科目
流体力学
章
管の流れと損失
図番
10 / 12
内容
シミュレータ・例題3問
流体力学 10 / 12

屋上へ揚げる電気の、3分の2は熱になるポンプの揚程と動力

水に渡す動力は ρgQH。毎分 20 L を高さ 10 m へ揚げるだけなら 32.6 W だが、揚程には管の損失も足すので、内径 15 mm・長さ 20 m の管なら揚程 15.9 m・水の動力 51.9 W、効率 50% のポンプで電気は 104 W。家庭用の小さなポンプは、仕様書から計算すると電気の1割余りしか水に渡さない。

屋上に水のタンクが載った建物と、地上の水槽の横のポンプから、壁にそって屋上まで上る1本の管
このページの内容
  1. 屋上のタンクへ、水を揚げるには
  2. 公式はこれ
  3. 水を持ち上げる分:32.6 W
  4. 揚程 = 高さ + 管の損失
  5. 流量を2倍にすると
  6. 電気は、効率で割る
  7. 公式を、3つのかたまりに分けて読む
  8. どの数字がいちばん効く?
  9. 動かしてみよう
  10. よくある勘違い
  11. この公式が使える条件
  12. 例題

この単元のポイント

  1. 水に渡す動力は ρgQH(密度 × 重力加速度 × 流量 × 揚程)。毎分 20 L の水を高さ 10 m へ揚げるだけなら 32.6 W。
  2. 揚程は、高さに管の損失を足したもの。内径 15 mm・長さ 20 m の管では損失が 5.91 m あり、揚程は 15.9 m、水の動力は 51.9 W になる。
  3. ポンプに入れる電気は、水の動力を効率で割ったもの。効率 50% なら 104 W。家庭用の小さなポンプの仕様書から計算すると、水に渡るのは電気の1割余り。

屋上のタンクへ、水を揚げるには

マンションや学校の屋上には、大きな水のタンクが置かれていることがあります。地上の水槽の水を、ポンプで屋上まで揚げてためておき、そこから各階の蛇口へ、高さの力で水を送ります。

ポンプは、モーターで羽根車を回して、水に圧力をかけて押し出す機械です。では、毎分 20 L の水を、高さ 10 m の屋上へ揚げるには、何 W の電気が要るのでしょうか。

予想してから読む屋上へ揚げる水の量を、毎分 20 L から2倍の 40 L にする(高さ・管・ポンプはそのまま)。要る電気は何倍になる?

公式はこれ

Pw=ρ g Q HPe=Pwη\spuPw = \sryRho\,\sryG\,\spuQ\,\spuH \qquad \spuPe = \dfrac{\spuPw}{\spuEta}
記号 意味 屋上 10 m へ毎分 20 L
Pw\spuPw 水の動力(毎秒、水に渡すエネルギー) [W] 51.9 W
ρ\sryRho 水の密度 [kg/m³] 998.2 kg/m³
g\sryG 重力加速度 [m/s²] 9.807 m/s²
Q\spuQ 流量 [m³/s] 毎分 20 L = 0.333×10−3 m3/s0.333 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^3/s}
H\spuH 揚程(高さ + 管の損失) [m] 10 m + 5.91 m = 15.9 m
η\spuEta ポンプの効率(電気から水へ) 50%
Pe\spuPe ポンプに入れる電気 [W] 104 W

答えは 104 W です。このうち、水を屋上へ持ち上げるのに使われるのは 32.6 W だけです。残りがどこへ行くのかを、順に見ていきます。

水を持ち上げる分:32.6 W

まず、管の損失がないとして、水を高さ 10 m へ持ち上げる分だけを考えます。

毎分 20 L の水は、毎秒 0.333 L です。水 1 L はほぼ 1 kg なので、毎秒 0.333 kg の水を 10 m 持ち上げることになります。位置エネルギー mghmgh を毎秒あたりで出すと、

Pz=ρ g Q z=998.2×9.807×0.333×10−3×10=32.6 W\spuPz = \sryRho\,\sryG\,\spuQ\,\spuZ = 998.2 \times 9.807 \times 0.333 \times 10^{-3} \times 10 = 32.6\ \mathrm{W}

