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서준 학
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1 SONIC FLOW 매뉴얼 ( 주) 대덕기술

2 목 차 1. Sonic Flow 소개 2. 설치시주의사항 3. Sonic Flow 의구성기기 작동원리운전방법정기점검정비고장의원인과대책 8. Sonic Flow 의관리 9. S/W 사용설명서

3 1. SONIC NOZZLE BANK 기체유량계를현장에서직접교정할수있는소형기체유량계교정시스템( 제품명: SONIC FLOW) 을한국표준과학연구원역학연구부유체유동그룹이개발하여 ( 주) 대덕기술에기술이전 하였다. 기체유량은대기압에서부터 10 기압까지넓은압력범위에걸쳐다양한구경의파이 프라인에서측정해야하는데동일한유량계라할지라도사용압력이나유동율범위가다르 면오차의크기가달라지기때문에정확한유량측정을위해서는유량계를현장의사용조건 에서직접교정하기위한소형교정시스템이필요하다. 개발된소형교정시스템은현장에서직접교정할수있도록이동식으로제작되었으며, 의흐름방향을바꿀수있는변환장치를설치하여터빈유량계등과같이순간유량을지시하 는유량계뿐만아니라, 습식가스유량계또는가정용막식기체유량계등과같이적산하는유 량계도교정할수있다. 이소형교정시스템은음속노즐 14개중 5 개를선정하여조합하면유동율이결정된다. 여 기에사용되는가장작은음속노즐의목직경은 기체 0.03 mm이며가장큰음속노즐의목직경은 4.48 mm 이다. 이소형교정시스템의음속노즐입구압력을조절하거나음속노즐의목직경 크기, 개수로교정할유동율을선정한다. 이소형교정시스템의음속노즐입구압력과온도를 측정하면음속노즐개개의유동율을얻을수있으며교정정확도는 0.25 % 이다. 이소형 교정시스템으로교정할수있는유동율의범위는 m 3 /h ~ 150 m /h 이다. 이소형교정시스템의개발로지금까지수입에의존하던벨푸루버, 피스톤푸루버및현장 에서기준유량계로사용되는습식가스유량계를대체할수있게되었다. 개발된소형교정시 스템은유량계제작회사에서유량계교정및시험에사용할수있다. 또한반도체제조공정에 사용하는열량형질량유량계의교정, 가정용천연가스유량계의교정등에사용할수있다. 이소형교정시스템은노트북컴퓨터를사용하여교정자동화가가능하며교정에소요되는시 간을기준시스템보다 1/3 로단축할수있다 음속노즐규격 (ISO 9300) 실제가스가임계음속노즐내부로흐를때노즐목에서는유속은음속이되며유동율은다 음과같이정의된다. q m = A * CC * P 0 ( R M ) T 0 (3-1)

4 혹은 Q m = A * CC R P 0 ρ 0 (3-2) 여기서 C R = C * Z (3-3) A * 는음속노즐목단면적이며, P 0 는정체압력, T 0 는정체온도, ρ 0 는정체밀도이고 Z는압축 계수(compressibility factor) 이다. C * 는노즐입구와목사이에서등엔트로피 (isentropic) 1차 원유동에서유체의열역학적유동특성치인임계유동함수 (critical flow function) 이며정체압 력, 정체온도의함수이다. 여러가지기체에서 C * 의값은 ISO 규격에서표로주어져있다. C d 는실제유동율과등엔트로피유동(isentropic flow) 인이상유동율의비로서유출계수 (discharge coefficient) 라한다. 이유출계수는기체동점도와유동장특히와류(swirl) 의영 향을받지만주어진조건에서는레이놀즈수 (Reynolds number) 의함수이다. 노즐목에서레 이놀즈수는노즐목에서의밀도 ( ρ), 유속( 음속, V), 목직경(d), 정체온도와정체압력에서점도 값 ( ) 으로정의된다. 레이놀즈수와유출계수의관계는아래와같다. C = a -bre -n R e = ρvd (3-4) 여기서 a, b, n 값은표 3-1과같으며표 3-2에레이놀즈수에대한유출계수값이노즐형 상에따라주어져있다. 표에서 C 값의불확도는 0.5 % 이다. 노즐유출계수는노즐형태에 따라서달라지며노즐목이작을때노즐형상을 정하는것이어렵다. ISO 규격에따라제작하기가어렵고치수를측 표 3-1. a, b, n 의값

