KR100552254B1 - 저손실 오리피스 유량계 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원추형 디퓨저가 오리피스판 하류에 연결된 저손실 오리피스 유량계에 관한 것으로서, 상기 디퓨저가 오리피스판과 디퓨저입구까지의 축방향을 따라 움직일 수 있도록 구성하고, 파이프내에서 발생하는 에너지 손실을 저감하고 유동박리를 최소화하고자, 원추형 디퓨저를 설치한 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 본 발명에 의한 저손실 오리피스 유량계는 오리피스판 하류부분에 원추형 디퓨저를 설치하여, 오리피스판 하류에서 발생하는 주위 유동의 불안정성과 박리를 최소화 시키므로서, 에너지 손실을 크게 감소시킬 수 있다.
또 기존의 일반적인 오리피스 유량계의 측정 성능에 비하여 오리피스 효율을 2배 가까이 향상시켜 최적의 오리피스 측정조건이 되도록 하므로서 유동의 손실계수를 크게 감소시키는데 가능하며, 오리피스판을 지난 유동이 축류부에서 가속되어, 그 하류에서 발생하는 유동박리의 원인을 디퓨저로 완만히 하여 유동박리의 규모를 작게하며, 이로 인하여 압력손실을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 오리피스 손실계수를 크게 줄여 오리피스내의 유동조건에 따른 최적의 오리피스의 효율을 보다 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
오리피스, 오리피스판, 디퓨저, 축류부, 플랜지, 피스, 압력탭
Description
도 1은 일반적인 오리피스 유량계 장치를 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 저손실 오리피스 유량계의 실시예를 나타내는 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 저손실 오리피스 유량계의 부분확대도.
도 4는 기존 오리피스와 본 발명에 따른 저손실 오리피스의 레이놀즈수(Re)에 대한 손실계수(
)를 나타내는 그래프.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1 : 오리피스판 2 : 압력탭 3 : 플랜지
4 : 축류부 5 : 오리피스 6-1 : 피스 A
6-1 : 피스 B 7 : 디퓨저 8 : 접합부
Q : 측정유체 D(D1) : 파이프 직경 D2 : 축류부 직경
d : 오리피스 직경 di : 디퓨저 입구직경 V : 유체속도
β : 직경비 X : 오리피스판과 디퓨저입구까지 축거리
본 발명은 저손실 오리피스 유량계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 오리피스판 하류부분에 원추형 디퓨저를 설치하여, 오리피스판 하류에서 발생하는 주위 유동의 불안정성과 박리를 최소화 시키므로서, 오리피스 내부의 손실감소를 목적으로 오리피스판 하류의 부분을 디퓨저로 개선시켜 에너지 손실을 크게 감소시킬 수 있도록 한 저손실 오리피스 유량계 장치이다.
일반적으로 오리피스의 경우 오리피스판을 지난 유량은 유동박리와 함께 축류부(vena contracta)가 형성되는데, 이 축류부와 오리피스 하류에서 발생하는 유동의 박리에 의해 에너지 손실이 크게 발생하게 되며 오리피스 효율이 많이 저하하게 된다. 그리고 기하학적 형상이 간단하고 액체, 기체, 증기 어느 것에도 적용이 가능하며, 가동부가 없어 보수유지가 쉽고, 설치 또는 제작이 쉬울 뿐만 아니라 가격이 저렴하기 때문에 오래 전부터 공업용 유량계로서 광범위하게 사용할 수 있는 특징을 가지고 있지만 압력손실이 크게 발생하는 문제가 되고 있기 때문에 현재 오리피스 유량계의 한계점에 이르렀다고 볼 수 있다. 따라서 본 고안된 저손실 오리피스 유량계를 사용하는 경우, 기존의 일반적인 오리피스 유량계의 측정 성능에 비하며 오리피스 효율을 2배 가까이 향상시켜 최적의 오리피스 측정 조건이 되도록 하므로서 유동의 손실계수를 크게 감소시키는데 가능하며, 기존의 오리피스판 하류부분을 개선시켜 유동이 디퓨져의 벽면을 따라 매끄럽게 진행될 수 있도록 원추형 디퓨저로 구성하였고, 유동이 축류부에서 가속되어, 그 하류에서 발생하는 유동박리의 원인을 디퓨저로 완만히 하여 유동박리의 규모를 작게하며, 이로 인하여 압력손실을 최소화하고 오리피스의 효율을 크게 높이고자 한 저손실 오리피스 유량계에 관한 것이다.
