KR101734314B1 - 맥동 차단 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 맥동 차단 장치에 관한 것으로, 이는 상류측 배관에 일단이 연결되는 유입관; 하류측 배관에 일단이 연결되는 유출관; 및 유입관과 유출관의 일부를 둘러싸서, 유입관에서 유입된 유체가 유출관으로 유출되기 전에 수용되는 공간을 형성하는 외부관을 포함하여서, 다수의 피크 영역뿐 아니라 골 영역을 포함한 모든 진동수의 맥동 압력파들을 모든 지점에서 기본 진동수보다 높은 수준 이상으로 차단 성능을 구현할 수 있는 효과가 있다.

Description

맥동 차단 장치{Apparatus for preventing pulsation}

본 발명은 맥동 차단 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 예컨대 발전소나 화학플랜트 등에 설치된 유체이송 배관계에서 발생하는 유체유발 진동문제의 주요 가진원인 다수의 진동수를 갖는 과도한 맥동 압력파의 전달을 차단하는 맥동 차단 장치에 관한 것이다.

통상적으로, 발전소나 화학플랜트 등의 유체이송 배관계에서 발생하는 과도한 진동은 배관 요소를 손상시키거나 그 작동을 제한한다. 이에 그 원인을 제공하는 다양한 진동수의 과도한 맥동 압력파의 유입 또는 전달을 차단할 필요가 있다.

이러한 진동 또는 이상 소음을 저감하기 위한 한 방안으로서, 그 발생 원인인 맥동 압력파를 회피하거나 차단하는 장치를 배관계에 삽입한다.

이때, 다수의 진동수를 갖는 맥동 압력파를 차단하는 장치의 경우는 다수의 진동수를 고려해야 하기 때문에 다층의 복잡한 구조로 제작해야 하는 단점이 있다.

또한, 설계에 반영하지 않은 진동수들의 맥동 압력파가 운전조건의 변경으로 발생하고, 그 특성이 차단 성능이 우수한 피크 주변이 아니라 골에 해당하는 진동수에 위치한 경우에는 저감 효과를 기대할 수 없다. 그러므로, 배관계의 가진원이 갖는 주파수 특성이 변경되는 경우에는 새로이 설계해야 하는 단점이 있다.

따라서, 단순한 구조이면서 다수의 진동수를 갖는 맥동 압력파를 차단하는 장치가 필요하였다. 특히, 일정 영역에 해당하는 진동수를 갖는 맥동 압력파에도 적용되어 저감이 가능해야 한다.

(특허문헌 1) KR 1996-0024165 A

이에 본 발명은 유체이송 배관계에서 발생하는 유체유발 진동문제의 주요 가진원인 다수의 진동수를 갖는 과도한 맥동 압력파의 전달을 차단하는 맥동 차단 장치를 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치는, 상류측 배관에 일단이 연결되는 유입관; 하류측 배관에 일단이 연결되는 유출관; 및 상기 유입관과 상기 유출관의 일부를 둘러싸도록 양단부가 상기 유입관과 상기 유출관에 각각 연결되고, 상기 유입관에서 유입된 유체가 상기 유출관으로 유출되기 전에 수용되는 공간을 형성하는 외부관을 포함하고, 상기 외부관의 내부공간 길이(L1)는 L1 = λ/4(1+M)으로 결정되고, 여기서 λ는 유체가 갖는 압력파의 파장이며, M은 마하수이고, 상기 유입관에서 상기 내부공간으로 돌출한 유입관 돌출부와, 상기 유출관에서 상기 내부공간으로 돌출한 유출관 돌출부 중 어느 한쪽의 길이가 L2일 때, 0.4L1 ≤ L2 ≤ 0.5L1 이고, 상기 유입관 돌출부와 상기 유출관 돌출부 중 다른 한쪽의 길이가 L3일 때, 0.19L1 < L3 ≤ 0.25L1 인 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 다수의 피크 영역뿐 아니라 골 영역을 포함한 모든 진동수의 맥동 압력파들을 모든 지점에서 기본 진동수보다 높은 수준 이상으로 차단 성능을 구현할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명에 의하면, 유체이송 배관계에서 고장의 원인인 과도한 진동은 물론, 높은 진동수의 과도한 소음까지도 저감할 수 있는 효과가 있게 된다.

