KR20160097443A - 이상 유체 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이상 유동(Two-phase Fluid)의 건도와 유량을 동시에 측정할 수 있는 이상 유체 센서를 제공한다. 본 발명에 따른 이상 유체 센서는, 이상 유체가 흐르는 주배관의 상류 측으로부터 분기되어 다시 하류 측에서 합류되도록 구비되는 분기배관과, 상기 분기배관 내부로 유입되는 이상 유체를 가열하기 위한 히터와, 상기 히터를 통해 가열된 이상 유체의 상태를 계측하기 위한 계측수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

이상 유체 센서{Two-phase Fluid Sensor}
본 발명은 이상 유동(Two-phase Fluid)의 건도와 유량을 동시에 측정할 수 있는 이상 유체 센서에 관한 것이다.
일반적으로 원형 관로 내를 흐르는 유체(액체, 기체, 증기, 오폐수, 하수 등을 말함)의 유량을 측정하기 위한 유량계로서는 차압 유량계, 전자 유량계, 초음파 유량계, 용적 유량계, 와류 유량계, 터빈 유량계 등의 여러 가지 유량계가 사용되고 있다.
이 중에서 차압 유량계는 배관 내에 흐르는 유체 전압(total pressure)과 유체 정압(static pressure)의 차압을 이용하여 유량을 측정하는 유량계로서 제작이 간단하고 비용이 적게 든다는 장점으로 인해 널리 사용되고 있다.
차압식 유량계 중에서도 구조가 매우 간단한 이유로 가장 많이 사용되고 있는 것이 오리피스이다. 오리피스(Orifice)는 배관 내에 오리피스 판을 설치하고 유량의 사이즈에 따라서 유체의 유동면적을 감소시켜 속도를 증가시키고, 이에 따라 압력이 감소하는 원리에 의해 그 전후에 발생하는 차압과 속도의 관계를 이용하여 유량을 구하는 일종의 차압 유량계 장치이다.
이와 같은 오리피스를 이용한 차압 유량계 장치는 구조가 간단하며 가동부가 없어 기계적 특성 변화가 거의 없는 장점이 있고, 아울러 측정 데이터 및 특성에 대한 자료가 풍부하고 규격화되어 있어 제작사양과 설치조건을 잘 따를 경우 별도의 교정 없이도 수 퍼센트(%) 이내의 측정 정확도를 얻을 수 있는 장점이 있기 때문에 원자력발전소나 화력발전소 등에서 많이 사용되고 있는 실정이다.
그러나, 상기와 같은 오리피스를 이용한 종래의 차압식 유량계는 기체 또는 액체의 단상(Single- Phase)에서만 정확한 측정이 가능했었던 한계가 있었고, 이상(Two-phase) 유동 조건의 건도 및 유량 측정에는 사용이 불가능했었던 단점이 있었다.
대한민국 특허공개 제2013-0058355호(2013.06.04)
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 액적(液滴)을 포함한 이상 유동(Two-phase)의 건도 및 유량을 동시에 측정이 가능하도록 함으로써 종래와 같은 이상 유동 계측에 대한 불확실성을 해소할 수 있는 이상 유체 센서를 제공하는 데에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 이상 유체 센서는, 이상 유체가 흐르는 주배관의 상류 측으로부터 분기되어 다시 하류 측에서 합류되도록 구비되는 분기배관과, 상기 분기배관 내부로 유입되는 이상 유체를 가열하기 위한 히터와, 상기 히터를 통해 가열된 이상 유체의 상태를 계측하기 위한 계측수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 분기배관에는 주배관에서 분기배관으로의 이상 유체의 유입을 개폐하도록 하는 격리밸브가 설치될 수 있다.
그리고, 상기 분기배관에는 히터를 통해 가열된 이상 유체를 다시 냉각시키도록 하는 냉각기가 설치될 수 있다.
이때, 상기 냉각기는 계측수단의 하류 측에 설치될 수 있다.
그리고 상기 계측수단은 히터를 통해 가열된 이상 유체의 온도, 압력, 유량을 각각 계측할 수 있는 온도계, 압력계, 유량계를 포함하여 구성될 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 이상 유체 센서 구조에 따르면, 액적(液滴)을 포함한 이상 유동(Two-phase flow)의 건도 및 유량을 동시에 측정하는 것이 가능해져서 종래와 같은 이상 유동 계측에 대한 불확실성을 해소할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 상기와 같은 장점으로 인해 이상 유동 건도 측정이 필요한 각종 플랜트 분야 및 원자력 산업 분야 등에 효과적으로 적용하여 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 주배관으로부터 분기되는 분기배관의 입구 측에 분기배관으로의 이상 유체 유입을 개폐하도록 하는 격리밸브를 설치함으로써, 센서의 측정이 필요없는 평상시에는 격리밸브를 닫아 정상적인 유동 상태를 유지하다가, 센서의 측정이 필요할 경우에만 상기 격리밸브를 개방하여 이상 유체의 건도 및 유량 측정작업을 수행할 수 있는 장점이 있다.
