KR20240062269A - 배관 동파 방지 장치 - Google Patents

배관 동파 방지 장치 Download PDF

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임성식
김용배
곽준재
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Abstract

본 발명은 배관 동파 방지 장치에 관한 것으로, 외부에 보온재가 구비되는 25A 구경의 배관; 상기 배관의 길이방향을 따라 상기 배관의 하단부에 결합되는 복수의 메탈히터; 상기 배관의 외기온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 복수의 메탈히터를 기 설정된 온도조건으로 동작하도록 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 배관의 내부에 유동하는 유체의 온도는, 메탈히터간격, 보온재두께 및 상기 외기온도에 따라 산출되고, 상기 유체의 온도가 0 ℃를 초과하는 상기 메탈히터간격을 상기 복수의 메탈히터에 대한 최소설치간격으로 설정함으로써, 메탈히터의 설치 간격을 최적화하여 추가 설치로 인한 전력 손실을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 배관의 유지 관리 효율성을 향상시킬 수 있다.

Description

배관 동파 방지 장치{APPARATUS FOR PREVENTING WINTER DAMAGE OF PIPE}
본 발명은 외부에 보온재가 구비되는 25A 구경의 배관과, 배관의 길이방향을 따라 배관의 하단부에 결합되는 복수의 메탈히터와, 배관의 외기온도를 측정하는 온도센서와, 복수의 메탈히터를 기 설정된 온도조건으로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하되, 배관의 내부에 유동하는 유체의 온도는 메탈히터간격, 보온재두께 및 외기온도에 따라 산출되고, 유체의 온도가 0 ℃를 초과하는 메탈히터간격을 복수의 메탈히터에 대한 최소설치간격으로 설정함으로써, 메탈히터의 설치 간격을 최적화하여 추가 설치로 인한 전력 손실을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 배관의 유지 관리 효율성을 향상시킬 수 있는 배관 동파 방지 장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 겨울철의 경우, 배관 주위에 열선을 감싸 열을 발생시켜 배관의 동파를 방지하고 있다.
이러한 동파 방지 장치 배관 외부에 배관의 길이 방향으로 열선을 연속적으로 감거나 보조재를 사용하여 배관에 이를 부착하는데, 열선의 발열 시 열 대류가 배관 단면 상부로 주로 발생하고, 길이 방향으로 발생하는 대류가 미미하게 되어 배관 전체의 동파를 방지하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 배관이 콘크리트에 매립되거나, 지중 매립된 부분이 긴 경우 열선을 설치하거나 교체가 곤란한 문제점이 있으며, 이로 인해, 온도가 급격히 낮아질 경우, 유체의 점도가 높은 물질이나 상변화가 일어나는 유체일 경우 배관의 사용이 불가능하게 되는 문제점이 있었다.
한편, 열선을 포함하는 별도의 하우징을 배관에 결합하여 동파를 방지하였으나, 열선 또는 하우징 내부에 문제점이 발생하여 교체하여야 하는 경우, 하우징 전체를 교체해야 하기 때문에 비용이 과다하게 발생되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위해 최근에는 배관의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 장착되어 내부 PTC 발열체를 이용하여 배관 온도를 일정하게 유지시킬 수 있는 메탈히터가 사용되고 있다.
그러나, 종래에 메탈히터가 적용된 배관 동파 방지 장치에서는 일정 간격에 따라 복수의 매탈히터가 설치되는데, 배관의 설치 위치에 따라 온도 차이가 발생함에도 불구하고 설치 간격와 온도와의 관계에 대한 정밀한 분석없이 메탈히터가 설치되기 때문에, 추가 설치로 인한 전력 손실을 초래할 뿐만 아니라 배관의 유지 관리 효율성이 저하되는 문제점이 있다.
1. 한국등록특허 제10-2217850호(2021.02.15.등록)
본 발명은 외부에 보온재가 구비되는 25A 구경의 배관과, 배관의 길이방향을 따라 배관의 하단부에 결합되는 복수의 메탈히터와, 배관의 외기온도를 측정하는 온도센서와, 복수의 메탈히터를 기 설정된 온도조건으로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하되, 배관의 내부에 유동하는 유체의 온도는 메탈히터간격, 보온재두께 및 외기온도에 따라 산출되고, 유체의 온도가 0 ℃를 초과하는 메탈히터간격을 복수의 메탈히터에 대한 최소설치간격으로 설정함으로써, 메탈히터의 설치 간격을 최적화하여 추가 설치로 인한 전력 손실을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 배관의 유지 관리 효율성을 향상시킬 수 있는 배관 동파 방지 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 외부에 보온재가 구비되는 25A 구경의 배관; 상기 배관의 길이방향을 