KR100434651B1 - 분진폭발 시험용 균일 분진운 형성장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분진운의 폭발 한계 및 화염전파 연구에 필요한 균일한 분진운의 분산을 재현성 높게 형성하는 방법에 관한 것으로서, 분진 폭발연구에서 폭발 특성치를 평가할 때 신뢰성 높은 측정데이터를 얻는데 가장 중요한 조건인 균일한 분진운의 생성을 특징으로 한다.

본 발명은 기존의 방법들인 상방 분사식과 낙하식이 점화시점에서 분진운의 이동을 막을 수 없어 균일한 분진운을 생성하지 못하는 데 갖는 문제점을 해소하는 것으로, 균일한 분진운의 분산을 재현성 높게 형성하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 실현하기 위하여 본 발명에서는 가연성분진 시료를 외부에서 공급된 공기로 형성된 상승기류에 실어 연소관을 통과하도록 하고 연소관의 상단과 하단의 개폐를 공기의 유입과 함께 컨트롤타이머(control timer)로 조절하여 상승하던 분진운을 일시 정지시켜 분진운이 균일하게 분산되었을 때 점화하여 재현성 높은 실험이 가능하도록 한다.

본 발명의 실험장치를 이용한 분진운의 균일한 분산은 점화시 연소관측면에 설치된 슬라이드식 석영유리창을 통하여 화염의 형태가 반구형을 형성하면서 수직 전파하는 것이 관찰되어 분진운의 균일함이 확인되었으며, 이와 같이 균일한 분진운의 분산을 재현성 높게 형성되도록 하는 실험 장치와 그 방법에 관한 것이다.

Description

분진폭발 시험용 균일 분진운 형성장치 및 방법 {A formed equipment of uniform dust cloud for a dust explosion test and a method thereof}

본 발명은 분진운의 폭발 한계 및 화염전파 연구에 필요한 균일한 분진운의 분산을 재현성 높게 형성하는 방법에 관한 것이다.

미분화 기술의 발달과 함께, 원재료와 고체연료를 포함하여 최근에는 신소재로서의 기능성 물질과 전자재료의 제조에도 미분화 분체 기술이 광범위하게 사용되고 있어 종래에는 폭발 위험성의 인식이 없었던 분체에서도 미분화에 의한 폭발, 화재 위험성이 높아지고 있다. 이러한 분진폭발에 관한 연구는 그 중요성에도 불구하고 분진운의 분산방법에 관한 실험 및 실험장치의 제작에 문제점이 많아 신뢰성 높은 데이터가 거의 없는 실정이다. 그 원인은 분진이그 스스로의 무게로 인하여 공간에 체류하는 것이 어렵고, 또한 넓은 입도 및 입경 분포를 갖고 있으므로 입자의 낙하속도에 차이가 생기어 균일한 분진운을 만드는 것이 곤란하기 때문이다. 이러한 요인들이 분진폭발 특성치를 측정하는데 있어서 영향을 주므로 신뢰성 있는 데이터를 측정하기 위해서는 재현성이 있는 균일한 분진운의 생성은 매우 중요하다.

종래 분진 폭발의 연구에 있어서 필요한 분진운의 형성방법에 대해 여러가지 장치가 개발되었다. 종래의 분진운 생성을 위한 실험장치들은 분진의 공급방식에 의해 크게 상방 분사식(Hartmann type)과 낙하식(Falling type)으로 구분되었다. 최근 국제표준기구인 ISO(International Standard Organization)에서 채용하고 있는 1 m³폭발시험 장치는 상방 분사식과 낙하식의 혼재식으로 구형 용기내에서 사용되고 있다.

