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2 Phase line sizign 시 Flow regime 및 Criteria 관련 질문 드립니다.

글쓴이 : chan 고유ID : rndcks 날짜 : 20-08-08 18:39 조회 : 4637

화학공학 고수님들 항상 친절한 답변 감사드립니다. 제목과 같이 2 Phase line sizing 시 criteria 관련하여 질문드립니다.

Q1. 진행 하고 있는 Project 에는 2phase line 에 Velocity, ρv2 (momentum), ρv3 총 3가지의 criteria 를 적용하고 있습니다. 여쭤보고자 하는 것은, 각 Criteria 가 Pipe line에 어떠한 영향을 끼치기에 이 3가지의 Criteria 를 Line sizing 시 기준으로 보는 것인지 입니다.

예로 Velocity 에 대한 Max criteria 가 20m/sec 라고 가정하고, Line sizing 시 계산된 velocity 가 22m/sec 라면 해당 line 의 size를 키워야 할 텐데 Velocity 가 2m/sec 빠르다면 어떠한 영향을 끼치기에 Line size를 키워야 하는 것일까요??

또 다른 예로, ρv2 (momentum) 의 Max 기준이 10000 이고, Sizing 시 계산된 Momentum 이 120000 일 때, Momentum 이 criteria 를 2000 만큼 초과하게 되는데, 이 결과가 pipe line 에 어떠한 영향을 끼치기에 line size 을 키워야 하는 것일까요?

부족한 제 사견으로는 Velocity 는 Erosion velocity 보다 작으면 문제가 없다는 생각이고, Momentum은 Horizontal(X축)로 흐르는 flow 라면 Vertical 방향으로(y축) 뭔가 영향을 주기 때문에 해당 배관에 소음 및 진동이 발생할 꺼 같다라는 생각입니다.

Q2. Flow regime 에 관해 질문드립니다. 일반적으로 Slug regime은 피해야 한다는 것으로 알고 있습니다. 그 이유는 vapor velocity 가 liquid velocity 보다 빠르게 움직이기 때문에 늦게 따라오는 liquid 가 소음 및 진동을 발생 시킬 수 있기 때문으로 알고 있습니다. 그렇다면, 2 Phase line sizng 시 vertical flow regimer과 Horizontal flow regime 이 구해지는데, Horizontal 이나 Vertical 중 Slug flow regime 이 예측된다면, 무조건 line size를 키워야 하는 것인가요???

예로, 2 Phase line 에 Horizontal flow regime : Slug ,,,, Vertical flow regime : Annular 이라면 이 Line size 를 유지해도 되는것인가요?? 아니면 size 를 키워야 하는 것 인가요??

Q3. 위 질문과 비슷한 맥락으로 Slug flow regime 은 피해야 하는 것을 알지만, 다른 Flow regime 들은 Pipe line 크게 영향을 안주는 것인가요???

너무나 답답해서 두서 없이 질문드렸습니다. 부디 양해 부탁드리면서, 1년차 엔지니어로써 궁금한 것이 너무나 많습니다. 부디 답변 부탁드리겠습니다. 감사합니다.

스테파노 Stefano

20-08-11 20:15

A1. Velocity Maxum값이나 Momentum Maximum 값을 조금이라도 곧바로 초과한다고 막중한 일이 일어나는 것은 아닙니다.
이들 값들은 현장 기술자들이 기기장치들의 평균수명의 단축이나 보수정비 비용의 절감 등을 고려해서 경험적으로 얻어진 Typical Value에 해당합니다. 이들 제한치는 <Engineering Standard>에 요약해두고 이들을 고려한 설계가 이루어지도록 관리하는 정도로 이용됩니다.

질문에서 언급한 바와 같이 Erosion이나 소음 등의 원인을 유발하는 조건을 피한 안전한 값이라고 보면 됩니다.

Two Phase Flow의 경우라면 액상이나 고상의 물질이 섞여있을 것인데 액적이나 고체분말이 기체유속으로 흘러가게되면 배관 Fitting류, 열교환기 Tube , 등에서 Erosion이 특히 문제가 커집니다.

A2. Two Phase Flow로 액을 수송하는 경우 Horizontal Flow가 Slub Flow로 흘러간다면 압력 Fluctuation으로 인하여 소음 발생이 잦아집니다. 이런 경우 Flow Regime Chart를 보고 관경을 늘이거나 줄임으로써 다른 Flow Regime이 되도록 변경해 줍니다.
Two-Phase Flow가 Reboiler Tube와 같이 짧고 Vertical Upflow만 있는 경우라면 Film Boiling이라든가 Annular Flow가 일어나지 않는 조건이라면 문제가 없겠지만 그렇지 않은 경우 라면 Vertical Upflow로 수송하는 것은 아주 어려운 일이 됩니다.

A3. 공정배관에서 Two Phase Flow는 많지 않고 주로 Steam Condensate와 같은 Line의 Horizontal Flow에서 Line Sizing을 주로 알아보면 됩니다. 배수로 등의 Line Sizing은 Stratified Flow Region에서 일어나도록 하고 관의 기울기를 정함에 있어서는 Manning's Equation이 대부분 이용됩니다.

질문에서 언급한 바와 같이 Erosion이나 소음 등의 원인을 유발하는 조건을 피한 안전한 값이라고 보면 됩니다.

Two Phase Flow의 경우라면 액상이나 고상의 물질이 섞여있을 것인데  액적이나 고체분말이 기체유속으로 흘러가게되면 배관 Fitting류,  열교환기 Tube ,  등에서 Erosion이 특히 문제가 커집니다.

A2.  Two Phase Flow로 액을 수송하는 경우 Horizontal Flow가 Slub Flow로 흘러간다면 압력 Fluctuation으로 인하여 소음 발생이 잦아집니다.   이런 경우   Flow Regime Chart를 보고 관경을 늘이거나 줄임으로써 다른 Flow Regime이 되도록 변경해 줍니다.  
Two-Phase Flow가 Reboiler Tube와 같이 짧고 Vertical Upflow만 있는 경우라면 Film Boiling이라든가 Annular Flow가 일어나지 않는 조건이라면 문제가 없겠지만 그렇지 않은 경우 라면 Vertical Upflow로 수송하는 것은 아주 어려운 일이 됩니다.

A3.  공정배관에서 Two Phase Flow는 많지 않고 주로 Steam Condensate와 같은 Line의 Horizontal Flow에서 Line Sizing을 주로 알아보면 됩니다.   배수로 등의 Line Sizing은 Stratified Flow Region에서 일어나도록 하고 관의 기울기를 정함에 있어서는 Manning's Equation이 대부분 이용됩니다.