KR970007816B1 - 열량계 - Google Patents
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Abstract
요약없음
Description
제 1 도는 연료가스의 물성(物性)과 열량과의 관계를 나타내는 도면.
제 2 도는 열식 유량계의 원리도.
제 3 도는 층류 유량계의 원리도.
제 4 도는 본 발명에 의한 열량계의 1실시예를 나타내는 구성도.
제 5 도는 바이패스형 열식 유량계의 원리도.
제 6 도는 제어밸브의 원리도.
제 7 도는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 유로1a : 도관
2 : 감압밸브3 : 필터
4,4a : 압력계5 : 층류 유량계
6 : 차압계7 : 절대압력계
7a : 절대압력 표시기8 : 열식 유량 제어계
8A : 열식 유량계8a : 유관
8B : 제어밸브8b : 가열 히이터
8b1,8b2: 단자8c,8d : 저항(선)
8c1,8d1,8d2: 단자9 : 유량 설정 제어장치
100 : 연산기101: 케이싱
102: 코일103: 요오크
104: 플런저105: 판스프링
106: 밸브107: 밸브시이트
109: 밸브구멍10a : 발열량 표시기
11 : 온도계11a : 온도표시기
12 : 보온조80b : 히이터
80c,80d : 저항선81 : 주유관
81a,81b : 흐름부관벽82 : 바이패스관
83 : 층류소자
본 발명은, 열량계, 보다 상세하게는 열식 유량계와 층류 유량계를 직렬로 접속하여 열식 유량계의 출력을 일정하게 하는 조건ㅇ로 층류 유량계의 표준상태에 있어서의 압력 손실을 검지함으로써, 연료 혼합가스의 열량을 상기 손실 압력의 함수로하여 계측하는 간단한 연료 혼합가스의 열량계에 관한 것이다.
연료가스 및 천연가스는, 그의 제조 출하시에 있어서 열량 및 연소성을 검지 기록하는 것이 법적으로 규정되어 있고, 이 규정에 의거하여 혼합가스의 열량을 계측하는 열량계가 결정되어 있다.
대표적인 열량계로써 윤커스(Junker's)식 유수 열량계가 있다.
이 열량계는, 혼합가스의 연료응 공기와 함께 완전하게 연소시키어, 연소하여 생긴 폐가스를 최초의 가스 온도를 냉각하여 생성 수증기를 응축시켜, 발생한 열의 총량을 열량계로 흐르는 물에 흡수시킴으로써, 일정의 혼합가스 시료에 대응하는 유수량과, 이 유수의 유입구 및 유출구에 있어서의 온도의 온도차를 승산하고, 이 승산 결과로부터 총 열량을 구한다는 원리인 것이다.
이 열량계는 기준 열량계로써 사용되고 있지만, 시험에 있어서 수온과 실온과의 온도차를 ±0.5℃의 범위내에서 일치 시키던가, 1회의 측정시간내에 있어서의 물의 온도변화를 0.05℃ 이내로 유지하는 것이 조건으로 되는등, 측정 환경에 있어서의 규정이 엄격하며, 또한 측정의 응답성도 나쁘기 때문에, 정밀도 시험에는 적합하지만, 생산라인에서의 사용에 적합하지 않기 때문에 별도로 속응(速應)형의 열량계를 사용하는 것도, 인정되고 있어, 통상 출하시의 열량의 측정은, 속응형의 열량계에 의하여 연속적으로 행하고 있다.
속응형이 열량계는 연료가스 및 공기를 각각 유량계에 의하여 개량하여 혼합하고, 이것을 버어니로서 연소시키어, 연소하여 생긴 배기가스의 온도와, 연소용 공기의 버어너 입구에 있어서의 온도를 열전재등의 온도검출기에 의하여 검출하여 각각의 온도차와 연료가스의 공기에 대한 비중을 검지하여, 시료가스의 총발열량과, 이 시료가스의 공기에 대한 비중의 평방근과의 비인 워페지수(Woppe's index ; W.I라 칭함)를 구하고, 피실험 연료가스의 열량을 W.I와 시료가스의 공기에 대한 비중의 평방근과의 적(積)으로 하여 산출하는 것이다.