상방 분사식에 의한 방법은, 폭발용기의 하부에서 압축공기를 불어 넣어 분진운을 형성하는 것으로, 가연성 분진의 폭발한계농도, 폭발에 영향을 주는 산소농도 및 탄산 가스의 영향 조사 등에 사용되고 있다. 상방 분사식을 채용한 대표적인 장치로는 미국 광산국의 하트만(Hartmann)형 분진폭발 시험장치가 있는데, 이 장치를 이용하여 많은 실험 데이타가 측정되었고 현재까지 널리 사용되고 있다. 일본 분체공업협회에서도 사용법을 다소 편리하게 한 하트만(Hartmann)형 분진폭발 시험장치를 채용하고 있는데, 이것은 폭발용기 내의 하부에 있는 시료 접시에 충전한 분진 시료를 압축공기를 이용하여 뿜어 올려 분진운을 발생시킨다. 이 장치에 의한 분진 생성방법은 간편한 반면, 착화개시 이전의 분산분진은 정상상태를 얻기가 어렵고 난류상태에서의 분산을 피할 수 없어 분진운이 불균일하게 형성되는 문제점이 있고, 그 측정데이터의 오차가 너무나 크기 때문에 사전 테스트용으로서는 사용 가능하나, 연구, 실험용으로 쓰기에는 부적합하다.

한편, 낙하식에 의한 방법은 폭발용기의 상부에 체(sieve)를 설치하고 기계적인 타격이나 바이브레이터에 의한 진동 등을 주어 시료 분진을 낙하시켜 분진운을 생성하는 것으로, 폭발을 행하기 전의 부유분진의 상태를 측정할 수 있고, 또 조작이 간단하기 때문에 수직용기를 채용한 연구에서 이 방법이 사용되어 왔다. 낙하식 분진운 생성방법은, 상방 분사식에 비해서 분산 균일성은 양호하지만 체에 의한 분진 입자의 응집에 주의할 필요가 있다. 실제로 타격이나 진동을 사용하여 분진운을 관찰한 결과에 의하면 분진 입자가 체를 통과하여 동시에 낙하하지 않거나 체의 어느 한 부분만을 통해서 입자가 낙하하기 때문에 균일한 분진운을 만들 수 없는 문제점이 있다.

또한 상방 분사식이나 낙하식은, 분진운의 발생으로부터 점화할 때까지 분진운의 이동은 피할 수 없고, 입자의 움직임을 일시적으로 정지시키거나 억제할 수가 없다. 지구의 중력이 작용하는 한, 고체인 분진 입자를 공간에 완전히 균일하게 분산시키는 것은 매우 어려운 문제이다. 분진폭발 연구를 우주의 무중력 공간에서 행하는 것이 최적의 실험조건이라 할 수 있지만, 그것은 경제적인 면에서 현실성이 없다. 이 때문에, 분진 입자는 일정 크기의 낙하속도를 가지고 있는 상태에서 착화하여 화염이 전파하게 되므로, 입자의 움직임이 폭발 특성치에도 영향을 줄 가능성이 높아진다. 따라서 상방 분사식(Hartmann type)과 낙하식(Falling type)을 응용한 분산방법을 채용한 실험장치에서 얻어진 분진폭발 특성치는 동일 장치를 이용하여도 재현성이 현저히 떨어지게 되어 측정 데이터의 신뢰성에 있어서 많은 문제점을 안고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 균일한 분진운의 분산을 재현성 높게 형성하는 방법을 제공하는 데 본 발명의 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 분진운 입자의 움직임이 작아지고 분산상태가 양호한 높이인 1~2m정도의 연소관 내부공간을 실험대상으로 정하여, 느린 속도로 상승하는 분진운 유동층의 공기공급을 멈추고 상단 개폐 장치를 닫아 상승하던 분진운이 일시적으로 정지되도록 하여 분진이 균일한 분포를 이루게 하고 점화하는 데 그 특징이 있다.

