KR20100122698A - Testing method and test stand for the determination of the cavitation characteristics of pump - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 극저온유체(예를 들면 액체산소, 액체수소 등)를 작동 매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위한 시험방법 및 설비에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to test methods and facilities for determining the cavitation characteristics of a pump using cryogenic fluids (eg liquid oxygen, liquid hydrogen, etc.) as the operating medium.
극저온 유체가 사용되는 펌프의 캐비테이션 특성을 측정하는 방법에는 펌프작동유체(극저온 유체)의 내부에너지를 일정하게 하고 펌프입구압력을 낮춘 상태에서 시험을 수행하는 방식과 일정한 압력 하에 작동매질을 포화상태 혹은 2상태까지 내부에너지를 변화시키면서 시험을 수행하는 방식이 있다. 첫 번째 방식은 일반적인 펌프에 대하여 수행되는 전통적인 방식이며, 두 번째 방식은 극저온 유체를 작동매질로 사용하는 극저온 펌프에서 중요시되는 방식이다. 펌프의 작동능력과 캐비테이션 특성을 확인하기 위한 펌프시험에서는 첫 번째 방식과 두 번째 방식이 연속적으로 수행되곤 하는데 본 발명은 두 번째 방식을 구현하기 위한 개선된 시험설비 및 시험방법에 관한 것이다.The method for measuring the cavitation characteristics of a pump using cryogenic fluid is to perform the test under constant internal energy of the pump working fluid (cryogenic fluid) and to lower the pump inlet pressure, and to saturate the working medium under constant pressure. There is a way to perform the test with varying internal energy up to two states. The first method is the traditional method performed for a general pump, and the second method is important for cryogenic pumps using cryogenic fluid as the working medium. In the pump test to check the operating capacity and cavitation characteristics of the pump, the first method and the second method are continuously performed, and the present invention relates to an improved test facility and test method for implementing the second method.
펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위하여 캐비테이션 시험 설비는 펌프로 공급되는 극저온유체의 열역학적 상태를 변화시킬 수 있어야 한다. 본 발명에서는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위하여 추가의 기체상 공급라인을 설치하여 극 저온 액체를 기체상으로 만들어서 펌프의 주공급관에 투입함으로써 기체상과 액체상의 극저온유체가 혼합된 후에 기체상의 응축이 발생하게 된다. 이로써 펌프 입구로 들어가는 작동매질의 상태를 액체포화유동상태로 만들 수 있으며, 기체상의 공급을 늘려 펌프입구의 유동상태를 2상포화유동상태로 만들 수 있다. In order to verify the cavitation characteristics of the pump, the cavitation test facility should be able to change the thermodynamic state of the cryogenic fluid supplied to the pump. In the present invention, in order to check the cavitation characteristics of the pump, an additional gaseous supply line is installed to make the cryogenic liquid into a gaseous phase and introduced into the main supply pipe of the pump, whereby gaseous and liquid cryogenic fluids are mixed. Will occur. This makes it possible to make the state of the working medium entering the pump inlet into a liquid saturated flow state, and increase the gaseous supply to make the flow of the pump inlet into a two-phase saturated state.
본 발명을 이용할 경우, 한 번의 시험과정 중에 시험조건을 변화해가면서 펌프의 시험을 수행할 수 있으며 결과적으로 시험수행 횟수와 비용을 감소시킬 수 있다.When using the present invention, it is possible to perform the test of the pump while changing the test conditions in one test procedure, and as a result, it is possible to reduce the number and cost of test execution.
상기 두 번째 방식에 대한 종래의 기술은 도 2와 같은 구조의 시험설비를 이용하여 다음과 같은 과정으로 진행된다.The conventional technique for the second method proceeds to the following process using the test facility having the structure as shown in FIG.
