KR101979290B1 - 천연가스 열량계 및 이를 이용한 열량 측정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연소열과 작동유체간의 대류 열전달과 연소열로 인한 작동유체의 입구와 출구 사이의 온도차를 이용하여 천연가스의 열량을 측정하는 천연가스 열량계 및 이를 이용한 열량 측정 방법에 관한 것으로, 본 발명의 천연가스 열량계는 출구측 유로가 좁게 형성된 풍동 내에서 천연가스를 연소하고, 상기 풍동의 입구와 출구 사이의 작동유체의 온도 차를 측정하여 천연가스의 발열량을 측정하여 미소한 천연가스의 연소열로도 천연가스의 발열향을 정확히 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

천연가스 열량계 및 이를 이용한 열량 측정 방법{Apparatus and Method for Measuring Quantity of Heat for Natural Gas}

본 발명은 연소열과 작동유체간의 대류 열전달과 연소열로 인한 작동유체의 입구와 출구 사이의 온도차를 이용하여 천연가스의 열량을 측정하는 천연가스 열량계에 관한 것이다.

단위 질량의 연료가 완전연소 했을 때 방출하는 열량을 발열량이라고 하며, 발열량이 클수록 효율이 좋은 연료로서, 발열량은 연료의 성능을 나타내는 기준이 된다.

발열량을 측정하는 데는 여러 방법이 사용되는데, 일반적으로 고체 및 액체 연료의 열량 측정에는 열연식 단열 열량계가, 기체 연료의 열량측정에는 융커스식 유수 열량계가 사용되고 있다.

융커스식 유수 열량계는 열량계의 본체에 일정한 속도로 가스를 공급하여 연소시키고, 연소된 가스의 연소열이 열량계에 일정한 속도로 공급되는 유체(주로 물)를 가열한다. 이때, 유체의 입/출력 측의 온도변화량을 측정하여 열량을 산출한다.

하지만, 가스 열량계를 취급하는 과정은 간단하지 않고, 여러 가지 세밀한 조정이 필요하며, 온도변화량이 미세한 경우, 즉 연료의 발열량이 작은 경우 물성값을 측정하기가 어렵기 때문에 열량을 산출하는데 또한 어려움이 있다.

이러한, 융커스식 유수 열량계를 사용한 열량 측정 장치에 대해 한국등록특허 제1094791호(“시험용 열기류 발생기의 열량 측정장치”, 2011.12.09. 공고)에 개시되어 있다.

한국등록특허 제10-1094791호, “시험용 열기류 발생기의 열량 측정장치”, (2011.12.09. 공고)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 출구가 좁아지는 풍동을 이용하여, 대류 열전달을 통해 연소열이 충분히 전달된 작동유체와 연소열이 충분히 전달되지 못한 작동유체가 풍동의 출구에서 혼합되도록 하여 작동유체의 온도 변화량을 정확히 측정하고, 이를 통해 천연가스의 열량을 정확하게 측정하는 천연가스 열량계를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 작동유체의 유동 속도 또는 작동유체와 맞닿는 열교환부의 면적을 조절하여 용이하게 천연가스의 열량을 측정할 수 있는 천연가스 열량계를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 천연가스 열량계는 일직선으로 배치되며, 일정 유로 단면적을 갖는 일측으로 공기가 주입되고, 유로 단면적이 좁아지는 타측으로 공기가 배출되는 풍동, 상기 풍동의 내부에 구비되며, 격리된 공간을 형성하는 연소부, 상기 연소부의 내에 구비되는 버너, 상기 연소부에 천연가스를 공급하는 천연가스 공급부, 상기 풍동 내에 구비되며, 상기 연소부의 일측에 배치되고, 상기 연소부와 연결되어 연소부에서 연소된 천연가스가 유통되는 열교환기; 및 상기 풍동의 입구와 출구에 설치되어, 공기의 온도를 측정하는 온도계를 포함하고, 입구측에 설치된 온도계로 유입된 공기의 초기 온도를 측정하고, 출구에 설치되는 온도계는 유로 단면적이 좁아진 유로 상에 설치되어, 상기 열교환기에 의해 가열된 공기의 말기온도를 측정하여, 상기 열교환기를 통과하기 전의 입구측 초기온도와 상기 열교환기를 통과한 후의 출구측 말기온도 간의 온도 변화량을 이용하여 천연가스의 열량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연소부는 산소 공급부 및 아르곤 공급부를 더 포함하여 구성된다.