기타의 열량 검지방법으로, 혼합가스의 열량이, 이 혼합가스의 밀도에 비례하는 것이 실험결과에 의거하여, 혼합가스의 밀도계측 결과로부터 열량을 산출하는 것도 시험되어 있다.
상술한 속응형의 열량계는, 고정밀도인 기준 열량계인 윤커스식 유수형 열량계에 대신하여 실용형이 열량계인 것이지만, 장시간의 사용에 있어서, 측정치가 드리프트하기 위한 계측 정밀도가 낮아 1회의 연속 운전시간에 2회의 비율로 측정치를 보정하고 있다.
이 보정 조작은 번거로운 것이며, 또한 검지하는 방법에 있어서는, 밀도계가 통상 고가로써 저렴하고 간단하게 열량을 구할 수 없다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 혼합가스의 열량은, 밀도에 비례하고, 정압비열, 점도의 부(負)에 비례하는 물성이 있는 점인것을 이용하여, 이것을 열식 유량계와 층류 유량계의 각각의 유량측정 원리에 적용함으로써, 간단하고 정확한 열량계를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 층류 유량계에 의한 연료가스의 용적 유량을 표준상태의 유량에 환산 할 수 있도록 하고, 흐름상태의 변동에 영향이 없이 간단한 수단에 의하여 고정밀도로 혼합연료가스의 열량을 계측할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 보온조를 열 양도체로 함으로써, 보온조내의 온도변화를 작게하고, 안정한 열량을 계측할 수 있고, 간이 열량계로써 기준 열량계의 보조수단을 저렴하게 제공함에 있다.
현재 도시가스로써 사용되고 있는 연료가스는, 액화 천연가스(이하 간단하게 LNG라 칭함)를 기본가스로하여 소정 열량을 얻기 위하여 프로판, 부탄등의 고열량의 탄화수소 가스를 혼합하고 있다.
즉, LNG는 메탄올 주성분으로 하고 있는데, 각 산지에 의해, 메탄의 함유량이 다르며, 따라서 열량도 달라져 있으므로, 각 산지의 LNG에 혼합되는 프로판, 부탄가스의 배분량이 정해지고 있다.
이들 혼합가스의 열량은 밀도(ρ), 정압비열(Cp)(이하 단순히 비열이라 칭함)과 점도(μ)에 관계한다.
제 1 도는, 연료가수의 열량을 횡축으로, 밀도(ρ), 비열(Cp), 점도(μ)를 종축으로 나타낸 실측치로서, 도시한 바와같이, 혼합가스의 열량은 밀도, 비열 및 점도의 각각과 일차함수의 관계가 있다.
제 2 도는, 열식 유량계 (8)의 원리구성을 나타낸 도면이며, 도면에서 (8a)는 열전도성이 우수한 유관( 流管)으로 이 유관내에는 화살표 방향에서 밀도(ρ), 비열(Cp)의 연료가스등의 유체가 유량(Q), 레이놀즈수 200이하의 층류로 유통하고 있다.
(8b)는 유관 (8a)중앙부에 두루감긴 저항선으로 되는 가열 히이터로서, 단자 (8b1), (8b2)에서 일정전력으로 가열되고 있다.
(8c),(8d)는 저항선이며, 각각 히이터(8b)의 앞뒤 흐름의 유관 (8a)에 두루감겨있고, 유량(Q)=0일때, 각각 동일한 저항치를 가지고 있으면서, 흐름에 의한 열전도에 의해, 변화하는 저항치의 변화를, 이 저항 (8c),(8d)를 각각 브릿지의 2변으로 한 브릿지 회로에 의하여 질량유량에 비례한 전압치를 구한다.
단자 (8c1)(8d1)(8d2)는 도시하지 않는 브릿지 회로의 단자를 나타내는 것이다. 즉, 열식 유량계의 유관 (8a)의 관벽으로부터 유체로의 열전도는 유체의 층류경계층을 통하여 행해지고, 또한 이 층류경계층의 두께 비례하기 때문에, 브릿지 츨력(V)은 비례 정수를 K1로서,
V=K1Cp ρQ …(1)
의 관계가 있는것이 알려지고, 기지의 비열 (Cp)의 유체라면 질량유량(ρQ)에 비례한 출력전압 (V)이 얻어진다.