저장탱크(1)에 극저온 유체가 충진된 이후에 가압용 밸브(3)을 통하여 비응축 가스를 주입함으로써 극저온 유체를 도 3의 P1까지 가압한다. 이때 압력 측정은 탱크 압력센서(7)로 이루어진다. 그 후 탱크 내에 있는 극저온 유체 전체를 가열식열교환기(33)를 이용하여 온도 T1 까지 가열하고 온도센서(8)을 이용하여 확인한다. 공급관의 충진과 냉각은 각각 극저온유체 공급밸브(14)와 공급관 냉각 및 배출용밸브(19)로 작은 유량의 유체를 흘려보냄으로써 이루어지며, 이때 유량센서(17)와 유량조절기(18)를 사용한다. 냉각의 정도는 온도센서(23)로 측정한다. 유량밸브(20)가 열린 상태에서 펌프(16)를 전기구동기나 가스구동기를 이용하여 요구되는 작동조건으로 회전시킨다. 펌프의 작동상태는 펌프 로터의 회전수와 유량 및 펌프 토출 압으로 결정된다.After the cryogenic fluid is filled in the storage tank 1, the cryogenic fluid is pressurized to P 1 of FIG. 3 by injecting a non-condensable gas through the pressurizing
유동의 포화상태는 유체가 오리피스(38)를 통과하면서 발생하는 압력감소에 의하여 펌프입구압이 도 3에서 P1에서 P2로 떨어짐으로써 얻어진다. 2상포화유동상태는 드레인밸브(5)를 통한 탱크압 감소와 오리피스(38)에 의하여 펌프입구압이 도 3의 P3까지 감소됨으로써 이루어진다. 2상상태의 확인을 위하여 압력센서(21), 온도센서(22) 및 기체상 유량측정기(15)가 사용된다. 이 시험방법에서는 2상상태의 수준을 변화시키기 위하여는 오리피스(38)의 교체가 요구되어 왔다. 위에 기술된 기존의 방법은 산소와 수소를 추진제로 사용하는 미국의 J-2로켓엔진과 러시아의 RD-56로켓엔진의 펌프시험에 사용되었다.The saturation of the flow is obtained by the pump inlet pressure dropping from P 1 to P 2 in FIG. 3 due to the pressure drop occurring as the fluid passes through the
펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위한 기존의 시험설비는 한번의 시험에서 하나의 펌프작동조건만을 모사할 수 있었다. 본 발명은 이러한 단점을 개선하여 한번의 시험을 수행하는 동안 극저온유체의 여러 열역학적 상태를 변화시킬 수 있으며, 따라서 한번에 여러작동조건에 대한 시험수행을 가능하게 하였다. 이로써 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는데 소요되는 시간과 비용을 절약할 수 있으며 시험의 준비와 수행이 수월하게 된다. Existing test facilities to verify the cavitation characteristics of the pump could simulate only one pump operating condition in one test. The present invention ameliorates these shortcomings so that it is possible to change several thermodynamic states of cryogenic fluids during a single test, thus enabling testing of several operating conditions at once. This saves the time and cost of verifying the cavitation characteristics of the pump and facilitates the preparation and performance of the test.
본 발명은 극저온유체(예를 들면 액체산소, 액체수소 등)를 작동매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위한 설비에 관한 것이다. The present invention relates to a facility for checking the cavitation characteristics of a pump using cryogenic fluid (eg liquid oxygen, liquid hydrogen, etc.) as the working medium.
펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위하여 캐비테이션 시험 설비는 펌프로 공급되는 극저온유체의 열역학적 상태를 변화시킬 수 있어야 한다. 본 발명에서는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하기 위하여 추가의 기체상 공급라인을 설치하여 극저온 액체를 기체상으로 만들어서 펌프의 주공급관에 투입함으로서 기체상과 액체상의 극저온유체가 혼합된 후에 기체상의 응축이 발생한다. 이로써 펌프 입구로 들어가는 작동매질의 상태를 액체포화유동상태로 만들 수 있으며, 기체상의 공급을 늘림으로 해서 펌프입구의 유동상태를 2상포화유동상태로 만들 수 있다. In order to verify the cavitation characteristics of the pump, the cavitation test facility should be able to change the thermodynamic state of the cryogenic fluid supplied to the pump. In the present invention, in order to check the cavitation characteristics of the pump, an additional gaseous supply line is installed to make the cryogenic liquid into a gaseous phase and into the main supply pipe of the pump, so that the gaseous condensation occurs after the gaseous and liquid cryogenic fluids are mixed. do. This makes it possible to make the state of the working medium entering the pump inlet into a liquid saturated state, and to increase the gaseous supply to make the flow of the pump inlet into a two-phase saturated state.