일반적으로 오리피스(Orifice)는 파이프내에 오리피스판을 설치하고 유량의 크기에 따라서 유체의 유동면적을 감소시켜 속도를 증가시키고, 이에 따라 압력이 감소된다는 원리에 의해 그 전후에 발생하는 차압과 속도의 관계를 이용하여 유량을 구하는 일종의 차압 유량계 장치이며, 수천년 전 농업을 위해 나일강흐름의 측정을 시도한 것이 유량측정의 기원이 시작되어 19세기 후반부터 20세기 전반에 걸쳐 상업화된 유체공급 사업이 시작되는 계기를 맞이하였고, 이를 위하여 물이나 기체의 유량측정용 용적식, 터빈식, 프로펠러식 유량계 등이 고안되면서 조임 유량계를 비롯한 각종 유량계의 이론이 현대까지 각종 제품의 질량측정, 유체나 에너지의 상거래, 플랜트의 효율 향상 및 운전 관리 등을 위하여 필수적으로 유량계가 사용되었다. 그리고 기계재료, 전자재료, 마이크로프로세서를 비롯한 전자부품, 측정 및 연산방법 등이 발전함에 따라 유량계의 기능 및 성능이 획기적으로 개선되었으며, 공업측정의 4대 요소인 온도계, 압력계, 레벨계와 함께 측정기기로서 중요한 위치를 차지하고 있다. 또 최근에는 반도체 기술분야에서 전자회로의 고집적화와 함께 기계부품의 반도체화를 위한 프로세스가공이 차세대의 기술로 연구가 활발하게 진행되고 있으며 이 기술을 응용한 차압 변환기 시스템이 적용되어, 광범위하게 활용되고 있다.
상기와 같은 유량계는 파이프 속에서의 순간적인 유량을 측정하는데 흔히 쓰이는 것으로 오리피스유량계, 노즐유량계, 벤투리유량계로 나뉘어 지고, 이들 유량 계를 통한 흐름은 밀폐회로 내의 유량을 측정하기 위해 간접적 방법을 사용하는데 필요한 장치들이며, 파이프의 유동면적을 축소시켜서 속도를 증가시키고 이에 따라 압력이 감소된다는 원리에 의해 작동되는 압력차와 속도의 관계로 유량측정에 주로 이용된다. 그리고 이들 유량계중에서 오리피스(Orifice)는 가장 흔히 쓰이는 장치 중에 하나이며, 그 종류로는 가장 일반적으로 사용하고 있는 동심 엣지형 오리피스, 낮은 레이놀즈수에서 사용되는 4분원 오리피스나 부유물, 침전물 등의 이물질을 포함하고 있는 유체에 이용되는 편심 오리피스 등이 있다.
상기와 같은 오리피스는 다른 유량계중 압력손실이 가장 크지만 기하학적 형상이 간단하고 액체, 기체, 증기 어느 것에도 적용이 가능하며, 가동부가 없어 보수유지가 쉽고, 설치 또는 제작이 쉬울 뿐만 아니라 가격이 저렴하기 때문에 오래전부터 공업용 유량계로서 광범위하게 사용할 수 있는 특징을 가지고 있다.
