流量に対する配管径･流速･圧力損失 |超臨界流体NET

本ページは、流量に対する流速と配管径の関係、配管圧損を想定した配管径選定のイメージをつかんで貰うことを目的とします。詳細な技術根拠等は他の専門WEBサイトを御参照下さい。

5～30m/秒･空気
　配管径･圧損図
～6m/秒･水
　配管径･圧損図
配管相当長
配管スケジュール表
制限流速

実在の流体(気体･液体)はその付着力によって固体表面(配管内面他)に粘着し、また凝集力によって速度の勾配にある流体中の流体層相互間に摩擦力を生じます。このため、固体表面に接して流れる流体は固体表面で速度が0となり、固体面から離れるに従ってその粘さに関係する勾配をもって速度が増大し、ある速度分布を形成します。このため、配管内に流体を流すと管壁面と乱れ(渦や乱流)でエネルギー損失が起こり、圧力損失･圧損となります。
　円管内の流体の圧力損失の式の一つとして、以下のFanningの式があります。

△Ｐ：圧力損失 [Pa]、f ：摩擦係数 [ - ]、ρ ：流体密度 [kg/㎥]、
u ：流体速度 [m/s]、Ｌ：配管相当長 [m]、ｄ：配管相当径 [m]

図1, 3に配管内流速による流量との相関を示します。横軸は、配管内流速で、縦軸が流量で、SGP配管内径で計算した各Ａ呼称での相関関係を示しています。
　Fanningの式を使って、空気の配管圧力損失を計算した結果を下図の一点鎖線で示します。
　　計算条件：流体空気、圧力 0.8MPaG、温度 25℃、配管種 SGP
　　試算例◆：流速 15m/秒、150A配管(内径155.2mm) ⇒ 約1,000 A㎥/Hr、圧力損失 1.1 kPa/10m配管相当長
　　f(摩擦係数)は、粗面管(鋼のように比較的平滑管)に適用される右式を使用。摩擦係数式
　　　　流量 = (0.1552/2)^2xπx15m/秒x3,600 = 1,021 ㎥/Hr、
　　　　Re　= D u ρ / μ = 0.1552x15x10.5/0.000018 = 1,358,000
　　　　圧力損失 = 4x0.00351x10.5x15^2/2x10m/0.1552/1000 = 1.07 kPa /10m相当長

図１. 流速vs流量、圧損図

図1の等圧力損失線(一点鎖線)を見ると配管径が大きいほど同一流速に対して、圧力損失が小さくなっています。これは、上記の圧力損失計算式のf 摩擦係数が、図2に示すように、配管径Ｄに比例するレイノズル数Reが大きくなると、摩擦係数が小さくなり、圧損が小さくなることによります。ガスの配管標準流速として、10～15m/秒等で紹介されている場合がありますが、配管径が大きくなると更に高流速も選択肢となります。

図２. Re vs 摩擦係数f 図

図３. 流速vs流量、圧損図

図3に低流速域～6m/秒の流速vs流量線図と配管損失の相関を示します。
・配管損失の計算条件：流体水、
　　圧力 0.1MPaG、温度 25℃、
　　配管種 SGP

・	試算例◆：流速 2m/秒、200A配管(内径204.7mm) ⇒ 図3読取り値：約240 A㎥/Hr、圧力損失 0.17 mAq/10m配管相当長
・	流量 = (0.2047/2)^2xπx2m/秒x3,600 = 236 ㎥/Hr、圧力損失 = 4x0.004159x996x2^2/2 　　x10m/0.2047/1000 　　= 1.62 kPa /10m相当長

【配管相当長】
　弁、エルボ等の配管付属品の複雑形状の圧力損失の大きさを｢仮に直管に換算した場合、何m相当の圧力損失になるか｣を表わすものです。化学工学便覧の掲載値は右記の通りです。

配管付属品：バルブ･継手類			状態	配管相当長
継手類	90°エルボ		ー	32
	90°ロングエルボ		ー	20
	45°エルぼ		ー	15
	チーズ	直線	ー	60
	チーズ	分流	ー	90
グローブ(玉形)弁			全開	300
ゲート(仕切)弁			全開	7
			3/4開	40
			1/2開	200
			1/4開	800

例えば、250Aの100m直管長さの間に90°エルボが11個、ゲート弁が6個、ついた以下の配管系の圧力損出は、以下のようなイメージになります。
　流量： 2,739 ㎥/Hr、流速 15m/秒、圧力損失： 0.88 kPa /10m相当長
　　⇒　{100m+(11個x32+6個x7)x0.2542m}x0.88kPa/10m
　　= {100+394x0.2542)x0.088= {100+100.1}x0.088= 17.6 kPa

配管径が大きい程、相対的な摩擦面積が少なくなるため、長さ当たりの圧力損失は以下のように小さくなり、また、流速に二乗に比例するため流速を遅くすると圧力損失は大きく減少します。

配管径 x 直管長	流量 [㎥/Hr]	流速 [m/秒]	圧力損失 [KPa]
配管径 x 直管長	流量 [㎥/Hr]	流速 [m/秒]	直管部	エルボ	弁	計
250A x 100m	2,739	15	8.8	7.9	0.9	17.6
25A x 100m	32.3	15	124.3	12.1	1.4	137.8
25A x 10m	32.3	15	12.4	12.1	1.4	25.9
25A x 10m	32.3	10	6.0	5.9	0.7	12.6

【配管スケジュール表】

【制限流速】

超臨界流体を高圧から減圧する場合、体積膨張で減圧弁の出口側が高流速になるため、一定の流速以下に抑える必要があります。その時の目安となる制限流速は、一般的に以下と言われています。
　〇音速が0.3マッハ以下を目安とし、実用上は0.8マッハを上限とします。0.3を超える場合には、特に騒音に注意が必要です。
　　　　引用元：https://www.azbil.com/jp/product/factory/download/catalog-spec/SP1-CV2014-Sec10-2.pdf @ 2024.12.05 Acceesed
　〇制御弁出口フランジの流速が高速のままだと騒音源になるため、これを避けるためマッハ0.3という基準が用いられる。
　　　　引用元：https://catfood-tecsheet.ssl-lolipop.jp/ee01rp001.pdf @ 2024.12.05 Acceesed
　⇒ マッハ１ = 1,224km/Hr @ 海面上音速 = 340 m/秒、　マッハ0.3 = 102 m/秒