본 발명을 이용할 경우, 한번의 시험과정 중에 시험조건을 변화해가면서 펌프의 시험을 수행할 수 있으며 결과적으로 시험수행 횟수와 비용을 감소시킬 수 있 다.When using the present invention, it is possible to perform the test of the pump while changing the test conditions during one test procedure, and as a result, it is possible to reduce the number and cost of test execution.
본 발명에서는 기존의 캐비테이션 특성 측정 장치와는 달리 시험 수행 중에 작동유체의 열역학적 상태를 변화시킬 수 있고 탱크 내의 전체 유체를 가열할 필요가 없으므로 펌프의 캐비테이션 시험시 작업량을 현저히 감소시킬 수 있다. In the present invention, unlike the conventional cavitation characteristic measuring apparatus, it is possible to change the thermodynamic state of the working fluid during the test and it is not necessary to heat the entire fluid in the tank can significantly reduce the amount of work during the cavitation test of the pump.
또한 단일 시험 수행 중에 여러 조건을 간단한 방법으로 바꾸어가며 시험을 수행할 수 있으므로 시험수행의 어려움을 경감하고 시험 준비와 수행에 소요되는 비용과 시간을 크게 줄일 수 있다. In addition, the test can be carried out in a simple way by changing the various conditions during the execution of a single test, reducing the difficulty of performing the test and greatly reducing the cost and time required to prepare and perform the test.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in this specification and claims should not be construed in a common or dictionary sense, and the inventors will be required to properly define the concepts of terms in order to best describe their invention. Based on the principle that it can, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상은 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the configuration shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and not all of the technical idea of the present invention, at the time of the present application, various equivalents that can replace them It should be understood that there may be water and variations.
도 1은 본 발명에 사용되는 시험설비의 구조도이고, 도 2는 캐비테이션 특성 을 측정하는 종래 기술에 따른 시험설비의 구조도이고, 도 3은 액체포화유동상태 및 2상포화유동상태의 형성을 설명하기 위한 포화선도이고, 도 4는 펌프의 일반적인 캐비테이션 특성 설명을 위한 그래프이고, 도 5 극저온 액체에서 기체상으로의 응축과정을 보여주는 사진이다.1 is a structural diagram of a test facility used in the present invention, Figure 2 is a structural diagram of a test facility according to the prior art for measuring the cavitation characteristics, Figure 3 is a liquid saturated state and a two-phase saturated state to explain the formation 4 is a graph illustrating the general cavitation characteristics of the pump, and is a photograph showing the condensation process from the cryogenic liquid to the gas phase.
