K-Fire Hydraulic Solver 1. 개요 및 시작

 

화면은 보는것처럼 심플하게 구성되어 있습니다. 사용법은 매우 직관적으로 만들었기 때문에 사용법은 쉽게 익힐 수 있을 것으로 생각됩니다. 배관을 그리는 방법은 왼쪽의 제어판과 마우스 우클릭 팝업매뉴를 함께 사용할 수 있습니다. 사용중 가장 중요한 버튼은 '전체보기' 입니다. 배관을 그리다 보면 공간탭을 건드려 배관이 사라진듯 멀리 도망가서 당황스러울 때가 있는데 그때는 '전체보기' 버튼을 누르면 집 나간 배관이 돌아옵니다.

 

이 프로그램의 목적은 수계소화설비 등의 배관망 해석... 즉 쉽게 이야기 하면 설계에 필요한 유량을 맞추기 위해서 펌프 용량을 계산하거나 반대로 펌프가 운전될 경우 유량이 얼마인지 계산하는것이 목적이기 때문에, 가장 먼저 할일은 배관을 그려야 합니다. 작업 순서는 배관그리기 -> 계산 -> 끝 아주 심플합니다.

 

초기화면에서 직관 5m 구경15A KSD3507 배관에 스프링클러헤드 K80을 연결한 후 펌프 용량을 계산하기로 합니다. 펌프용량은 헤드의 최소 방수량 80 L/min을 만족하기 위한 용량이 되겠죠. 이미 필요한 유량은 정해졌으므로 펌프의 양정만 계산합니다. 양정은 80 L/min의 물이 5m 직관을 흘러가면서 발생하는 마찰손실에 헤드의 방수압력 1 bar를 더 한 값이므로 마찰손실만 계산하면 수계산으로도 간단히 구할 수 있습니다. 그러면 프로그램을 이용하여 계산해보겠습니다.

 

 

배관이 그려지면 헤드와 펌프를 설치해야 합니다. 위의 그림처럼 헤드와 펌프를 설치합니다.

 

 

그 다음 계산을 하면 끝납니다. 계산박스에는 두가지 계산방법이 있는데, Demand(설계) 버튼은 가장 기본적인 계산으로 설계용량을 만족하는 펌프용량을 계산합니다 이 예제에서는 헤드의 최소방수압력 1 bar에서 최소방수량 80 L/min을 만족하는 펌프용량을 계산하게 됩니다. Supply(운전) 버튼은 펌프 운전시 헤드로 부터의 압력과 유량을 예측하는 계산이며, 사용자가 펌프의 용량을 직접 입력하여 계산할 수 있습니다.

 

 

계산 결과는 화면에서 다양한 값을 볼 수 있으며, 하단의 테이블에서도 자세하게 확인할 수 있습니다. 계산결과를 한번 검증해 보겠습니다. 마찰손실계산은 하젠윌리엄과 달시웨버 방정식 둘 다 사용이 가능하며 프로그램에서도 각각 계산이 가능합니다. 소방분야의 경우 보고서의 대부분은 하젠윌리엄 방정식으로 계산을 합니다. NFPA13에서도 하젠윌리엄 방정식을 기준으로 규정을 하고 있습니다.

 

하젠윌리엄 방정식의 상수는 예전에 압력단위를 kg/cm2을 사용할때는 6.174를 사용하였으나 SI 단위로 변경되면서 6.05를 사용하고 있습니다. kg/cm2은 중력단위이므로 Pa 단위로 변경하면 1 kg/cm2 = 0.0981 bar 가 되기 때문입니다. 차이가 매우 작기 때문에 현재 관습적으로 같은 물리량으로 사용하지만 엄연히 차이가 있기 때문에 정확하게 반영해 주어야 합니다. 정수두의 압력환산도 예전에는 수두 1m = 0.1 kg/cm2이 정확하게 성립하였으나 SI 단위에서는 1m = 0.0981 bar가 됩니다. 1bar = 0.1Mpa.

본 프로그램은 미국의 환경안전청에서 공개배포한 범용배관망 해석  WNTR 수리엔진을 사용하고 있는데, 이 엔진은 실제 하젠윌리엄방정식의 정확한 값을 사용하여 오차없이 계산하게 되어 있습니다. 이프로그램에 내장된 방정식은 매우 정확한 수식인  h_loss_m = 10.667 * L * (q_cms ** 1.852) / ((C ** 1.852) * (d_m ** 4.871))를 사용하고 있으며 결과값을 bar 단위로 정확하게 단위환산을 하면 상수값이 6.073이 나옵니다. NFPA13에서 제시하는 6.05보다 약간 더 보수적인 값이며 실제에 가장 근접한 정밀도라 할 수 있습니다. 따라서 계산의 정밀도를 위해 프로그램에서는 6.073를 사용하여 마찰손실을 계산하며, 6.05에 비해 0.38% 더 마찰손실값이 커진다고 볼 수 있으나 거의 미미한 차이입니다.

 

결과를 보면 유량 80.097 L/min이 배관 15A(실제내경 17mm) 에 흐를때 마찰손실은 1.458 bar(0.148 MPa) 입니다. 이를 수계산으로 계산하면,

 

6.073 x 10^5 x (80.097^1.852 x 5) / (120^1.852 x 17^4.871) = 1.4578 bar로 계산결과와 동일한것을 알 수 있습니다.

 

 

계산결과 선정된 펌프는 세부속성값을 클릭하면 정격 체절 그리고 최대유량점을 확인할 수 있으며, 체절점은 정격압력의 120% 정격압력의 65%에서 정격유량의 150%가 자동으로 선정되도록 되어 있으나 수동으로 실제 설치할 펌프의 사양을 반영하여 변경할 수 있도록 구성되어 있습니다. 

 

헤드의 경우에도 현재 선택된 기본헤드인 K80을 다양한 헤드로 세부속성창에서 변경이 가능하며, 헤드를 활성/비활성으로 설정할 수도 있습니다.

 

 

상단매뉴의 Calculation의 Pump Curve를 누르면 계산결과의 펌프 커브와 운전점을 확인할 수 있습니다.