圧縮空気の圧力と圧力損失の関係について

質問

某スキー場でスノーマシン設備の運用をしている者です。
初めて質問するので、言葉足らずの箇所がありましたら申し訳ありません。

スノーマシンは圧縮空気と水を合わせて雪を作る装置です。吐出空気量に比例して多く雪を作ることができます。コンプレッサーからスノーマシンまでの配管長は遠いところで１５００ｍくらいありますので、圧力損失や摩擦抵抗の影響を少なからず受けているものと思われます。コストパフォーマンスの良い運用圧力を決定する上で、圧縮空気圧力と圧力損失の関係が解りません。電圧と電流の関係のように、同じ配管長（等価長）なら圧力が高くなるほど圧力損失は小さくなるのでしょうか？またコンプレッサーの種類により効率の良い運用圧力があるのでしょうか？メーカーにも問い合わせましたが、良く解らないようではぐらかされてしまいます。

コンプレッサーはエンジンタイプ（0.7Ｍｐａ仕様の41ｍ3／ｍｉｎと24ｍ3／ｍｉｎ）と電動タイプ（0.7Ｍｐａ仕様の41ｍ3／ｍｉｎ　合計400ｍ3／ｍｉｎ位）を使用しています。アフタークーラー・エアードライヤーともに使用しています。

どなたか、配管設計やコンプレッサーに詳しい方がいらっしゃいましたら、教えていただけないでしょうか？

よろしくお願いします。

回答No.4

mermaid2004 · ベストアンサー

#2の回答者です
　１）４００ｍ3/分の量で２５０Ａの配管１５００ｍもあれば０．１ＭＰ程度の圧力損失が生じます、
　２）末端で６５Ａとあるが、この太さで４００ｍ3/分の量を流すのは無理です---各スノマシンでの分岐配管なのか？
　３）圧力は高いほうが配管での圧力低下は少ないです　例えば０．６Ｍｐを1と仮定すると
　　　　　０．５Ｍｐで1.17倍程度、０．４Ｍｐで1.4倍程度と圧力損失が増えます、従って可能な範囲で圧力は高いほうが有利と思います
　４）スノーマシンの原理は小生には分りませんが、圧縮空気の断熱膨張での温度降下を利用しているのでは？
　　　この場合は圧力が低いと効率が悪くなると思います--従って圧力は高いほうが有利と思います。
　５）「ＣＣ＿Ｔさんがおっしゃるように、1,500mもの配管を通す場合は圧を上げると効率が落ちる一方ということで」---圧力損失を補う為に更に圧力の高いコンプレッサーを使えばとの意味ではないでしょうか？--現状のコンプレッサーで圧力を下げるのは非効率と思います

まとめ：「逆に圧力が高くなるほど圧力損失は小さくなることからコンプレッサーがアンローダー運転になる手前の０．６５Ｍｐａまで圧力を上げたほうが良いのか」良いと思います。
　　　　　「同じ配管長（等価長）なら圧力が高くなるほど圧力損失は小さくなるのでしょうか？」その通り前述３）の通りです。

追　一般的に考えられる事を書きましたが、小生はスノーマシンの事は分りません参考程度に

お礼

的確な回答ありがとうございました。　おかげさまでエアー圧力と圧力損失の関係がわかりました。　４）の回答はその通りです。　スノーマシン１台で多い時は５０ｍ3／ｍｉｎ位（外気湿球温度による）使う時があります。エアー配管は山全体にツリー状に張り巡らされていて取り出し口が沢山あります。１か所の取り出し口にはスノーマシン１台しか取りつけないので配管の先端の方は６５Ａまで細くして施工時の材料代の削減をしています。
今までは欲張って沢山のスノーマシンを取り付けたために圧力が下がってかえって効率を落としていたことがあったと分りました。圧力損失を加味してコストと効果が吊り合う点を探してみたいと思います。
ありがとうございました。

回答No.3

ankotare

配管の圧損は一般には次のような式で計算されます。
圧損＝摩擦係数x配管内流速の二乗xガスの密度x配管総長さ（バルブとかエルボとかチーは長さに換算して加算した等価長さ）÷配管の内径÷（2x9.8)
摩擦係数はレイノルズ数という無次元の数で決まり、いろいろな計算式やグラフで求められる。
レイノルズ数＝配管内径x管内流速xガス密度÷ガスの粘度
なお、計算に際してはそれぞれの物性の単位に注意が必要です。
ガスの場合、圧損がある程度大きくなってくると、密度が変わり、流速が変わってくるので、長さを適当に分割して遂次計算する必要がある。EXCELなどの表計算を利用すればこの計算は楽にできます。
数値を入れれば計算してくれる式もネットで調べればいろいろ出て来ます。

