KR20190109931A - 수충격 방지 장치 - Google Patents

Abstract

수충격 방지 장치가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 수충격 방지 장치는 저수조의 유체가 이동하는 배관; 배관의 하류에 마련되는 개폐밸브; 배관에 개폐밸브와 이격하여 설치되는 온오프밸브 및 온오프밸브에 의해 배관에 선택적으로 연결되어 저수조보다 개폐밸브에 근접한 거리에서 공기를 분사하여 에어 배리어를 형성하는 압축기;를 포함한다.

Description

수충격 방지 장치{Apparatus for preventing water hammer}

본 발명은 수충격 방지 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 배관의 밸브가 빠르게 닫힐 때 발생하는 압력파로 인해 손상이 발생하는 배관의 수충격을 방지하기 위한 수충격 방지 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 물과 같은 무압축성 유체가 흐르는 배관의 관로 끝에 있는 밸브를 갑자기 닫을 경우 물이 가지고 있는 운동에너지가 압력에너지로 변화하면서 큰 압력 상승이 배관에 발생한다. 배관의 급격한 압력의 상승은 압력파가 되어 관내를 왕복하면서 진동하며, 반복되는 진동에 의한 충격으로 배관은 붕괴 또는 파손될 수 있다. 이러한 현상을 수충격 현상(water hammer)이라고 한다.

펌프 설비에서는 정전이나 배관 내의 압력이 설정압력이 되어 펌프의 작동이 갑자기 정지했을 때 일어난다. 즉, 펌프가 송수 중에 급정지하면 우선 토출구 직근에서 압력이 갑자기 저하하면서 관내의 물은 펌프쪽으로 역류한다. 이어서, 펌프 토출측의 밸브가 급격히 폐쇄되면 큰 압력 상승이 발생되고 그 결과로 압력파가 송수 관내를 왕복하면서 수충격 현상이 발생한다. 이때. 압력 상승의 크기는 밸브가 폐쇄되는 속도에 따라 변화한다.

수충격 현상을 방지하기 위한 방법으로는 밸브의 닫히는 속도를 늦추거나 펌프와 밸브 사이의 배관 길이를 줄여 수충격을 최소화 하는 방법이 있다. 또한, 감쇠기(attenuator, shock/surge alleviator 등)를 하류 배관에 설치하여 수충격에 의한 압력파 저감을 이루는 방법도 있다.

하지만, 밸브의 닫히는 속도를 늦추는 방법은 운영 상 현장 적용하기가 어려우며, 마찬가지로 펌프와 밸브 사이의 배관 길이 축소도 현실적인 방법이 아니다. 감쇠기의 경우는 큰 부피를 차지하기 때문에 배관에 설치 시 감쇠기의 질량을 견딜 수 있는 배관 설계 및 추가 서포트가 필요하며, 더불어 간섭 문제도 확인해야 한다.

한국 등록특허 제10-1731955호(2017.04.25)

본 발명의 실시 예에 따르면, 배관의 수충격 현상을 미연에 방지하기 위한 수충격 방지 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면 저수조의 유체가 이동하는 배관; 배관의 하류에 마련되는 개폐밸브; 배관에 개폐밸브와 이격하여 설치되는 온오프밸브 및 온오프밸브에 의해 배관에 선택적으로 연결되어 저수조보다 개폐밸브에 근접한 거리에서 공기를 분사하여 에어 배리어를 형성하는 압축기;를 포함하는 수충격 방지 장치를 제공할 수 있다.

또한, 상기 압축기의 공기를 상기 배관 내로 분사하며 상기 온오프밸브의 의해 개폐되는 노즐을 더 포함하고, 상기 노즐이 개폐밸브로부터 떨어진 거리 L' 은

L' < C×Tc /2

C:액체 속에서 전파되는 음속(m/s)

Tc:개폐밸브가 닫히는데 걸리는 시간

로 마련될 수 있다.