도 1은 본 발명의 분진 공급장치

도 2는 본 발명의 분진 공급장치와 분진 생성장치를 이용한 실험장치

도 3은 본 발명에 있어 전자식 셔터가 부착되어 있는 연소관 상부

도 4는 본 발명의 분진 생성장치에 의한 분진운의 생성 과정을 보이는 설명도

도 5는 분진운 생성 및 실험조작의 자동화에 의한 전자 타이머를 이용한 콘트롤 회로동작의 구성 예

도 6은 본 발명 장치에 의한 분진운 점화시 관찰되는 화염 모습으로 분진운의 균일함을 보여주는 사진

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1. 공기 공급관 2a, 2b, 2c. 공기

3. 소결 금속필터 (Porous plate) 4. 연질고무 (Soft rubber)

5. 운반체 (Moving system) 6. 철선 (Steel wire)

7. 회전축 (Winch) 8. 솔레노이드 밸브(Solenoid valve)

9. 점화 장치 (Spark ignition) 10. 분진 화염 (Flame)

11. 수직연소관 (Combution duct) 12. 셔터 (Shutter)

13. 슬라이드식 석영 유리창 (Slide quartz glass)

14. 컨트롤 타이머 (Time controller) 15. 분진 시료 (dust)

16. 센서삽입홀(hole) 100. 분진 공급장치

200. 분진운 생성장치

본 발명을 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 분진운 생성장치(200)는 수직연소관(11), 분진 공급장치(100), 컨트롤 타이머(14)로 구성되어 있다.

수직연소관(11)은 셔터(12)와 점화장치(9)와 석영유리창(13)과 센서삽입홀(16)로 구비되어 있는데 도 2와 같이 단면이 정방형(150×150mm가 바람직함)이고 길이는 높이 1m정도의 분진 공급장치(100)의 상부에 위치하여 약2,600mm정도로서 연소관의 스케일에 따라 변동이 가능하고 수직연소관(11) 하단으로부터 약 150mm에는 점화 장치(9)가 있고 1,800mm에는 셔터(12)가 위치하는 것이 바람직하며, 셔터(12)는 도 3에서와 같이 개폐가 가능하여 분진운을 점화할 때 닫히도록 되어 있으며, 점화 장치(9)는 분진운이 정지되어 균일하게 분포되어 있을 때 점화하는 장치이고, 석영유리창(13)은 화염 관측을 하기 위한 것으로 수직연소관(11)의 측면에 도 2의 A, A'와 같이 관측시의 광 반사를 억제하며, 슬라이드식으로 설치하여 측면으로부터 레이저 시트 및 광학식 측정장치를 이용한 화염관찰이 가능하다. 또한, 센서삽입홀(16)은 수직연소관(11)의 후방에 도 2의 C와 같이 형성되어 있어 화염 온도 및 화염대 근방의 이온 분포의 측정을 위한 센서(sensor)의 삽입이 가능하고, 센서를 삽입한 홀(16) 이외의 홀(16)은 볼트(bolt)에 의해 밀폐된다.

분진 공급장치(100)는 높이 1000mm 정도로서 도 2와 같이 소결 금속필터(3), 공기 공급관(1), 운반체(5), 연질고무(4)로 구비되어 있는데, 소결 금속필터(3)는 분진시료(16)가 위에 적체되고 상승기류에 의해 균일한 분진운의 분산을 가능하게 하는 여과휠터로서 금속분말을 압축, 성형하여 융점이하에서 소결한 것으로 100㎛정도의 입자를 투과시키고 크기는 140×140×2mm이며, 공기 공급관(1)은 분진 공급장치(100)의 하부 외측에 부착되어 외부로부터 공기(2a)를 유입하여 수직연소관 위로 상승시키고, 운반체(5)는 분진 공급장치(100)를 지탱하고 있어 점화시 회전축(7)의 회전에 의해 철선(6)과 연결된 운반체(5)가 분진 공급장치(100)를 이동시켜 수직연소관(11)의 하부를 개방시키며 이때 공기 공급관(1)은 분진 공급장치(100)와 분리된다.

연질고무(4)는 분진 공급장치(100)의 상단에 부착되어 있어 수직연소관(11)의 하단과 기밀하게 밀착되도록 하면서 점화시에는 분진 공급장치(100)의 연질고무(4)부분이 수직연소관(11)으로부터 분리되도록 한다.