본 발명에 따른 펌프의 캐비테이션 특성 측정 시험설비는 도 1과 같은 구성으로 되어 있다. 본 발명에서 제시한 시험설비를 이용할 경우, 저장탱크(1)에 극저온 유체를 충진한 다음에 가열하는 과정이 생략된다. 극저온 유체 공급배관라인(31)의 냉각과 펌프(16)의 구동은 기존의 방법과 동일하지만, 작동 매질의 열역학적 상태 파라미터를 변화시키는 과정은 기존의 방법과 다르다.Cavitation characteristic measurement test facility of the pump according to the present invention is configured as shown in FIG. When using the test facility proposed in the present invention, the process of filling the cryogenic fluid in the storage tank 1 and then heating is omitted. The cooling of the cryogenic
즉, 본 발명에서는 펌프(16)입구에서 액체포화유동상태와 2상포화유동상태는 극저온 액체 공급배관관라인(31)에 극저온 액체의 기체상을 주입함으로써 기체상의 응축과 극저온 액체의 가열을 통하여 얻어진다.That is, in the present invention, the liquid saturated flow state and the two-phase saturated flow state at the inlet of the
도 1에서 보듯이, 본 발명은 극저온유체(액체산소, 액체수소 등)를 작동매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험 장치에 있어서, 저장탱크(1)로부터 펌프(16)로 연결된 극저온유체 공급배관라인(31)과 연결되어 극저온 액체를 기체상태로 만들어서 상기 펌프(16)의 흡입구에 공급해주는 기체상 공급배관라인(32)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험설비에 관한 것이다.As shown in Figure 1, the present invention is a test apparatus for checking the cavitation characteristics of a pump using a cryogenic fluid (liquid oxygen, liquid hydrogen, etc.) as a working medium, the cryogenic temperature connected to the
또한, 본 발명은 상기 기체상 공급배관라인(32)에는, 극저온 액체의 기체상 공급배관라인(32)으로의 공급, 또는 기체상 공급배관라인(32)에서의 배출을 각각 조절하는 유량밸브(10), 드레인밸브(26);와 극저온 액체를 가열하여 기체상으로 만드는 가열식열교환기(11);와 기체상의 온도, 압력, 그리고 유량을 각각 측정하는 기체상 유량센서(28), 기체상 압력센서(27, 29), 그리고 기체상 온도센서(30);와 기체상의 유량을 조절하는 기체상 공급용 압력조절기(13); 및 기체상을 상기 펌프(16)의 흡입구에 공급하는 것을 조절하는 기체상 공급밸브(25);를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention, the gaseous
또한, 본 발명은 상기 기체상 공급배관라인(32)에는, 상기 드레인밸브(26)의 앞에 설치되어 드레인되는 기체상의 양 및 드레인 속도을 조절하는 오리피스(37);와 상기 기체상 공급밸브(25)의 앞에 설치되어 공급되는 기체상의 양 및 공급 속도를 조절하는 오리피스(12); 및 상기 기체상 공급밸브(25)와 오리피스(12) 사이에 설치되어 기체상의 압력, 온도를 각각 측정하는 기체상 압력센서(35), 기체상 온도센서(36);을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is provided in the gas phase
즉, 본 발명은 펌프의 캐비테이션 특성을 시험하는 방법에 사용되던 설비 중 일정한 압력 하에서 작동 매질을 포화상태 혹은 2상태까지 내부에너지를 변화시키면서 시험을 수행하는 방식에 사용되던 도 2에 도시된 시험 설비를 개선한 것이다.That is, the present invention is the test equipment shown in Figure 2 used in the method of performing the test while changing the internal energy to a saturated state or a two-state operating medium under a constant pressure of the equipment used in the method for testing the cavitation characteristics of the pump Will be improved.
상세히 설명하면, 본 발명은 펌프(16)의 캐비테이션 시험을 위한 극저온 액체를 담고 있는 저장탱크(1)와 저장탱크(1)로부터 펌프(16)로 연결된 극저온유체 공급배관라인(31) 그리고 극저온 액체를 기체상으로 만들어서 극저온유체 공급배관라인(31)에 투입하기 위한 기체상 공급배관라인(32)으로 구성되어 있다. 기체상 공급배관라인(32)에는 가열식열교환기(11)가 설치되어 극저온 액체를 가열하여 기체 상으로 만들고, 기체상의 유량을 조절함에 따라 펌프(16)의 입구에서 액체포화유동상태 및 2상(증기상 포함)포화유동상태을 만들 수 있게 되어 있다.In detail, the present invention relates to a cryogenic fluid supply line (31) and a cryogenic liquid connected to a storage tank (1) containing cryogenic liquid for cavitation test of the pump (16) from the storage tank (1) to the pump (16). It is composed of a gaseous
이러한 조건을 만들기 더욱 용이하게 하기 위해, 상기 기체상 공급배관라인(32)에는 유량밸브(10), 드레인밸브(26), 가열식열교환기(11), 기체상 유량센서(28), 기체상 압력센서(27, 29), 기체상 온도센서(30), 기체상 공급용 압력조절기(13), 및 기체상 공급밸브(25)를 포함할 수 있다.To make these conditions easier, the gaseous
또한, 추가적으로 오리피스(37,12), 기체상 압력센서(35) 및 기체상 온도센서(36)를 더 포함할 수 있다.In addition,
이하, 상기 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험설비를 이용하여 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험을 설명한다.Hereinafter, a test for checking the cavitation characteristics of the pump by using the cavitation characteristic confirmation test facility will be described.