5 표 3-2. 임계음속노즐의유출계수 (a) Toroidal 형임계음속노즐 (b) 노즐목이실린더형인임계음속노즐 노즐설계기준 가. 일반사항ㅇ재질 - 요구되는표면마무리가공을할수있는재질 - 사용조건에서부식이일어나지않는재질

6 - 열팽창에따른노즐목의직경을정확히예측할수있어야한다. ㅇ노즐의축소부에서는표면평균거칠기가 15x10-6 d 를초과하여서는안된다. ㅇ노즐축소부에서는먼지, 유막등오염이나불순물이부착되면안된다. ㅇ노즐확대부에서는평균표면거칠기가 10-4 d 를초과하여서는안된다. 나. 임계음속노즐이갖추어야할사항 음속노즐(sonic nozzle) 로서는 toroidal 형임계음속노즐과노즐목이실린더형인임계음 속노즐의 2 종류가있다. 1) Toroidal 형임계음속노즐 Torodial 형노즐의설계기준은그림 3-1 과같으며각부분에서기준은다음과같다. ㅇ 노즐의입구는직경이 2.5d 0.1d 되는곳까지이다. ㅇ노즐축소부의원환체(torus) 로서반경 ro는 1.8~2.2d 범위이고원환체형상으로부 터 0.001d 이상벗어나면안된다. ㅇ노즐확대부의원추각절반( 표면과중심선사이각) 은 2.5~6 범위이어야한다. ㅇ노즐축소부에서는먼지, 유막등오염이나불순물이부착되면안된다. ㅇ노즐확대부에서는평균표면거칠기가 10-4 d 를초과하여서는안된다. 2) 노즐목이실린더형인임계음속노즐 실린더형노즐은그림 3-2 과같으며세부사항은다음과같다. ㅇ노즐입구는축소부의접선이중심축에수직되는지점까지이다. ㅇ노즐축소부의원환체반경은노즐목직경과같으며원환체형상으로부터 0.001d ㅇ ㅇ 이상벗어나면안된다. 노즐목의원통어느곳에서나직경은원통출구직경보다적지않아야되며평균직 경에서 0.001d 이상다르면안된다. 노즐목의길이는노즐목직경과같아야되며 ㅇ축소부의평균표면거칠기는 15 x 10 ㅇ d 이상다르면안된다. d 이하이어야한다. 원환체, 노즐목의원통, 확대부의연결지점에서결함이없어야한다. ㅇ노즐확대부의원추각절반( 표면과중심선사이각) 은 3~4 범위여야하며확대부의 길이는노즐목직경 d 보다적어서는안된다.

7 0.9D to 1.1D P Inlet plane 1d min. D 4d 2.5d d A 2.5 to 6 Intersection of toroidal surface and divergent section r c =1.8d to 2.2d In this region the arithmetic average R 3 of the surface shall not exceed 10-4 d Inlet surface shall lie with in the hatched zone A. In this region the arithmetic average roughness R 3 shall not exceed 15 x 10-6 d and the contour shall not deviate from toroidal form by more than 0.001d. 그림 3-1. Toroidal형노즐의 ISO 설계기준 Inlet plane d 1d min. 3 to 4 D l,d d A r c =d In the conical divergent section the arithmetic average roughness R 3 shall not exceed 10-4 d. A. In this region the arithmetic average roughness R 3 of the surface shall not exceed 15 x 10-6 d and the contour shall not deviate from toroidal and cylindrical form by more than 0.001d. 그림 3-2. 실린더형노즐의 ISO 설계기준

