KR100544569B1 - 온도 성층화가 있는 축열조의 열량 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체에 냉열 또는 온열을 가하여 축열하는 축열조에서 온도성층화가 있을 경우에도 단일 센서로서 측정이 가능한 열량 측정방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에서는 온도 성층화가 있는 온수기 등의 액체 축열조의 축열량 또는 잔열량의 측정을 위한 방법에 있어서, 통상의 국소 영역을 측정하는 다수의 온도센서들이 아닌 기다란 띠 형태의 온도에 대한 전기적 저항이 선형성에 가까운 물질로 구성된 단일센서와, 이 센서를 축열조에 상하로 고정하고 그 전기저항을 측정하는 방법과; 축열조 내부 액체의 온도에 대한 비열, 단위길이 당 전기저항의 온도의존성 등을 이용하여 열량으로 환산하는 공식 등을 결합하여 단일 센서를 통해 축열량을 바로 측정 가능하도록 하는 방법이 제시된다.

본 발명에 의하면, 온도성층화가 있는 축열조의 열량을 정밀하게 측정하기 위해 단 하나의 센서와 기존의 온도저항 측정회로로 측정이 가능하게 하여 정밀도가 대폭 향상되며, 가격이 저렴하고 설치가 간편하면서 사용이 편리하여 '열량 측정장치'의 개발 및 보급을 확산시키는 효과가 있다.

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Description

온도 성층화가 있는 축열조의 열량 측정방법{Method of Calorie Measurement in Thermal Storage with Temperature Bedding}

도 1은 성층화가 있는 축열조에서 열량 측정을 위한 종래의 센서 배치구조를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 열량 측정센서의 배치구조를 나타낸 도면이다.

도 3은 성층화 높이변화에 따른 본 발명과 종래방식의 측정열량을 비교하여 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 ---- 출수 2 ---- 입수

3-1 ~ 3-5 : 삽입형 센서 4-1 ~ 4-5 ---- 부착형 센서

3 ---- 삽입형 띠 센서 4 ---- 부착형 띠 센서

5 ---- 시그널 선

본 발명은 축열시스템의 열량을 간편하면서도 정밀하게 측정하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축열조에 들어가는 축열물질인 액체가 온도에 따라 밀도 차이가 발생하여 온도성층화를 이룰 때에도 축열조가 보유한 열량을 통상적인 종래의 측정방법에 비해 더욱 정밀하고 편리하게 측정하기 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명에 속하는 종래의 기술은 축열 또는 축냉을 하기 위한 축열시스템에서 성층화가 있는 축열조의 열량을 측정하기 위하여 한 위치의 온도를 감지할 수 있는 국소 온도센서 하나 또는 다수를 사용하여 도 1에 표시한 바와 같이 각 부위별 액체의 온도를 감지하고 이를 열량으로 환산하여 전체 열량으로 합하는 방법을 취하고 있다. 이러한 열량 측정시스템은 온도분포 (열량분포)가 그 전체 보유 열량에 비해 적어 성층화를 무시할 수 있거나 축열조의 최상부와 최하부와의 사이에 온도분포가 위치에 대해 선형적으로 분포되어 있을 경우에만 그 열량 측정 오차가 실제 축열량보다 상대적으로 적다. 그러나, 액체를 가열 또는 냉각하여 일정온도에 도달한 상태에서 액체의 사용에 의해 외부에서 전혀 다른 온도의 액체가 유입되는 통상적인 경우에는 성층화 현상이 매우 뚜렷하게 되고, 이 때에는 센서의 개수와 온도 변곡점이 있는 성층화면의 위치에 따라서 그 오차 범위가 상대적으로 커진다. 이를 좀더 쉬운 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 1은 통상적으로 많이 쓰이는 온수기의 경우에 그 보유 열량을 측정하기 위한 온도센서의 배치방법을 예시한 것이다. 여기서, 출수는 부호 1의 위치에 입수는 부호 2의 위치에서 출입한다고 하면, 도면에서 점점 어두운 색깔로 나타낸 것과 같이 밀도가 높은 냉수가 입수하여 아래에 위치하고 온수는 위쪽에 모이게 된다. 이 때 상하 특정위치에서 온도가 급격히 변하는 성층화 영역이 존재하게 되는데, 이 성층화 영역은 온수사용량 (같은 의미로 출수량 또는 입수량)에 따라 상하 위치가 변한다. 이러한 성층화가 있는 경우에도 열량을 측정하기 위해서는 통상 여러 개의 온도센서를 이용하여 열량을 측정하는 데, 도 1의 3-1에서 3-5는 5개의 삽입형 센서의 부착 예를 나타낸 것이고, 4-1에서 4-5는 5개의 단열재 내측 원통표면의 부착형 센서의 예를 나타낸 것이다. 이 경우에 기존의 방식으로는 축열조 내부의 열량은 다음과 같이 근사적으로 구한다.

