유량과 유속
유량 Q는 초당 지나가는 부피이고, 유속 v는 유체가 움직이는 빠르기입니다. 둘은 배관의 단면적 A로 이어집니다:
Q = A × v, 안지름 d인 배관에서 A = π × d² ÷ 4.
25 mm 배관에 30 L/min (0.0005 m³/s): A = π × 0.025² ÷ 4 = 0.000491 m²이므로 v = 0.0005 ÷ 0.000491 = 1.02 m/s. 지름을 절반으로 줄이면 유속은 네 배가 됩니다.
층류인가 난류인가
레이놀즈 수 Re = ρ × v × d ÷ µ로 판단합니다. 약 2,300 미만이면 층류로 매끄럽고, 약 4,000 초과면 난류이며, 그 사이는 천이 영역입니다. 물(ρ = 1,000 kg/m³, µ = 1 mPa·s)이 25 mm 배관을 1.02 m/s로 흐르면 Re = 1,000 × 1.02 × 0.025 ÷ 0.001 = 25,500으로 완전한 난류입니다. 실제 물 흐름은 거의 다 난류입니다.
압력 손실
벽과의 마찰로 배관을 따라 압력이 손실됩니다. 다르시-바이스바흐 식으로 손실을 구합니다:
Δp = f × (L ÷ d) × ρ × v² ÷ 2
f는 마찰 계수로, 층류에서는 64 ÷ Re이고 난류에서는 Re와 벽의 거칠기(PVC와 구리 0.0015 mm, 강 0.045 mm, 주철 0.26 mm)에 따라 콜브룩 식에서 구합니다. 위 예를 길이 20 m의 PVC 배관으로 계산하면 f ≈ 0.025, Δp = 0.025 × (20 ÷ 0.025) × 1,000 × 1.02² ÷ 2 ≈ 10,400 Pa, 약 0.1 bar 또는 수두 1.06 m입니다. 엘보, 밸브, 이음쇠의 손실이 더해지며, 보통 상당 길이로 계산합니다.
배관 크기 고르기
급수 배관은 보통 1~2 m/s로 설계합니다. 느리면 배관 비용이 늘고, 빠르면 소음이 나고 이음쇠가 침식되며 압력 손실이 과도해집니다. 흡입 배관은 캐비테이션을 피하려고 1 m/s 미만으로 유지합니다. 압력 손실은 유속의 제곱으로 늘어나므로, 배관을 한 치수 키우면 손실이 3분의 2 줄어드는 경우가 많습니다.
계산 도구
배관 유동 계산기는 유량, 지름, 길이, 배관 재질로 유속, 레이놀즈 수, 마찰 계수, 압력 손실을 구합니다. 레이놀즈 수 계산기는 어떤 유체든 흐름의 종류만 판정합니다.