8 노즐설치부가갖추어야할사항 노즐입구에서 swirl이존재해서는안되며 swirl이존재하는경우그림 3-3과같이노즐입 구에서 5 D(D : 파이프직경) 이상되는지점에 swirl을제거할수있는 flow straightner를부 착해야한다. 가. 노즐상류측파이프라인 노즐중심축과파이프중심축의편심은 0.02D 이내가되도록노즐이설치되어야한다. 노 즐상류 3D까지의파이프는 0.01D 이상진원도가벗어나서는안되며평균표면거칠기는 10D -4 를초과해서는안된다. 노즐앞에있는파이프의직경은 4d 이상되어야한다. 나. 노즐하류측파이프라인노즐하류측에는유동을방해하지않으면어떠한제한조건도없다. 다. ㅇ ㅇ ㅇ 압력측정 노즐입구로부터 0.9~1.1D 터전압을유출할수있어야한다. 상류에서정압을측정하여야하며측정한정압으로부 압력 tap 의중심축은노즐중심축과수직으로만나야하며, 그림 3-4와같이 tap 구멍은원형으로구경 (d t ) 는 0.08D나 12 mm보다적고 tap 길이는 2.5dt 이상이되어야 하며 tap 끝부분의 round는 0.1d t 를초과해서는안된다. 노즐하류측의압력은노즐목에서음속이도달되었는지확인하기위하여측정하며 노즐출구에서 0.5D 떨어진지점에서압력을측정한다. 출구압력을알고있거나 예측할수있는경우에는출구압력을측정할필요가없다. 1.8D to 2.2D Vane thickness to be adequate to prevent buckling l D T 0.9D to 1.1D P Nozzle inlet plane D 그림 l 5D In this surface roughness shall not exceed 10-4 d ISO노즐뱅크도면

9 라. 배수구멍 응축수나이물질을제거하기위하여배수구멍을설치할수있다. 배수구의크기는 0.06D 보다적어야하며압력측정구멍보다 존재하여야한다. D이상앞에있어야하며압력측정구멍과다른면에 마. 온도측정 노즐상류 1.8~2.2D에서온도측정을하며온도측정센서의직경은 0.04D 이하로적어야 되며큰경우에는압력측정에영향을주지않고노즐입구정체온도를얻을수있는위치에 설치하여야한다. 압력측정구멍과온도측정구멍은같은면상에있으면안된다. 기체의 정체온도와파이프온도가 오차도고려해야한다. 5K이상다르면온도센서선택에주의를해야하며복사에의한 바. 밀도측정 기체의분자량이잘알려져있지않을경우노즐입구에서기체의밀도를측정하는것이 바람직하다. 밀도계(densitometer) 는온도, 압력측정위치보다상류측에설치하여야하며온 도압력측정에영향을미치지않아야한다. d t =0.08D max. ( 12mm preferably) 2.5d t A A. Edge of hole flush with internal surface of conduit, burr-free and squara to a radius not exceeding 0.1 d t. 그림 3-4 압력측정구멍

10 3. 구조 Flow T P 음속노즐 P 밸브 노즐뱅크지지대 음속노즐뱅크는노즐상류직관부에노즐상류정체온도와압력을측정하는온도및압력 측정구, 5 개의노즐을설치할수있는노즐판, 각각의유동을제어할수있는 2 개의볼밸브, 볼밸브사이의유량누설체크포트및하류측직관부로구성되어있다. 노즐의장착탈착은그림 2와같은노즐유동배관의 8번의노즐후판지지대의나사를조 금느슨하게푼후 4번의 quick connector의머리부분을잡아서노즐후단쪽으로 3cm 정도 민후, 스패너로 3 번을푼후노즐판에서노즐(2 번) 을띄어낸다. 그후역순으로필요한노즐 을조립한후누설시험을한후사용한다 노즐설치판 2. 노즐 3. 소켓 4. Quick connector 5. 파이프 6. 볼밸브 7. 누설체크포트 8. 파이프지지대 9. 파이프설치판