우선 축열조내의 미소체적 dv의 온도를 Tv, 액체의 밀도를 ρ, 비열을 C 라고 하고 축열조 전체의 열량 Q는 다음과 같이 주어진다.

또한, 이 축열조 전체의 온도가 일정한 어떤 평균온도 T_ave 로 되어 있고, 축열조의 체적을 V, 이 평균온도에서의 액체의 밀도와 비열을 ρ및 C라고 하고, 열량 Q가 상기 식과 동일하다고 가정하면 Q는 다음과 같이 표현된다.

가 되므로 약간의 오차를 감안하여 밀도와 비열을 상수로 두었을 때 평균온도는 다음과 같이 표현될 수 있다.

T_ave 를 정의하는 방법은 많다. 그 중 대표적인 것이 산술적 평균을 구하는 방법으로서 5개의 온도센서를 사용하는 경우, 축열조를 상하 5등분하여 각 등분의 중앙에 센서를 위치시키는 방법이다. 이 때 측정된 온도 값을 T1, T2, ....T5 이라고 하면 T_ave 는 다음과 같이 주어진다.

이 방식으로 구할 수 있는 열량은 다음과 같이 주어진다.

축열조를 온수기라고 가정하여 상층부에서 온수가 배출되고, 하층부에서 냉수가 균일한 양이 연속적으로 입수되는 통상적인 경우를 고려하였을 때, 도 3의 삼각형으로 표시된 데이터(종래의 방식)는 상하 5개의 온도센서에 의해 열량을 추출하였을 때 성층화 경계높이에 따라 열량의 변화를 나타낸 것이다. 이 예시에서 확연히 나타난 바와 같이 열량이 연속적으로 변화해야 함에도 불구하고, 성층화 경계면이 온도센서를 통과할 때 급격한 열량변화로 잘못 인식되고 있다. 이러한 불일치를 줄이기 위해서는 이론상 상하 무한대의 센서개수가 필요하다.

따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 열량 측정방법의 제반 결점을 해소하기 위해 통상적으로 기존의 온도센서를 사용하여 국소위치의 온도를 측정하는 그 온도 값들의 평균을 취하여 열량으로 환산하는 방법으로부터 전면적으로 탈피하여 새로운 열량 측정방법을 제공하는데 그 기술적 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 상하 성층화로 인한 온도변화가 있을 경우에도 단일 센서로도 측정이 가능한 전혀 다른 '띠' 모양의 '비국소 센서'를 새로이 개발해야 하고 또한 이 센서를 이용하여 열량을 도출하는 방법이 제시되어야 한다.

본 발명의 온도 성층화가 있는 축열조의 열량 측정방법은 온도에 따라 부피가 변하는 액체의 축열조에 기다란 띠 형태의 온도에 대한 전기적 저항이 선형성에 가까운 물질로 구성된 상하 비국소인 단일 센서를 이용하되, 이 띠 형태의 금속선의 저항값으로부터 열량을 도출하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 센서는 부착형 또는 삽입형 센서를 이용하는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명의 구성 및 작용에 대해 하나의 실시예로서 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
본 기술분야를 이해하는 사람이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 또 다른 실시예를 적용할 수 있다. 또한 열량이라는 의미의 '열'과 온열을 의미하는 '열'의 혼동을 방지하기 위해, 본 발명의 명세서 전체에 걸쳐 '축열조'는 냉열 또는 온열을 저장하는 액체저장조 모두를 의미하는 것으로 한다.

본 발명에서 추구하는 열량 측정방법을 달성하기 위해서는, 도 2에 사용되었던 것처럼 비국소이면서 선형인 '띠 센서'를 개발하여야 하는데, 다음은 이러한 띠 형태의 금속선의 저항값으로부터 열량을 도출하는 방법이다.

우선, 축열조 내의 액체의 높이를 H, 임의의 높이를 h, 높이 h의 온도를 T(h), 이 액체의 비열을 C, 액체의 밀도를 ρ라고 정의하고, 센서로 사용될 수 있는 물질은 그 측정영역에서 온도에 따른 전기저항의 증가가 선형적으로 비례하는 백금 또는 무산소 동과 같은 고도로 정제된 금속으로서 축열조 높이 h의 띠 센서로 사용되는 금속의 단위길이 당 전기저항을 r[T(h)]이라고 하면, r[T(h)]는 비례상수를 a 및 b, 라고 할 때, 다음과 같이 표시될 수 있다.