1秒に 32.6 J。これが「高さの分の水の動力」です。井戸のつるべで水を汲み上げるときに、手が綱を引いてする仕事と同じものです。

財布の中身の両替(ベルヌーイの定理)で言えば、ポンプは財布に外からお金を足す機械です。ポンプは水に圧力の分を足し、その圧力の分が、管を上るあいだに高さの分へ両替されます。

揚程 = 高さ + 管の損失

ところが、管の中を流れる水は、管の壁との摩擦で、財布の中身を少しずつ熱に払っていきます。管の摩擦損失 で見た、管の摩擦損失です。

ポンプは、この払う分まで足してやらないと、水を屋上まで届けられません。そこで、ポンプが受け持つ高さを、

H=z+hL\spuH = \spuZ + \spuHl

と考えます。この H\spuH を揚程といいます。管の損失 hL\spuHl も、圧力ではなく「水の柱の高さ」で言い表しておくと、そのまま高さに足せます。

庭のホースと同じ内径 15 mm・長さ 20 m の管に、毎分 20 L を通すと、

  • 管の中の流速:v=1.89 m/s\spuV = 1.89\ \mathrm{m/s}(レイノルズ数は約 2.8万で乱流)
  • 管摩擦係数:λ=0.0244\spuLam = 0.0244
  • 管の損失:hL=0.0244×200.015×1.8922×9.807=5.91 m\spuHl = 0.0244 \times \dfrac{20}{0.015} \times \dfrac{1.89^2}{2 \times 9.807} = 5.91\ \mathrm{m}

損失だけで 5.91 m。屋上の高さ 10 m の6割にもなります。揚程は 15.9 m で、水の動力は

Pw=998.2×9.807×0.333×10−3×15.9=51.9 W\spuPw = 998.2 \times 9.807 \times 0.333 \times 10^{-3} \times 15.9 = 51.9\ \mathrm{W}

高さの分 32.6 W に、管の損失の分 19.3 W が加わりました。

管を太くすると、損失はみるみる減ります。同じ毎分 20 L・長さ 20 m・効率 50% で比べます。

管の内径 管の損失 hL\spuHl 揚程 H\spuH 電気 Pe\spuPe
15 mm 5.91 m 15.9 m 104 W
20 mm 1.51 m 11.5 m 75.1 W
25 mm 0.52 m 10.5 m 68.7 W

内径を 15 mm から 25 mm にすると、損失は約11分の1です。揚程はほぼ高さの 10 m だけになり、損失がないときの 65.3 W(32.6 W ÷ 0.5)に近づきます。

流量を2倍にすると

高さ・管・ポンプをそのままにして、流量だけを変えてみます。

流量 管の損失 hL\spuHl 揚程 H\spuH 水の動力 Pw\spuPw 電気 Pe\spuPe
毎分 10 L 1.76 m 11.8 m 19.2 W 38.4 W
毎分 20 L 5.91 m 15.9 m 51.9 W 104 W
毎分 40 L 19.9 m 29.9 m 195 W 390 W

流量を2倍にすると、高さの分の動力は2倍です。ところが管の損失は、流速の2乗近く(流量の 1.75 乗)で増えるので、5.91 m が 19.9 m の約3.4倍になります。電気は 104 W から 390 W の約3.8倍です。

屋上のタンクのように、水をためておける場合は、急いで揚げる必要はありません。ゆっくり揚げるほど、同じ量の水を少ない電気で揚げられます。

電気は、効率で割る

ポンプに入れた電気が、すべて水に渡るわけではありません。モーターの中では電線の抵抗で熱が出て、ポンプの中では、羽根車のまわりで水がかき回されて熱になります。電気のうち、水の動力になる割合を、ここではポンプの効率 η\spuEta と呼びます(モーターとポンプを合わせた、電気から水への効率)。

Pe=Pwη=51.90.5=104 W\spuPe = \dfrac{\spuPw}{\spuEta} = \dfrac{51.9}{0.5} = 104\ \mathrm{W}

では、実際の家庭用のポンプは、どれくらいの効率なのでしょうか。メーカーが公開している仕様書の数字から計算してみます(日立の井戸用ポンプの仕様書。2026-11-04 に確認)。

ポンプ 仕様書の数字 水の動力 電気から水への効率
浅井戸用(W-K200NS) 消費電力 340 W、全揚程 12 m のとき毎分 24 L 47.0 W 約14%
深井戸用(SWT-P400J) 消費電力 1,150 W、全揚程 45 m のとき毎分 18 L 132 W 約11%

