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스테파노 Stefano

15-01-04 21:56

대기와 서로 밀도 차이가 나는 경우 상승기류가 발생하는데 Tank나 Tower에서도 상,하부 맨홀을 개방해 놓으면 미세한 밀도의 차이가 발생하여 일단 공기의 흐름이 시작되면 계속하여 환기현상이 계속되지요.

이는 미세한 기압의 차이만으로도 바람이 일어나 공기의 흐름이 생성되고 흐름이 생성되면 공기의 흐름이 지속되기 때문입니다. 방에 달린 상, 하의 창문을 열어두어도 하부에 공기가 들어가기 시작하면 환기가 계속되지요.

공기의 흐름이 싸이크론처럼 일어나는 경우라면 회전중심의 기압은 낮아져서 공기의 밀도가 떨어지고 밀도가 낮은 곳으로 공기가 몰려와 더욱 회오리가 크지는 현상을 볼 수 있는데 이것도 미세한 공기의 기압차이에 의한 밀도차이로 인해 발생된 공기의 흐름에서 비롯된 것이지요.

낭만고양이 kornight

15-01-05 13:33

말씀하신 대로 미세하나마 밀도차이가 있다면 말씀하신 내용이 충분히 이해가 가고, 예상되는 부분입니다.

하지만 완전히 Turndown 돼있는 Tower라고 한다면
Tower 내외부가 밀도차이가 난다는게 이해가 되질 않습니다.

Tower 내부의 고도차이에 의한 기압변화는 이해가 가지만
이역시 외부의 고도차이에 의한 기압변화와 같은 것이 아닌가 하는 생각이 자꾸 듭니다.

즉, Tower 내외부의 조건이 같다고 보여지는데 어째서 Tower 내부에서는 밀도의 차이로 인한
순환이 발생하게 되는지를 잘 모르겠습니다.

스테파노 Stefano

15-01-05 14:41

(1) 유체가 움직이는 곳에서는 움직이지 않는 곳보다 압력이 낮아지게 되는데 이는 베르뉴이 원리에 의한 것입니다.

(2) Tower내에 바깥의 공기와 같은 밀도의 물질이 채워져 있다고 할 때는 뚜껑을 열거나 하부의 밸브를 열어도 유체가 흘러나오도록 하는 압력차는 발생하지 않지만 밀도가 높은 증기가 들어있을 때 하부의 노즐을 열면 공기가 들어가면서 고밀도 유체는 흘러나오게 됩니다.

(물이 담긴 그릇을 연상하면 됩니다 하부의 밸프를 열면 물이 흘러나오면서 용기는 공기로 채워지게 되겠지요. 반대로 밀도가 낮은 가스가 들어있다면 상부 노즐로 날아가고 용기는 공기로 채워지게 될 것입니다.) 이는 순순히 밀도의 차이에 의해 나타나는 부력차이에 의한 흐름이고 이 부력은 바로 (밀도차*중력가속도*높이차)로 계산되는 "압력차"입니다.

(3) 고도차에 의한 기압변화는 중력장이 작용되는 곳에서 압축성기체가 나타내는 효과입니다. 높은 산에서는 압력이 낮고 해수면에서는 압력이 더 높은데 해수면에서의 기압이라는 것은 바로 해발높이마다 다른 공기의 밀도와 높이 및 중력가속도를 해수면에서부터 쌓아올린 결과 나타내는 압력이 됩니다. 대기의 밀도가 지표면과 성층권이 다르다고 해서 기류가 형성되는 것은 아닙니다. 바람이 불지 않으면 고요한 상태로 공기의 흐름이 생기지 않습니다. 성층권과 지표면에서의 정압만 다르다 뿐이지 흐름이 형성되는 것은 아닙니다. 고요한 상태라고 하면 같은 고도에서는 같은 압력으로 잔잔한 압력을 유지하고 있을 뿐입니다.

(4) Tower 내외부 조건이 모두 같다는 가정을 할 수 있으려면 용기내의 기체의 조성이 내부기체와 같아야 하고 내부 온도 뿐만 아니라 용기표면의 온도도 같아야 될 터인데 그리되기는 어려울 것입니다. 일부러 환기를 방해하려 한다면 노즐을 닫아두면 되겠지만 용기의 노즐을 여는 순간 내부 증기는 증기로 바뀌게 되고 이 과정에서 환기가 일어나게 됩니다.

환기 작용이 일어나게 하는 원인은 바로 밀도의 차이이며 중력장 하에서 밀도의 차이가 있을때 상하의 높이 차이에 따라 Driving Force는 압력차로 나타납니다.

(1) 유체가 움직이는 곳에서는 움직이지 않는 곳보다 압력이 낮아지게 되는데 이는 베르뉴이 원리에 의한 것입니다.

(2) Tower내에 바깥의 공기와 같은 밀도의 물질이 채워져 있다고 할 때는 뚜껑을 열거나 하부의 밸브를 열어도 유체가 흘러나오도록 하는 압력차는 발생하지 않지만 밀도가 높은 증기가 들어있을 때 하부의 노즐을 열면 공기가 들어가면서 고밀도 유체는 흘러나오게 됩니다.

