KR101340536B1 - 코니컬 오리피스형 차압식 유량 측정장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오리피스 판(11)의 중앙부에 코니컬 부(12)가 형성되고, 상기 코니컬 부(12)에는 다수의 구멍들(13)이 형성된 구조의 통상의 코니컬 오리피스 차압식 유량 측정장치에 있어서, 상기 구멍들(13)보다 상대적으로 사이즈가 작고 갯수가 많은 구멍들(130)이 상기 코니컬 부(12)에 다단으로 배열되고, 상기 구멍들(130)은 상기 코니컬 부(12)의 센터 라인(L)을 기준으로 서로 대칭되는 곳에 형성되는 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 코니컬 부에 형성되는 구멍사이즈를 상대적으로 작게 형성하고 갯수를 늘리고 구멍을 다단으로 배치하고 대칭형으로 형성함으로써, 구멍을 통과하는 유체가 코니컬 센터 라인을 따라 진행하도록 하여 유체가 배관 내벽 면을 손상하지 않게 하고, 케비테이션을 상쇄시킴으로써 진동 및 소음을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Description

코니컬 오리피스형 차압식 유량 측정장치{CONICAL ORIFICE DIFFERENTIAL PRESSURE TYPE FLOW MEASURING APPARATUS}
본 발명은 코니컬 오리피스형 차압식 유량계에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 코니컬 부에 형성되는 구멍 사이즈를 줄이고 갯수를 늘이며, 구멍들을 다단(多段)으로 배열함과 아울러 구멍들을 대칭으로 형성하여, 구멍을 통과하는 유체가 코니컬의 센터 라인을 따라 진행하도록 유도하여 배관(메타 바디) 내벽 면을 손상하지 않고 케비테이션을 상쇄함으로써 진동 및 소음을 줄일 수 있는 코니컬 오리피스형 차압식 유량 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 원형 관로 내를 흐르는 유체(액체, 기체, 증기, 오폐수, 하수 등을 말함)의 유량을 측정하기 위한 유량계로서는 차압 유량계, 전자 유량계, 초음파 유량계, 용적 유량계, 와류 유량계, 터빈 유량계 등의 여러 가지 유량계가 사용되고 있다.
특히, 이 중에서도 차압 유량계(差壓 流量計)는 배관(메타 바디) 내에 흐르는 유체 전압(total pressure)과 유체 정압(static pressure)의 차압을 이용하여 유량을 측정하는 유량계로서 제작이 간단하고 비용이 적게 든다는 장점으로 인해 널리 사용되고 있다.
차압식 유량계는 구조가 비교적 간단하고 거의 모든 종류의 유체의 유량측정에 쉽게 사용할 수 있기 때문에 오랜 전부터 많이 사용되어 왔다. 따라서 유량계의 특성 및 실험데이터가 풍부하기 때문에 규격서의 제작 사양 및 설치 조건을 잘 따를 경우 별도의 교정을 하지 않아도 수 %이내의 측정 정확도를 얻을 수 있다. 그러나 유출계수 및 정확도는 배관의 형태 또는 유체의 유동 상태에 따라 큰 영향을 받으며, 층류 유량계를 제외하고는 유량에 관련된 출력 신호가 선형이 아니고 유량의 제곱에 비례하기 때문에 선형 출력 신호를 갖는 유량계와 비교할 때 측정범위가 보보통 1:3 정도로 제한된다.
차압식 유량계 중에서도 구조가 매우 간단한 이유로 가장 많이 사용되고 있는 것이 오리피스이다. 오리피스(Orifice)는 배관(파이프) 내에 오리피스 판을 설치하고 유량의 사이즈에 따라서 유체의 유동면적을 감소시켜 속도를 증가시키고, 이에 따라 압력이 감소하는 원리에 의해 그 전후에 발생하는 차압과 속도의 관계를 이용하여 유량을 구하는 일종의 차압 유량계 장치이다.
수 천년 전 농업을 위해 나일강 흐름의 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 반도체 화를 위한 프로세스가공이 차세대의 기술로 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 이 기술을 응용한 차압 변환기 시스템이 적용되어, 광범위하게 활용되고 있다.
오리피스는 차압 손실이 사이즈 때문에 사용되는 용도 측면에서 볼 때 유량 측정용과 유량 제한용으로 나눌 수 있다.
통상 유량 측정용으로 사용되는 오리피스는 압력 강하를 고려하여 오리피스 조임비(β=d/D)가 일반적으로 0.3 이상의 것을 많이 사용하기 때문에 차압이 1㎏/㎠보다 작으며, 가능하면 차압이 작게 설계된다.