どちらも、電気の1割余りしか水に渡っていません。家庭用の小さなポンプは、作りやすさや、空気をかんでも水を吸い上げられることなどを優先していて、効率はあまり高くありません。上の数字は仕様書の1つの運転の点での値で、流量や揚程が変わると効率も変わります。

公式を、3つのかたまりに分けて読む

Pe=ρ g⏟水の重さ×Q H⏟量 × 高さ×1η⏟機械の損\spuPe = \underbrace{\sryRho\,\sryG}_{\text{水の重さ}} \times \underbrace{\spuQ\,\spuH}_{\text{量 × 高さ}} \times \underbrace{\dfrac{1}{\spuEta}}_{\text{機械の損}}
  1. 水の重さ ρg\sryRho\sryG 水 1 m³ の重さで、約 9.79 kN。油のように軽い液体なら、この分が小さくなります。
  2. 量 × 高さ QH\spuQ\spuH 毎秒、どれだけの体積を、どれだけの高さへ持ち上げるか。高さには、管の損失も入っています。
  3. 機械の損 1/η1/\spuEta 効率 50% なら2倍、効率 15% なら約 6.7倍の電気が要ります。

ρgH\sryRho\sryG\spuH は、高さ H\spuH の水の柱の底の圧力です。だから水の動力は「ポンプが水に足す圧力 × 流量」とも読めます。初期値では、ポンプの出口で 156 kPa(ゲージ)の圧力を足しています。

どの数字がいちばん効く?

屋上 10 m・毎分 20 L・内径 15 mm・長さ 20 m・効率 50% から、それぞれの数字を 10% 変えたとき、要る電気がどう変わるかを並べます。

変えるもの 電気の変化 理由
高さ z\spuZ を10%高く +6.3% 揚程のうち、高さの分だけが増える
流量 Q\spuQ を10%多く +17.4% 量が増え、損失も 1.75 乗で増える
管の長さ L\spuL を10%長く +3.7% 損失が長さに比例して増える
管の内径 D\spuD を10%太く −13.5% 損失が内径の −4.75 乗で減る
効率 η\spuEta を 50% → 55% に −9.1% 電気は効率に反比例

流量と管の太さが、高さよりもよく効きます。どちらも、管の損失を通して効いてくるからです。

つまり、ものを作るときは

ポンプを選ぶ前に、管の損失を見積もって、揚程に足す。高さだけでポンプを選ぶと、水が屋上まで届かなかったり、届いても流量が足りなかったりします。

電気を減らしたいときは、管を太く短くし、ためておける水はゆっくり揚げる。高さはふつう変えられませんが、管と流量は設計で選べます。

動かしてみよう

揚げる高さ z\spuZ のスライダーを動かすと、建物と揚程の棒の灰色の部分が、同じ尺度で伸び縮みします。その上に積まれた黄土色の部分が、管の損失です。

管の内径 D\spuD を替えたり、流量 Q\spuQ を変えたりすると、黄土色の部分が大きく変わります。右の棒(スマホでは下の棒)は、毎秒のエネルギーの行き先です。下から、水を持ち上げる分、管の摩擦で熱になる分、ポンプの中で熱になる分です。

「いまの図を残して比べる」を押してから数字を変えると、どの部分が増えたのかが並べて見られます。

シミュレータスライダーを動かすと、図と答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 揚げる高さ z を2倍の 20 m にする(流量・管はそのまま)。高さの分と損失の分の棒を、それぞれ見る(まだ)
  2. 管の内径 D を 25 mm に替えて、揚程の棒の上の、管の損失の分を見る(まだ)
  3. ポンプの効率 η を、家庭用の小さなポンプに近い 15% にする(まだ)
m
L/min
m
D管の内径
%
ポンプ高さ 10 m損失 5.91 mH = 15.9 m揚程毎分 20 L・管の中の流速 1.89 m/s管:内径 15 mm・長さ 20 m(うち横 10 m)高さの分 32.6 W管の損失 19.3 Wポンプの熱 51.9 W電気 104 W毎秒のエネルギー水の動力 51.9 W ÷ 効率 50%熱になる分 71.2 W(69%)尺度建物と棒は同じ縮尺
ポンプに入れる電気は、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

