長×長さ)に働き、それを流れの断面が支えます。だから損失は長さ÷内径(L/D)に比例します。壁の摩擦の強さを動圧 ρV²/2 の f 倍とおくと Δp=f(L/D)(ρV²/2) です。層流では f=64/Re が流速に反比例するので、V² のうち V が1つ消えて流速の1乗になります。

問われる形正誤ポイント
直管の圧力損失 Δp=f(L/D)(ρV²/2) は、層流でも乱流でも使える○ダルシー・ワイスバッハの式
層流の管摩擦係数は、レイノルズ数と管壁の相対粗さで決まる×f=64/Re。粗さに関係しない
f が一定の乱流で、同じ管の流量を2倍にすると圧力損失は約2倍×流速の2乗で約4倍
同じ流量で内径を半分にすると、f 一定なら圧力損失は約32倍○流速4倍で動圧16倍、L/D 2倍
円でない流路の等価直径は、断面積をぬれ縁の長さで割った値×4倍する:De=4A/Lp

例題

水が内径 50 mm・長さ 200 m の直管を 2.0 m/s で流れます。管摩擦係数を 0.025 として圧力損失を求めます(水 1,000 kg/m³、動粘度 1.0×10⁻⁶ m²/s)。

①乱流か確かめる:Re=2.0×0.050÷(1.0×10⁻⁶)=1.0×10⁵。乱流なので、与えた管摩擦係数をそのまま使う。

②L/D=200÷0.050=4,000。動圧 ρV²/2=1,000×2.0²÷2=2,000 Pa。

③Δp=0.025×4,000×2,000=200,000 Pa=200 kPa(水頭で約 20.4 m)。

④同じ流量で内径を 25 mm にすると、f を一定とみれば約32倍で 6.4 MPa。細くするのがいちばん効く。

  • 摩擦の仕事は圧力のエネルギーでまかなわれる。断面が一様なら流速は変わらず、下流ほど静圧が下がる。
  • 乱流では f が Re と相対粗さ ε/D で変わり、ある Re 以上では相対粗さだけで決まる一定値になる。
  • 等価直径:長方形 a×b なら 2ab/(a+b)、二重管の環状部なら D₂−D₁。
  • 層流の損失は Δp=32μLV/D²(ハーゲン・ポアズイユの式)。

関連:配管口径はこう決める(流速・圧損・経済性)

管路要素の損失(急拡大・急縮小・ディフューザ) ── 急に広げるほど渦で損失

急拡大と広がり管:50→100 mm・4.0→1.0 m/sの水は損失がなければ7.5 kPa戻るが、急拡大では4.5 kPaが渦の損失で3.0 kPaしか戻らない
要素損失(単位質量あたり)要点
急拡大(V₁−V₂)²/2=(1−A₁/A₂)²·V₁²/2運動エネルギーの差のうち一部だけが圧力に戻る
管からタンクへの出口V²/2速度のエネルギーはすべて損失(かき混ぜて熱に)
急縮小(Vc−V₂)²/2縮流のあと管いっぱいに広がる所で損失
ゆるやかな広がり管K₁(V₁−V₂)²/2広がり角が大きいほど、はく離して損失が増える
弁・継手K·V²/2=f(Le/D)·V²/2相当長さ Le。仕切弁は全開 0、1/2開で 100D

なぜ:急に広げると、流れは壁から離れて噴流のまま進み、周りの渦が速度のエネルギーを熱に変えます。運動量の式から、圧力として戻るのは V₂(V₁−V₂) だけです。差し引き (V₁−V₂)²/2 が損失になり、ゆっくり広げれば渦が小さく、圧力がよく戻ります。

問われる形正誤ポイント
急拡大の損失は、前後の運動エネルギーの差 (V₁²−V₂²)/2 に等しい×(V₁−V₂)²/2。残りは圧力の上昇
管から大きなタンクへ流れ込む出口では、V²/2 がほぼすべて損失になる○面積比が十分小さい急拡大
ディフューザは広がり角を大きくするほど短く減速でき、損失が小さい×角度が大きいとはく離して損失増
急縮小の損失の大部分は、縮流のあと広がり直す部分で生じる○入口から縮流部までの損失は小さい
仕切弁の相当長さは、全開でほぼ 0、半開で管径の約100倍○表の Le/D

例題

水が内径 50 mm から 100 mm へ急拡大する管を、細い側 4.0 m/s で流れます。損失と、広がった後の圧力の上昇を求めます(水 1,000 kg/m³)。