또한, 분기배관 내에서 과열증기를 계측하는 계측수단의 후방 측에 냉각기를 설치함으로써, 히터에 의해 과열된 증기를 상기 냉각기를 통해 원상태의 포화증기 상태로 냉각시킨 후 주배관을 따라 흐르는 포화증기와 합류되도록 할 수 있기 때문에 주배관의 센싱부 상류 측과 하류 측 이상 유체 간의 온도 편차를 최소화하여 유동 불균형 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 이상 유체 센서의 구성을 도시한 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 이상 유체 센서의 작동 원리를 설명하기 위한 작동도.
이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 이상 유체 센서의 구성을 도시한 구성도이다
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 이상 유체 센서(100)는, 이상 유체(Two-Phase Fluid)가 유동되는 주배관(Main Piping;110)과, 주배관(110)의 상류 측으로부터 분기되어 하류 측에서 합류되도록 구비되는 분기배관(Branch Piping;120)과, 분기배관(120) 내부로 유입되는 이상 유체를 가열해 주는 히터(130)와, 히터(130)를 통해 가열된 후의 이상 유체를 계측하기 위한 계측수단(140)을 포함한다.
주배관(110) 내부로는 이상 유체(Two-Phase Fluid), 예를 들어, 포화상태의 증기가 유동된다.
분기배관(120)은 이상 유체의 일정 유량을 우회시키기 위한 유로로서, 주배관(110)의 상류 측으로부터 분기된 후 다시 하류 측에서 주배관(110)과 합류되도록 구비된다.
즉, 주배관(110) 내부를 따라 흐르는 포화증기의 일정 유량이 분기배관(120)의 상류 측 입구(122)를 통해 유입된 후, 분기배관(120)의 하류 측 출구(124)를 통해 배출된 후 다시 주배관(110) 내부로 합류될 수 있도록 구비된다.
이때, 분기배관(120)의 상류 측 입구(122)의 후방 측에는 주배관(110)으로부터 분기배관(120)으로의 포화증기의 유입을 개폐할 수 있는 격리밸브(Isolation Valve;150)가 설치된다.
이러한 격리밸브(150)는 이상 유체의 건도 및 유량 측정이 이루어지지 않는 평상시에는 닫힌 상태로 유지되고, 이상 유체의 건도 및 유량 측정을 수행할 경우 개방시켜 주배관(110)에서 분기배관(120)으로의 유로를 형성해주도록 한다.
이와 같은 격리밸브(150)의 설치로 인해 이상 유체의 건도 및 유량 측정이 필요할 경우에만 상기 격리밸브(150)를 개방하여 이상 유체의 건도 및 유량 측정 작업을 효과적으로 수행할 수 있다.
한편, 주배관(110)과 평행을 이루는 분기배관(120)의 수평부(125) 상에는 분기배관(120)의 상류 측 입구(122)를 통해 유입되는 포화증기를 일정온도까지 가열해줄 수 있도록 히터(Heater;130)가 설치된다.
상기 히터(130)에는 외부부터 정해진 출력이 인가되고, 상기 분기배관(120) 내부로 유입된 포화증기는 상기 히터(130)를 통해 일정온도까지 가열되어 과열증기 상태로 변환된다.
이때, 상기 히터(130)의 용량은 분기배관(120) 내부로 초기 유입된 포화상태의 증기를 과열증기로 바꾸어 줄 수 있는 충분한 용량을 갖추어야 한다.
히터(130)의 후방 측에는 상기 히터(130)를 통해 가열된 과열증기를 계측하기 위한 계측수단(140)이 설치된다.
상기 계측수단(140)는 히터(130)를 통해 가열된 과열상태의 증기에 대한 온도, 압력, 유량 등을 실시간으로 계측하게 된다.
이때, 상기 계측수단(140)은 과열증기의 온도, 압력, 유량을 각각 계측할 수 있는 온도계(144), 압력계(142), 유량계(146)를 포함한다.
그리고, 계측수단(140)의 후방 측에는 히터(130)를 통해 가열된 과열증기를 다시 일정온도까지 냉각시켜 줄 수 있는 냉각기(Cooler;160)가 설치된다.