Pe=Pwη\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{e}}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{w}}}}{\htmlClass{q-material}{\eta}}=51.90.5= \dfrac{51.9}{0.5}=104 W= 104\ \mathrm{W}
ポンプに入れる電気
Pe=104 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{e}}} = 104\ \mathrm{W}
揚程(高さ + 管の損失)
H=15.9 m\htmlClass{q-geometry}{H} = 15.9\ \mathrm{m}
管の損失(水の柱の高さで)
hL=5.91 m\htmlClass{q-heat}{h_{\mathrm{L}}} = 5.91\ \mathrm{m}
水の動力
Pw=51.9 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{w}}} = 51.9\ \mathrm{W}
熱になる分(ポンプの熱 + 管の損失)
P熱=71.2 W\htmlClass{q-heat}{P_{\mathrm{熱}}} = 71.2\ \mathrm{W}
ほかの値(7 個)
高さの分の水の動力
Pz=32.6 W\htmlClass{q-moment}{P_{z}} = 32.6\ \mathrm{W}
管の損失の分の水の動力
PL=19.3 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{L}}} = 19.3\ \mathrm{W}
管の中の流速
v=1.89 m/s\htmlClass{q-displacement}{v} = 1.89\ \mathrm{m/s}
レイノルズ数
Re=28,200 \htmlClass{q-material}{Re} = 28{,}200\
管摩擦係数
λ=0.0244 \htmlClass{q-material}{\lambda} = 0.0244\
管の損失(圧力で)
Δp=57.8 kPa\htmlClass{q-stress}{\Delta p} = 57.8\ \mathrm{kPa}
ポンプの出口の圧力(ゲージ)
p=156 kPa\htmlClass{q-stress}{p} = 156\ \mathrm{kPa}
途中の計算(導出)を見る
  1. 管の中の流速(流量 ÷ 管の断面積)

    v=4 Qπ D2=4×0.333×10−3π×0.0152=1.89 m/s\htmlClass{q-displacement}{v} = \dfrac{4\,\htmlClass{q-displacement}{Q}}{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{D}^2} = \dfrac{4 \times 0.333\times 10^{-3}}{\pi \times 0.015^2} = 1.89\ \mathrm{m/s}
  2. 管の損失(水の柱の高さに直す。管摩擦係数はレイノルズ数から)

    hL=λ LD v22 g=0.0244×200.015×1.8922×9.807=5.91 m\htmlClass{q-heat}{h_{\mathrm{L}}} = \htmlClass{q-material}{\lambda}\,\dfrac{\htmlClass{q-geometry}{L}}{\htmlClass{q-geometry}{D}}\,\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{v}^2}{2\,\htmlClass{q-geometry}{g}} = 0.0244 \times \dfrac{20}{0.015} \times \dfrac{1.89^2}{2 \times 9.807} = 5.91\ \mathrm{m}
  3. 揚程(揚げる高さに、管の損失を足す)

    H=z+hL=10+5.91=15.9 m\htmlClass{q-geometry}{H} = \htmlClass{q-geometry}{z} + \htmlClass{q-heat}{h_{\mathrm{L}}} = 10 + 5.91 = 15.9\ \mathrm{m}
  4. 水の動力(毎秒、水に渡すエネルギー)

    Pw=ρ g Q H=998.2×9.807×0.333×10−3×15.9=51.9 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{w}}} = \htmlClass{q-material}{\rho}\,\htmlClass{q-geometry}{g}\,\htmlClass{q-displacement}{Q}\,\htmlClass{q-geometry}{H} = 998.2 \times 9.807 \times 0.333\times 10^{-3} \times 15.9 = 51.9\ \mathrm{W}
  5. ポンプに入れる電気(水の動力を、効率で割る)

    Pe=Pwη=51.90.5=104 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{e}}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{w}}}}{\htmlClass{q-material}{\eta}} = \dfrac{51.9}{0.5} = 104\ \mathrm{W}

よくある勘違い

「揚程は、建物の高さのこと」

建物の高さは、揚程の一部です。ポンプが受け持つのは、高さに管の損失を足した分です。

何の高さ 初期値の例
揚げる高さ z\spuZ 下の水面から、屋上の吐き出し口まで 10 m
管の損失 hL\spuHl 管の摩擦で払う分を、水の柱の高さに直したもの 5.91 m
揚程 H\spuH ポンプが水に足す分を、水の柱の高さで言ったもの 15.9 m

