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2022-07-12 update2022-10-30 update2023-03-14 add xxSteam function explanation
What I need for fluid dynamics
배관압력손실, 열전달 등 유체역학 계산은 사용하는 유체의 물성치를 알아야 계산이 가능합니다.
압력과 온도에 따른 Density, Viscosity, Conductivity 등
배관 속 유체속도와 배관 재질에 따른 거칠기까지, 열교환에 필요한 열량을 계산하려면 필수적인 요소입니다.
참고해야 할 값은 CODE / STANDARD에 표기되어 있지만 실제로 계산에 활용하려면 빽빽한 표나 그래프에서 그 값을 찾아야 합니다. 그렇기에 매번 동일한 값을 얻기란 쉽지 않기에 결국 프로그램화 하여 사용할 수 밖에 없습니다. 하지만 쓸만한 툴Tool은 대부분 유료입니다. (일부 무료도 있으나 쓸만한 것은 못 봤습니다)
인터넷에서 찾을 수 있는 대표적인 툴들을 살펴 보겠습니다.
Water an Steam
BOOKS
일상에서 흔히 접하는 물Water은 엔지니어링 분야에도 가장 많이 사용 유체입니다. Water/Steam의 물성치는 역학책에서도 항상 등장하는 대표적인 항목입니다. 화학공학쪽에서는 Perry’s Chemical Engineer’s Handbook , 그 외는 Crane Technical Report / Cameron Hydraulic Data를 많이 언급합니다. 이 문서들에 언급된 값은 거의 동일한 값이나 공학용 계산이나 실무에서는 일부 부족한 영역이나 공신력있는 또 다른 문서들이 있기에 사용되지는 않습니다. 간간히 ASTM Table도 사용이 되지만 결국 Excel에서 사용하거나 빠르게 반복계산을 해야하는 상황에서는 아래 IF97이 가장 자주 사용됩니다.
Document IAPWS - IF97 Steam Table
http://www.iapws.org/relguide/IF97-Rev.html
실무와 상용프로그램에서는 IF97 Steam Table을 주로 사용합니다. 산업용으로 사용하기 위해 5개의 영역으로 구분하여 빠르게 값을 구할 수 있는 수식을 제공합니다. 무료이며 가장 널리 사용되는 문서입니다. 대부분의 물water과 관련된 프로그램이나 문서에서는 언급됩니다. 97년도에 공포되면서 IAPWS IF97이라는 이름으로 알려졌으나 한 두 차례 업데이트 되어 2012년 버전이 최종이며 아래 첨부입니다. 그 외 PDF는 위 링크에서 추가로 다운받을 수 있습니다.
- Property는 R97문서에 언급되며 그외 viscosity 등의 추가 물성치는 다른 문서에 언급되어 있습니다.
이러한 각 속성들의 집합체가 모두 IF97로 통칭되는 경향이 있으며 이를 온전히 포함하여야 적절한 압력관련 계산이 가능합니다.
Winsteam 4.0
상용툴로는 널리 알려진 것이, 엑셀에서 사용가능한 추가기능인 Winsteam 입니다. IF97 / IFC67을 사용하고 엑셀에서 사용할 수 있다보니 널리 퍼지게 된 것이 아닌가 추측됩니다.
Techware사에서 판매하고 있으며 현재 ver4.0이 최종 버전입니다. 15년 전에도 3.1버전이였는데 거의 개발을 멈추었다고 봐도 될 것입니다. 위에 언급된 IF97을 기본으로 하였기에 수식 자체는 변화가 없으니 사실상 추가로 개발할 사항이 없기도 합니다.
Water/Steam 관련 추가기능 프로그램을 판매하다가 이후 Gas, Air 등에 대한 모듈도 판매하기 시작했습니다. IF97모듈이 450USD, Air/Gas까지 합치면 1카피당 1000USD(=120만원)으로 가격이 좀 비싸긴 하지만 결과에 대한 신뢰성과 사용의 간편함이 (뒤에 설명할 CoolProp) 타 프로그램과 비교하면 추천할 만 합니다.
간단히 그 사용법을 살펴보자면
StmPTH (Pressure, Temperature ) 를 입력하면 결과로 “H” = Enthalpy를 알려주는 형태입니다.
XSteam-v2a (Ver2.6)
http://xsteam.sourceforge.net/
x-eng.com에서 만든 것이라고 나오나 처음 Matlab의 추가모델로도 배포 되어 이를 통해 vba에 사용된 원본소스를 알 수 있습니다. 현재 초기 홈페이지는 접속이 불가한 것으로 나오지만 sourceForge.net 사이트와 Mathworks 모듈사이트가 남아 있습니다. 해외 공학관련 사이트에서는 자주 언급되는 편입니다.
MATBLA 페이지에서는 BSD 3 무료 라이선스로 표기하고 있습니다. 이 소스코드와 동일한 것으로 엑셀-VBA파일을 인터넷에서 쉽게 구할 수 있으며 Ver 2.6 이 최신입니다. 다양한 파일/소스 중에서 가장 많은 함수와 예제를 다루고 있어서 활용하기가 좋습니다.