①面積比 A₁/A₂=(50/100)²=0.25 なので、V₂=4.0×0.25=1.0 m/s。

②損失:(4.0−1.0)²÷2=4.5 J/kg。圧力に直すと 4.5 kPa。

③圧力の上昇:p₂−p₁=ρV₂(V₁−V₂)=1,000×1.0×3.0=3.0 kPa。

④確かめる:損失がなければ ½ρ(V₁²−V₂²)=7.5 kPa 戻る。3.0+4.5=7.5 で合う。損失係数は (1−0.25)²≒0.56。

  • 断面積が変わる所の損失は、小さいほうの断面の平均流速で計算する。
  • 入口のかどに丸みをつけると、急縮小(管の入口)の損失係数は著しく小さくなる。
  • 管路の計算では、損失エネルギーそのものか、摩擦による静圧の変化かを区別する(断面が変わると流速の変化分が加わる)。

関連:エルボ・ティー・バルブの圧力損失(K値と相当長さ)

差圧から流量・流速を求める(ベンチュリ・オリフィス・ピトー管) ── Q∝√Δp

差圧式の流量計:ベンチュリ管はのどで速度ヘッドが増えた分だけ圧力が下がり、ピトー管は先端で流れを止めて動圧を読む。流量は差圧の平方根に比例し、差圧4倍で流量2倍
計器差圧の作り方係数・注意
ベンチュリ管ゆるやかに絞ったのど部で速くし、圧力の低下を読む流出係数はほぼ 1
オリフィス板の穴で絞る。流れは縮流部まで縮んでから広がる流量係数 0.6〜0.8(実験で決める)
ピトー管(ピトー静圧管)先端で流れを止めた全圧と、側面の静圧の差を読む差圧=動圧 ½ρV²。低流速に向かない
共通の式Q=CmA√(2Δp/ρ)流量は差圧の平方根に比例

なぜ:どの計器も、ベルヌーイの式で速度のエネルギーと圧力を付け替えて差圧を作ります。差圧は動圧 ½ρV² の差なので、速さは差圧の平方根に比例します。流量は速さ×断面積なので、流量を2倍にすると差圧は4倍になります。

問われる形正誤ポイント
オリフィスで流量を2倍にすると、前後の差圧も2倍になる×差圧は約4倍
ベンチュリ管の流出係数はほぼ 1、オリフィスの流量係数は 0.6〜0.8 程度○オリフィスは縮流して急に広がる
ピトー静圧管は、先端の孔で静圧を、側面の孔で全圧を測る×先端で全圧、側面で静圧
ピトー管が低流速に向かないのは、差圧が流速の2乗に比例して小さくなりすぎるから○流れと軸の向きも合わせる
オリフィスの開口比は、開口面積に対する縮流部の断面積の比×管の断面積に対する開口面積の比(縮流部の比は縮流係数)

例題

水の管にオリフィス(穴の内径 50 mm、流量係数 0.65)を入れたら、前後の差圧が 20 kPa でした。流量を求めます(水 1,000 kg/m³)。

①穴の面積:A=(π/4)×0.050²=1.96×10⁻³ m²。

②√(2Δp/ρ)=√(2×20,000÷1,000)=6.32 m/s。

③Q=0.65×1.96×10⁻³×6.32≒8.07×10⁻³ m³/s(約 29 m³/h)。

④確かめる:差圧が 80 kPa(4倍)なら √4=2 で流量は2倍。差圧を流量に直すには平方根をとる。

  • 開口比 m=AB/AA(管の断面積に対する穴の面積)。縮流係数=縮流部の面積÷穴の面積。
  • 流量係数 Cm は、流出係数 C に面積比の効き(オリフィスでは縮流係数と開口比も)をまとめた係数。
  • ピトー管は流速の分布の測定に使う。流れの方向と軸が一致しないと正しく測れない。
  • 流れを止めた点をよどみ点といい、そこで測る圧力が全圧(総圧)。

関連:差圧式流量計(熱Ⅳの計測)

圧縮性流体とノズルの流れ ── 絞りで音速に達すると流量はそれ以上増えない

先細ノズルの閉そく:タンク400 kPaの空気は周囲の圧力を下げると流量が増えるが、臨界圧力211 kPaで出口が音速になり、それ以下では増えない
周囲の圧力 pb/タンクの圧力 p₀ノズルの出口流量
1(同じ)流れない0
臨界圧力比より大きい音速より遅い。出口の圧力=周囲の圧力周囲の圧力を下げると増える
臨界圧力比(空気で 0.528)出口で音速に達する最大
臨界圧力比より小さい音速のまま。出口は臨界圧力で一定、出てから急に膨張増えない(閉そく状態)