본 발명은 극저온유체(액체산소, 액체수소 등)를 작동매질로 사용하는 펌프의 캐비테이션 특성을 확인하는 시험 방법에 있어서,The present invention is a test method for confirming the cavitation characteristics of a pump using a cryogenic fluid (liquid oxygen, liquid hydrogen, etc.) as a working medium,
기체상 공급배관라인(32)의 유량밸브(10) 및 드레인밸브(26)을 열어 극저온 액체를 주입하고, 주입된 극저온 액체는 가열식열교환기(11)로 가열하여 기체상으로 만드는 단계(S11);와 상기 S11 단계에서 만들어진 기체상을 기체상 공급밸브(25)는 열고 드레인밸브(26)는 닫은 상태에서 극저온유체 공급배관라인(31)에 투입하여 펌프(16)의 흡입구에서 액체포화유동상태를 얻은 후 그 상태에서 펌프(16)의 캐비테이션을 특성을 측정하는 단계(S12); 및 상기 S12 단계의 상태에서 기체상 공급용 압력조절기(13)의 압력을 높여 기체상의 유량을 증가시켜 펌프(16)의 흡입구에서 2상(증기상 포함)포화유동상태를 얻은 후 기체상의 압력증가와 유량증가를 각각 기체상 압력센서(27) 및 기체상 유량센서(28)로 측정하여 펌프(16)에 공급되는 극저온 유체에 포함된 기체상(증기)량에 따른 펌프(16)의 캐비테이션 특성을 측정하는 단계(S13);를 포함하는 펌프의 캐비테이션 특성 확인 시험방법에 관한 것이다.Opening the
즉, 본 발명을 상세히 풀어서 설명하면, 기체상 공급배관라인(32)에서 유량밸브(10)와 드레인밸브(26)를 열고, 가열식열교환기(11)을 이용하여 극저온 액체(기체상이 포함된 것도 해당)를 가열하여 기체상으로 만든다. 이때 기체상의 온도, 압력 그리고 유량은 기체상 유량센서(28), 기체상 압력센서(29), 및 기체상 온도센서(30)를 사용하여 측정한다. 액체포화유동상태를 얻기 위하여 기체상 공급밸브(25)를 열고 드레인밸브(26)을 닫는다. 기체상 공급밸브(25)를 통하여 극저온유체 공급배관라인(31)에 기체상이 투입되며 이때 펌프(16)의 캐비테이션 특성을 측정한다. 그 후 2상포화유동상태를 얻기 위하여 기체상 공급용 압력조절기(13)로 압력을 높임으로 기체상의 유량을 증가시킨다. 기체상의 압력증가와 유량증가는 기체상 압력센서(27)와 기체상 유량센서(28)로 측정되며, 펌프(16)에 공급되는 극저온 유체에 포함된 기체상(증기)량에 따른 펌프(16)의 캐비테이션 특성을 측정한다. 일반적인 펌프의 캐비테이션 특성은 도 4와 같다.In other words, the present invention will be described in detail by opening the
도 4는 기체(증기)와 액체의 부피비(δ)에 따른 개략적인 펌프의 양정 변화 를 나타내는 곡선이다. 여기서, Uvapor 은 기체의 부피이고, Uliquid 는 액체의 부피이다.4 is a curve showing the change in pump head roughly according to the volume ratio (δ) of gas (vapor) and liquid. Where U vapor is the volume of gas and U liquid is the volume of liquid.