11 4. 설치장소 Sonic Flow 는유지보수가용이한장소에설치하여사용하여야한다. 급격한온도변화가없는항온항습실에서사용하는것이바람직하다. 주위에진동이나소음이없는곳에사용하여야한다. 5. Sonic Flow 운전및교정절차 1. 운전의준비 1) Sonic Flow 를사용하여교정할교정대상유량계의손상여부를점검하여교정검사수행여부 를우선판정한다. 2) 계측기기에전원을가하여 30분정도 warm-up을하고계측기기들이정상적인작동을하 는지여부를확인한다. 3) 안전을위하여유량계가교정할압력에적절히사용가능한것인지를점검하며기타사용 되는모든배관부품의사용압력을확인하고플랜지조임에사용되는볼트너트등도적정규 격의것을사용한다. - - 사용자의요구에따라현장조건과유사한조건에서실험하는경우특별한배관을할수 있다. 유속분포를비이상적으로만드는가스켓이나용접비드가관내부로돌출하지않도록배 관한다. 4) 그림 1 과같이노즐뱅크에유량계를연결하고배관에누설이있는지체크한다. 5) 유량계를교정할때, 압축기체의급격한팽창에의해급격한온도변화가일어날수있으므 로적절한예비운전을통하여열평형상태를확인하고유지하도록한다. 6) Sonic Flow 교정장치의작동은유량계의측정원리및 Sonic Flow의작동원리를충분히숙 지한전문가가해야한다. 7) 유량계교정유량범위를확인하고표 1 에의해노즐뱅크에서적절한노즐을선택한다. 8) 유량계교정프로그램에서유량계조건에맞는온도, 압력등을선택한후, 교정날자및제 9) 조번호등을기입한다. 유량계의교정은사용자의특별한요구가없는한유량계의사용유동율범위내에서최대 유동율의 20%, 40%, 60%, 80%, 100% 에서실험하며각유동율에서최소 3 회실험한다. 각 각의유동율에서 3회실험은실험유동율을한번설정하여동일한상태에서 3회반복실험을 하지말고유량을증가시키면서전사용유동율범위에서 1 회, 그리고다시감소시키면서전

12 유동율범위에서 1 회, 마지막으로다시유동율을증가시키면서 1회실험하는방법을사용하여 야한다. 10) 실험할때는유량계의지시값, 유량계에서의유체의온도와압력을읽고, 음속노즐에서의 상류측온도와압력, 대기압등을컴퓨터로인터페이스하여기록한다. 이때유량계를통과하 는유체의온도와수집한유체의온도가가급적큰차이가나지않도록열평형을이루도록 하는것이바람직하다. 표 1. 임계음속노즐설계유동율범위

13 Compressor Storage tank Dryer Filter DATA 수집장치 Printer Computer Flow Meter P T Time Diverter P Nozzle bank T Flow control valve 5. 정기점검정비 이 단 SONIC FLOW 는기계식으로구성되어있으므로별도의정기점검이필요로하지않는다. SONIC FLOW 에사용되는음속노즐은주기적으로교정을받아사용하여야한다. 6. * 고장의원인과대책 유량이맞지않을때 - Curve fitting 한노즐교정곡선이제대로입력되었는가? - 온도및압력계는교정되었는가? - 온도, 압력계는제대로작동하고있는가? - 온도및압력교정곡선이제대로입력되었는가? - 음속노즐선택은맞는가? - 음속노즐뱅크에누설이없는가? - 노즐목부분에이물질이들어있지않은가?

14 7. 부품도 drill M " 4" 4 inch 그림 8. 노즐뱅크상하류측접속배관도

15 1 2 T P M8 Tap drill 10 4 " T P 그림 9. 노즐뱅크상류측배관도 M8 TAP 13 8-M8 TAP 그림 10. 노즐판및하류측배관연결판

16 그림 11. 누설체크배관 C.B C.B 용접 그림 12. 노즐뱅크지지대

17 6-M8 Tap 그림 13. 노즐밑판 Unit : mm Lathe PF 1/2 그림 14. 임계음속노즐외형도

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