따라 상기 배관의 하단부에 결합되는 복수의 메탈히터; 상기 배관의 외기온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 복수의 메탈히터를 기 설정된 온도조건으로 동작하도록 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 배관의 내부에 유동하는 유체의 온도는, 메탈히터간격, 보온재두께 및 상기 외기온도에 따라 산출되고, 상기 유체의 온도가 0 ℃를 초과하는 상기 메탈히터간격을 상기 복수의 메탈히터에 대한 최소설치간격으로 설정하는 배관 동파 방지 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 유체의 온도는, 아래의 회귀식에 의해 산출되는 배관 동파 방지 장치([회귀식] 유체온도 = A1 + A2x1 + A3x2 + A4x3 + A5(x1)2 + A6(x2)2 (여기에서, A1, A2, A3, A4, A5, A6은 상수이고, x1은 상기 메탈히터간격/2, x2는 상기 보온재두께, x3는 상기 외기온도를 나타냄))가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배관은, 탄소강으로 제공되며, 7.5-8.0(kg/m3)의 밀도(density), 0.4-0.5(J/gK)의 비열(specific heat) 및 60-61(W/mk)의 열전도율(thermal conductivity)을 나타내는 배관 동파 방지 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 보온재는, 고무발포재로 제공되며, 50-52(kg/m3)의 밀도(density), 1.6-1.7(J/gK)의 비열(specific heat) 및 0.03-0.04(W/mk)의 열전도율(thermal conductivity)을 나타내는 배관 동파 방지 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 배관은, 49-51(W/m2K)의 대류 열전달계수(convective heat transfer coefficient)를 나타내는 배관 동파 방지 장치가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 기 설정된 온도조건은, 70-75 ℃의 온도범위로 제공되는 배관 동파 방지 장치가 제공될 수 있다.
본 발명은 외부에 보온재가 구비되는 25A 구경의 배관과, 배관의 길이방향을 따라배관의 하단부에 결합되는 복수의 메탈히터와, 배관의 외기온도를 측정하는 온도센서와, 복수의 메탈히터를 기 설정된 온도조건으로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하되, 배관의 내부에 유동하는 유체의 온도는 메탈히터간격, 보온재두께 및 외기온도에 따라 산출되고, 유체의 온도가 0 ℃를 초과하는 메탈히터간격을 복수의 메탈히터에 대한 최소설치간격으로 설정함으로써, 메탈히터의 설치 간격을 최적화하여 추가 설치로 인한 전력 손실을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 배관의 유지 관리 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배관 동파 방지 장치를 예시한 도면이고,
도 2 및 3은 본 발명의 실시예에 따른 배관과 메탈히터간격 설정을 설명하기 위한 도면이며,
도 4 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따라 메탈히터간격 설정하는 회귀식에 대해 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배관 동파 방지 장치를 예시한 도면이고, 도 2 및 3은 본 발명의 실시예에 따른 배관과 메탈히터간격 설정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 배관 동파 방지 장치는 배관(110), 복수의 메탈히터(120), 온도센서(130), 제어부(140) 등을 포함할 수 있다.
배관(110)은 외부에 보온재(111)가 구비되는 25A 구경으로 제공될 수 있는데, 내경이 1인치(즉, 25.4mm)이면서 외경이 34mm인 25A 구경의 관으로 제공될 수 있고, 그 외부에 예를 들면, 13mm, 19mm, 25mm, 38mm 등의 두께를 갖는 보온재(111)가 구비될 수 있다.
이러한 배관(110)은 탄소강으로 제공되며, 아래의 표 1에 도시한 바와 같이 7.5-8.0(kg/m3)의 밀도(density), 0.4-0.5(J/gK)의 비열(specific heat) 및 60-61(W/mk)의 열전도율(thermal conductivity)을 나타낼 수 있다.
여기에서, 보온재(111)는 아래의 표 1에 도시한 바와 같이 고무발포재로 제공되며, 50-52(kg/m3)의 밀도(density), 1.6-1.7(J/gK)의 비열(specific heat) 및 0.03-0.04(W/mk)의 열전도율(thermal conductivity)을 나타낼 수 있다.
상술한 바와 같은 배관(110)은 49-51(W/m2K)의 대류 열전달계수(convective heat transfer coefficient)를 나타낼 수 있다.