더구나, 본 발명에 의하면, 예기치 못한 진동수의 맥동 압력파에 대해서도 용이하게 차단 성능을 발휘할 수 있어 다양한 유체이송 배관계에 적용될 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 맥동 차단 장치가 적용될 때의 음압 응답특성을 예시한 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 맥동 차단 장치가 적용될 때의 맥동압 응답특성을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치를 도시한 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치는, 상류측 배관에 일단이 연결되는 유입관(10); 하류측 배관에 일단이 연결되는 유출관(20); 및 유입관과 유출관의 일부를 둘러싸도록 양단부가 유입관과 유출관에 각각 연결되고, 유입관에서 유입된 유체가 유출관으로 유출되기 전에 수용되는 공간을 형성하는 외부관(50)을 포함하고 있다.

유입관(10)은 상류측 배관(미도시)에 일단이 연결되며, 이 상류측 배관을 통해 유입관의 내부로 유입된 유체를 유입관의 외부로 유출할 수 있다.

유출관(20)은 유입관(10)에서 유출된 유체가 유입가능하며 그 내부로 유입된 유체를 하류측 배관(미도시)으로 이송시키도록 하류측 배관에 일단이 연결된다.

외부관(50)은 유입관(10) 또는 유출관(20)보다 큰 직경을 가지고, 유입관과 유출관에 양단부가 각각 연결되어 있다. 예를 들어, 외부관의 양단부가 유입관과 유출관에 각각 용접 등의 방식에 의해 일체로 연결될 수 있지만 반드시 이에 한정되지 않으며, 외부관의 양단부와 유입관 및 유출관에 각각 플랜지를 마련하고 이들 플랜지를 볼트 및 너트로 체결하는 방식으로 연결하는 등 다양한 방식으로 연결할 수도 있다.

이로써, 외부관(50)은 유입관(10)을 통해 유입된 유체가 유출관(20)을 통해 유출되기 전에 수용가능한 공간을 형성하게 됨과 더불어, 외부관은 유입관의 타단과 유출관의 타단을 그 내부에 수용하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치에서는 외부관(50)의 내부공간 길이(L1)를 일정 비율로 최적화하여 아래의 식 1과 같이 설계할 수 있다.

[수학식 1]

L1 = λ/4(1+M)

여기서, λ는 유체가 갖는 압력파의 파장, M은 마하수이다.

더구나, 외부관(50)의 내부공간 길이(L1)가 결정되면, 유출관(20) 중 외부관의 내부공간으로 돌출한 유출관 돌출부(40)의 길이와, 유입관(10) 중 외부관의 내부공간으로 돌출한 유입관 돌출부(30)의 길이가 아래의 식 2 또는 식 3으로 설계될 수 있다.

[수학식 2]

0.4L1 ≤ L2 ≤ 0.5L1

[수학식 3]

0.19L1 < L3 ≤ 0.25L1

예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 유출관 돌출부(40)의 길이가 L2로 될 수 있고, 유입관 돌출부(30)의 길이가 L3로 될 수 있다. 하지만, 반드시 도시된 예에 한정되지 않으며, 유입관 돌출부의 길이가 L2로 될 수 있고, 유출관 돌출부의 길이가 L3로 될 수 있다.

결국, 유입관 돌출부(30)와 유출관 돌출부(40) 중 어느 한쪽의 길이가 L2로 되면 다른 한쪽의 길이는 L3를 갖게 되며, 외부관(50) 내에서 유입관의 타단과 유출관 타단 사이의 거리(L4)는 0.25L1 ≤ L4 ≤ 0.41L1 으로 유지되어야 한다.

L2가 0.5L1보다 크고 L3가 0.25L1보다 크게 되면, 압력파가 유입관(10)에서 유출관(20)으로 바로 직행해서 통과할 가능성이 높아지고, 더구나 압력파의 위상 중첩을 통한 감쇠 효과가 떨어지게 된다.

기본 진동수의 맥동 압력파는 식 1로 정의된 길이를 갖는 외부관(50)에 의하여 차단되고, 기본 진동수의 정수배의 진동수를 갖는 고조파의 맥동 압력파는 식 2의 길이를 갖는 유입관 돌출부(30) 또는 유출관 돌출부(40)와, 식 3의 길이를 갖는 유출관 돌출부(40) 또는 유입관 돌출부(30)에 의해 그 전달이 차단되게 된다.