또한, 상기 개폐밸브의 닫힘 동작을 감지하는 컨트롤러;를 더 포함할 수 있으며, 상기 컨트롤러는 상기 개폐밸브의 급폐쇄 동작 시 상기 온오프밸브를 개방 동작시켜 상기 노즐로부터 분사된 공기로 배관 내 에어 배리어를 형성하며, 상기 개폐밸브가 닫히면 온오프밸브를 폐쇄할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면 상기 배관의 하류에 마련되는 개폐밸브; 상기 저수조와 개폐밸브 사이에 마련되어 상기 개폐밸브의 동작 시 발생하는 압력파를 상기 개폐밸브가 완전히 닫히기 전에 반사하여 개폐밸브로 빠져나갈 수 있도록 상기 배관에 공기를 분사하여 에어 배리어를 형성하는 압축기;를 포함하는 수충격 방지 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 개폐밸브의 닫힘 동작을 감지하는 컨트롤러;를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 개폐밸브의 급폐쇄 동작 시 상기 온오프밸브를 개방 동작시켜 상기 압축기로부터 분사된 공기로 배관 내 에어 배리어를 형성하며, 상기 개폐밸브가 닫히면 온오프밸브를 폐쇄할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 수충격 방지 장치는 배관의 개폐밸브에 근접한 위치에 노즐을 마련하고 이 노즐을 통해 압축기의 압축공기를 분사하여 배관 내 에어 배리어를 형성한다. 따라서, 개폐밸브의 급 닫힘 시 발생하는 압력파(충격파)는 개폐밸브와 에어 배리어 사이를 개폐밸브가 완전히 닫히는데 걸리는 시간보다 짧게 왕복하면서 수충격이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수충격 방지 장치는 개폐밸브의 동작을 감지하는 컨트롤러를 더 포함하여 개폐밸브의 닫힘 동작 시 노즐에 마련된 온오프밸브가 동시 개방하도록 하여 신속하게 수충격 발생을 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실 시 예에 따른 수충격 방지 장치를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실 시 예에 따른 수충격 방지 장치의 동작을 설명하기 위한 개략도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 수충격 방지 장치가 마련된 수배관 설비를 개략적으로 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 수충격 현상(water hammer)은 상술한 바와 같이 펌프나 물탱크 등의 저수조(1)의 하류 배관(2)에 설치된 개폐밸브(3)가 빠르게 닫힐 때 생성되는 압력이 저수조(1)와 개폐밸브(3) 사이를 음속으로 왕복하면서 진동을 유발하고, 더 나아가 배관 및 펌프의 손상까지 초래하는 현상이다.

이러한 수격 현상이 발생하는 조건은 아래와 같다.

Tc: 밸브가 닫히는 데 걸리는 시간(m/s)

L: 펌프 또는 물탱크와 밸브간의 거리(m)

C: 액체 속에서 전파되는 음속(m/s)

좀 더 부연 설명하면, 개폐밸브(3)가 닫히기 시작할 때 생성되는 압력파(유동속도에 의한 운동에너지가 밸브가 닫히기 시작함에 따라 압력파 에너지로 전환)는 배관 내에서 음속으로 저수조(1)로 전달되며, 저수조에 도달한 압력파는 위상차가 180도 전환되어 다시 개폐밸브(3)가 위치한 곳으로 전달된다.

압력파가 개폐밸브(3)에 도달했을 때 개폐밸브가 닫혀있으면, 압력파는 다시 반사되어 펌프 또는 물탱크인 저수조(1)로 전달된다. 이러한 물리적 상황이 계속 반복되어 압력파가 일정 시간 동안 지속적으로 배관(2)에 압력을 가해 진동하면 배관에는 피로 파괴까지 유발될 수 있다. 압력파가 개폐밸브(3)에 도착했을 때 개폐밸브가 완전이 닫히지 않고 열려 있는 경우에는 열린 부분으로 압력파가 지나가기 때문에 진동은 발생하지만 배관 손상에 이르는 큰 진동은 나타나지 않는다.

본 실시 예에 따른 수충격 방지 장치(10)는 개폐밸브(3)가 마련되어 있는 배관(2)에 인접 마련되는 압축기(12)와, 압축기 내의 압축된 공기를 분사하기 위한 노즐(14)과, 노즐(14)과 배관(2)을 선택적으로 연결하기 위한 온오프밸브(16)를 포함한다.

압축기(12)는 고압의 압축된 공기를 발생 및 제공하는 것으로, 도시하지는 않았지만 에어필터를 통해 오일 등의 불순물이 여과된 공기를 파이프라인을 통해 노즐(14)로 이송하며, 또한 노즐(14)을 통해 분사되는 공기의 압력을 안정적으로 유지할 수 있다.

노즐(14)은 압축공기를 배관(2) 내로 분사하기 위한 것으로, 노즐을 통해 분사되는 공기의 압력은 배관 내 에어 배리어를 형성할 수 있도록 적어도 배관 내 압력(static pressure)과 배관을 유동하는 유체의 유속, 밀도, 음속 등에 의해 형성되는 압력보다 커야 한다. 일례로, 수충격이 발생할 때의 최대 압력은 Joulkowsky 식으로 계산할 수 있다.

한편, 본 실시 예에 따르면 저수조(1)와 개폐밸브(3)를 연결하는 배관(2)의 전체 길이를 L이라고 할 경우, 수충격 발생을 방지하기 위한 노즐(14)의 위치 즉, 개폐밸브(3)와 노즐(14) 사이의 거리인 L' 은 아래와 같다.

즉, 노즐(14)로부터 분사되는 압축 공기에 의해 형성되는 에어 배리어는 압력파가 배관을 왕복하는 경계 조건을 L 이 아닌 L'로 변경함으로써, 개폐밸브(3)가 완전히 닫히는데 걸리는 시간(Tc)보다 압력파의 왕복 시간이 짧아지게 되어 수충격 발생을 미연에 방지하게 된다.