題意からすると配管口径を大きくするのが一番効くでしょう。
圧力を上げると密度が上がり、流速が下がるので圧損は小さくなると思うが、正確には計算してみないとわからない。
コンプレッサーの圧力をこれ以上上げるには、型式を変える（一段→二段）にする必要があり、汎用タイプから外れ、相当コスト高になると思うので検討に値しない。
手っ取り早いのはコンプレッサーを移動させるのが一番だと思うが、これができない理由は何ですか。
(スノーマシンが各所にあるため？）

補足

回答ありがとうございます。説明が足りずに申し訳ありませんでした。現在の運用圧力は０．４５Ｍｐａ～０．６０Ｍｐａの中で運用しております。配管の太さは近い部分ですと２５０Ａ、末端では６５Ａで地中埋設なので金額的に配管を入れ替える投資はできません。スノーマシンのエアー使用量は外気温により違いますが、４０Ａ位の配管を開放しているような感じです。水と合わせ霧状にして気加熱により雪を作るため吐出空気温度は低ければ低いほど雪を作る効率が上がります。現在は冷凍機で+５℃で出力しています。
圧力損失は４００ｍ3フルで使用している時の末端で特に大きく０．１Ｍｐａ位ある場合があります。運用圧力は設備能力をフルで使う場合、使用するスノーマシンの台数で調節します。

コンプレッサーを移動させることができない理由はエンジンコンプレッサーの燃料を地下タンクから給油しているためです。またスノーマシンが各所にあるためでもあります。

コストパフォーマンスが良い（出口のエアーの量の合計÷コンプレッサー運用コスト）運用圧力を知りたく思っています。申し訳ありませんが当方あまり賢くなく計算等は苦手なので、間違える可能性大です。お忙しいところ恐縮ですが解りやすく説明して頂ければ助かります。
よろしくお願いします。

回答No.2

mermaid2004

「同じ配管長（等価長）なら圧力が高くなるほど圧力損失は小さくなるのでしょうか？」
１）その通りですが、電気の計算の様に単純ではなく、複雑な計算で図表を使う方が良いと思う（メーカーにあると思う）

「またコンプレッサーの種類により効率の良い運用圧力があるのでしょうか」
２）最大0.7Ｍｐａ仕様であれば、コンプレッサーの実際の圧力は0.65～0.7Mpaで変動するでしょう

３）スノーマシンでの圧力は圧力損失を考慮すると0.55～0.65Mpa程度に成ります、之より低い場合は配管を太くする必要があります、配管損失は0.1Mpa程度に抑える必要があります、現在はどの程度の圧力ですか？

４）コンプレッサーの圧力を上げるには更新が必要であり大きな費用を要し更に燃料と電力の消費の増加は勿論、メンテナンスコストも増加します。配管を太くすべきと思うが、全体の経済計算が必要

５）アフタークーラー不要論がありますが、コンプレッサー出口では１５０℃を超える温度があり、空気の容積が増え圧力損失が増加の方向となり、既存であるアフタークーラーは使うべきです。

６）エンジンタイプを１台スノーマシンの近くに移動する案もあると思う、そうすれば１５００ｍの配管の流量が減り圧力損失は大幅に減少するでしょう

メーカーに質問するには更に次の事も必要と思う
Ａ，各コンプレッサーエアー量と合計400ｍ3／ｍｉｎ位と合わないのは何故か？
Ｂ，スノーマシンの理想必要圧力と実際圧力はどの程度？
Ｃ，配管太さは？　１本の配管なのか？
Ｄ，年間の稼動時間
Ｅ，年間の電力及び軽油使用量など