복수의 메탈히터(120)는 배관(110)의 길이방향을 따라 배관(110)의 하단부에 결합되는 것으로, 예를 들면, 세라믹히터, PTC발열체 및 카본소재 면상발열체 중 어느 하나인 발열체를 포함할 수 있으며, 제어부(140)로부터 제공되는 제어신호에 따라 기 설정된 온도조건에 따라 동작하여 도 3에 도시한 바와 같이 인접한 위치에서는 전도열을 통해, 배관(110)의 내부에서는 열대류를 통해 유체를 가열할 수 있다.
이러한 복수의 메탈히터(120)에 대해서는 종래에 다양하게 개시되어 있으므로 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
온도센서(130)는 배관(110)의 외기온도를 측정하는 것으로, 배관(110)의 외부에 구비되어 배관(110)의 외부에 대한 외기온도를 측정하여 제어부(140)로 제공할 수 있다.
제어부(140)는 복수의 메탈히터(120)를 기 설정된 온도조건으로 동작하도록 제어하는 것으로, 기 설정된 온도조건은 예를 들면, 70-75 ℃의 온도범위로 제공될 수 있다.
이러한 제어부(140)는 배관(110)의 내부에 유동하는 유체의 온도를 메탈히터간격, 보온재두께 및 외기온도에 따라 산출할 수 있다.
예를 들면, 유체의 온도는 아래의 수학식 1의 회귀식에 의해 산출될 수 있다.
여기에서, A1, A2, A3, A4, A5, A6은 상수이고, x1은 메탈히터간격/2, x2는 보온재두께, x3는 외기온도를 나타낸다.
또한, A1은 67-70 사이의 실수이되, 바람직하게는 69.34이고, A2는 (-0.03)~(-0.035) 사이의 실수이되, 바람직하게는 -0.031618이며, A3은 0.4-0.45 사이의 실수이되, 바람직하게는 0.4194이고, A4는 0.45-0.5 사이의 실수이되, 바람직하게는 0.4963이며, A5는 0.0000028-0.0000032 사이의 실수이되, 바람직하게는 0.000003이고, A6은 (-0.003)~(-0.004) 사이의 실수이되, 바람직하게는 -0.00346일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 배관 동파 방지 장치는 상기 수학식 1에 따라 산출되는 유체의 온도가 0 ℃를 초과하는 메탈히터간격을 복수의 메탈히터(120)에 대한 최소설치간격으로 설정할 수 있다.
이를 구체적으로 설명하면, 먼저 배관 동파 방지 장치에 대해 25A 배관에 대해 Minitab 17.0 프로그램을 이용하여 적합 회귀 분석을 수행하였다.
여기에서, 반응 변수는 유체온도로 설정하였고, 이는 배관의 중심위치에서 계측될 수 있으며, 연속형 예측 변수는 배관외경(B), 메탈히터간격(D), 보온재두께(T) 및 외기온도로 설정하였다.
또한, 교호작용의 최대차수는 2로 설정하였고, 항의 최대차수는 2로 설정하였으며, 각 항은 배관외경(B), 메탈히터간격/2(b), 보온재두께(T), 외기온도, (배관외경*배관외경), (메탈히터간격/2*메탈히터간격/2), (보온재두께*보온재두께)로 하여 설정하였으며, 모든 구간에 대한 신뢰 수준은 95 %로 설정하였다.
이에, 25A 구경의 배관외경은 38mm인 배관조건과, 13mm, 19mm, 25mm, 38mm인 보온재두께조건과, ??10 ℃, -20 ℃인 외기온도조건과, 0 내지 5000 mm인 (메탈히터간격/2) 조건으로 400개의 데이터를 분석하여 그 측정값과, 단일회귀예측값 및 오차율을 산출한 결과, 도 4 내지 도 11에 도시한 바와 같이 1000 mm, 2000 mm, 3000 mm, 4000 mm, 5000 mm에 따른 측정값과 단일회귀예측값이 거의 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
여기에서, 측정값과 단일회귀예측값의 오차율은 아래 표 2에 도시한 바와 같이 최대 1.84 %, 최소 0 %로, 평균 0.52 %로 나타남으로써, 매우 정확한 값을 예측할 수 있음을 알 수 있다.
값(%)
최대오차율 1.84
최소오차율 0.00
평균오차율 0.52
상술한 바와 같은 과정을 통해 아래의 수학식 2와 같은 회귀식을 도출할 수 있다.
여기에서, x1은 메탈히터간격/2, x2는 보온재두께, x3는 외기온도를 나타낸다.
상술한 바와 같이 산출된 회귀식에 따라 유체온도가 0 ℃를 초과하는 메탈히터간격을 최소설치간격으로 설정하고, 최적 효율을 갖는 간격에 따라 복수의 메탈히터를 설치함으로써, 최적 효율을 갖는 배관 동파 방지 장치를 제공할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 외부에 보온재가 구비되는 25A 구경의 배관과, 배관의 길이방향을 따라 배관의 하단부에 결합되는 복수의 메탈히터와, 배관의 외기온도를 측정하는 온도센서와, 복수의 메탈히터를 기 설정된 온도조건으로 동작하도록 제어하는 제어부를 포함하되, 배관의 내부에 유동하는 유체의 온도는 메탈히터간격, 보온재두께 및 외기온도에 따라 산출되고, 유체의 온도가 0 ℃를 초과하는 메탈히터간격을 복수의 메탈히터에 대한 최소설치간격으로 설정함으로써, 메탈히터의 설치 간격을 최적화하여 추가 설치로 인한 전력 손실을 미연에 방지할 수 있을 뿐만 아니라 배관의 유지 관리 효율성을 향상시킬 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
110 : 배관
120 : 복수의 메탈히터
130 : 온도센서
140 : 제어부