상기 냉각기(160)는 히터(130)의 출력과 동일한 냉각 능력으로 과열증기를 원상태인 포화상태의 증기로 바꾸어 주는 기능을 담당한다.
즉, 상기 냉각기(160)를 통해 히터(130)의 출력(Qh)과 동일한 냉각능력(Qc)으로 과열증기를 원상태인 포화상태 증기로 바꾸어 주게 된다.
따라서, 과열 상태의 증기는 상기 냉각기(160)를 통해 일정온도까지 냉각되어 원래의 포화상태로 변환된 후, 분기배관(120)의 출구(124)를 통해 배출되어 주배관(110) 내부를 흐르는 포화증기와 합류된다.
이와 같이 계측수단(140)의 후방 측에 냉각기(160)를 설치함에 따라, 히터(130)에 의해 과열된 증기를 냉각기(160)를 통해 원상태의 포화증기 상태로 냉각시킨 후 주배관(110)을 따라 흐르는 포화증기와 합류되도록 할 수 있기 때문에, 주배관(110)에서 센싱부의 상류 측과 하류 측의 이상 유체 간의 온도 편차를 최소화하여 유동 불균형을 해소할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 이상 유체 센서(100)의 유체 측정 원리를 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 이상 유체 센서(100)의 작동 원리를 설명하기 위한 작동도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 이상 유체 센서(100)를 이용한 유체의 측정은 먼저 격리밸브(150)의 개방으로부터 시작된다.
즉, 센서의 측정작업시 분기배관(120)의 입구(122) 측에 설치된 격리밸브(150)를 개방시켜 주배관(110) 내부를 흐르는 포화증기의 일부 유량이 분기배관(120) 내부로 유입되도록 한다.
이와 같이 분기배관(120) 내부로 포화증기의 유입이 이루어지게 되면, 다음으로, 히터(130)에 정해진 출력(Qh)을 인가하여 분기배관(120) 내부로 유입된 포화증기를 가열하여 과열증기로 바꾸어 주게 된다.
히터(130)의 가열을 통해 포화증기가 과열증기로 변화된 이후에는 히터(130)의 후방 측에 위치한 분기배관(120)의 Point 2 지점에서 계측수단(140), 즉, 압력계(142), 온도계(144), 유량계(146)를 통해 과열증기의 압력(P2)과 온도(T2) 및 유량(W2)을 각각 측정한다.
여기서, 주배관(110)에서 분기배관(120)으로 유입되는 포화증기의 유량은 분기배관(120)의 유로 단면적에 비례하여 결정되는데, 이때, 상기 주배관(110)에 대한 분기배관(120)의 유로 단면적 비율(β)은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00001
위의 식에서 A0 는 주배관(110)의 Point 0 지점에서의 유로 단면적이고, A2 는 분기배관(120)의 Point 2 지점에서의 유로 단면적이다.
또한, 위의 식에서, W0 는 Point 0 지점에서의 포화증기의 유량이고, W2 는 Point 2 지점에서 측정된 과열증기의 유량을 말한다.
한편, 주배관(110)의 Point 0과 분기배관(120)의 Point 1 및 Point 2 위치에서의 이상 유체의 건도(Quality) 특성은 다음과 같다
먼저, 주배관(110)의 Point 0 위치에서의 건도(x0)와 분기배관(120) 입구(122)의 Point 1 위치에서의 건도(x1)는 거의 동일하므로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
그리고, 분기배관(120)에 있어서 히터(130)의 후방 측 Point 2 부분 위치에서의 이상 유체는 히터(130)에 의해 가열되어 과열증기 상태로 변환된 상태이다.
이때 Point 2 위치에서의 건도(x2)는 "1" 보다 크고, 온도(T2) 또한 포화온도(Tsat)보다 크기 때문에, 다음과 같은 크기 관계가 성립된다.
Figure pat00003
아울러, 주배관(110)의 중앙부 Point 0 위치에서의 건도(x0)는 "1" 보다 작고, 온도(T0)는 포화상태인 포화온도(Tsat)를 유지하게 된다.
즉, 분기배관(120)의 Point 1 위치에서는 포화증기 조건에 따르고, Point 2에서는 과열증기 조건에 따르게 된다.
위에서, 이상 유체의 건도는 습증기 중에 포함되어 있는 증기의 중량 비율을 말하는 것으로, 건도 x가 "0"일 경우에는 건도가 하나도 없는 상태, 즉 포화수(물) 상태를 말하고, 건도 x가 "1"일 경우에는 건도가 100%인 상태를 의미한다.
가령, 건도 x = 0.97일 경우 % 로는 97%이며, 이 증기의 상태는 3%의 수분을 함유하고 있음을 의미한다.