컨트롤 타이머(14)는 수직연소관(11) 외부에 설치되어 있고 셔터(12), 점화장치(9), 솔레노이드 밸브(8)와 회전축(7) 등을 제어하여 셔터(12)의 개폐, 점화, 공기공급, 운반체의 이동으로 분진 공급장치(100)를 수직공급관(11)으로부터 분리되도록 한다.

본 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

분진운의 생성은 수직연소관(11)의 상부에 있는 셔터(12)를 개방한 상태에서 압축 공기(24)가 공기 공급관(1)으로 유입되게 한다. 분진 공급장치(100)의 하부외측에 위치한 공기 공급관(1)을 통해 외부로부터 공급된 공기(2a)는 소결 금속필터(3)를 통과하여 공기흐름을 분산시키는 효과를 내는데, 소결 금속필터를 통과한 공기(2b)는 소결 금속필터(3) 위에 적체되어 있는 분진 시료(15)를 상승 기류에 실어서 분진 시료(15)의 유동층을 형성시키고, 유동층은 연소관 내 공기(2c)와 혼합되어 연소관 내에 고르게 퍼지면서 개방되어 있는 상부의 출구 쪽으로 흘러 유출되게 된다. 이 때의 분진-공기혼합기의 수직 이동은 약 0.051m/sec(공기공급속도에 의해 다소 변동)정도의 비교적 완만한 상승 기류가 된다. 이와 같이 공기의 흐름에 의해 균일한 분진 시료(15)와 연소관 내 공기(2c)의 분진-공기혼합기가 발생되어, 수직연소관(11)을 따라 일정한 속도를 가지며 상부로 유동하면서 분진-공기혼합기가 연소관의 전체에 분산되었을 때 공기 공급관(1)으로부터의 공기 공급을 정지한다.

분진운의 점화를 위해 외부로부터 공급된 공기(2a)의 공급 정지와 동시에 운반체(5)로 분진 공급장치(100)을 이동시켜 수직연소관(11)의 하부를 개방하고, 수직연소관(11)의 상부에 있는 셔터(12)를 닫는다. 점화는 이들 과정이 완료하고 난 다음, 컨트롤 타이머(14)를 이용해 약간의 지연 시간을 갖도록 한 후 점화 장치(9)로 점화한다.

유동층을 사용하는 이점은, 컨트롤 타이머(14)에 의해 외부로부터 공급된 공기(2a)의 양과 공급된 시간을 조절하여 분진농도를 제어할 수 있으며, 공간 중에 분진 입자의 움직임을 일시적으로 최소화시켜 균일한 층류 혼합기체가 생성가능한 데 있다.

분진운 생성방법을 도 4에 의하여 설명하면 분진이 소결 금속휠터(3)에 놓여져 있는 상태(Ⅰ)에서 외부로부터 공급된 공기(2a)가 소결 금속필터(3)을 통과하여 퇴적된 분진 시료(16, d-1)를 상승시켜 분진운을 생성하고(d-2)(Ⅱ), 상방으로 이동한 분진운이 수직연소관(11) 전체에 퍼지면서 이동하여 균일하게 분산된 분진운(d-3)이 생성되면(Ⅲ), 수직연소관(11)의 상부를 닫아 상승하던 분진운이 일시 정지하는 효과가 나타나도록 하고 분진 공급장치(100)를 이동하여 수직 연소관의 하부를 개방한다(Ⅲ).