한편 유량 제한용 오리피스의 경우에는 오리피스 조임비가 보통 0.3보다 작으며, 따라서 차압은 상당히 크다.
원자력발전소나 화력발전소에서 고압 유에의 압력을 강하시키고 또한 유동율을 측정하고자 하는 두 가지 목적을 가진 장치로 오리피스가 많이 사용되고 있는데, 이것이 바로 유동제한소자이다. 오리피스를 이용하여 차압을 크게 하려면 오리피스의 구멍사이즈를 작게 하여 조임비를 작게 하여 차압을 유체가 흘러가는 단면적을 작게 하여야 한다. 그러나 압력 강하를 크게 하기 위하여 조임비를 작게 하면 오리피스 하류의 압력이 이 온도에서의 포화증기압 이하로 급격히 떨어지게 되며, 따라서 물에 기포가 발생하는 케비테이션(cavitation) 현상이 발생한다. 이때 발생한 케비테이션은 배관, 펌프, 열교환 등 배관자재에 큰 피해를 일으키며, 안정이 중요시되는 원자력 발전소의 경우 매우 심각한 요인이 된다.
케비테이션은 유체가 흐르는 파이프 라인에서 파이프 라인의 압력이 강하하여 흐르고 있는 액체의 증기압에 가까이 될 때, 케이테이션이 시작하게 되는 데, 케이테이션은 온도 증가보다는 압력 강하에 의하여 발생하는 액체의 비등 때문에 증기 방울이 발생한 상태를 가리킨다. 케비테이션은 증기에 의한 공동(cavity) 형성 및 파열이 발생한다.
케비테이션이 확장하면 파이프 라인을 파괴할 수 있으며, 유동이 불안정하여 터빈의 경우 터빈 날개를 파괴시키고 대단히 높은 소음을 발생한다.
따라서 케비테이션의 발생억제는 유량 제한용 오리피스의 설계상 매우 중요한 요소가 된다. 또한 발생한 기포가 파괴될 때, 발생하는 진동과 소음 역시 유량제한용 오리피스 설계시에는 고려되어야 하며, 원자력 발전소에서 권장하는 소음은 오리피스에서 약 3피트 떨어진 거리에서 85dB 이하가 되어야 한다.
오리피스를 통한 압력강하로부터 발생하는 케비테이션을 억제하기 위한 연구는 주로 다단 오리피스(multi-stage orifice)와 평판 다공 오리피스(flat multiple orifice) 등을 중심으로 많이 진행되었으며, 현재는 원추형 오리피스가 그 주류를 이루고 있다.
다단 오리피스는 여러 개의 오리피스를 저항계수 K, 압력회복(pressure recovery) 및 케비테이션 수에 따라 조임비가 다른 여러 개의 오리피스를 적당한 간격을 두고 설치하여 케비테이션 발생을 억제하였다.
도 1은 일반적인 오리피스 차압식 유량측정장치의 원리를 설명하기 위한 도면으로, 단면이 원형인 수평배관의 중심에 동심원인 구멍이 있는 평판 형태의 조임기구를 흐름에 직각으로 설치하며, 유체는 비압축성으로 점도의 영향이 없는 유체이며, 흐름은 정상적인 흐름으로 관로내를 가득차서 흐르고 있다면 조임의 상료 단면도 a와 하류의 흐름이 좁혀진 단면 b와의 사이에는 베르누이 방정식과 연속 방정식이 성립한다. 여기서, 조임 기구란 관로의 중간에 설치되어 관로의 단면적으로 축소 설치하는 기구를 말하며, 개구비(β)는 조임기구의 구멍 직격 d와 조임 기구 상류측 관로의 내경 D와의 비(d/D)를 말하며, 차압은 조임 기구의 상류측 압력 출구와 하류측 출구에 있어서의 정압의 차를 말하며, 근접속도계수(E)는
Figure 112011093685861-pat00001
이고, 유량계수(α)는 조임 기구를 설치한 관로에 비압축성 유체를 흘려 실험한 후 아래의 식에 의하여 구하는 값(Cd E)이며, 유출계수(cd)는 실제 유량과 이론 유량의 비이고, 팽창계수(ε)는 물(ε=1)이다.
Figure 112011093685861-pat00002
Figure 112011093685861-pat00003
단, V는 평균유속, P는 압력, ρ는 유체의 밀도라 한다.