또한, 도 3은 액체포화유동상태 및 2상포화유동상태의 형성을 설명하기 위한 포화선도이며, 도 3에서 Ps 와 Ts 는 저장탱크에 충진 후 포화상태에서 액체의 압력과 온도이며, Tl 은 가열 후 탱크 내 온도, Pl 은 탱크의 가압 압력, P2 와 P3 는 펌프 입구의 압력, T2 와 T3 는 P2 와 P3 시에 포화상태에 해당하는 펌프 입구에서의 온도, Ts1 은 탱크 내 압력에서의 포화온도이다.3 is a saturation diagram illustrating the formation of a liquid saturated state and a two-phase saturated state. In FIG. 3, P s and T s are the pressure and temperature of a liquid in a saturated state after filling in a storage tank. l is the temperature in the tank after heating, P l is the pressurized pressure of the tank, P 2 and P 3 are the pressure at the pump inlet, and T 2 and T 3 are the temperature at the pump inlet at saturation at P 2 and P 3 , T s1 is the saturation temperature at the pressure in the tank.
액체포화유동상태와 2상포화유동상태를 만들기 위한 기체상의 질량유량은 에너지방정식을 변형한 형태인 아래의 식(A)으로 계산할 수 있다. The mass flow rate of the gas phase to create the liquid saturated and two-phase saturated states can be calculated by the following equation (A), which is a variation of the energy equation.
mg1/ml1={cl(Tl2-Tl1)+rlδρg2/ρl2}/{cg(Tg1-Tl1)+rg} (A)m g1 / m l1 = {c l (T l2 -T l1 ) + r l δρ g2 / ρ l2 } / {c g (T g1 -T l1 ) + r g } (A)
여기서 ml 과 mg 는 액체와 기체의 유량, cl 과 cg 는 액체와 기체의 비열, Tl 과 Tg 는 액체와 기체의 온도, rl 과 rg 는 액체의 기화열과 기체의 응축열, ρl 과 ρg 는 액체와 기체의 밀도, δ는 기체상과 액체상의 부피비이며, 인덱스 1과 2는 각각 기체상 공급배관라인(32)의 입구와 펌프(16)의 입구를 의미한다. Where m l and m g are the flow rates of liquid and gas, c l and c g are the specific heat of liquid and gas, T l and T g are the temperature of liquid and gas, and r l and r g are the heat of vaporization of liquid and the condensation of gas. , ρ l and ρ g are the density of the liquid and gas, δ is the volume ratio of the gas phase and liquid phase, the index 1 and 2 means the inlet of the gas phase
모사하고자 하는 포화액체상태는 δ2=0 에 해당하고, 2상포화유동상태일 때는 δ2>0 이다. Tl1은 탱크 내 압력에서의 포화온도 Ts1 보다 작다고 간주된다.The saturated liquid state to be simulated corresponds to δ 2 = 0, and in a two-phase saturated flow state, δ 2 > 0. T l1 is considered to be less than the saturation temperature T s1 at the pressure in the tank.
