Standard Orifice Area

Pressure relief valve orifice의 필요한 크기(required size) 또는 유효 면적(effective area)을 제조사 data 또는 Sizing formulae 를 이용하여 Standard Orifice Area를 결정하는 방법을 공유하고자 한다.

 

 

 

Standard Orifice Area

효과적인 오리피스 면적(Effective Orifice Area) 

특정 용기 또는 pipeline에 대한 압력 및 릴리프 속도가 설정되면, 압력 릴리프 밸브 오리피스(pressure relief valve orifice)의 필요한 크기(required size) 또는 유효 면적(effective area)을 결정할 수 있다.

사이징 공식(Sizing formulae)을 사용하여 예상되는 릴리프 조건에서 필요한 양의 시스템 유체를 흐르게 하는 압력 릴리프 밸브의 필요한 유효 면적을 계산할 수 있다. 그런 다음 실제 토출 면적(actual discharge area)이 계산된 필요 유효 면적보다 크거나 같은 적절한 밸브 크기와 스타일을 선택할 수 있다. 
업계에서는 밸브 오리피스 크기를 표준화하여 각각 0.110 in^2 ~ 26.0 in^2 의 면적을 가진 D부터 T까지의 문자로 식별하고 있습니다. 

 

 

표준 노즐 오리피스(Standard Nozzle Orifice)

표준 노즐 오리피스 명칭과 해당 토출 면적은 다음 표 1과 같다.

 

<표 1> Standard Nozzle Orifice Data

 

 

적절한 size에 도달하기 위한 몇 가지 대체 방법이 있다. 
● 공정 유체가 증기, 공기 또는 물이고 압력 릴리프 밸브가 대기로 배출되는 경우 제조업체의 문헌을 참조할 수 있다. 
이러한 간행물에는 방금 언급한 설정 압력과 몇 가지 과압 값에서 제조업체의 다양한 밸브에 대한 용량 표가 포함되어 있다. 
일반적으로 많은 수의 표가 제시되므로 적절한 표를 사용하려면 주의를 기울여야 한다. 
주의 깊게 고려하면 비열비, 온도, 분자량, 비중, 입구 및 출구 배관 마찰 압력 손실, 유체 점도에 대한 보정 계수를 통해 적절하게 조정하여 표의 유용성을 확장할 수 있다. 

● 계산식을 사용하여 구할 수 있다.

 

 

Standard Orifice 선정 사례

Ex. 1) Steam Application

● 공정 조건

- Fluid: Saturated steam

- Required Capacity: 40,000 lb/hr

- Set Pressure: 140 psig

- Overpressure: 10% (or 14 psig)

- Back Pressure: Atmospheric

- Inlet relieving Temperature: Saturation temperature

- Molecular Weight: 18

● Question : 상기 조건에서 PRV 의   Standard Orifice는 ?

● Solution 1) PRV 업체(XYZ Valve Company)의  standard tables 제공 가능 시

<표 1> TYPICAL CAPACITY TABLE FROM THE XYZ RELIEF VALVE COMPANY

            *Capacity in Pounds per Hour of Saturated Steam at Set Pressure Plus 10% Overpressure

 

 

상기 표로부터 set. press. 140 psig에서 40,000 lb/hr 이상이 되는 Standard Orifice Type은 "P" Orifice이다.

그리고 그때 정격 Capacity는 53,820 lb/hr가 된다.

 

 

● Solution 2) Standard tables are not applicable (Manual calculation)

<Required orifice sizing (effective area) formulas>

Vapor or gases
Steam		Correction factor Kn is required by ASME when relieving pressure (P1) is above 1,500 psia:
Liquids

① Because the steam is saturated and the set pressure < 1,500 psia, Ksh = 1.0 and Kn = 1.0

② Calculate an orifice effective area using Equation for Steam:

③ <표 1>로 부터, A= 4.72 in^2보다 크면서 가장 작은 standard orifice designation은 "P" orifice이다

그리고 그에 상당하는 actual area는 6.38 in^2이다.

 

 

Ex. 2) Gas/Vapor Application

● 공정 조건

- Fluid: Saturated ammonia vapor (NH3)

- Required Capacity: 15,000 lb/hr

- Set Pressure: 325 psig (constant back pressure of 15 psig deducted)

- Overpressure: 10%

- Back Pressure: 15 psig (constant)

- Inlet relieving Temperature: NH3 saturation temperature @ P1 (138℉)

- Molecular Weight: 17

● Question : 상기 조건에 부합하는 Standard Orifice는 ?

● Solution : "Relief Valve Constants for Common Gases and Vapors" Table 이

① 아래 표 3 으로 부터 NH3의 비열비 k=1.31이고 Nozzle constant , C = 347 이다.

<표 3> Relief Valve Constants for Common Gases and Vapors

② Find the actual relieving pressure P1 to be:

P1 = set pressure + overpressure + atmospheric pressure

     = 325 + 32.5 + 14.7

     = 372.2 psia

③ Calculate the critical flow pressure as,

④ Assume that NH3 is an ideal gas,  Z = 1.0

⑤ Since a coefficient of discharge is not given, assume K = 0.975

⑥ Calculate an orifice effective area using Equation for Vapor or gases:

⑦ <표 1>로 부터, A= 0.707 in^2보다 크면서 가장 작은 standard orifice designation은 "H" orifice이다

그리고 그에 상당하는 actual area는 0.785 in^2이다.

 

Reference : Randall W. Whitesides, P.E.,  Selection and Sizing of Pressure Relief Valves