제 3 도는 층류 유량계 (5)의 원리를 나타낸 도면이며, (5a)는 층류유량 (Q)의 유통하는 반경(γ), 길이(τ)의 유관, (6)은 차압계로서 유입압(P1), 유출력(P2)로 했을때의 층류 유량계의 압력차P를 측정한다.
하아겐포아제이유(Hagen-Pliseuille)의 식에 따르면, 유량 (Q)은
로 나타낸다. 이 층류유량계(5)와 상기 열식 유량계 (8)를 직렬로 연속하여 연료가스를 유통하면, (1)식에 (2)식을 대입하는 것이 가능하게 되어 다음 (3)식이 얻어진다.
한편, 제 1 도의 연료가스의 열량과 물성과의 함수에서 다음 (a), (b), (c)가 얻어진다.
(a) 연료가스 밀도 ρ와 열량 H과의 관계
ρ=K3H(K3: 정수)…(4)
(b) 연료가스비열 Cp과 열량 H과의 관계
Cp=－K4H(K4: 정수)…(5)
(c) 연료가스점도 μ와 열량 H과의 관계
μ=－K5H…(6)
출력전압(V)을 일정하게 제어하고, 정수로서 취급할 경우, (4), (5), (6)식으로부터
(단 K=K5V/K1K2K3K4의 정수)
이 얻어지며, 이것으로부터 연료가스의 열량 (H)은, 층류유량계의 유입압 (P1), 유출압(P2)에 관련한P에 부에 비례한 함수로서 연산 가능하게 된다.
제 4 도는, 상기의 원리를 구현하는 본 발명의 열량계의 구성을 나타내는 도면이며, 도면에서, (1)은 피측 연료가스를 유통하는 유로, (2)는 연료가스의 압력을 일정압력으로 감압하는 감압밸브, (3)은 필터, (4), (4a)는 압력계, (12)는 조(槽)내이 온도를 균일하게 보온하는 열량도재(材) 예를들면 알루미늄으로 되는 보온조 (5), (8)은, 이 보온조내에 1직렬로 접속되어, 수납된 상술한 각각의 층류 유량계, 열식 유량제어계이며, 상술한 원리에 의거한 것이다.
(9)는, 열식 유량제어계 (8)의 유량출력을 일정하게 설정하는 유량 설정제어 장치로서, 최대유량을 100%로 하여 백분율로 유량 출력을 설정하고, 설정된 질량유량에 제어된다.
도시한 열식 유량제어계 (8)는 후술하는 유량 설정 제어장치의 신호에 의거하여 유량을 제어하는 밸브 및 밸브 구동수단을 구비하고 있다.
(6)은 층류 유량계의 유입쪽 압력 (P1)과 유출쪽 압력(P2)의 차압(P)을 측정하는 차압계, (7)은 유입쪽 압력 (P1)의 절대압을 측정하는 절대압력계이다.
유출쪽 압력 (P2)은, 상기 차압 (P)과, 유입쪽 압력 (P1)으로부터 산출된다.
또한, 절대 압력계 (7)에 의하여 유출쪽 압력 (P2)를 측정하고, 상기와 같이 유입쪽 압력 (P1)을 유출쪽 압력 (P2)과 차압 (P)로부터 산출해도 좋다.
(11)은 층류 유량계 (5)로 유입하는 연료가스의 온도를 측정하는 온도계로 백금 저항선, 열전대등의 측은계로 구성된다.
(7a), (11a)는 각각 절대 압력계(7) 및 온도계 (11)의 신호에 기초를 두고 측정치를 표시하고, 전송하는 기능을 갖는 절대 압력 표시기 및 온도 표시기이다.
(10)은 상기 (7)식에 기초를 두고 연료가스의 열량을 연산하는 연산기, (10a)는 연산기 (10)의 연산결과에 의한 연료가스의 열량을 표시하는 발열량 표시기이다.