극저온유체 공급배관라인(31)에 기체상의 투입은 펌프 입구로부터 기체상과 액체상의 혼합영역의 길이(lmix)와 압력센서(21), 온도센서(22) 및 유동 내 기체상 유량(증기량)측정기(15)가 설치되는 길이의 합만큼 떨어진 위치에서 이루어진다. 기체상과 액체상의 혼합영역의 길이(lmix)는 극저온 액체에서의 기체상 응축에 관한 실험적인 연구결과로 얻어진 실험식 (B)로써 결정할 수 있다.The gas phase input into the cryogenic fluid
lmix = d[2.4+Lp(0.33Lp-1.5)Re0.3Pr0 .5/Ia] (B) l mix = d [2.4 + L p (0.33L p -1.5) Re 0.3 Pr 0 .5 / Ia] (B)
여기서, lmix=기체상과 액체상의 혼합영역의 길이, d=극저온유체 공급배관라인에 기체상을 공급하기 위한 파이프의 직경, Lp(Laplace number=ρlνl(wg-wl)/σl), Re(Reynolds number=wlDπ pe/νl), Pr(Prandtl number=ρlνlcl/λl), Ia(Jacob number=cl(Ts-Tl)ρl/ρlrl), wl 과 wg 는 공급관에서의 액체속도와 액체의 유동속에서 기체상의 속도, Tl 과 Ts 는 액체의 온도와 포화온도, λl 과 νl 은 열전도계수 및 동점성계수, ρl 과 ρg 는 액체와 기체의 밀도, rl 과 cl 은 액체의 기화열 및 비열이다.Where l mix = length of the gas and liquid phase mixing zone, d = diameter of the pipe for supplying the gas phase to the cryogenic fluid supply line, Lp (Laplace number = ρ l ν l (w g -w l ) / σ l ), Re (Reynolds number = w l D π pe / ν l ), Pr (Prandtl number = ρ l ν l c l / λ l ), Ia (Jacob number = c l (T s -T l ) ρ l / ρ l r l ), w l and w g are the gas phase velocities at the liquid velocity and the flow velocity of the feed line, T l and T s are the temperature and saturation temperature of the liquid, and λ l and ν l are the thermal conductivity coefficients. And kinematic coefficients, ρ l and ρ g, are the densities of liquids and gases, and r l and c l are the heat and specific heat of vaporization of the liquid.
기체상과 액체상의 혼합영역(lmix)은 기체상의 비평형 응축과정이 이루어지는 공급관내 영역으로 도 5의 사진에 도해 되어 있다. 도 5의 (a)는 Lp>1일 때 액체질소에 기체질소가 투입될 시의 혼합과정을 보여주는 사진이고, 도 5의 (b)는 Lp<1일 때 액체질소에 기체질소가 투입될 시의 혼합과정을 보여주는 사진이다.The gaseous and liquid phases (l mix ) are regions in the feed tube where gaseous non-equilibrium condensation takes place and are illustrated in the photograph of FIG. 5. Figure 5 (a) is a photograph showing the mixing process when the gas nitrogen is added to the liquid nitrogen when Lp> 1, Figure 5 (b) is when the gas nitrogen is added to the liquid nitrogen when Lp <1 The photo shows the process of mixing.
기체상 투입지점과 펌프 사이의 길이(l)가 기체상과 액체상의 혼합영역보다 클 경우(l>lmix) 펌프입구에서 열적으로 평형인 균질 유동이 형성된다(도 5의 (a)). 그러나 액체상과 기체상의 물리적 성질에 따라 Lp 가 0.4~0.8보다 작을 경우 액체 유동 내에 불안정한 기체 흐름이 발생하여 흐르는 액체의 위쪽으로 떠오르며, 길이 lmix 내에서 응축이 완료되지 못한다(도 5의 (b)). 그러므로 공급 기체상의 압력은 Lp ≥ 1 인 조건을 만족시키는 속도를 만들어 낼 수 있어야 한다. 즉, 공급 기체상의 압력이 높아지면 공급 기체상의 속도가 빨라질 것이고, 공급 기체상의 속도가 빨라지면 Lp 가 커질 것이므로, 공급 기체상의 압력은 Lp ≥ 1 을 만족시킬 수 있을 만큼의 속도를 가질 수 있도록 충분히 커야 한다는 의미이다.If the length l between the gas phase inlet point and the pump is greater than the gas and liquid phase mixing zone (l> l mix ), a thermally equilibrium homogeneous flow is formed at the pump inlet (FIG. 5 (a)). However, when Lp is less than 0.4 to 0.8 depending on the physical properties of the liquid and gas phases, an unstable gas flow occurs in the liquid flow and rises above the flowing liquid, and condensation is not completed in the length l mix (Fig. 5 (b)). ). Therefore, the pressure in the feed gas phase must be able to produce a rate that satisfies the condition Lp ≥ 1. In other words, as the pressure in the feed gas phase increases, the velocity of the feed gas phase will increase, and as the speed of the feed gas phase increases, Lp will increase, so that the pressure in the feed gas phase is sufficient to have a speed sufficient to satisfy Lp > It must be large.
