유량측정법

왜 배우는가: 유량은 공조 풍량 밸런싱, 냉수·온수 열량 계산, 공정 제어의 기본 변수다. 측정 원리가 달라 측정 대상과 정확도 요구에 맞는 방식을 골라야 하므로 시험에서 종류·원리·장단점을 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제128회 3교시 4번, 제119회 2교시 3번, 제113회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 유량측정법은 관로나 덕트를 흐르는 유체의 단위 시간당 체적 또는 질량을 측정하는 방법이다.

핵심 키워드

• 체적유량: 단위 시간에 단면을 통과하는 유체의 체적(m³/s, L/min).
• 질량유량: 단위 시간에 단면을 통과하는 유체의 질량(kg/s).
• 평균유속: 단면 전체를 대표하는 속도(m/s).
• 차압식 유량계: 유로를 좁혀 생긴 전후 압력차로 유량을 구하는 방식.
• 베르누이 정리: 압력, 속도, 위치 에너지의 합이 일정하다는 원리.
• 피토관: 전압과 정압의 차인 동압으로 속도를 구하는 관.
• 열선풍속계: 가열된 가는 금속선의 열손실로 풍속을 구하는 계기.
• 유량계수: 이론 유량과 실제 유량의 차이를 보정하는 계수.

유량의 기본식은 다음과 같다.

$Q = A \cdot \bar{v}$

여기서 Q는 체적유량(m³/s), A는 단면적(m²), v̄는 평균유속(m/s)이다. 질량유량은 여기에 밀도 ρ(kg/m³)를 곱한 \dot{m} = \rho A \bar{v} 로 구한다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 파이프나 덕트에서 물이나 공기가 얼마나 흘러가는지 재는 것이다. 수도 계량기나 연료 계량기가 같은 원리의 대표 예다.

정식 정의는 다음과 같다. 유량은 유체가 일정한 단면을 단위 시간에 통과하는 양이다. 체적으로 나타내면 체적유량, 질량으로 나타내면 질량유량이다. 공조 분야에서는 체적유량을 풍량이라 부르며 보통 m³/h 또는 CMH로 쓴다.

차압식 유량계는 관로 중간에 교축부를 두고 교축 전후의 압력차를 측정한다. 오리피스, 벤투리관, 플로노즐, 달관(Dall tube)이 여기에 속한다. 달관은 벤투리관을 짧게 줄인 형태이며 오리피스보다 압력손실이 작다.

차압식의 원리는 베르누이 정리다. 비압축성 유체의 수평 유선에서 p + \frac{1}{2}\rho v^2 = \text{일정} 이 성립한다. 교축부에서 속도가 커지면 정압이 떨어지고, 이 압력차를 이용해 속도와 유량을 계산한다. 오리피스의 경우 Q = C_d A_2 \sqrt{\frac{2\Delta p}{\rho(1-\beta^4)}} 이며, C_d는 유량계수, A_2는 교축부 단면적(m²), Δp는 차압(Pa), β는 교축비(교축부 지름/관 지름)다.

차압식은 유량이 차압의 제곱근에 비례하는 원리로 유량을 구한다.

피토관은 정면을 향하는 전압공과 측면의 정압공을 가진 관이다. 두 압력의 차인 동압 p_d = \frac{1}{2}\rho v^2 으로 속도를 구한다. 전압은 동압과 정압의 합(전압 = 동압 + 정압)이다.

열선풍속계는 가열된 가는 금속선이 공기 흐름에 식으면서 전기저항이나 소비 전력이 변하는 것을 이용한다. 일정 온도를 유지하는 정온도형(CTA) 방식이 많이 쓰인다. 방향은 보통 알 수 없어 방향 판이 필요하다.