또한, 상기 천연가스 열량계는, 상기 열교환기와 연통되는 배기관을 더 포함하고, 상기 배기관에는 열량계가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 천연가스 열량계를 이용한 천연가스 열량 측정 방법은 풍동 내부에 공기가 공급되어 일측에서 타측으로 유동하는 유동단계, 상기 온도계가 공기의 온도를 측정하여 ‘초기온도’로 설정하는 초기온도 측정단계, 상기 연소부에 천연가스가 공급되는 천연가스 공급단계, 상기 버너에 의해 공급된 천연가스가 연소되는 연소단계, 상기 연소된 천연가스가 상기 열교환기로 전달되고, 연소열이 상기 열교환기에 의해 공기로 전달되는 열전달단계, 상기 풍동의 타측으로 빠져나가는 가열된 공기의 온도를 측정하고 ‘말기온도’로 설정하는 말기온도 측정단계, 및 상기 ‘초기온도’와 ‘말기온도’간의 온도 변화량을 이용하여 열량을 측정하는 열량 측정 단계를 포함하여 이루어진다.

본 발명의 천연가스 열량계는 작동유체의 출구가 좁아지는 풍동을 사용함으로써, 열교환기를 통과하는 작동유체와 풍동의 내벽 쪽을 흐르는 작동유체, 즉 연소열이 충분히 전달된 작동유체와 연소열이 충분히 전달되지 않은 작동유체를 출구에서 혼합되도록 하여, 작동유체의 정확한 온도 변화량을 측정하고, 이를 통해 천연가스의 연소 열량을 정확하게 측정가능하다.

또한 본 발명의 천연가스 열량 측정 방법은 장치의 구성이 간단한 천연가스 열량계를 사용함으로써, 장치의 사용 과정이 간단하고, 수월하게 천연가스의 열량 측정이 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 천연가스 열량계의 개념을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 천연가스 열량계의 연소부 확대도이다.
도 3은 본 발명에 따른 천연가스 열량계의 측정 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 천연가스 열량 측정 방법의 순서도이다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 천연가스 열량계의 개념을 설명하기 위한 단면도이다.

본 발명의 천연가스 열량계(100)는 풍동(200), 연소부(300), 버너(310), 청연가스 공급부(320), 열교환기(400) 및 온도계(500)를 포함하여 형성된다.

상기 풍동(200)은 일측에서 타측으로 작동유체가 유동되고, 타측의 유로가 좁아지도록 형성된다. 상기 풍동(200)은 단열재로 둘러싸여 내부에서 발생하는 열이 상기 풍동(200) 외부로 전달되는 것이 차단된다.

상기 풍동(200)의 입구 또는 출구에 유량계(미도시)가 구비되어, 상기 풍동(200)에 공급되는 작동유체, 즉 공기의 유량을 측정한다.

상기 연소부(300)는 상기 풍동(200) 내부와 격리된 공간을 형성하며, 상기 풍동(200) 내부에 구비된다.

도 2는 본 발명에 따른 천연가스 열량계의 연소부를 확대한 것으로, 상기 버너(310)는 상기 연소부(300) 내에 구비되며, 상기 청연가스 공급부(320)로부터 천연가스를 공급받아 상기 버너(310)에서 연소시킨다. 이때, 상기 천연가스 열량계(100)는 상기 연소부(300)와 연통되어 형성되는 산소 공급부(340) 및 아르곤(Ar) 공급부(330)가 더 구비되어, 상기 버너(310)에 산소와 아르곤을 공급하여 천연가스의 연소 작용이 용이하게 이루어질 수 있도록 한다. 아르곤은 비활성기체로 천연가스가 연소되어도 상기 연소부(400)의 내부가 일정 부피를 유지하여 연소 작용이 용이하게 일어날 수 있도록 한다.

상기 청연가스 공급부(320)는 일측에 유량계(325)가 형성되어 공급되는 천연가스의 유량을 측정 가능하도록 이루어진다.

상기 열교환기(400)는 상기 연소부(300)와 연결되며, 상기 연소부(300)에서 연소된 천연가스가 유통되며, 상기 풍동(200) 내부에 구비된다.