한편, 온오프밸브(16)는 개폐 및 개폐도를 조절할 수 있는 밸브로, 수충격이 발생하는 조건이 배관에 형성되기 전에 신속하게 개폐 동작되어야 한다. 이를 위해, 온오프밸브(16)는 도 2에 도시한 바와 같이 배관의 개폐밸브(3) 동작을 감지하기 위한 컨트롤러(18)를 더 포함할 수 있다.

컨트롤러(18)는 배관(2)의 개폐밸브(3) 동작에 근거하여 온오프밸브(16)를 제어한다.

그러면, 상기와 같은 구성을 갖는 수충격 방지 장치의 동작 및 이를 이용한 수배관의 운전 방법에 대해 살펴보기로 한다.

펌프, 물탱크 등의 저수조(1)의 배관(2)에 마련되어 있는 개폐밸브(3)가 급격히 닫히기 시작하면, 컨트롤러(18)는 수충격 발생을 억제하기 위해 개폐밸브(3)의 폐쇄 동작을 감지함과 동시에 온오프밸브(16)를 개방하기 시작한다.

즉, 개폐밸브(3)의 급폐쇄로 인해 발생된 압력파는 배관(1)을 따라 이동하게 되는데, 이때 온오프밸브(16)의 신호에 따라 압축기(12) 내의 압축공기는 노즐(14)을 통해 신속하게 분사되어 배관(2) 내에 에어 배리어를 형성한다.

압축공기로 형성된 관내 에어 배리어는 상술한 바와 같이 개폐밸브(3)의 조작에 의해 발생된 압력파를 반사시키는 경계조건을 L(개폐밸브(3)와 저수조(1) 사이의 거리)에서 L'(개폐밸브(3)와 에어 배리어 사이의 거리)로 변경시키며, 이를 통해 에어 배리어에 의해 반사된 압력파는 아직 닫히지 않는 개폐밸브(3)를 통해 빠져나가게 된다.

따라서, 압력파의 반사에 의해 발생하는 수충격 현상은 형성 조건이 만족될 수 없어 미연에 방지되며, 개폐밸브(3)가 완전히 닫히는 순간 온오프밸브(16)도 닫히면서 노즐(14)을 통한 압축공기 분사도 정지된다.

1..저수조 2..배관
3..개폐밸브 10..수충격 방지 장치
12..압축기 14..노즐
16..온오프밸브 18..컨트롤러

Claims (6)

1. 저수조의 유체가 이동하는 배관;
   상기 배관의 하류에 마련되는 개폐밸브;
   상기 배관에 상기 개폐밸브와 이격하여 설치되는 온오프밸브 및 상기 온오프밸브에 의해 상기 배관에 선택적으로 연결되어 상기 저수조보다 개폐밸브에 근접한 거리에서 공기를 분사하여 에어 배리어를 형성하는 압축기;를 포함하는 수충격 방지 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 압축기의 공기를 상기 배관 내로 분사하며 상기 온오프밸브의 의해 개폐되는 노즐을 더 포함하고,
   상기 노즐이 개폐밸브로부터 떨어진 거리 L' 은
   L' < C×Tc /2
   C:액체 속에서 전파되는 음속(m/s)
   Tc:개폐밸브가 닫히는데 걸리는 시간
   로 마련되는 수충격 방지 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 개폐밸브의 닫힘 동작을 감지하는 컨트롤러를 더 포함하는 수충격 방지 장치.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 컨트롤러는 상기 개폐밸브의 급폐쇄 동작 시 상기 온오프밸브를 개방 동작시켜 상기 노즐로부터 분사된 공기로 배관 내 에어 배리어를 형성하며,
   상기 개폐밸브가 닫히면 온오프밸브를 폐쇄하는 수충격 방지 장치.
5. 저수조의 유체가 이동하는 배관;
   상기 배관의 하류에 마련되는 개폐밸브;
   상기 저수조와 개폐밸브 사이에 마련되어 상기 개폐밸브의 동작 시 발생하는 압력파를 상기 개폐밸브가 완전히 닫히기 전에 반사하여 개폐밸브로 빠져나갈 수 있도록 상기 배관에 공기를 분사하여 에어 배리어를 형성하는 압축기;를 포함하는 수충격 방지 장치.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 개폐밸브의 닫힘 동작을 감지하는 컨트롤러;를 더 포함하고,
   상기 컨트롤러는 상기 개폐밸브의 급폐쇄 동작 시 상기 온오프밸브를 개방 동작시켜 상기 압축기로부터 분사된 공기로 배관 내 에어 배리어를 형성하며,
   상기 개폐밸브가 닫히면 온오프밸브를 폐쇄하는 수충격 방지 장치.

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