이와 같은 방법으로 발명의 시험설비를 이용하여 펌프입구에서 작동 유체의 열역학적 상태를 신속히 변화시킴으로써 공급 유체의 온도가 포화온도보다 작은 상태, 포화상태까지 가열된 상태, 그리고 기체상(증기)이 포함된 포화상태에서 캐비테이션 시험을 연속적으로 수행할 수 있다.In this way, the test equipment of the invention is used to rapidly change the thermodynamic state of the working fluid at the pump inlet, so that the temperature of the supply fluid is less than the saturation temperature, heated to saturation, and the gas phase (vapor) is contained. The cavitation test can be carried out continuously in saturation.
캐비테이션 시험의 수행은 상기 작동 유체의 열역학적 상태를 신속히 변화시켜 다양한 상태를 만든 후에 각 상태에서의 기체의 부피와 액체의 부피를 산정하여 도 4을 이용하여 기체와 액체의 부피비에 따른 양정을 찾아냄으로써 가능하다.Performing the cavitation test is to quickly change the thermodynamic state of the working fluid to create a variety of states and then to calculate the volume of the gas and liquid in each state to find the head according to the volume ratio of gas and liquid using FIG. It is possible.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
도 1은 본 발명에 사용되는 시험설비의 구조도이고,1 is a structural diagram of a test facility used in the present invention,
도 2는 캐비테이션 특성을 측정하는 종래 기술에 따른 시험설비의 구조도이고, 2 is a structural diagram of a test facility according to the prior art for measuring cavitation characteristics,
도 3은 액체포화유동상태 및 2상포화유동상태의 형성을 설명하기 위한 포화선도이고,3 is a saturation diagram for explaining the formation of a liquid saturated state and a two-phase saturated state;
도 4는 펌프의 일반적인 캐비테이션 특성 설명을 위한 그래프이고, Figure 4 is a graph for explaining the general cavitation characteristics of the pump,
도 5 극저온 액체에서 기체상으로의 응축과정을 보여주는 사진이다.5 is a photograph showing the condensation process from the cryogenic liquid to the gas phase.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 저장탱크 3 : 가압용 밸브 1: Storage tank 3: Pressure valve
5 : 드레인밸브 12,37,38 : 오리피스5:
7 : 탱크 압력센서 8 : 온도센서7
10 : 유량밸브 10: flow valve
11,33 : 가열식 열교환기 13 : 기체상 공급용 압력조절기 11,33: Heat exchanger 13: Pressure regulator for gas phase supply
14 : 극저온 유체 공급밸브 15 : 기체상 유량(증기량)측정기 14 Cryogenic
16 : 펌프 17 : 유량센서 16
18,34 : 유량 조절기 19 : 공급관 냉각 및 배출용 밸브18,34: flow regulator 19: supply pipe cooling and discharge valve
20 : 유량 밸브 21,24 : 압력센서 20: flow
22,23 : 온도센서 25 : 기체상 공급 밸브 22,23: temperature sensor 25: gas phase supply valve
26 : 드레인 밸브 27,29,35 : 기체상 압력센서26:
28 : 기체상 유량센서 30,36 : 기체상 온도센서 28: gas
31 : 극저온유체 공급배관라인 32 : 기체상 공급배관라인31 Cryogenic fluid supply piping line 32: Gas phase supply piping line
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