상기 열교환기(400)는 연통되어 형성되는 배기관(410)이 더 포함되어 형성되며, 상기 배기관(410)의 일측에는 열량계(420)가 더 구비된다.

도 3을 이용하여 본 발명인 천연가스 열량계의 측정 원리를 설명하면, 본 발명의 천연가스 열량계(100)는 작동유체가 일측에서 타측으로 유동하며 상기 열교환기(400)에 의해 천연가스의 연소열이 상기 작동유체로 전달되어 상기 작동유체가 가열되고, 작동유체의 변화된 온도가 온도계(500)에 의해 측정되도록 이루어진다.

이 때, 대류 열전달율은 뉴턴의 냉각법칙에 의해 단순히 물체와 작동유체간의 온도차 및 열전달이 발생되는 물체의 면적에 비례하고, 따라서 본 발명의 천연가스 열량계(100)는 상기 작동유체와 맞닿는 상기 열교환기(400)의 면적을 크게 형성하고, 상기 풍동(200)으로 주입되는 상기 작동유체의 온도가 최저로 낮춰져 공급된다.

또한 대류 연전달은 작동유체의 속도가 빠를수록 상기 열교환기(400)와의 열전달이 용이하게 이루어지므로, 상기 작동유체의 속도는 열교환기(400)와의 열전달이 충분히 일어날 수 있을 정도의 속도로 유입되며, 이를 통해 천연가스의 연소열이 미미하더라도 대류 열전달이 보다 용이하게 일어나, 온도의 변화 값을 측정하는 것이 용이하다.

도 4는 본 발명의 천연가스 열량계를 이용한 천연가스 열량 측정 방법의 순서도이다.

먼저, 상기 풍동(200)의 내부에 작동유체가 공급되어 유동되는 유동단계(S10)를 실시한다. 상기 풍동(200)은 일측에서 작동유체가 주입되고, 상기 작동유체가 일측에서 타측으로 일정속도로 유동된다.

이후, 초기온도 측정단계(S20)를 실시한다. 상기 풍동(200) 입구에서 작동유체의 온도를 측정하고 이때의 온도를 ‘초기온도’로 설정한다.

다음으로 천연가스 공급단계(S30)를 실시한다. 상기 연소부(300)에 천연가스, 아르곤 및 산소를 주입하여 연소시키고, 다음으로 상기 버너(310)가 공급된 천연가스를 연소시키는 연소단계(S40)를 실시한다.

이후, 열전달단계(S50)를 실시한다. 상기 연소된 천연가스가 열교환기(400)로 전달되고, 연소열은 대류 열전달에 의해 상기 열교환기(400)에서 작동유체로 전달된다.

상기 열교환기(400)를 통과한 작동유체와 상기 풍동(200)의 내벽 쪽을 흐르는 작동유체는 상기 풍동(200)의 출구 쪽에서 혼합된다.

상기 열교환기(400)를 통과한 작동유체는 연소열의 열전달이 일어나 충분히 온도가 상승한다. 하지만 상기 열교환기(400)로부터 거리가 떨어져 있는 상기 풍동(200)의 내벽 쪽을 흐르는 작동유체는 상기 열교환기(400)로부터의 열전달이 충분히 일어날 수 없다. 즉, 상기 열교환기(400)를 통과하여 흐르는 작동유체와 상기 풍동(400)의 내벽 쪽을 흐르는 작동유체 간에 온도차가 발생하며, 측정위치에 따라 다른 값의 온도가 측정되어 정확한 열량측정이 불가능 해진다. 따라서 상기의 작동유체를 혼합하여 평균온도를 가지도록 하여야 한다.

본 발명의 천연가스 열량계(100)는 상기 풍동(200)의 유로가 일측에서 타측으로 좁아지는 형상, 즉 출구 쪽의 유로가 좁아지는 형상으로 형성되어, 작동유체의 유동에 의해 출구 쪽에서 와류현상이 발생하여, 작동유체를 혼합하기 위한 별도의 과정 없이 충분히 혼합된다.

상기의 과정에서 연소된 천연가스는 상기 열교환기(400)에서 충분히 작동유체로 연소열을 전달하여 작동유체를 가열한다. 연소열을 충분히 전달한 후, 연소된 천연가스는 상기 배기관(410)을 통해 상기 풍동(200) 외부로 배출된다.