(물이 담긴 그릇을 연상하면 됩니다  하부의 밸프를 열면 물이 흘러나오면서 용기는 공기로 채워지게 되겠지요.  반대로 밀도가 낮은 가스가 들어있다면 상부 노즐로 날아가고 용기는 공기로 채워지게 될 것입니다.)  이는 순순히 밀도의 차이에 의해 나타나는 부력차이에 의한 흐름이고 이 부력은 바로 (밀도차*중력가속도*높이차)로 계산되는 "압력차"입니다.

(3) 고도차에 의한 기압변화는 중력장이 작용되는 곳에서 압축성기체가 나타내는 효과입니다.  높은 산에서는 압력이 낮고 해수면에서는 압력이 더 높은데 해수면에서의 기압이라는 것은 바로 해발높이마다 다른 공기의 밀도와 높이 및 중력가속도를 해수면에서부터 쌓아올린 결과 나타내는 압력이 됩니다.   대기의 밀도가 지표면과 성층권이 다르다고 해서 기류가 형성되는 것은 아닙니다.   바람이 불지 않으면  고요한 상태로 공기의 흐름이 생기지 않습니다.  성층권과 지표면에서의 정압만 다르다 뿐이지 흐름이 형성되는 것은 아닙니다.  고요한 상태라고 하면 같은 고도에서는 같은 압력으로 잔잔한 압력을 유지하고 있을 뿐입니다.

(4) Tower 내외부 조건이 모두 같다는 가정을 할 수 있으려면 용기내의 기체의 조성이 내부기체와 같아야 하고 내부 온도 뿐만 아니라 용기표면의 온도도 같아야 될 터인데 그리되기는 어려울 것입니다.  일부러 환기를 방해하려 한다면 노즐을 닫아두면 되겠지만 용기의 노즐을 여는 순간 내부 증기는 증기로 바뀌게 되고 이 과정에서 환기가 일어나게 됩니다.

환기 작용이 일어나게 하는 원인은 바로 밀도의 차이이며 중력장 하에서 밀도의 차이가 있을때 상하의 높이 차이에 따라 Driving Force는 압력차로 나타납니다.

낭만고양이 kornight

15-01-05 17:43

다시 한 번 답변 감사드립니다.

말씀하신 내용들은 대부분 이해가 되는 부분들 같지만
Tower 내/외부의 모든 조건이 동일한 상태(고도에 따른 압력/온도/밀도 Profile) 및 유체가 멈춰있던 상태에 대해서
아주 천천히 개방을 진행했을 때 어째서 없던 흐름이 생기는 지에 대해서는 아직도 잘 이해가 가질 않습니다.

아마 말씀하신 내용들에 대해서 이해하고 있다고 잘못 생각하는 부분이 있어서 인 것 같습니다.

좀더 공부해보도록 하겠습니다. ㅠㅠ

compressible fluid에 대한 benoulli's equation쪽을 좀더 공부해봐야 겠습니다...

스테파노 Stefano

15-01-08 20:59

Tower 혹은 Tank의 맨홀을 열어 환기시키려 하는 이유가 내부에 공기와 다른 물질이 들어있다는 것을 의미하므로 밀도가 다르다는 것이 일반적인 현상일 것입니다. 분자량이 공기보다 큰 경우에는 하부노즐을 통해 밖으로 흘러나오면서 공기가 들어가게 될 것이고 분자량이 공기보다 낮은 경우라면 상부 노즐을 열기만 해도 저분자량 공기가 상부로 배출되고 공기가 상부 혹은 하부로 흘러들어가게 될 것입니다.

Vessel의 온도가 높을 경우에는 밀도차이로 더구나 굴뚝효과가 나타나 환기가 잘 일어날 것이벼 Vessel의 온도가 낮아 밀도가 높은 물질이 들어 있다고 하더라도 고밀도 물질이 새어나오면서 공기가 흘러들어가 환기는 일어날 것입니다.

오히려 상하부 Manhole을 열어 젖혔는데도 환기가 안된다면 그게 더 괴이한 일이 아닐까요?

낭만고양이 kornight

15-01-09 15:57

질문에 약간의 혼선사항이 있었던 것 같습니다.

쉬운 예로써, Tower 안에 Air가 외부 Air와 같은 조건으로 채워져 있던 상태라고 보시면 되실 것 같습니다.
(물론, Tower 로부터의 energy 전달을 가정하지 않기 위해서 재질 자체의 온도 Profile 또한 외부 Air와 같다고 가정해야 겠습니다.)

그런 경우에 어떤 기전이 driving force로 작용을 해서 draft를 발생시키는 것인지가 이해가 안가는 것이었습니다.

스테파노 Stefano

15-04-10 19:43

어떤 용기이든지 위 아래가 열려있고 용기내에 공기를 조금이라도 덥힐 수 있는 Heating Source가 있다면 공기가 팽창하여 출구로 배출될 것이고 그 빈자리를 차거운 공기가 아래 노즐(문)으로 들어오는 일이 벌어질 것이므로 자연적 환기(Natural Draft)가 발생됩니다.