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기술동향 <기술동향: 유량계> 클램프온 타입 초음파 유량계를 이용한 습한 증기 유량의 계측

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작성자 댓글 0건 조회 411회 작성일 21-07-05 12:47

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그림 1. 수평 배관 안에서의 낮은 습도를 가진 습한 증기류의 유동 양식 일례 



서론

산업 분야에서의 에너지 소비 중 큰 비중을 차지하는 열에너지는 증기를 매체로 하여 공급되는 경우가 많다. 예를 들면 건조 공정이나 가열 공정 등 증기를 이용하여 열을 공급하는 공장이나 업무용 시설에서 에너지 절약이나 CO2 삭감 등의 관점에서 보는 열에너지를 관리하려면 개별 열 수요 기기에서의 열에너지 사용 실태를 파악하는 것이 중요하다. 다만 열 수요 기기는 일반적으로 보일러나 히트 펌프 등의 증기 공급 기기에서 비교적 멀리 떨어져서 설치되어 있는 경우가 많기 때문에 별도의 열 수요를 정확히 파악하려면 수요단에서의 증기 유량 계측이 효과적이다. 최근 연구 개발이 진행되고 있는 클램프온 타입 초음파 유량계는 수요단 부근의 기설 배관에 대한 신속한 도입이 가능하면서 추가적인 압력 손실을 주지 않는다는 점에서 실용성이 매우 높으며, 더 나아가 이전에는 어렵게 여겨졌던 저압 증기에 대한 적용을 가능하게 해주는 등 실제 적용이 가능한 단계에 이르렀다.

 

습한 증기 유량 계측

(1) 수요단의 증기 상태와 증기 유량 계측

수요단에서 증기가 기체 단상류, 즉 응축이 전혀 없는 포화 증기 상태나 포화 온도보다도 증기 온도가 높은 과열 증기 상태라면 기체용 유량계에서 증기 유량 계측이 가능하다고 할 수 있다. 다만, 일반적인 공급 기기에서 발생하는 증기가 포화 증기라는 점을 생각해보면 과열 공정을 거치지 않은 증기에 의한 일반적인 열 공급에서는 수요단의 증기가 방열 손실 등에 의해 부분적으로 응축한 기액 이상류의 습한 증기 상태인 경우가 많다고 할 수 있다. 열적 평형 상태에 있는 습한 증기에서는 단순히 온도와 압력을 계측하는 것만으로는 기체 단상의 포화 증기와 기액 이상의 습한 증기, 액단상의 포화수를 구별할 수 없다. 이 때문에 습도(습한 증기 전체의 질량에 대한 액상 질량의 비율)나 보이드율(기상의 부피 비율)이라는 기상과 액상의 비율을 아는 것이 중요하다.

이러한 습한 증기 상태의 증기 유량 계측에 기체용 유량계를 사용하는 경우 유량 계측값에 영향이 생기는 것으로 알려져 있으나, 현재는 습한 증기 유량을 계측할 때 현장 적용이 가능한 명확한 기준이나 규격이 없다. 


(2) 습한 증기의 유동 상태

습한 증기의 유동 상태로 쉽게 상상할 수 있는 것이 안개 형태의 흐름이며 이것은 포화 증기 안에 아주 작은 액체 방울이 떠다니는 상태에서 함께 흐르는 분무류라 불리는 유동 상태이다. 다만 실제 유동 상태는 압력이나 유속, 습한 정도 혹은 보이드율, 흐름 방향과 중략 방향의 관계 등과 같은 인자에 의해 결정되며 다양한 유동 상태를 가지는 것으로 알려져 있다. 예를 들면 어느 정도 습도가 낮은 습한 증기가 수평 배관을 흐르는 경우를 생각해보면 느린 유속으로는 중력 영향에 의해 액상이 기상과 분리되어 거의 평평한 기액 계면을 가지고 관 바닥부를 흐르는 층상류, 층상류에서 유속이 빨라지면 기액 계면에 물결이 생기는 파상류, 유속이 더 증가하면 액상이 배관 상부까지 올라가 액막을 형성하여 중앙 부분에는 물결 끝이 깨지면서 만들어진 물방울이 포화 증기와 함께 이류하는 환상환상 분무류로 유동 상태가 변한다고 알려져 있다.(그림 1) 또한, 여기에서는 예를 든 것에 불과하며 많은 연구자에 의해 다양한 체계에서의 기액 이상류의 유동 상태가 평가되고 유동 양식 선도로 정리되었다(1).


 (3) 습한 증기 유량 계측에 대한 지금까지의 대처와 본문의 내용

수요단의 증기 유량 계측을 고려한 경우에는 습한 증기 상태임을 상정하는 것이 현실적이라고 할 수 있지만, 한마디로 습한 증기류라고 해도 유동 상태가 복잡하기 때문에 유량을 평가하는 일은 쉽지가 않다. 이에 따라 필자는 지금까지 습한 증기 상태의 증기 유량 계측값과 증기 습도나 유동 양식의 관계, 그 보정 방법에 대하여 다양한 유량계를 대상으로 평가를 해왔다. 구체적으로는 오리피스 유량계(2)나 와류 유량계(3), 삽입형 초음파 유량계(4), 클램프온 타입 초음파 유량계(5)가 있다. 여기에서는 최신 정보에 따른 클램프온 타입 초음파 유량계를 이용한 습한 증기 유량 계측 사례(5)에 대하여 소개하고 습한 증기 상태에서 유량 계측을 시도 할 때 고려해야 할 사항에 관하여 설명한다.


..(후략) 

  

内山雄太森田 良 / 전력중앙연구소

梅沢 修一杉田 勝彦 / 도쿄전력홀딩스

  본 기사는 2021년 7월호에 게재되었습니다. 

  

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본 기사는 월간지[計側技術] (일본일본공업출판주식회사 발행)로부터 번역·전재한 것입니다.

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