이후, 말기온도 측정단계(S60)를 실시한다. 상기 온도계(500)를 이용하여 상기 풍동(200)의 출구에서 혼합된 작동유체의 온도를 측정하여 ‘말기온도’로 설정한다.

다음으로, 상기의 ‘초기온도’와 ‘말기온도’를 이용하여 천연가스의 열량을 측정하는 열량측정단계(S70)를 실시한다. 상기 과정을 통해 측정된 ‘초기온도’와 ‘말기온도’를 비교하여 변화된 온도 값을 이용하여 천연가스의 열량을 계측한다.

이때, 배출되는 가스는 열교환기(400)에 의해 작동유체로 열전달이 일어나지 못한 미세한 연소열을 포함하고 있으므로, 상기 배기관(410)의 일측에 구비된 상기 열량계(420)를 이용하여 배기되는 가스의 열량을 측정한다. 계측된 천연가스의 열량에 상기 열량계(420)에 의해 측정된 배기된 가스의 열량 값을 더하여 더욱 정확한 천연가스의 열량을 측정한다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 본 발명의 천연가스 열량계
200 : 풍동
300 : 연소부 310 : 버너
320 : 천연가스 공급부 325 : 유량계
330 : 아르곤 공급부 340 : 산소공급부
400 : 열교환기
410 : 배기관 420 : 열량계
500 : 온도계

Claims (5)

1. 일직선으로 배치되며, 일정 유로 단면적을 갖는 일측으로 공기가 주입되고, 유로 단면적이 좁아지는 타측으로 공기가 배출되는 풍동(200);
   상기 풍동(200)의 내부에 구비되며, 격리된 공간을 형성하는 연소부(300);
   상기 연소부(300)의 내에 구비되는 버너(310);
   상기 연소부(300)에 천연가스를 공급하는 천연가스 공급부(320);
   상기 풍동(200) 내에 구비되며, 상기 연소부(300)의 일측에 배치되고, 상기 연소부(300)와 연결되어 연소부(300)에서 연소된 천연가스가 유통되는 열교환기(400); 및
   상기 풍동(200)의 입구와 출구에 설치되어, 공기의 온도를 측정하는 온도계(500);를 포함하고,
   입구측에 설치된 온도계로 유입된 공기의 초기 온도를 측정하고,
   출구에 설치되는 온도계는 유로 단면적이 좁아진 유로 상에 설치되어, 상기 열교환기(400)에 의해 가열된 공기의 말기온도를 측정하여,
   상기 열교환기(400)를 통과하기 전의 입구측 초기온도와 상기 열교환기(400)를 통과한 후의 출구측 말기온도 간의 온도 변화량을 이용하여 천연가스의 열량을 측정하는, 천연가스 열량계(100).
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 연소부(300)는 산소공급부(340) 및 아르곤(Ar)공급부(330)를 더 포함하는, 천연가스 열량계(100).
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 천연가스 열량계(100)는 상기 열교환기(400)와 연통되는 배기관(410)을 더 포함하고,
   상기 배기관(410)에는 열량계(420)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 천연가스 열량계(100).
   
4. 삭제
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항의 천연가스 열량계(100)를 이용하는 천연가스 열량 측정 방법에 있어서,
   상기 풍동 내부에 공기가 공급되어 일측에서 타측으로 유동하는, 유동단계(S10);
   입구측에 설치된 온도계(500)로 공기의 온도를 측정하여 ‘초기온도’로 설정하는 초기온도 측정단계(S20);
   상기 연소부(300)에 천연가스가 공급되는 천연가스 공급단계(S30);
   상기 버너(310)에 의해 공급된 천연가스가 연소되는 연소단계(S40);
   상기 연소된 천연가스가 상기 열교환기(400)로 전달되고, 연소열이 상기 열교환기(400)에 의해 공기로 전달되는 열전달단계(S50);
   출구측에 설치된 온도계로 상기 풍동(200)의 타측으로 빠져나가는 가열된 공기의 온도를 측정하고 ‘말기온도’로 설정하는 말기온도 측정단계(S60); 및
   상기 ‘초기온도’와 ‘말기온도’간의 온도 변화량을 이용하여 열량을 측정하는 열량 측정 단계(S70);
   를 포함하여 이루어지는 천연가스 열량 측정 방법.
   

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