유량계수 (flow coefficient) 개요

유량계수 (flow coefficient)

흐름 저항의 반비례 개념으로 흐름이 있는 유공압기기 (예. 밸브, 배관, 오리피스) 의 중요한 성능 중에 하나이다. 

흐름이 밸브나 배관등을 지나면서 (동일 배관 직경에 대하여) 압력 손실에 의해 압력이 감소하게 된다. 밸브나 배관의 유량계수가 작을수록 흐름 저항이 크고 압력 감소량 (압력 손실) 이 크다. 

유동 경로의 형상이 바뀌게 되면 유량계수는 바뀌게 된다. 예를 들어 동일한 밸브라도 밸브를 반만 열었을 때와 완전 개방했을 때 유량계수는 다르다. 반만 연 밸브를 완전 개방한 밸브와 유량계수가 다른 밸브라고 봐도 된다.  

대부분 밸브 제조사에서 밸브의 유량계수값을 제시해준다. 물론 전산유체해석(CFD) 이나 시험으로도 구할 수 있다. 주의해야할 점은 체크밸브와 같이 유량에 따라 밸브 개도가 변하는 경우는 유량계수가 일정한 값이 아니라 유량에 따라 밸브의 개도가 바뀌게 되고 유량계수가 변한다.

전체 유로의 유량계수는 각 밸브나 배관의 유량계수를 전자회로의 직렬/병렬 합성식과 유사하게 합성하여 구할 수 있다. 직렬 연결 식을 자세히 보면 전체 유량계수는 주로 가장 작은 유량계수값에 지배적인데 이는 전체 유로의 흐름은 유량 계수가 가장 작은 구성 요소에 지배적이라는 것을 의미한다 (즉 유량을 늘이려면 가장 유량계수가 작은 구성 요소의 유량계수를 크게 하는 것이 좋다). 당연히 유량계수는 오리피스 직경에 반비례한다. 

참고로 discharge coefficient와는 다르다.

단위계 변환

인치 단위계에서는 Cv 로, 미리 단위계에서는 Kv 로 나타낸다. 둘 사이의 관계는 아래와 같다. 

Cv = 1.16 Kv

Kv = 0.862 Cv

여기서

Cv의 수식적 정의는 60 deg. F 에서 1 lbf/inch2 (=psi) 의 압력 감소에 따른 유량 (US gallon/min) 이다.

Kv의 수식적 정의는 5~30 deg. C 에서 1 bar의 압력 감소에 따른 유량 (m3/hr) 이다.

유량 계수 계산

아래는 인치 단위 계산식이다.

여기서 

Q : 유량 (단위 : US gallon per minute )

SG : 비중 (specific gravity, 물에 대한 밀도 비율, 단위 없음), 물의 경우는 1

ΔP  : 구성품의 차압 (단위 : psi)

아래는 SI 단위 계산식이다. (flow factor 라고도 한다)

 (단위 : 

여기서

Q : 유량 (단위 :  )

SG : 비중 (specific gravity, 물에 대한 밀도 비율, 단위 없음), 물의 경우는 1

ΔP  : 구성품의 차압 (단위 : bar)

다른 참고 사이트

유량계수 자동 계산식 (영문)

http://hydraulik.empass.biz/index.html#druckverlustkv_en

유량계수 자동 계산식 (영문, 인치단위계)

http://www.engineeringtoolbox.com/flow-coefficients-d_277.html

http://www.generant.com/cvcalc.aspx

유량계수 계산식 상세 (영문)

http://www.swagelok.com/downloads/webcatalogs/EN/MS-06-84.PDF

참고 문헌

https://en.wikipedia.org/wiki/Flow_coefficient