그러므로 센서 전체의 전기저항 R_tot 라고 하면,

-------- (2)

가 된다. 축열조에 들어 있는 액체의 비열을 C, 축열조 내부바닥으로부터 높이 h의 단위높이당 축열조 내의 액체가 보유하고 있는 열량을 q[T(h)] 라고 할 때 축열조 전체 열량을 Q_tot 라고 하면,

으로 표현될 수 있다. 여기서, 상기 식 (2)와 식 (3)을 결합하면,

가 되므로, 열량센서의 저항값을 측정하여 축열조 전체 열량을 쉽게 구할 수 있다. 실제 현장에서 사용상의 어려움으로 인해 센서선의 굵기를 일정량 이하로 줄이기 힘든 경우에는 센서선을 축열조 상하 N번 왕복하여 전체 저항이 통상적인 RTD 저항값의 영역에 들어오도록 하여 사용할 수 있다. 이 경우, 전체 열량은 다음과 같이 표현된다.

도 2는 이 공식을 이용해서 전체 열량을 구하는 센서의 위치를 나타낸 예이다. 도 2의 부호 1, 2는 도 1과 같이 입출수를 나타내며, 부호 3, 4는 각각 삽입형과 부착형 센서로서 편의상 N=1인 경우의 예를 나타낸 것이다. 참고로, 본 측정을 위해 센서는 부호 3의 센서 또는 부호 4의 센서 하나만 있으면 된다. 부호 5는 센서로부터 측정을 위한 시그널 선을 표시한 것인데, 4가닥의 선은 4선식 전기저항 측정방법에 사용되고, 3가닥 선은 일반적인 3선식 전기저항 측정방법에 사용된다.

따라서, 본 발명은 축열조 내부의 냉열 또는 온열, 그리고 성층화가 있는 경우에도 열량 측정이 가능한 방법으로서 도 2와 같이 축열조 내부에 삽입형으로 또는 외부에 부착형으로 띠 센서를 고정하여 전기저항 R_tot 를 측정하고, 그 값을 상기 식 (5)에 대입하여 축열조 전체 열량으로 바로 환산 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 기존의 방법에서 단일 온도센서로는 측정이 불가능하였던 축열조 전체의 열량을 띠 모양의 비국소 센서를 사용하면서 약간의 계산을 통해 정밀하게 측정하는 방법을 제공하였다. 또한, 이 방법은 다수의 센서를 사용하는 기존의 방식에 대해서도 그 정밀도가 매우 우수하다는 것이 도 3에 잘 나타나 있다.

도 3은 축열조 높이를 200cm, 내통지름 100cm, 고온수가 90℃에 있는 경우에 아래측 입수를 10℃로 하였을 때 성층화 경계면의 상승에 따른 열량의 변화를 나타낸 것이다. 여기서, 기존의 방식은 축열조를 상하 5등분하여 각 등분의 중앙에 센서를 위치시켜 총 5개 온도센서를 삽입 또는 부착한 경우를 예시하여 비교대상으로 하였고, 본 발명에서는 도 2에 나타낸 바와 같이 설정하였다. 여기서, 성층화 경계면의 상승은 열량의 감소와 선형적으로 비례하므로 실제로 본 발명에서 모사한 값이 정확히 일치함을 알 수 있다. 이러한 측정방법은 축열 또는 축냉이 필요한 규모가 큰 공업용 축열조에서 정밀도 향상을 도모할 수 있다.

Claims (3)

1. 온도에 따라 부피가 변하는 액체의 축열조에 기다란 띠 형태의 온도에 대한 전기적 저항이 선형성에 가까운 물질로 구성된 부착형 또는 삽입형 센서인 상하 비국소의 단일 센서를 이용하되, 상기 띠 형태의 센서선의 저항값으로부터 열량을 도출하는 온도 성층화가 있는 축열조의 열량 측정방법에 있어서,

   상기 온도에 따른 금속의 전기저항의 변화를 이용한 센서로 다음 식 (4) 또는 식 (5)와 같이 전기저항으로부터 열량을 환산할 수 있는 식을 이용하여 열량을 계산하는 것을 특징으로 하는 온도 성층화가 있는 축열조의 열량 측정방법.

   

   

   상기 식 (4) 및 (5)에서, Q_tot 는 축열조의 전체열량, ρ는 액체의 밀도, C는 액체의 비열, R_tot 는 센서 전체의 전기저항, H는 액체의 높이, N은 센서선의 축열조의 왕복수이고, a와 b는 비례상수로서 임의의 높이 h의 띠 센서로 사용되는 금속의 단위길이 당 전기저항이 r[T(h)]라고 하면 다음 식(1)의 관계를 갖는다.

   
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