なぜ:圧力の変化は、音速で上流へ伝わります。出口の流れが音速になると、周囲の圧力が下がったという知らせが上流に届かず、流量はタンクの状態だけで決まります。臨界圧力比 (2/(κ+1))κ/(κ−1) は比熱比 κ だけで決まります。

問われる形正誤ポイント
先細ノズルで周囲の圧力を下げていくと、ある所から流量が増えなくなる○出口が音速に達する(閉そく)
空気をタンクから放出するとき、周囲の絶対圧がタンクの約 0.528 倍以下なら流量は一定○比熱比 1.40 の臨界圧力比
臨界状態の出口の流速は、タンクの温度だけで決まり、圧力によらない○Vc=√(2κRT₀/(κ+1))
高速の気流に差し込んだ温度計は、流れの静温度より低い値を示す×流れが止まって高くなる(回復温度)

例題

タンクに空気(比熱比 1.40、ガス定数 287 J/(kg·K))があります。絶対圧 400 kPa、温度 300 K です。周囲が 101.3 kPa のとき、閉そくするか、出口の流速はいくらかを求めます。

①臨界圧力:0.528×400≒211 kPa。

②周囲の 101.3 kPa は 211 kPa より低いので閉そく。出口は音速で、流量はこれ以上増えない。

③出口の流速:Vc=√(2×1.40÷2.40×287×300)≒317 m/s。

④比べる:タンクが 180 kPa なら臨界圧力は 0.528×180≒95.0 kPa。周囲の 101.3 kPa より低いので閉そくしない。

  • 流れを止めた点では cpT+V²/2=cpT₀。T₀ を全温度、流れの温度を静温度という。
  • 温度計は周りの流れに冷やされるので、静温度と全温度の間の回復温度を示す。速いほど静温度との差が大きい。
  • 実際の流量は、損失のない計算値にノズルの流量係数を掛けた値。
  • 気体でも流速が比較的小さければ、非圧縮として扱ってよい。

関連:定圧比熱・定容比熱と比熱比

気液二相流と固気二相流 ── 量の割合で流動様式が変わり、損失も伝熱も変わる

用語中身取り違えやすい点
流動様式(垂直管・上向き)気体を増やすと 気泡流→スラグ流→フロス流→環状流(環状噴霧流)→噴霧流順番
スラグ流・フロス流気相と液相が交互に流れ、管内の圧力が大きく変動する気泡流・噴霧流は単相流のように安定
ボイド率管路に含まれる気相の体積割合(気体体積率)クォリティーと混同させる
クォリティー全質量流量に対する気相の質量流量の割合(蒸気なら乾き度)体積でなく質量
水平管の環状流液膜は上側より下側が厚い流速が増すとほぼ一様になる
粉粒体の空気輸送吸引式(大気圧より低い)と圧送式(高い)大量・長距離は圧送式

なぜ:気体と液体は密度が大きく違うので、同じ速さでは流れません。量の割合と流速で流れの形(流動様式)が変わり、壁の濡れ方や気液の入れ替わり方が変わります。そのため圧力損失や伝熱が大きく変わり、どの様式かを先に見きわめます。

問われる形正誤ポイント
垂直管を上向きに流れる水と空気は、空気を増やすと気泡流→スラグ流→フロス流→環状噴霧流→噴霧流の順に変わる○気相がつながっていく順
スラグ流やフロス流で圧力が大きく揺れるのは、気相と液相が交互に流れるから○フロス流はとくに不安定
クォリティーは気相の体積の割合で、ボイド率ともいう×クォリティーは質量流量の割合
水平管の環状流では液膜が下側で厚く、流速が増すとほぼ一様になる○重力の影響が流速で小さくなる
粉粒体を大量に長い距離運ぶには、吸引式の空気輸送が向く×圧送式。吸引式は漏れ込みで輸送量が下がる
  • スリップ比:気相と液相の速さの比。両相の速さが違うので、ボイド率とクォリティーはスリップ比を通じて結び付く。
  • 外から加熱されるボイラの蒸発管では、液単相流から上の流動様式が順に連続して現れる。
  • 水平管で流速が小さいと、気相が上・液相が下に分かれた層状流、液面に波が立つと波状流になる。
  • 吸引式は供給部が簡単で、数か所から吸い込んで1か所に集められる。圧送式は1か所から数か所へ分配できる。

関連:二相流・スラリー配管の設計入門

出典:エネルギー管理士試験講座 熱Ⅱ「熱と流体の流れの基礎」2編2章。熱Ⅳ「熱利用設備及びその管理」1編3章。

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