「モーターの出力 200 W のポンプは、水に 200 W を渡す」

モーターの出力は、モーターが羽根車を回す軸の動力です。そこから、ポンプの中で水がかき回されて熱になる分が引かれます。上の表の W-K200NS は 200 W のモーターを積んでいますが、仕様書の運転の点では、水に渡るのは 47.0 W です。

「管が長くても、高さが同じなら、要る電気は同じ」

位置エネルギーの分は、高さだけで決まります。でも、管の損失は長さに比例します。屋上 10 m に、内径 15 mm の管を 20 m 引くと損失は 5.91 m、40 m 引くと 11.8 m です。

この公式が使える条件

  • 流れの様子が時間で変わらない(ポンプを回し続けて、流量が落ち着いたとき)
  • 管の損失は、まっすぐな、なめらかな管の摩擦だけを入れた(曲がり・弁・継手の損失は入れていない。実際はもっと大きい)
  • 吐き出し口から出る水の速さの分(v2/2g\spuV^2/2\sryG、初期値で 0.18 m)は小さいので、揚程に入れていない
  • 下の水槽と屋上のタンクの水面は、どちらも大気に開いている
  • 効率 η\spuEta は一定とした(実際のポンプは、流量と揚程で効率が変わる)
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

エネルギーの勘定で導く:下の水槽の水面を場所 1、屋上の吐き出し口を場所 2 とします。財布の中身(1 m³ あたりのエネルギー)の合計を、高さ(水の柱の m)で書くと、

p1ρg+v122g+z1+H=p2ρg+v222g+z2+hL\dfrac{\sryP_1}{\sryRho\sryG} + \dfrac{\sryV_1^2}{2\sryG} + \sryZ_1 + \spuH = \dfrac{\sryP_2}{\sryRho\sryG} + \dfrac{\sryV_2^2}{2\sryG} + \sryZ_2 + \spuHl

左辺の H\spuH はポンプが足す分、右辺の hL\spuHl は管の摩擦で払う分です。どちらの場所も大気に開いているので p1=p2=0\sryP_1 = \sryP_2 = 0(ゲージ圧)。水面の速さは 0、吐き出し口の速さの分は小さいので入れないとすると、

H=(z2−z1)+hL=z+hL\spuH = (\sryZ_2 - \sryZ_1) + \spuHl = \spuZ + \spuHl

動力:ポンプは、毎秒 ρQ\sryRho\spuQ [kg] の水に、1 kg あたり gH\sryG\spuH [J] のエネルギーを足します。かけ合わせて、

Pw=ρ Q×g H=ρ g Q H\spuPw = \sryRho\,\spuQ \times \sryG\,\spuH = \sryRho\,\sryG\,\spuQ\,\spuH

圧力で読むと、ポンプが足す圧力 Δp=ρgH\Delta p = \sryRho\sryG\spuH で、毎秒 Q\spuQ の体積を押し出す仕事 Δp⋅Q\Delta p \cdot \spuQ と同じです。

管の損失:管の摩擦損失 のダルシー・ワイスバッハの式を、水の柱の高さに直したものです。

hL=λ LD v22g,λ=0.3164 Re−0.25 (なめらかな管の乱流)\spuHl = \spuLam\,\dfrac{\spuL}{\spuD}\,\dfrac{\spuV^2}{2\sryG}, \qquad \spuLam = 0.3164\,\spuRe^{-0.25}\ \text{(なめらかな管の乱流)}

流量を一定にすると v∝1/D2\spuV \propto 1/\spuD^2、Re∝1/D\spuRe \propto 1/\spuD なので、hL∝D0.25⋅D−1⋅D−4=D−4.75\spuHl \propto \spuD^{0.25} \cdot \spuD^{-1} \cdot \spuD^{-4} = \spuD^{-4.75}。内径を 15 mm から 25 mm にすると (25/15)−4.75=0.088(25/15)^{-4.75} = 0.088、約11分の1です。

例題

例題1 井戸から畑のタンクへ

井戸の水面から 6 m 高い所にある畑のタンクへ、毎分 30 L の水を揚げます。管は内径 25 mm・長さ 30 m の、なめらかな管です。ポンプの効率(電気から水へ)は 40% とします。