상기와 같은 오리피스(5) 장치의 가장 일반적인 구조는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 크게 상류쪽, 유량을 측정하기 위한 오리피스판(1) 계관부분, 그리고 하류쪽 계관부분으로 이루어져 있으며, 유체가 흐르는 관로부분에 파이프 플랜지(3) 사이에 고정시키는 얇은 오리피스판(1)을 설치하여 유체의 통과 면적을 좁게 하면 오리피스판에서 발생하는 저항에 의하여 그 전후에 압력차가 발생한다. 이 압력차 즉 차압과 유량과의 사이에는 베르누이의 원리에 의하여 표현할 수 있는 일정한 관계식이 있다. 이 원리를 응용한 것이 오리피스 유량계로 유량은 차압의 제곱근에 비례한다. 따라서 관내경, 오리피스판 구멍의 직경, 유체의 밀도 및 점도 등의 몇가지 정수를 알고 있으면 차압을 측정하여 유량을 구할 수 있다.
상기의 오리피스 장치에 있어서 파이프내의 주류유동은 오리피스판으로부터 단면 ②에서 축류(Vena Contracta)를 형성하기까지 계속해서 가속되다가 덕트를 채운 상태로 흐르기 위해서 다시 감소된다. 유동면적이 최소가 되는 축류부(4)에서 유동의 유선은 본질적으로 직선이고, 압력은 통로단면에 걸쳐 균일하다. 실제로 오리피스 개구부에서 축류의 수축이 일어나므로 최소유량 면적은 실제적으로 오리피스 면적보다 더 작아지며, 축류내의 단면 ②에서의 압력은 단면 ①에서 보다 적게 된다.
상기의 오리피스 장치의 가장 주된 목적은 유체가 흐르는 관로에 오리피스판을 설치하여 오리피스판 전후에 흐르는 유체의 속도와 압력의 관계를 이용해 유량 측정을 보다 쉽게 할 수 있도록 한 것이다. 하지만 오리피스로부터 유동의 축류부와 오리피스 하류에서 발생하는 유동의 박리에 의해 에너지손실이 크게 발생되는 현상이 생기는 중요한 원인으로 된다. 또한 오리피스를 사용할 때 용량에 한계가 있으며, 오리피스 하류에서 확대유동조정이 불가능하기 때문에 오리피스의 성능이 떨어지는 문제가 제시되고 있고, 유량측정의 정확성 또한 크게 저하되는 문제가 야기된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 고안한 것으로서, 본 발명에 의한 저손실 오리피스는 오리피스판 하류부분에 원추형 디퓨저(7)를 설치하여 축류부(4)와 오리피스 하류에서 발생하는 유동의 박리에 의해 에너지 손실이 크게 발생되는 현상이 생기는 원인을 없애고 디퓨저로 완만히 하여 유동박리의 규모를 작게 하며, 이로 인하여 압력손실을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 오리피스 손실계수를 크게 줄여 오리피스내의 유동조건에 따른 최적의 유량측정효율을 얻을 수 있다.
또, 디퓨저 부분을 가변적으로 이동가능 할 수 있도록 설계하여 오리피스판과 디퓨저 입구와의 거리를 변화시키면서 유동의 조건을 보다 효율적으로 정확한 유량측정을 할 수 있도록 하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 저손실 오리피스 유량계의 실시예를 나타내는 개념도이며, 도 3은 본 발명에 따른 저손실 오리피스 유량계의 부분확대도이다. 도 4는 기존 오리피스와 본 발명에 따른 저손실 오리피스의 레이놀즈수(Re)에 대한 손실계수(
)를 나타내는 그래프이다.
본 발명에 의한 저손실 오리피스 유량계의 실시예는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 크게 상류쪽, 유량을 측정하기 위한 오리피스판(1) 계관부분, 그리고 디퓨저(7)로 구성된다. 이 오리피스(5) 내부에는 파이프 플랜지(3) 사이에 고정시키는 얇은 오리피스판(1)이 설치되어 있으며, 오리피스판 하류부분에는 피스 A, B(6-1, 6-2)와 접합부(8)가 원추형 디퓨저(7)와 연결되어 있어 오리피스판과 디퓨저 입·출구를 가변적으로 이동시킬 수 있다. 그리고 오리피스판(1) 전후에 압력탭(2)이 설치되어 있어 오리피스 내부의 압력을 측정하는데 쓰이게 된다.