보다 구체적으로, 유입관(10)의 유체는 유입관 돌출부(30)로부터 토출된 후 방사상으로 일부 유량이 분산되고 외부관(50)의 내벽에 충돌한 후 진행방향이 유출관 돌출부(40)로 전환되는 과정과, 유출관(20)으로 유입되기 이전에 외부관(50)의 공간 내에서 정체되는 과정 등을 통해 진동 성분이 감쇠 내지 완충되게 된다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치는 다수의 진동수에 해당하는 압력파의 전달을 차단할 뿐 아니라 골에 해당하는 진동수의 차단 성능이 기본 진동수에서보다 높게 나타내어, 기본파로 설계한 진동수 차단 성능 이상의 성능을 구현할 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 맥동 차단 장치는 피크들 사이의 넓은 골에 해당하는 진동수 영역까지 일정 이상의 높은 저감 효과를 나타낸다. 또한, 종래에 비해, 본 발명의 맥동 차단 장치는 기본 진동수 및 고조파의 피크 성분들만으로도 대략 10 ~ 30% 정도의 높은 차단 성능을 나타낼 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 맥동 차단 장치가 적용될 때의 음압 응답특성을 예시한 그래프이고, 도 3은 맥동압 응답특성을 나타낸 그래프이다.

이들 그래프는 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치를 예컨대 발전소의 급수펌프 계통의 배관계에 삽입한 다음, 음압 및 맥동압에 대한 평가를 실시하고 설치 전후의 응답특성 곡선들을 비교한 것이다.

도 2를 살펴보면, 대략 200 ~ 3000Hz 사이의 넓은 주파수 영역 중 기본 진동파인 5X(= 450Hz)를 포함하여, 10X(= 900Hz), 15X(= 1350Hz), 20X(= 1800Hz), 25X(= 2250Hz) 등의 피크들에서 전체적으로 약 15 ~ 20dB의 차단 성능을 나타내고 있으며, 주파수 전체 영역을 통하여 유사한 저감 수준을 나타낸다.

맥동 압력파의 차단 결과를 분석해 보면, 도 3의 맥동압 응답특성과 같이 그 피크의 진동수들 사이의 성분도 설치 전의 맥동 압력파의 응답 스펙트럼인 점선과 설치 후의 맥동 압력파의 스펙트럼인 굵은 실선들 사이는 서로 일정한 차이를 나타내고 있다.

따라서, 기본 진동수 및 그 고조파의 피크들뿐 아니라 그 사이 골 영역에서도 비슷한 수준의 저감 효과가 나타나고 있으며, 그 효과는 기본 진동수에서보다 진동수가 높아질수록 더 뚜렷한 저감 효과를 보여주고 있다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치는 저감 대상의 진동수 대역과 저감 목표치만 결정되면 시스템의 주파수 특성이 일부 변경되어도 기본 진동수 및 그 고조파와 무관한 진동수의 맥동 압력파까지도 효과적으로 저감할 수 있어 재설계가 거의 필요 없는 장점이 있게 된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 맥동 차단 장치는 기본파보다도 진동수가 높아질수록 저감 효과를 크게 할 수 있는 한편, 다양한 진동수가 발생하는 배관계에 단순한 구조로 적용이 가능한 장점도 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 유입관 20: 유출관
30: 유입관 돌출부 40: 유출관 돌출부
50: 외부관

Claims (5)

1. 상류측 배관에 일단이 연결되는 유입관;
   하류측 배관에 일단이 연결되는 유출관; 및
   상기 유입관과 상기 유출관의 일부를 둘러싸도록 양단부가 상기 유입관과 상기 유출관에 각각 연결되고, 상기 유입관에서 유입된 유체가 상기 유출관으로 유출되기 전에 수용되는 공간을 형성하는 외부관
   을 포함하고,
   상기 외부관의 내부공간 길이(L1)는 L1 = λ/4(1+M)으로 결정되고,
   여기서 λ는 유체가 갖는 압력파의 파장이며, M은 마하수이고,
   상기 유입관에서 상기 내부공간으로 돌출한 유입관 돌출부와, 상기 유출관에서 상기 내부공간으로 돌출한 유출관 돌출부 중 어느 한쪽의 길이가 L2일 때, 0.4L1 ≤ L2 ≤ 0.5L1 이고,
   상기 유입관 돌출부와 상기 유출관 돌출부 중 다른 한쪽의 길이가 L3일 때, 0.19L1 < L3 ≤ 0.25L1 인 맥동 차단 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 외부관 내에서 상기 유입관의 타단과 상기 유출관 타단 사이의 거리(L4)는 0.25L1 ≤ L4 ≤ 0.41L1 인 것을 특징으로 하는 맥동 차단 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 외부관의 양단부는 상기 유입관과 상기 유출관에 각각 용접되어 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 맥동 차단 장치.
   

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