(12)는 열 양도에 예를들면 알루미늄등으로 구서오디는 보온조로서, 층류 열량계 (5)와 열식유량 제어계 (8)를 수용하고, 이 보온조내의 온도를 신속히 일정하게 보온한다.
(1a)는 상기 필터 (3)을 거쳐 층류 유량계 (3)로 유입하는 연료가스의 온도를, 보온조 (12)내의 온도로 하기 위한 열교환을 행하는 스파이랄형상으로 두루감겨진 도관으로서 열교환 외에 층류 유량계 (5), 열식유량제어계 (8)로, 보온조에 수용한 경우에 불필요한 배관의 비틀어짐을 제거하는 효과도 좋다.
(8)는 바이패스형의 열식유량계 (8A)와, 이 열식 출력을 설정된 값으로 제어밸브 (8B)를 일체로 구성한 열식 유량 제어계이다.
제 5 도는 바이패스형의 열식 유량계 (8A)의 원리 구성도이며, (81)은 연료가스가 유통하는 주유관으로서, 중앙에 층류소자 (83)가 끼워맞춤되어 있다.
(82)는 상기주유관(81)의 층류소자(83)의 전후 흐름부관벽 (81a), (81b)에 개구하는 바이패스관으로서, 이 바이패스관 (82)에는 제 2 도의 열식유량계에 있어서의 히이터 (80b), 저항선(80c), (80d)가 두루감기어 바이패스형 열식 유량계를 구성하고 있다.
저항 (R1)(R2)는 저항선 (80c), (80d)으로 구성된 브릿지의 2변을 이루는 저항, (E)는 이 브릿지에 인가된 전원이다.
브릿지 회로출력은 상술한 바와같이 바이패스관 (82)의 질량 유량을 측정한 것이지만, 이 바이패스관(82)내의 흐름은 모두 층류이기 때문에, 주유관(81)을 유통하는 질량 유량은 주유관 (81)과 바이패스관 (82)의 면적비로 정해진다.
제 6 도는, 제어밸브 (8B)의 원리구성을 나타내는 도면으로, 도면에 있어서, (102)는 상기 유량 설정 제어장치 (9)의 비교신호에 따른 전류로 구동되는 코일로서, 요오크 (103)을 갖는 케이싱 (101)에 수납되어, 바이패스형 열식 유량계 (8A)에 연이어 통하는 주유관 (81)을 유통하는 연료가스 유량 (Q)를 상하류(81a), (81b)로 구분하는 밸브구멍 (10a)을 뚫어 설치하는 밸브 시이트 (107)와 협동하는 밸브 (106)를 전자구동한다.
밸브 (106)는 판스프링 (105)으로 탄성 지지되고, 코일 (102)의 여자전류에 따라서 전자력을 받는 플런저 (104)에 일체 구성된다.
또한 플런저 (104)는 이 플런저 (104)에 작용하는 전자력과 판스프링 (105)의 탄성력과 평형하는 변위를 받는다.
다음에 이상의 구성이 되는 제 4 도에 나타난 본 발명의 열량계의 동작에 대해서 서술한다.
우선 도면에 나타나 있지않은 연료 가스원으로부터 화살표 F방향으로, 소정 압력의 연료가스가 유관 (1)내를 유통하고, 감압밸브(2)에 의하여 대략 일정압력으로 감압된후 필터 (3)에 의해 연료가스로 혼입된 미립자를 제거하고, 보온조 (12)내로 유입하여 스파이랄형상의 도관 (1a)를 거쳐 층류 유량계 (5)에 유입하기까지 연료가스는 보온조 (12)의 온도(T)로 유지된다.
층류 유량계 (5)의 유입압력 (P1)은 절대압력으로 검지되며, 이 유입압력 (P1)과 차압 (P)와의 계측치는 연산기 (10)에 인푸트되어 유출압력(P2)이 산출된다.
