圧力損失

圧力損失とは、流体が配管や機械装置などを通過する際に、単位時間あたり、単位流量あたりで失われるエネルギーのことです。このエネルギー損失は、流体が装置内の抵抗に打ち勝つために消費されるものであり、摩擦損失とも呼ばれます。圧力損失は圧力と同じ次元を持ち、その大きさはエネルギーの利用効率に直接影響します。熱力学第二法則によれば、粘性のある流れにおいては圧力損失がゼロになることはあり得ません。しかし、圧力損失が大きいことはエネルギー効率の低下を意味するため、できる限りその損失を小さくする工夫が求められます。

配管などの内部流れにおける圧力損失は、入口と出口の総圧の差として定義されます。具体的には、以下の式で表されます。


圧力損失 = 入口の総圧 - 出口の総圧
= (入口の静圧 - 出口の静圧) + (入口の動圧 - 出口の動圧)


この式からもわかるように、圧力損失は静圧の差と動圧の差の和で構成されます。最も単純な内部流れの例として、円管を通る流れの圧力損失を考えてみましょう。この場合、圧力損失はダルシー・ワイスバッハの式を用いて、摩擦損失係数という無次元数に置き換えて評価することが可能です。摩擦損失係数はレイノルズ数によって変化し、その関係を表す様々な実験式が提案されています。

空気などの密度の低い流体の場合、動圧は小さいため無視されることが多く、圧力損失は静圧の差で近似されることがあります。一方、液体の場合には、圧力損失を損失水頭という形で表すことも一般的です。損失水頭は、圧力損失を流体の密度と重力加速度で割った値として定義され、以下のような式で表されます。


損失水頭 = 圧力損失 / (密度 × 重力加速度)
= 入口の全揚程 - 出口の全揚程


損失水頭は、流体のエネルギー損失を高さの単位で表現したものであり、ポンプなどの選定に用いられる全揚程と関連付けられます。

また、外部流れの場合には、装置の抵抗を表すために抗力が用いられます。抗力は、物体が流体中を運動する際に受ける抵抗力のことで、物体の形状や流速によって変化します。このように、圧力損失は様々な形で定義され、それぞれの状況に応じた適切な評価方法を用いることが重要です。圧力損失を理解し、適切に管理することは、エネルギー効率の高いシステムを設計する上で不可欠な要素です。

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