따라서 조임 기구를 통과하는 부피유량 Q와 차압(P1-P2)과의 관계는
Figure 112011093685861-pat00004
그러나 실제 유량은 유체의 마찰, 수축 부의 불일치 등 이상적인 가정조건들과 차이가 있기 때문에 실제 유량을 얻기 위해서는 앞에서 설명한 유출계수라는 개념을 도입해야 한다. 실제 유체의 경우는 다음 식을 적용한다.
Figure 112011093685861-pat00005
또한, 도 2는 종래 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치(10)를 보인 것으로, 오리피스 판(11)의 중앙부에 코니컬 부(12)가 형성되고, 상기 코니컬 부(12)에는 다수의 구멍(13)이 형성된다.
그러나 종래 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치(10)에 있어서는, 구멍(13)이 크고 비대칭으로 형성되기 때문에 케비테이션(cavitation)이 증가하여 진동 및 소음이 커짐은 물론 배관, 펌프, 배관자재를 파괴하는 심각한 문제점이 있고, 유체 유동이 불안정하여 정확한 유량 측정을 할 수 없는 문제점이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 코니컬 부에 형성되는 구멍 사이즈를 줄이고 갯수를 늘이며, 구멍들을 다단으로 배열함과 아울러 구멍들을 대칭으로 형성하여, 구멍을 통과하는 유체가 코니컬의 센터 라인을 따라 진행하도록 유도함으로써 배관(메타 바디) 내벽 면을 손상하지 않고 케비테이션을 상쇄하여 진동 및 소음을 방지할 수 있는 코니컬 오리피스 차압식 유량 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 코니컬 오리피스형 차압식 유량 측정장치는 오리피스 판의 중앙부에 코니컬 부가 형성되고, 상기 코니컬 부에는 다수의 구멍들이 형성된 구조의 통상의 코니컬 오리피스 차압식 유량 측정장치에 있어서, 상기 구멍들보다 상대적으로 사이즈가 작고 갯수가 많은 구멍들이 상기 코니컬 부에 다단(多段)으로 배열되고, 상기 구멍들은 상기 코니컬 부의 센터 라인을 기준으로 서로 대칭되는 곳에 형성되는 구조이다.
상기 구멍들 모두(종래 기술)의 단면적과 상기 구멍들 모두(본 발명)의 단면적은 동일한 크기를 갖는 구조이며, 상기 구멍들은 2단을 배열되는 구조이고, 구멍을 통과하는 유체가 코니컬의 센터 라인을 따라 진행하도록 유도함으로써 배관(메타 바디) 내벽 면을 손상하지 않고 케비테이션을 상쇄하여 진동 및 소음을 효과적으로 방지할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 코니컬 부에 형성되는 구멍사이즈를 상대적으로 작게 형성하고 갯수를 늘리며, 구멍을 다단으로 배치하고 대칭형으로 형성하여 구멍을 통과하는 유체가 코니컬 센터 라인을 따라 진행하도록 유도하여 유체가 배관 내벽 면을 손상하지 않게 하고, 케비테이션을 상쇄시킴으로써 진동 및 소음을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 오리피스 차압식 유량측정장치를 보인 도면
도 2는 종래 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치를 보인 도면
도 3은 본 발명에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치를 보인 사시도
도 4는 도 3의 정면도
도 5는 본 발명에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치를 보인 종단면도
도 6은 본 발명에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치에 있어서 케비테이션 억제와 임팩트 방지 구조를 설명하는 도면
도 7은 본 발명에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치의 변형 예를 보인 사시도
도 8은 도 7의 정면도
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치를 보인 사시도, 도 4는 도 3의 정면도, 도 5는 본 발명에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치를 보인 종단면도, 및 도 6은 본 발명에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치에 있어서 케비테이션 억제와 임팩트 방지 구조를 설명하는 도면이다.
위 도면을 참조하면, 본 발명에 따른 코니컬 오리피스형 차압식 유량 측정장치(100)는 오리피스 판(11)의 중앙부에 코니컬 부(12)가 형성되고, 상기 코니컬 부(12)에는 다수의 구멍들(130), 예를 들어 20개의 구멍들(130)과 추가 구멍이 2개 더 형성된다. 이 추가 구멍에는 플러그(P)가 체결될 수 있다.
상기 구멍(130)은 종래 구멍(13:도 2 참조)보다 상대적으로 사이즈가 작고 갯수가 많게 형성되는바, 상기 구멍들(13)과 상기 구멍들(130)의 단면적은 동일하게 형성되도록 설계하는 것이 바람직하다.
상기 구멍들(130)은 상기 코니컬 부(12)에 다단(多段), 예들 들어 2단으로 배열되고, 상기 구멍들(130)은 상기 코니컬 부(12)의 센터 라인(L)을 기준으로 볼 때 서로 대칭되는 곳에 형성된다.