(1) 管の損失(水の柱の高さで)と揚程はいくらですか。(2) 水の動力と、ポンプに入れる電気はいくらですか。

ヒント 1 / 2

流速は v=4Q/(πD2)v = 4Q/(\pi D^2)、損失は hL=λ(L/D) v2/(2g)h_L = \lambda (L/D)\, v^2/(2g)、管摩擦係数は λ=0.3164 Re−0.25\lambda = 0.3164\,Re^{-0.25} です。

ヒント 2 / 2

揚程 HH は、高さ 6 m に損失を足したものです。

答えと解き方を見る
(1) hL=1.59 m,H=6+1.59=7.59 m(1)\ \spuHl = 1.59\ \mathrm{m},\quad \spuH = 6 + 1.59 = 7.59\ \mathrm{m}
(2) Pw=998.2×9.807×0.5×10−3×7.59=37.2 W,Pe=37.20.4=92.9 W(2)\ \spuPw = 998.2 \times 9.807 \times 0.5\times 10^{-3} \times 7.59 = 37.2\ \mathrm{W},\quad \spuPe = \dfrac{37.2}{0.4} = 92.9\ \mathrm{W}
  1. 管の中の流速(流量 ÷ 管の断面積)

    v=4 Qπ D2=4×0.5×10−3π×0.0252=1.02 m/s\htmlClass{q-displacement}{v} = \dfrac{4\,\htmlClass{q-displacement}{Q}}{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{D}^2} = \dfrac{4 \times 0.5\times 10^{-3}}{\pi \times 0.025^2} = 1.02\ \mathrm{m/s}
  2. 管の損失(水の柱の高さに直す。管摩擦係数はレイノルズ数から)

    hL=λ LD v22 g=0.0251×300.025×1.0222×9.807=1.59 m\htmlClass{q-heat}{h_{\mathrm{L}}} = \htmlClass{q-material}{\lambda}\,\dfrac{\htmlClass{q-geometry}{L}}{\htmlClass{q-geometry}{D}}\,\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{v}^2}{2\,\htmlClass{q-geometry}{g}} = 0.0251 \times \dfrac{30}{0.025} \times \dfrac{1.02^2}{2 \times 9.807} = 1.59\ \mathrm{m}
  3. 揚程(揚げる高さに、管の損失を足す)

    H=z+hL=6+1.59=7.59 m\htmlClass{q-geometry}{H} = \htmlClass{q-geometry}{z} + \htmlClass{q-heat}{h_{\mathrm{L}}} = 6 + 1.59 = 7.59\ \mathrm{m}
  4. 水の動力(毎秒、水に渡すエネルギー)

    Pw=ρ g Q H=998.2×9.807×0.5×10−3×7.59=37.2 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{w}}} = \htmlClass{q-material}{\rho}\,\htmlClass{q-geometry}{g}\,\htmlClass{q-displacement}{Q}\,\htmlClass{q-geometry}{H} = 998.2 \times 9.807 \times 0.5\times 10^{-3} \times 7.59 = 37.2\ \mathrm{W}
  5. ポンプに入れる電気(水の動力を、効率で割る)

    Pe=Pwη=37.20.4=92.9 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{e}}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{w}}}}{\htmlClass{q-material}{\eta}} = \dfrac{37.2}{0.4} = 92.9\ \mathrm{W}

管の中の流速は 1.02 m/s、レイノルズ数は約 2.5 万で、乱流です。

毎分 30 L は、毎秒 0.5 L(0.5×10−3 m3/s0.5\times 10^{-3}\ \mathrm{m^3/s})です。式の中では、毎秒の m³ に直します。

例題2 5階建ての屋上へ

5階建ての建物の屋上のタンクへ、地上の水槽から水を揚げます。水槽の水面から屋上の吐き出し口までは 18 m。流量は毎分 40 L、管は内径 25 mm・長さ 24 m です。

