오리피스의 정의
오리피스란 배관의 중간에 둥근 구멍이 뚫린 칸막이를 의미한다. 오리피스를 통과하는 유체는 압력 차이를 발생시키며, 이를 이용하여 유량을 측정하거나 조절할 수 있다. 오리피스는 증기, 공기, 가스 등 다양한 유체의 유량 제어에 널리 사용되는 장치이다. 산업계에서 널리 사용되는 장치인만큼 오리피스의 형상과 크기는 JIS와 같은 규격에 따라 정해져 있다.
오리피스 장단점
오리피스는 여러 가지 장점을 가지고 있다. 먼저, 제작과 설치가 간편하고 유지보수가 용이하며, 이에 따라 비용이 적게 든다. 또한, 오리피스는 높은 정밀도와 신뢰성을 가지고 있고, 산업계에서 많이 사용하는 만큼 높은 정밀도와 신뢰성 그리고 사용되는 실험식이 충분히 검증되어 있다. 이에 따라 정확한 측정과 유량 제어가 가능하다. 그러나 오리피스는 비교적 큰 압력손실을 유발하기도 하며, 유동이 불안정한 경우 정확한 측정이 어렵다는 한계도 있다.
오리피스 원리
오리피스의 기본적인 원리는 베르누이의 방정식으로 설명할 수 있다. 오리피스에서는 유체가 구멍을 통과할 때 단면적이 감소하므로 속도가 증가하고, 그에 따라 압력이 감소한다. 따라서 오리피스 전후의 압력 차이를 측정하면 유량을 구할 수 있다. 하지만 베르누이 방정식은 아주 이상적인 상황에서 유도된 방정식이라 유동에서 발생할 수 있는 손실은 고려가 되지 않았으며, 더군다나 오리피스의 형상이 유동을 급격하게 변화시키는 형태라 벤츄리나 노즐에 비해 상대적으로 큰 압력손실을 야기한다. 따라서 오리피스에는 베르누이 방정식을 그대로 적용하기에는 오차가 너무 크기 때문에, 여러 계수를 곱해서 보정해야 한다. 보정을 위한 계수는 오리피스의 형상과 위치, 유체의 물성 등에 따라 달라지며, 실험적으로 구한다.
오리피스 유량 측정 위치
오리피스 유량계의 압력 측정 위치는 오리피스 플레이트의 형상과 유체의 상태에 따라 달라진다. 일반적으로는 ISO 5167와 같은 표준에서 제시하는 다음과 같은 세 가지 방법이 주로 사용된다.
- 플랜지탭(Flange tap): 오리피스 플레이트의 플랜지에 압력센서를 설치하는 방법이며, 일반적으로 오리피스로부터 1 in 정도 떨어진 위치에 설치한다. 이 방법은 설치가 간편하고 정확도가 높다. 하지만 오리피스 플레이트의 크기가 작거나 파이프의 직경이 큰 경우에는 사용하기 어렵다.
- 코너탭(Corner tap): 오리피스 플레이트의 모서리에 압력센서를 설치하는 방법이다. 이 방법은 오리피스 플레이트의 크기와 파이프의 직경에 관계없이 사용할 수 있다. 하지만 압력센서가 오염될 가능성이 높고, 정확도가 낮다.
- D 및 D/2 탭: 오리피스 플레이트의 앞쪽에서 파이프라인의 직경(D) 만큼 떨어진 곳과 뒤쪽에서 직경의 절반(D/2) 만큼 떨어진 곳에 압력센서를 설치하는 방법이다. 이 방법은 정확도가 높고, 압력센서가 오염될 가능성이 낮다. 하지만 설치가 복잡하고, 파이프라인의 길이가 충분해야 한다.
오리피스 유량 측정식
ISO 5167에서 제시하는 유량 계산식은 다음과 같다. 아래 식의 불확실도(Uncertainty limit) 역시 계산될 수 있는데 ISO 5167-1의 8절에서 제시하고 있다.
\[ Q_m = \frac{C}{\sqrt{1-\beta ^ 4 }} \epsilon A_o \sqrt{2\Delta P \rho_{1}} \]
여기서 \( Q_m \) : 측정된 질량유량
\( C \) : 방출계수( Discharge coefficient ), 보통 0.6~0.85 범위
\( \beta \) : 파이프 직경 D에 대한 오리피스 직경 d의 비율 ( d / D )
\( \epsilon \) : 팽창계수( expansibility factor )
\( A_o \) : 오리피스 안쪽 유동면적 ( \( \pi d^{2} / 4 \) )
\( \rho_{1} \) : 상류측 유체의 밀도
\(\Delta P \) : 오리피스 측정 차압
체적유량은 다음과 같이 질량유량에서 밀도(\( \rho \))를 나누어 계산한다.
\[ Q_v = \frac{Q_m}{\rho} \]
오리피스 사용 범위
ISO 5167-2에서는 다음의 범위에서 표준 오리피스판(Standard Oriffice Plate)을 사용할 것을 명시하고 있다.
D 및 D/2 탭에서는 다음 범위에서 사용되어야 한다.
- \( d \ge 12.5 mm \)
- \( 50 mm \le D \le 1000 mm \)
- \( 0.1 \le \beta \le 0.75 \)
- \( Re_D \ge 5000 \; for \; 0.1 \le \beta \le 0.56 \)
- \( Re_D \ge 16000 \; for \; \beta > 0.56 \)
여기서, d: 오리피스판 내부 지름
D: 파이프 내부 지름
\( \beta \): 파이프 지름대비 오리피스 판 내부 지름(d/D)
\( Re_D \) : D로 계산된 레이놀즈수
플랜지 탭에서는 다음 범위에서 사용되어야 한다.
- \( d \ge 12.5 mm \)
- \( 50 mm \le D \le 1000 mm \)
- \( 0.1 \le \beta \le 0.75 \)
- \( Re_{D} \ge 5000 \)
- \(Re_{D} \ge 170 \beta ^ {2} D \), 여기서 D의 단위는 mm
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