이번에는 “스팀 트랩과 오리피스”관계를 소개하겠습니다.
"스팀 트랩 선정에서 오리피스 구경(지름)을 어떻게 선정해야 할지 모르겠다."
"오리피스란 무엇입니까?" 하시는 분들께서 봐주시길 바랍니다.
스팀트랩은 본질적으로 오리피스를 기반으로하는 장치이며, 스팀트랩의 성능(응축수배출능력)은 오리피스 직경의 크기(φ)와 작동중에 생성되는 차압(ΔP)에 따라 달라집니다.
오리피스란?
오리피스는 직역하면 '구멍(개구부)'를 말합니다. 스팀 트랩에서는 기계식 타입 트랩에 있는 밸브 부분의 구멍을 오리피스라고 부르고 있습니다. 예를 들어 프리플로트 트랩 의 경우, 이 오리피스의 직경은 수mm(밀리미터) 입니다. 연결하는 배관의 내경에 비하면 훨씬 작은 지름(직경)으로 상당히 작아진 것을 알 수 있습니다.
오리피스 직경을 크게 하면 트랩의 배출 능력을 더 크게 할 수 있지만, 그에 맞는 크기의 플로트가 필요하고 트랩 전체도 커져 버립니다. 트랩을 필요 충분한 크기로 설계하려면 적절한 오리피스 직경과 플로트 직경으로 해야 합니다.
오리피스 직경과 플로트의 크기에는 개변력・폐변력(開弁力・閉弁力)이 관계되어 있습니다.
오리피스 지름은 왜 작아져 있을까?
호칭경 15mm(15A) 트랩은 내경이 약 15mm인 배관에 접속하여 사용하지만 프리플로트형 트랩의 경우 그 오리피스 직경은 2~3mm입니다. 왜 이렇게 오리피스 직경은 배관의 내경과 비교하여 작아져 있는 것일까요?
3mm 직경의 오리피스는 압력차 0.2MPa로 350kg/h 정도의 드레인을 흘려 내 보낼 수 있습니다. 드레인의 출구가 15mm로 되어 있는 것과 같은 소규모 장치의 추정 증기 소비량으로 볼 때 충분한 크기라고 할 수 있습니다.
이를 통해 트랩이 요구되는 능력에 맞는 배출 능력을 갖기 위해서는 연결 배관 직경보다 상당히 작은 오리피스 직경으로 충분하다는 것을 알 수 있습니다. 물론 오리피스 직경을 크게 하면 트랩의 배출 능력을 더 크게 할 수 있지만 그에 맞는 큰 플로트가 필요해 트랩 전체가 커집니다.
배출 능력과 호칭경
많은 기계적 트랩들은 연결부 구경이 아니라, 오리피스 지름이 병목 현상이 되어 배출 능력이 결정되기 때문에 호칭경과 배출 능력 사이에 직접적인 관계는 없습니다. TLV사의 J3X를 예로 들면, 15A 배관용이나 20A 배관용이나 25A 배관용이나 모두 같은 배출 능력입니다.
오리피스 No.란?
스팀 트랩의 오리피스 No.에 관해서, 「숫자가 큰 쪽이 지름이 작은 것은 반대와 같아…」라고 하는 소리를 때때로 듣습니다. 확실히 얼핏 보면 이상한 느낌을 받을 수도 있습니다.
프리플로트 트랩인 TLV J3X의 경우 오리피스 No.는 2, 5, 8, 10, 21의 5종류가 있습니다. 각 오리피스 No.의 숫자는 kg/㎠로 표시한 최고 사용 압력을 나타냅니다. 따라서 숫자가 클수록 높은 압력까지 사용할 수 있지만 그 반면 같은 작동 압력차 에서의 배출 능력은 작아집니다.
폐변력과 개변력(開弁力・閉弁力)
개변력(開弁力=밸브개방력)이란, 밸브를 개방시키는 방향으로 작용하는 힘, 폐변력(閉弁力=밸브폐쇄력)은 밸브를 폐쇄(폐변)시키는 방향으로 작용하는 힘입니다.
프리 플로트 트랩의 작동 메커니즘은 부력을 이용하고 있습니다. 부력에 의해 밸브체인 플로트가 떠오르면, 밸브 시트로부터 벗어나 개방 상태가 됩니다. 즉 부력이 개변력(開弁力=밸브개방력)입니다. 플로트의 부력은 드레인의 비중을 일정하다고 가정하면 플로트의 부피와 중량으로 결정됩니다. 트랩 내부에 있는 플로트의 부피(체적)과 중량은 불변이므로, 부력 일정=개변력(開弁力=밸브개방력) 일정 합니다.
한편, 폐변력 (閉弁力=밸브폐쇄력)은 오리피스 전후의 압력차와 오리피스 지름(직경)으로부터 생기는 힘입니다. 익숙한 예로는, 욕조의 온수를 배수할 때에 일단 뽑은 마개를 배수구에 가까이 접근하면 빨려들어가 마개가 닫혀 버리는 일이 있습니다. 이와 같은 힘이 프리 플로트 트랩 내부에서도 작용하고 있습니다. 이것이 폐변력(閉弁力=밸브폐쇄력)입니다. 오리피스 지름(직경)이 일정하면 압력차가 클수록 폐변력(閉弁力=밸브폐쇄력)이 커집니다. 반대로 압력차가 일정하면 오리피스 지름(직경)이 클수록 폐변력(閉弁力=밸브폐쇄력)이 커집니다.
오리피스 No. 선정 방법
오리피스 지름(직경)과 압력차의 관계로 폐변력(閉弁力=밸브폐쇄력)은 변화하지만, 한편으로 개변력(開弁力=밸브개방력)은 일정하기 때문에, 어느 오리피스 지름에 대하여 압력이 너무 높으면 폐변력(閉弁力=밸브폐쇄력)이 개변력(開弁力=밸브개방력)을 웃도는 것이 됩니다. 이때 플로트는 밸브 시트에 빨려들어간 채로 되어, 개방할(열) 수 없습니다. 트랩은 드레인을 배출할 수 없는 상태가 됩니다. 오리피스 No.에 따라 최고 사용 압력이 다른 것은 이 때문입니다.
<동일한 플로트에서의 배출능력·사용압력과 오리피스 No. 와의 관계>
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【배출 능력을 크게 하고 싶다】
→ 오리피스 지름을 크게 한다
⇒ 최고 사용 압력이 낮아진다 = 오리피스 No. 는 작아진다
【최고 사용 압력을 높이고 싶다】
→ 오리피스 직경을 작게 한다
⇒ 배출 능력이 작아진다 = 오리피스 No. 는 커진다
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이와 같이, 같은 모델이라도 최고사용압력을 한정하면 큰 배출능력이, 배출능력을 한정하면 높은 최고사용압력을 확보할 수 있다고도 할 수 있습니다.
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