분진운의 생성을 포함한 이러한 일련의 조작은 전자 회로를 이용한 컨트롤 타이머(14)를 만들어 사용함으로서 실험 조작의 자동화가 가능하다. 컨트롤 회로의 동작은 도 5에서와 같이 분진 시료의 공급을 t_A시간(13~318sec)동안 공급한 후 분진 공급장치(100)의 분리에 의해 중단하고(A), t_B시간(0.3~0.5sec)동안 기다린 후 수직연소관(11) 상부를 셔터(12)를 이용해 닫고(B), t_C시간 동안 기다린 후 점화한다(C). t_B의 지연 시간을 설정하는 이유는, 공기의 공급을 중단한 후 일정 시간 방치함에 의해 상부로 이동하던 분진 입자에 중력이 작용하여 일시적으로 수직연소관(11)내의 공간에 정지시키는 효과를 얻기 위함이고, 외부로부터 공급된 공기(2a)의 유속에 의한 분진운의 움직임을 관찰하여 유속에 따라 지연 시간 t_B(0.3~0.5sec)의 선택이 가능하며, 분산된 분진 농도는 실험직후에 분진 공급장치(100)에 있는 분진 시료(15)의 감소량에 의해 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 분진운 생성장치(200)의 수직연소관(11) 내에 형성된 석송자(石松子 Lycopodium) 분진-공기 혼합기(농도 47g/㎥)의 분진운을 비교적 느린 속도(0.38m/sec)로 전파하는 화염의 모습(Exposure time ; 1/1500sec)을 나타낸 것인데, 석송자는 소나무 꽃가루(松花)로서 꽃가루 입자의 형태가 구형에 가깝고 입경이 거의 일정하여 분체 공학에서 표준 분체로 사용되고 있는 유기물이기 때문에 이 석송자를 분진 시료(15)로 사용하여 분진운의 균일성을 검증한다. 본 점화 실험에서 도 6에서와 같이 수직연소관 내에 형성된 화염의 형태는 화염면이 일정하며 반구의 타원형을 형성하면서 수직 전파하는 것을 볼 수 있는데, 만일 분진운이 균일하지 않거나 난류의 형태라고 한다면 반구의 타원형 같은 일정한 화염의 형태가 얻어지지 않으며 화염면의 형태가 불규칙하게 된다. 또한 화염이 시간에 따라 거의 일정하게 상방(上方)으로 이동하는 화염의 모습으로부터 본 발명의 분진 생성장치에서 얻어진 분진운은 매우 균일한 것이라고 할 수 있다.

본 발명의 특징에 대해서, 종래의 분진운 생성장치와 비교한 내용을 표 1에 나타내었으며, 표 1에서 보는 바와 같이 종래의 분진운 생성장치에 비해 보다 균일한 분진운의 생성이 가능한 특징을 가지고 있다.

< 표 1 >

	하트만 식(Hartmann type)	낙하식(Falling type)	본 발명(Present invention)
분산 방법(Dispersion method)	압축 공기(Compressed air)	기계적인 타격이나 바이브레이터에 의한 진동(Mechanical tapping or vibration with mesh)	유동층(流動層)과 소결 금속필터(Fluidized bed and Porous plate)
장치의 기계적 구조(Mechanical structure of apparatus)	복잡함(Complicated)	비교적 덜 복잡함(Comparatively less complicated)	간단하며 저렴함(Simple and low cost)
분진운의 초기분산방향(Direction of initial dispersed dust cloud)	상향(Upwards)	하향(Downwards)	상향(Upwards)
흐름 방식(Flow type)	난류(Turbulent)	층류(Laminar)	층류(Laminar)
분진 농도(Dust concentration)	1. 사용되는 분진의 양에 의존2. 분진이 분산되면서 시간에 따라 변함3. 시간에 의존적	1. 기계적 타격의 회수에 의존2. 타격의 빈도로 분포도를 조절 가능	1. 사용되는 분진 양에 독립적2. 수동적으로 변화 가능3. 양질의 일정값 유지4. 일정 시간 동안 분진 입자의 순간 정지 가능
실험 소요시간으로본 효율성(Efficiency in terms of the amount of time consumed per experiment)	비효율적(Low efficient); 다음 실험 준비를 위한 시간이 다소 필요함.(time consuming for next experimental setup)	효율적(Efficient)	효율적(Efficient)
분산된 분진운의분산성(Distribution of dispersed dust cloud)	불만족스러움.매우 불균일한 분진운에 의해 측정값이 오차가 매우 크다.	만족스러움.그러나, 실험에서 분진운의 최적 농도에 대한 실험자의 판단력이 요구되어, 결과가 실험자에 따라 변함.	만족스러움.이유는, 최적의 분진운을 결정하는데 실험자의 판단에 거의 의존하지 않기 때문.