補足

回答ありがとうございます。説明が足りずに申し訳ありませんでした。現在の運用圧力は０．４５Ｍｐａ～０．６０Ｍｐａの中で運用しております。配管の太さは近い部分ですと２５０Ａ、末端では６５Ａで地中埋設なので金額的に配管を入れ替える投資はできません。スノーマシンのエアー使用量は外気温により違いますが、４０Ａ位の配管を開放しているような感じです。水と合わせ霧状にして気加熱により雪を作るため吐出空気温度は低ければ低いほど雪を作る効率が上がります。現在は冷凍機で+５℃で出力しています。
圧力損失は４００ｍ3フルで使用している時の末端で特に大きく０．１Ｍｐａ位ある場合があります。運用圧力は設備能力をフルで使う場合、使用するスノーマシンの台数で調節します。

コストパフォーマンスが良い（出口のエアーの量の合計÷コンプレッサー運用コスト）運用圧力を決定する場合、ＣＣ＿Ｔさんがおっしゃるように、1,500mもの配管を通す場合は圧を上げると効率が落ちる一方ということで、エアーとコンプレッサーオイルが分離不良を起さない０．４Ｍｐａ位で運用するのが良いのか、逆に圧力が高くなるほど圧力損失は小さくなることからコンプレッサーがアンローダー運転になる手前の０．６５Ｍｐａまで圧力を上げたほうが良いのか教えて頂けないでしょうか？

よろしくお願いいたします。

回答No.1

CC_T

はぐらかしているのではなく、メーカーも判断のしようがないのではないかと思います。
私も詳しいとは言えないですが、仕事でプチ空圧回路を扱ったりもする関係上コメントしておきます。

配管抵抗は配管形状と流体の密度や粘度が因子となります。
普通、
•配管が長いor細い
•流体の密度が大きいor粘度が大きい
ほど配管抵抗は大きくなります。
空気ですから高低差による影響はさほどないでしょうし、ポンプを見直すよりも配管を見直す方が効率の面では確実でしょうね。
特に配管径を倍にできれば抵抗は1/4に近くなるはずです。

配管形状に関しては配管径が一番効きますが、断面積や断面形状、折れ曲がりの状態など、机上で評価し切れないものです。マシンＡとマシンＢでは配管経路が違うでしょうし、そうなると配管抵抗もかなり変化するでしょうね。
圧力を上げると密度や動粘度が上がって配管抵抗は増すことになります。
ですので、エネルギー効率で言うならば、1,500mもの配管を通す場合は圧を上げると効率が落ちる一方でしょうね。
折れ曲がりがあったり分岐や弁などのボトルネックがあると乱流を生じますからなおさらです。

マシン入口で空気の圧力と流量を実測し、ポンプの消費電力との対比によりその配管長でのポンプ設定圧の違いでロス（配管抵抗）がどの程度変わるのかを実地検証されるのが確実で手っ取り早いと思われます。
それをマシンで消費する空気量を常圧空気（N/A）流量に換算して横軸にとり、コンプレッサ消費電力を縦軸にとってグラフ化すれば、右上がり基調の曲線が引けると思いますので、配管長さに適した経済的送気圧というのが求められるかと思います。

～～～
蛇足ながら、スキー場の気温で1000m超も配管を引き回すのなら、アフタークーラ―は必要ないのでは？管コイルなりを通して自然冷却させるだけでも十分要が足りそうに思います。

補足

回答ありがとうございます。説明が足りずに申し訳ありませんでした。現在の運用圧力は０．４５Ｍｐａ～０．６０Ｍｐａの中で運用しております。配管の太さは近い部分ですと２５０Ａ、末端では６５Ａで地中埋設なので金額的に配管を入れ替える投資はできません。スノーマシンのエアー使用量は外気温により違いますが、４０Ａ位の配管を開放しているような感じです。水と合わせ霧状にして気加熱により雪を作るため吐出空気温度は低ければ低いほど雪を作る効率が上がります。現在は冷凍機で+５℃で出力しています。
圧力損失は４００ｍ3フルで使用している時の末端で特に大きく０．１Ｍｐａ位ある場合があります。運用圧力は設備能力をフルで使う場合、使用するスノーマシンの台数で調節します。

ＣＣ＿Ｔさんのおっしゃる通り実地検証してみるのが一番良いと思われますがエアー流量を計測する計器がありません。（また会社にお願いしても買ってもらえるとは思いません’’’）
エネルギー効率で言うならば、1,500mもの配管を通す場合は圧を上げると効率が落ちる一方ということは、圧力を上げると圧力損失も大きくなると考えてもよろしいのでしょうか？

お忙しいところ申し訳ありませんが解りやすく説明して頂ければ助かります。
よろしくお願いします。