상기의 피스 A, B(6-1, 6-2)와 접합부(오리피스판과 디퓨저를 연결시키는 부분, 8)는 원추형 디퓨저(7)를 상·하류로 이동시킬 수 있도록 구성[도 2의 (가)]하였다. 즉 원추형 디퓨저(7)를 하류로 이동시키고자 할 때는 도 2의 (가)에서 피스 B(6-2)를 피스 A(6-1)부분으로 이동시킨다. 그러면 접합부(8)도 함께 하류측으로 이동되어 디퓨저(7) 전체부분이 하류측으로 가변된다[도 2의 (나)]. 그리고 원추형 디퓨저(7)를 상류로 이동시키고자 할 때는 도 2의 (가)에서 피스 A(6-1)를 피스 B(6-2)부분으로 이동시킨다. 그러면 접합부(8)도 함께 상류측으로 이동되어 디퓨저(7) 전체부분이 상류측으로 가변된다[도 2의 (다)]. 따라서 피스 A, B(6-1, 6-2)의 위치설정에 따라 원추형 디퓨저(7)를 상·하류로 이동시킬 수 있다.
상기의 피스 A, B(6-1, 6-2)와 접합부(오리피스판과 디퓨저를 연결시키는 부분, 8)는 원추형 디퓨저(7)를 상·하류로 이동시킬 수 있도록 구성[도 2의 (가)]하였다. 즉 원추형 디퓨저(7)를 하류로 이동시키고자 할 때는 도 2의 (가)에서 피스 B(6-2)를 피스 A(6-1)부분으로 이동시킨다. 그러면 접합부(8)도 함께 하류측으로 이동되어 디퓨저(7) 전체부분이 하류측으로 가변된다[도 2의 (나)]. 그리고 원추형 디퓨저(7)를 상류로 이동시키고자 할 때는 도 2의 (가)에서 피스 A(6-1)를 피스 B(6-2)부분으로 이동시킨다. 그러면 접합부(8)도 함께 상류측으로 이동되어 디퓨저(7) 전체부분이 상류측으로 가변된다[도 2의 (다)]. 따라서 피스 A, B(6-1, 6-2)의 위치설정에 따라 원추형 디퓨저(7)를 상·하류로 이동시킬 수 있다.
상기의 오리피스판 하류부분에 디퓨저(7)로 유로를 형성시키는 이유는, 오리피스판 하류에 발생하는 유동박리를 해소하고, 압력손실을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 오리피스 손실계수를 크게 줄여 오리피스내의 유동조건에 따른 최적의 유량측정효율을 얻을 수 있게 된다.
그리고 실험 조건에 있어서, 파이프 직경(D=50mm)과 오리피스 직경(d=25mm)에 대한 직경비(β) = 0.5, 레이놀즈수(Re) = 1.0 ×104 ~ 6.4 ×104 , 오리피스판에서 디퓨저 입구까지 축거리(X)와 오리피스 직경(d)에 대한 X/d = 0.56에서 실험하였으며, 디퓨저에 대한 형상에 있어서도 2가지 조건(Type A, Type B)을 사용하였다. 즉, Type A는 입구직경di/d=0.8, 디퓨저 확대각 2φ=9.0deg, 면적비 AR=6.25와 Type B는 입구직경di/d=0.972, 디퓨저 확대각 2φ=8.2deg, 면적비 AR=4.23로 각각 시험하였다.