Claims (6)

  1. 외부에 보온재가 구비되는 25A 구경의 배관;
    상기 배관의 길이방향을 따라 상기 배관의 하단부에 결합되는 복수의 메탈히터;
    상기 배관의 외기온도를 측정하는 온도센서; 및
    상기 복수의 메탈히터를 기 설정된 온도조건으로 동작하도록 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 배관의 내부에 유동하는 유체의 온도는, 메탈히터간격, 보온재두께 및 상기 외기온도에 따라 산출되고,
    상기 유체의 온도가 0 ℃를 초과하는 상기 메탈히터간격을 상기 복수의 메탈히터에 대한 최소설치간격으로 설정하는
    배관 동파 방지 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유체의 온도는,
    아래의 회귀식에 의해 산출되는
    배관 동파 방지 장치.
    [회귀식]
    유체온도 = A1 + A2x1 + A3x2 + A4x3 + A5(x1)2 + A6(x2)2
    (여기에서, A1, A2, A3, A4, A5, A6은 상수이고, x1은 상기 메탈히터간격/2, x2는 상기 보온재두께, x3는 상기 외기온도를 나타냄)
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 배관은,
    탄소강으로 제공되며, 7.5-8.0(kg/m3)의 밀도(density), 0.4-0.5(J/gK)의 비열(specific heat) 및 60-61(W/mk)의 열전도율(thermal conductivity)을 나타내는
    배관 동파 방지 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 보온재는,
    고무발포재로 제공되며, 50-52(kg/m3)의 밀도(density), 1.6-1.7(J/gK)의 비열(specific heat) 및 0.03-0.04(W/mk)의 열전도율(thermal conductivity)을 나타내는
    배관 동파 방지 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 배관은,
    49-51(W/m2K)의 대류 열전달계수(convective heat transfer coefficient)를 나타내는
    배관 동파 방지 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 기 설정된 온도조건은,
    70-75 ℃의 온도범위로 제공되는
    배관 동파 방지 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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