유량 조절을 위해서 상기 구멍들(130)의 일부를 플러그(P)로 막을 수 있는 데, 이 경우에 상기 구멍들(130) 중에서 서로 대칭되는 구멍(130)에 플러그(P)를 막도록 구성된다.
상기 구멍들(130)을 통과한 유체는 상기 구멍들(130)의 대칭 배열구조에 의해서 유체가 배관(메타 바디) 내벽 면을 손상(임팩트) 하지 않아 배관 손상을 방지하고 상기 센터 라인(L)을 따라 진행하도록 하여 케비테이션을 상쇄하여 진동 및 소음을 방지할 수 있는 구조로 구성된다.
도 6은 본 발명의 제1 예에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치에 있어서 케비테이션 억제와 임팩트 방지 구조를 설명하는 도면이다.
도 6의 (a)는 종래와 같이 코니컬 부(12)에 비대칭형의 구멍(13)이 형성되는 구조(10)를 보인 것이고, 도 6의 (b)는 본 발명의 코니컬 부(12)에 대칭형의 구멍(130)이 형성되고, 상대적으로 구멍(130)의 사이즈가 작고 2단으로 배열되는 구조(100)를 보인 것이다.
도 6의 (a)에 보인 구조(종래기술)에서는 상대적으로 큰 유량이 구멍(13)을 통과하게 되고, 코니컬 부(12)의 센터 라인(L)을 기준으로 볼 때, 비대칭으로 유체가 흐르게 되어, 유체가 배관(메타 바디)(14) 내벽 면(14a)을 손상하여 배관이 손상되는 문제점이 발생하며, 케이테이션이 상쇄되지 못하고 증가되어 진동 및 소음이 발생하는 문제점이 있다.
반면에, 도 6의 (b)에 보인 구조(본 발명)에서는 상대적으로 작은 유량이 구멍(130)을 통과하게 되고, 코니컬 부(12)의 센터 라인(L)을 기준으로 볼 때 대칭형의 유체가 센터 라인(L)을 따라 흐르게 되어 유체가 배관(메타 바디)(14) 내벽 면(14a)을 손상하지 않아 배관 손상을 방지한다.
통상, 오리피스를 이용하여 차압을 크게 하려면 오리피스의 구멍 사이즈를 작게 하여 조임비를 작게 하여 차압을 유체가 흘러가는 단면적을 작게 하여야 하지만, 압력 강하를 크게 하기 위하여 조임비를 작게 하면 오리피스 하류의 압력이 이 온도에서의 포화증기압 이하로 급격히 떨어지게 되어 케비테이션(cavitation) 현상이 발생하게 되는 데, 본 발명에서는 구멍(130) 사이즈를 작게 하고 갯수를 늘리며 구멍(130)을 다단(多段)으로 배열하고 대칭으로 형성하여 케비테이션 발생을 억제하는 구조로 형성된다. 다시 말해, 구멍(130)을 통해 흐르는 유체가 코니컬 부(12)의 센터 라인(L)을 따라 이동하도록 하여 케비테이션의 상쇄를 유도함으로써, 진동 및 소음을 효과적으로 방지할 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명에 따른 코니컬 오리피스 차압식 유량측정장치의 변형 예를 보인 사시도, 및 도 8은 도 7의 정면도이다.
도 7 및 도 8에 보인 바와 같이, 오리피스 판(11)의 중앙부에 코니컬 부(12)가 형성되고, 상기 코니컬 부(12)에는 다수의 구멍들(230)이 형성된다. 상기 구멍(230)은 종래 구멍(13:도 2 참조)보다 상대적으로 사이즈가 작고 갯수가 많게 형성되는바, 상기 구멍들(230)은 상기 코니컬 부(12)에 3단으로 배열되고, 상기 구멍들(230)은 상기 코니컬 부(12)의 센터 라인(L)을 기준으로 볼 때 서로 대칭되는 곳에 형성될 수도 있다.
<실시 예>
실험 조건: 유량발생장치(펌프), 저장탱크, 시험관로, 유동율 제어, 중량 측정장치, 제어설비로 구성된다. 유량 발생장치는 관의 직경에 따라 용량에 맞게 사용할 수 있도록 10Hp 펌프 2대와 40Hp 펌프 1대로 구성되며, 각각의 펌프는 배관을 통해 상부 저장조와 연결되어 시험관로로 흐르게 된다. 상부 저장조는 펌프로부터 토출되는 맥동이 큰 물을 안정시키기 위하여 설치된다. 4인치 관로에 흘릴 수 있는 최대 토출 유량은 10Hp 펌프가 약 100㎥/h, 40Hp 펌프가 약 300㎥/h 이다. 펌프를 유동 발생장치로 사용하므로 유동을 발생시킬 때에는 펌프 흡입 수두 변화,전원주파수의 불안정, 임펠러 구조 등에 의한 맥동의 영향을 최대한 억제하여야 한다.