도 3은 본 발명에 따른 저손실 오리피스의 내부구조를 개략적으로 나타내었다. 그림에서 파이프 상류로부터 유체가 유입되어 오리피스판(1)을 지나 디퓨저(7)를 통과하게 되며, 이 디퓨저(7)에 의해 축류부(4)의 형성과 오리피스 하류에서 발생하는 유동의 박리규모를 크게 저감시키게 되고, 유동은 디퓨저(7)의 벽면을 따라 매끄럽게 진행되어 디퓨저 출구로 배출된다.
도 4는 기존의 기존 오리피스와 본 발명에 따른 저손실 오리피스의 레이놀즈수(Re)에 대한 손실계수(
)를 나타내는 그래프로서, 그래프 종축의 
는 오리피스의 손실계수값을 나타내었고, 그래프의 횡축은 레이놀즈수(Re) 값을 나타내었다. 그리고 그래프상에서 삼각형(▲)으로 표시된 것이 종래에 사용되어온 일반적인 오리피스이며, 사각형(■, Type A) 및 원형(●, Type B)으로 표시된 것은 본 발명에 따른 저손실 오리피스로서 기존 오리피스와 본 발명에 따른 저손실 오리피스에 대한 손실계수(
) 값을 각각 비교하였다.
도 4의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 오리피스 손실은 디퓨저(7) 장치에 의해 확실히 감소되었다는 것을 알 수 있는데, 이것은 본 발명의 디퓨저(7)에 의해 오리피스판 하류부분에서 발생되는 축류부가 감소되고, 유동이 디퓨저 입구에서 파이프 하류까지 유동의 국부 가속이 진행되어 오리피스의 큰 손실이 되는 유동박리와 유동의 불안정성을 현저히 감소시켜 손실을 크게 줄였기 때문이며, 위에서 언급되어진 바와 같이 실험의 결과로부터 기존의 오리피스(5)에 디퓨저(7)를 설치할 경우 오리피스(5)의 성능 향상이 크게 기여됨을 알 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 디퓨저(7) 형상에 있어서도 Type A보다 Type B 디퓨져가 사용된다면 더 큰 손실감소가 얻어진다는 것을 볼 수 있다.
상기와 같이 본 발명에 의한 저손실 오리피스 유량계는 오리피스판 하류부분에 원추형 디퓨저를 설치하여, 오리피스판 하류에서 발생하는 주위 유동의 불안정성과 박리를 최소화 시키므로서, 에너지 손실을 크게 감소시킬 수 있다.
또 기존의 일반적인 오리피스 유량계의 측정 성능에 비하여 오리피스 효율을 2배 가까이 향상시켜 최적의 오리피스 측정조건이 되도록 하므로서 유동의 손실계수를 크게 감소시키는데 가능하며, 오리피스판을 지난 유동이 축류부에서 가속되 어, 그 하류에서 발생하는 유동박리의 원인을 디퓨저로 완만히 하여 유동박리의 규모를 작게하며, 이로 인하여 압력손실을 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 오리피스 손실계수를 크게 줄여 오리피스내의 유동조건에 따른 최적의 오리피스의 효율을 보다 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
Claims (1)
- 원추형 디퓨저가 오리피스판 하류에 연결된 저손실 오리피스 유량계에 있어서, 상기 디퓨저가 오리피스판과 디퓨저입구까지의 축방향을 따라 움직일 수 있도록 구성하고, 파이프내에서 발생하는 에너지 손실을 저감하고 유동박리를 최소화하고자, 원추형 디퓨저를 설치한 것을 특징으로 하는 저손실 오리피스 유량계.
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR101615188B1 (ko) | 2014-02-21 | 2016-04-25 | 주식회사 대한인스트루먼트 | 동심체 타입의 유량계 |
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2003
- 2003-10-02 KR KR1020030068960A patent/KR100552254B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101615188B1 (ko) | 2014-02-21 | 2016-04-25 | 주식회사 대한인스트루먼트 | 동심체 타입의 유량계 |
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