하지만 Note란에 적힌 것처럼 에러가 발생할 때 이에 대한 책임은 각자 지는 것이라고 하니 상업용으로 사용하려면 위 Steam,Water Region 그래프에서의 경계구간에 대해서는 검증을 해보는 것이 필요합니다.2023-03-31 JS 등으로 배포된 소스코드를 보면 IF97 수식을 그대로 가져와 값의 오류는 없어보입니다.
Bernhard Spang’s IF-97 Excel plug-in
유명한 엔지니어링 사이트에 링크된 자료입니다. 자세한 라이선스나 정보가 요즘은 링크가 깨지는 경우가 많아서, 언제 사라질지 모르기에 아래 원본을 담아둡니다. IF97 수식을 사용하고 있으나 X-Steam보다는 Function이 다양하지 않아 다소 아쉬운 점이 있습니다.
ES_StableIF97, EngSoft
https://blog.naver.com/hoychoi56/222231777574 http://www.engsoft.co.kr/download_e/BriefDes/brf_es_stable.htm
발전플랜트 관련자료는 이 곳을 빼놓고 이야기할 수 없을 것입니다. 2019년 전후로 홈페이지에서 블로그로 자료를 이동하면서 개편이 있었습니다.
WinSteam 스타일로 별도의 윈도우 창이 생성되어 사용이 편리합니다. 다만, 깔끔한 인터페이스에 비해 설치 환경에 따라 작업이 필요하고 Uninstall시 깔끔하게 지워지지 않으니 테스트를 해보는 것이 좋습니다.
SteamTablesOnline.com
https://www.steamtablesonline.com/Steam97Web.aspx
스마트폰에서도 water 물성치는 쉽게 구할 어플들이 많이 있습니다. PC 사용시 잦다면 위 사이트에서도 쉽게 값을 확인할 수 있습니다.
eeFunction Excel - Office Addins
https://theangkko.github.io/eefunctionmanual
본 사이트에서 제공하는 Office Add-in 도 활용이 가능합니다.
A varierty of fluid
압축성 유체와 그 외 다양한 유체를 다루는 프로그램이나 툴은 많지가 않습니다. REFPROP, CoolProp 가 가장 유명한 편에 속하며 이에 대해서 간단히 소개하겠습니다.
사실상 수계산(손계산)이 아닌 압축성 기체의 특성을 고려하면 Iteration 계산이 필요하고 그 외 조건 등이 고려되어야 하기 때문에 이들을 제외한 대체제는 없습니다. 일부 Commercial Tools이 있었으나 최근 10년 내에 대부분 REFPROP로 통일화 되고 있어 보입니다.
= Gas의 경우, AGA(American Gas Association) 미국가스협회의 기준을 사용하기도 했으나, 2000년대 이후 ISO, AGA가 거의 통합되는 수준으로 AGA-8 or GERG 2008로 양분화되어 사용되는 듯하며 REFPROP와는 별도로 Code 기반으로 사용되는 경우가 많습니다.
REFPROP - NIST
https://www.nist.gov/srd/refprop
상용툴에서 가장 많이 사용되는 것이 “REFPROP” 입니다. NIST는 미국표준기술연구소의 약자로 그냥 간단히 세계 표준이라고 봐도 무방할 것입니다. 상용 3D CFD, 1D Simulation 프로그램, MATLAB 등 각종 공학용 프로그램에서 물성치의 기준으로 삼고 있습니다.
설치한 DLL을 불러와 사용하며 프로그램 안정성과 속도 또한 최고이나 그만큼 사용법도 복잡합니다.
CoolProp
http://www.coolprop.org/coolprop/wrappers/index.html
Open source로 공개된 모듈입니다. NIST REFPROP을 개발하는 Ian Bell 의 대학교 시절 결과물로, 이후 공개되어 무료버전 CoolProp로 유지되고 있습니다. REFPROP와 유사한 형태로 계산값을 구할 수 있고 현재 사용가능한 대부분의 프로그래밍 언어(Wrapper)를 지원한다. Python 등에서 간단한 설치 문구로 사용할 수 있을 뿐더러 Windows, Mac을 가리지 않고 사용이 가능합니다.
엑셀에서 사용하려면 DLL 파일(윈도우용 설치파일)을 설치하고 매크로VBA가 담긴 파일을 통해 물성치를 얻을 수 있다. Water/Steam이라고 설명했으나 REFPROP와 CoolProp는 Gas,Air,Water 등 다양한 유체속성을 이용가능한 것이 가장 큰 장점입니다. 총 120여종의 유체를 사용할 수 있습니다.
사용법은 좀 번거로운 편이라 VBA를 좀 다룰 줄 안다면 따로 Std Call 함수를 만들어서 편하게 사용하는 것이 좋습니다.
자세한 윈도우 설치법은 관련글을 참고하십시오
https://theangkko.github.io/2023/20230629-CoolpropInstall/
Other Reference
IAPWS-IF97 steam tables
http://www.iapws.org/relguide/IF97-Rev.html
http://www.iapws.org/relguide/IF97-Rev.pdf
Bernhard Spang’s summary of IF97
http://www.cheresources.com/iapwsif97.shtml
jSteam (a Java implementation, based on freesteam, GPL licensed)
IF97 (a Java implementation, LGPL licensed)