한편, 주배관(110) 및 분기배관(120)의 Point 0, Point 1 및 Point 2 각 위치에서의 온도(Temperature) 특성은 다음과 같이 나타낼 수 있다
Figure pat00004
여기서, Tsat 는 포화온도(saturation temperature)를 말한다.
그리고, 주배관(110)에 있어서 Point 0 위치에서의 유량(W0)은 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00005
여기서, W2는 Point 2 지점에서 유량계(146)로부터 측정된다.
그리고, 주배관(110)에 있어서 Point 0 위치에서의 건도(x0)는 아래의 식으로부터 계산될 수 있다.
먼저, 가해진 히터(130)의 열량(Qh)은 분기배관(120) 내부에서 엔탈피(enthalpy; H)를 증가시키게 되며, 이는 다음과 같은 온도와 압력의 함수 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00006
이때, 주배관(110) 및 분기배관(120) 내에서의 압력 변화는 크지 않으므로 P2 ~ P1 ~P0 가 된다.
그리고, 분기배관(120) 입구(122)의 온도(T1) 조건은 포화상태이므로, T1 ~Tsat 가 된다.
따라서, 분기배관(120)의 입구 부분 Point 1에서의 엔탈피는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
여기서, W2, P2, T2 는 유량계(146), 압력계(142), 온도계(144)로부터 각각 측정된다.
위와 같은 함수관계를 통해 최종적으로 주배관(110)의 Point 0 위치에서의 건도(x0)는 다음과 같은 식에 의해 구해질 수 있다.
Figure pat00008
여기서, hf 는 물(liquid) 상태의 엔탈피를 말하고, hfg 는 물의 잠열(latent heat)을 말한다.
상기와 같은 수식관계를 통해 주배관(110) Point 0 지점에서의 이상 유체 건도(x0) 및 유량 측정을 완료한 이후에는, 계측수단(140)의 후방 측에 설치된 냉각기(160)를 통해 과열증기를 다시 원래의 포화증기 상태로 변환시켜 주어 주배관(110)의 포화증기와 합류되도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 이상 유체 센서(100)를 이용하게 되면, 이상 유동의 건도 및 유량을 동시에 측정하는 것이 가능해지기 때문에 종래와 같은 이상 유동 계측에 대한 불확실성을 해소할 수 있다.
그리고 분기배관의 입구 측에 이상 유체 유입을 개폐하는 격리밸브를 설치함으로써, 센서의 측정이 필요없는 평상시에는 격리밸브를 닫아 정상적인 유동 상태를 유지하다가, 센서의 측정이 필요할 경우에만 상기 격리밸브를 개방하여 이상 유체의 건도 및 유량 측정작업을 선택적으로 수행할 수 있다.
또한, 계측수단의 후방 측에 냉각기를 설치함으로써, 히터에 의해 과열된 증기를 냉각기를 통해 원상태의 포화증기로 냉각시킨 상태에서 주배관을 따라 흐르는 포화증기와 다시 합류되도록 하여 주배관의 센싱부 상류 측과 하류 측 이상 유체 간의 온도 편차를 최소화할 수 있고 이에 따른 유동 불균형 현상을 해소할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 이상 유체 센서 110 : 주배관
120 : 분기배관 122 : 입구
124 : 출구 130 : 히터
140 : 계측수단 142 : 압력계
144 : 온도계 146 : 유량계
150 : 격리밸브 160 : 냉각기

Claims (5)

  1. 이상 유체가 흐르는 주배관(110)의 상류 측으로부터 분기되어 다시 하류 측에서 합류되도록 구비된 분기배관(120);
    상기 분기배관(120) 내부로 유입되는 이상 유체를 가열하기 위한 히터(130);
    상기 히터(130)를 통해 가열된 이상 유체의 상태를 계측하기 위한 계측수단;
    을 포함하는 이상 유체 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주배관(110)으로부터 상기 분기배관(120)으로의 이상 유체의 유입을 개폐하는 밸브(150)가 설치되는 것을 특징으로 하는 이상 유체 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 히터(130)를 통해 가열된 이상 유체를 다시 냉각시키기 위한 냉각기(160)가 더 설치된 것을 특징으로 하는 이상 유체 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 냉각기(160)는 상기 계측수단의 하류 측에 설치되는 것을 특징으로 하는 이상 유체 센서.
  5. 제1항에 있어서, 상기 계측수단은,
    상기 히터(130)를 통해 가열된 이상 유체의 온도, 압력, 유량을 각각 계측할 수 있는 온도계(144), 압력계(142), 유량계(146)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이상 유체 센서.
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