(1) 揚程はいくらですか。(2) ポンプの出口では、水の圧力(ゲージ圧)はいくら要りますか。ポンプの出口と下の水槽の水面の高さの差は考えません。

ヒント 1

揚程 HH が分かれば、出口の圧力は、高さ HH の水の柱の底の圧力 ρgH\rho g H と同じです。

答えと解き方を見る
(1) H=18+2.11=20.1 m(1)\ \spuH = 18 + 2.11 = 20.1\ \mathrm{m}
(2) p=ρ g H=998.2×9.807×20.1=197 kPa(2)\ \spuP = \sryRho\,\sryG\,\spuH = 998.2 \times 9.807 \times 20.1 = 197\ \mathrm{kPa}
  1. 管の中の流速(流量 ÷ 管の断面積)

    v=4 Qπ D2=4×0.667×10−3π×0.0252=1.36 m/s\htmlClass{q-displacement}{v} = \dfrac{4\,\htmlClass{q-displacement}{Q}}{\pi\,\htmlClass{q-geometry}{D}^2} = \dfrac{4 \times 0.667\times 10^{-3}}{\pi \times 0.025^2} = 1.36\ \mathrm{m/s}
  2. 管の損失(水の柱の高さに直す。管摩擦係数はレイノルズ数から)

    hL=λ LD v22 g=0.0233×240.025×1.3622×9.807=2.11 m\htmlClass{q-heat}{h_{\mathrm{L}}} = \htmlClass{q-material}{\lambda}\,\dfrac{\htmlClass{q-geometry}{L}}{\htmlClass{q-geometry}{D}}\,\dfrac{\htmlClass{q-displacement}{v}^2}{2\,\htmlClass{q-geometry}{g}} = 0.0233 \times \dfrac{24}{0.025} \times \dfrac{1.36^2}{2 \times 9.807} = 2.11\ \mathrm{m}
  3. 揚程(揚げる高さに、管の損失を足す)

    H=z+hL=18+2.11=20.1 m\htmlClass{q-geometry}{H} = \htmlClass{q-geometry}{z} + \htmlClass{q-heat}{h_{\mathrm{L}}} = 18 + 2.11 = 20.1\ \mathrm{m}
  4. 水の動力(毎秒、水に渡すエネルギー)

    Pw=ρ g Q H=998.2×9.807×0.667×10−3×20.1=131 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{w}}} = \htmlClass{q-material}{\rho}\,\htmlClass{q-geometry}{g}\,\htmlClass{q-displacement}{Q}\,\htmlClass{q-geometry}{H} = 998.2 \times 9.807 \times 0.667\times 10^{-3} \times 20.1 = 131\ \mathrm{W}
  5. ポンプに入れる電気(水の動力を、効率で割る)

    Pe=Pwη=1310.5=262 W\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{e}}} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{P_{\mathrm{w}}}}{\htmlClass{q-material}{\eta}} = \dfrac{131}{0.5} = 262\ \mathrm{W}

圧力のうち 176 kPa は高さ 18 m の水の柱を支える分、残りの 20.6 kPa は管の摩擦で失う分です。

揚程は「ポンプが水に与える圧力を、水の柱の高さで言い直したもの」でもあります。

例題3 1000 L のタンクを満たす電気

高さ 10 m の屋上にある 1000 L のタンクを、毎分 20 L で満たします。管は内径 15 mm・長さ 20 m、ポンプの効率は 50% です(盤の初期値と同じ)。

(1) タンクが満ちるまで何分かかりますか。そのあいだに使う電気は何 Wh ですか。(2) 1000 L(1000 kg)の水を 10 m 持ち上げる位置エネルギーは何 Wh ですか。(1) の何分の1ですか。

ヒント 1 / 2

電気の量 [Wh] = 電気 [W] × 時間 [h] です。

ヒント 2 / 2

位置エネルギーは mghmgh [J]。3600 で割ると Wh になります。

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(1) 100020=50 分,104 W×5060 h=86.5 Wh(1)\ \dfrac{1000}{20} = 50\ \text{分},\quad 104\ \mathrm{W} \times \dfrac{50}{60}\ \mathrm{h} = 86.5\ \mathrm{Wh}
(2) 1000×9.807×103600=27.2 Wh(86.5÷27.2=3.18 倍。約3分の1)(2)\ \dfrac{1000 \times 9.807 \times 10}{3600} = 27.2\ \mathrm{Wh}\quad \left(86.5 \div 27.2 = 3.18\ \text{倍。約3分の1}\right)

使った電気のうち、水を屋上に置いた分(位置エネルギー)は約3分の1です。残りは、管の摩擦とポンプの中で熱になりました。

1 Wh は 3600 J です。