이때 상기 (2)식에서 나타낸 층류 유량계 (5)내를 유통하는 연료 가스의 용적 유량은, 유입온도(T), 절대유입압력(P1), 유출절대압력(P2) 및 차압(P)등에 의하여 표준상태에 있어서의 유량을 나타내는 것이 된다.
열식 유량 제어계 (8)에 의하여 측정된 연료가스의 질량유량은, 표준상태에 있어서의 용적유량과 정확히 대응하는 것이기 때문에 상기 (3)식이 만족되며, 다시 (7)식의 연산에 있어서의 기지의 압력 (P1), (P2)으로부터 연료가스의 열량 (H)은, 층류 유량계 (5)의 차압 (P)의 역수에 비례한 양으로서 발열량 표시기 (10a)에 표시할 수가 있다.
제 7 도는 본 발명의 열량계에 있어서의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 제 4 도의 열식 유량 제어계 (8)를 열식 유량계 (8A)와 제어밸브 (8B)와를 분리하고, 제어밸브 (8B)를 보온조 (12)의 외부에 배열 설치하고, 밸브 제어용 코일 (102)의 구동에 의하여 발열하고, 보온조 (12)내의 온도가 변동하는 것을 방지함을 목적으로 하는 것이며, 도시한 것은, 층류유량계 (5)와, 열식 유량계 (8A)는 연료가스의 흐름에 대하여 제 4 도와는 배치가 다르게 되어 있으나, 제 4 도와 동일하게 열식 유량계 (8A)의 하류쪽의 보온조 외부에 배치하여도 좋다.
상기와 같은 본 발명은 열량계에 의하면, 층류 유량계에 의한 연료가스의 용적유량을 표준상태의 유량으로 환산할 수 있으므로, 흐름상태의 변동에 영향을 미치지 않고, 간단한 수단에 의하여 고정밀도로 혼합 연료가스의 열량을 계측할 수 있다.
또, 보온조를 열 양도체로 하였으므로, 보온조내의 온도변화도 적게되고, 안정한 열량을 계측할 수 있으며, 간이 열량계로서 기준 열량계의 보존 수단을 저렴하게 제공할 수가 있다.
Claims (4)
- 연료가스의 체적유량을 층류소자(83)간의 차압에 비례한 양으로서 검지하는 층류유량계(5)와 ; 이 층류유량계(5)에 직렬접속되고 층류로 유통하는 유관(8a)과, 이 유관(8a)를 가열하는 가열수단과, 이 가열수단의 전후흐름의 온도차를 검지하는 온도검지수단과, 이 온도차에 비례하여 질량유량을 검지하는 열식유량계 (8A)와 ; 상기 층류유량계 (5)에 유입 (또는 유출)하는 연료가스의 절대압력 및 온도를 검지하는 절대압력계(7) 및 온도계(11)와 ; 연료가스가 상기 열식유량계(8A)를 유통하였을때의 출력을 일정하게 제거하는 유량설정 제어장치(9)와 ; 상기 층류유량계(5)에 유입(또는 유출)하는 연료가스의 절대압력, 차압 및 온도로부터 유출(유입) 압력 및 표준상태에 있어서의 용적유량을 산출하고, 연료가스의 열량을 상기 층류 유량계(5)의 유입, 유출쪽에 있어서의 절대압력의 함수의 차압치에 역비례한 양으로서 연산하는 연산기 (10)로 구성한 것을 특징으로 하는 열량계.
- 제 1 항에 있어서, 열식유량계(8A)를, 층류소자(83)를 설치한 주류관(主流管)(81)과, 이 주류관(81)의 바이패스 유로를 이루는 가느다란 관과, 이 가열수단의 전후 흐름부간의 온도차를 검지하는 온도차 검지수단으로 구성한 열량계.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 직렬접속돤 층류유량계(5)와 열식유량계(8A)를 보온조(12)에 수용하고, 이 보온조(12)를 알루미늄으로 구성한 열량계.
- 제 1 항에 있어서, 열식유량계 (8A)와 직렬접속하고, 이 열식유량계(8A)의 출력을 일정하게 하는 제어밸브(8B)를 보온조(12)의 외부에 배열 설치한 열량계.
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