본 발명은 난류가 없는 균일한 분진운의 생성이 가능하고 분진 농도의 설정이 자유로우며, 사용 분진량에 의한 분산성의 영향이 적다. 또한 유동층에 의한 농도의 컨트롤이 용이해서 입자의 움직임을 최소화할 수 있고 층류 분진운의 생성이 가능하며, 균일 분진운의 생성을 위한 실험조작에 있어서 실험자의 판단이 필요한 과정이 적으며, 실험조작의 자동화가 가능하므로 실험자에 따른 측정 오차를 사전에 방지할 수 있어 실험 조작의 자동화 및 실험 조작의 일반화가 가능하다.

또, 본 발명의 실험장치는 구조가 간단해서 고장이 거의 없고 제작하기 쉬워 본 발명을 이용하여 분진운 발생장치를 저렴한 값에 만들 수 있으며, 소규모로부터 대규모의 모든 스케일(scale)의 실험 장치에 적용이 가능하다.

Claims (2)

1. 균일한 분진운을 생성하는 장치에 있어서, 균일하게 분포된 분진을 폭발시키는 수직연소관(11)과, 수직연소관 아래에서 분진을 균일하게 공급하기 위한 분진 공급장치(100)와, 균일한 분진운 형성과 분진 폭발시험을 제어하는 컨트롤 타이머(14)로 구성되어 있고, 수직연소관(11)은 상부에 셔터(12)와 중간에 점화장치(9)와 측면에 화염을 관찰하는 석영유리창(13)과 후방에 센서를 삽입하는 센서삽입홀(16)이 구비되어 있으며, 분진 공급장치(100)는 수직연소관(11)과 밀착되도록 상부에 부착된 연질고무(4)와 분진(15)을 적체하고 공기를 정화하는 소결 금속필터(3)와 하부 외측에 외부로부터 공기(2a)를 유입시키도록 솔레노이드 밸브(8)와 연결되어 있는 공기 공급관(1)과 하단에 운반체(5)가 구비되어 있고, 컨트롤 타이머(14)는 셔터(12)와 점화장치(9)와 솔레노이드 밸브(8)와 회전축(7)을 제어하도록 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 분진 폭발 시험용 균일 분진운 형성장치.
2. 균일한 분진운을 생성하는 방법에 있어서, 셔터(12)를 열어 수직연소관(11) 상부를 개방한 상태에서 외부공기가 솔레노이드 밸브(8)를 통하여 공기 공급관(1)에서 분진 공급장치(100)의 하부로 유입된 공기(2a)는 완만한 상승 기류로 소결 금속필터(3)를 통과하여 정화되고 분진시료를 균일하게 분산시킬 수 있는 공기(2b)로 되어 소결 금속필터(3) 위에 적체되어 있는 분진시료(15)를 상승기류에 실어서 유동층을 형성시키고, 상부 출구쪽으로 유출되게 하여 연소관 내에 공기(2c)와 분진으로 된 분진-공기 혼합기가 상부로 유등하면서 연소관의 전체에 분산되었을 때 공기 공급을 중단하고 운반체(5)로 분진 공급장치(100)를 이동시켜 수직연소관(11)의 하부를 개방하고 수직연소관(11)의 상부에 있는 셔터(12)를 닫은 후 지연시간을 두어 분진 입자를 일시적으로 정지시켜서 균일하게 분산된 분진시료(15)를 점화하며 이들 일련의 작용이 컨트롤 타이머(14)로 제어되는 것을 특징으로 하는 분진 폭발 시험용 균일 분진운 형성방법.