저장탱크는 유량 시험이 진행되는 동안 유동율의 변화를 줄이기 위하여 밑면적을 넓게 만들어 수집 탱크에 유체가 채워지는 동안 수위 변화를 적게 되도록 하며, 수집 탱크를 채운 다음에도 적절한 흡입 수두가 유지되어 맥동 유동의 원인이 되는 와류 및 선회 류 등이 발생하지 않도록 하며, 저장 탱크 전체 용량은 60㎥이다.
12개의 비대칭 구멍을 가진 종래 코니컬 오리피스의 경우(1),
케비테이션이 발생한 Reynolds number는 조임비가 0.1, 0.2,0.3 일 때, 각각 15000, 6000, 140000이었으나,
20개의 대칭 구멍을 가진 본 발명의 코니컬 오리피스의 경우(2),
케비테이션이 발생한 Reynolds number는 조임비가 0.1, 0.2,0.3 일 때 각각 17000, 62000, 180000이고,
20개의 대칭 구멍을 가진 본 발명의 코니컬 오리피스의 경우(3),
케비테이션이 발생한 Reynolds number는 조임비가 0.1, 0.2,0.3 일 때 각각 18500, 70000, 180000로 측정되었다.
따라서 구멍이 많을수록 케비테이션의 발생이 억제됨을 확인할 수 있었다.
또한, 오리피스에서 발생하는 소음은 케비테이션과 밀접한 관계가 있는바, 20개의 대칭 구멍을 가진 본 발명의 코니컬 오리피스의 경우(2), 20개의 대칭 구멍을 가진 본 발명의 코니컬 오리피스의 경우(3) 각각 84㏈, 80㏈로 측정되었다. 상기 (1)(2)경우 모두 측정된 최대 소음은 원자력 발전소 오리피스 권고 최대 소음인 85㏈ 이하로 측정되었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 코니컬 부에 형성되는 구멍 사이즈를 상대적으로 작게 형성하고 갯수를 늘리며 구멍을 다단으로 배치하고 대칭형으로 형성함으로써, 구멍을 통과하는 유체가 코니컬 센터 라인을 따라 진행하도록 유도하여 유체가 배관 내벽 면을 손상하지 않게 하고, 케비테이션을 상쇄시킴으로써 진동 및 소음을 방지할 수 있는 효과가 있다.
11: 오리피스 판
12: 코니컬 부
130: 구멍
L: 코니컬 부의 센터 라인

Claims (5)

  1. 오리피스 판(11)의 중앙부에 코니컬 부(12)가 형성되고, 상기 코니컬 부(12)에는 다수의 구멍들(13)이 형성된 구조의 통상의 코니컬 오리피스 차압식 유량 측정장치에 있어서,
    상기 구멍들(13)보다 상대적으로 사이즈가 작은 다수의 구멍들(130)이 상기 코니컬 부(12)에 다단(多段)으로 배열되고, 상기 구멍들(130)은 상기 코니컬 부(12)의 센터 라인(L)을 기준으로 서로 대칭되는 곳에 형성되어 있으며,
    유량 조절을 위해서 상기 구멍들(130)의 일부를 막는 경우, 상기 구멍들(130) 중에서 서로 대칭되는 구멍(130)에 플러그(P)를 막는 구조인 것을 특징으로 하는 코니컬 오리피스형 차압식 유량 측정장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 구멍들 모두(13)의 단면적과 상기 구멍들 모두(130)의 단면적은 동일한 크기를 갖는 구조인 것을 특징으로 하는 코니컬 오리피스 차압식 유량 측정장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 구멍들(130)은 2단을 배열되는 구조인 것을 특징으로 하는 코니컬 오리피스형 차압식 유량 측정장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 구멍들(130)을 통과한 유체는 상기 구멍들(130)의 대칭 배열구조에 의해서 유체가 배관(메타 바디)(14) 내벽 면(14a)을 임팩트 하지 않고 상기 센터 라인(L)을 따라 진행하도록 하여 상기 배관 손상을 방지하는 구조인 것을 특징으로 하는 코니컬 오리피스형 차압식 유량 측정장치.
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