KR100609509B1 - 기체 컨디셔너 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 TMS 시스템에 있어서 외부보호기능의 원통형의 외부재, 상기 외부재의 내외측에 이중으로 형성되어 있는 제1단열재 및 제2단열재, 상기 제1단열재의 내부에는 수용되며 냉각관의 전장의 길이에 반분하여 이중 코일 형태로 부설되는 냉매관, 상기 냉매관 내부에 수용되며 냉매관의 온도를 냉각관에 전도하는 전도재 및 상기 전도재 내부에 위치하는 냉각관, 온도센서, 온도제어장치 및 히터가 구비되고, 상기 냉각관은 하부에 공기 중 수분이 액화되어 배출되는 액체배출구 및 상부에 수분이 제거된 피검출기체가 분리되어 배출되는 기체배출구를 포함하는 외부관, 상기 외부관의 내부에 부설되는 중간노즐 및 상기 중간노즐의 내부에 위치하고 피검출기체의 관로가 되며 외주면에 내부단열층이 형성되어 있는 노즐이 구비된 냉각장치를 포함하고 상기 냉각장치의 전단계에는 피검출기체를 수용하여 필터링을 수행하는 프로브 시스템 및 상기 프로브 시스템에서 배출된 기체를 가열하는 미들히터가 구비되고, 상기 냉각장치에 냉각온도를 제어하기 위한 메인 온도제어장치와 온도제어와 시스템을 감시하는 중앙제어기가 병설되고, 상기 냉각장치의 후단계에는 기체내의 수분제거를 감시하는 습도감지센서 및 미세입자를 여과하기 위한 멤브레인 필터가 구비되는 기체 컨디셔너 시스템을 제공한다.
컨기셔너, 기체 및 액체 분리, TMS
Description
도 1은 종래 기술의 일실시예에 따른 냉각장치의 절단면도 및 절단평면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 냉각장치의 절단평면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 냉각장치의 절단면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 냉각관의 구조도.
도 5는 종래 기술의 일실시예에 따른 기체 컨디셔너 시스템의 구조도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 기체 컨디셔너 시스템의 구조도.
<도면의 주요 부호에 대한 설명>
200 : 냉각장치 201 : 전도재
202 : 온도센서 203 : 온도제어장치
204 : 히터 205 : 냉매관
206 : 제1단열재 207 : 외부재
208 : 제2단열재 400 : 냉각관
420 : 노즐 420 : 내부단열층
430 : 중간 노즐 440 : 외부관
450 : 액체배출구 460 : 기체배출구
600 : 컨디셔닝 시스템 610 : 프로브 시스템
620 : 미들히터 630 : 중앙제어기
640 : 메인온도제어장치 650 : 압력제어시스템
660 : 습도감지센서 670 : 멤브레인 필터
700 : 주분석계
본 발명은 CEM(Continuous Emission Monitoring) 시스템에 사용되는 기체분석시스템에 관한 것으로서, 특히 분석 전단계로서 샘플링 기체의 수분 및 기타의 방해성분을 제거하고 기체의 변성을 방지하기 위한 방법 및 장치에서 관한 것이다.
오늘날 환경오염는 인류의 생존과 직결되는 문제로서, 특히 공장 및 자동차의 배기가스에서 유출되는 유해성분은 인체에 치명적 영향을 미치고 지구 온난화의 주범으로 간주되고 있다. 따라서, 세계환경협약 등을 통하여 유해성분의 배출을 억제하고자 하는 노력들이 진행되고 있다. 또한, 환경관련 법규에서는 산업시설용 굴뚝에서 방출되는 유해기체를 실시간으로 측정하여 분석하는 TMS(telemetering system)을 의무화하고 있다. 이러한 유해성분 배출의 억제책의 출발점은 특정 오염 원으로부터 방출되는 유해성분을 측정 및 분석하는데 있을 것이나, 대다수의 특허는 기체분석시스템에 관련된 발명은 특정 기체에 국한되는 분석원리나 분석기기 전체에 관한 것이다. 그러나, 피검출기체를 분석함에 있어서 피검출기체를 정확히 샘플링하고 상기 기체에 함유되어 있는 수분 및 기타 불순물등을 제거하지 못한다거나 피검출물질이 변성되도록 방치한다면 검출분석장치의 정확성이 무의미한 것이 될 것이다.
이러한 피검출물질을 샘플링하는 방법으로 직접 샘플링 방법과 백(bag) 샘플링 방법이 사용되고 있다. 이러한 샘플링 방법에는 단순히 측정 및 분석하고자 하는 유해성분함유 기체를 수집하는 목적이외에 상기 수집된 기체의 불순물을 제거하고 기체 상에 존재하는 수분을 제거하여 분석하고자하는 기체성분만을 잔존시키는 단계를 포함한다.
특히 상기 분석할 기체는 샘플링되고 프로브(probe) 단계를 거친 후에 피검출기체에 잔존하고 있는 수분 등을 제거하고 시료물질의 변성을 방지하기 위하여 컨디셔닝 단계에서 처리된다. 이러한 컨디셔닝 방식으로는 보통 분석계에 있어서는 주위의 조건이나 시료의 조건에 따라 자연공냉식, 강제공냉식 또는 수냉식이 사용되고, 수분에 의한 방해를 받는 분석계의 경우에는 필요에 따라서 시료 기체 중의 수분이 얼지 않을 정도의 온도로 유지하고 수분을 냉각 응축시켜서 습기를 제한다. 이러한 방법으로는 공기 냉각 중탕방식, 물냉각 중탕방식 또는 직접 냉각 방식을 사용한다.
도 1은 종래 TMS에 사용되는 냉각장치에 관한 것으로서 공냉식 냉각장치이고 도 2는 종래 사용되는 컨디셔닝 시스템을 나타낸 것으로, 상기 시스템은 공냉식이라는 점 때문에 냉각온도가 4도로 유지되어야 함에도 불구하고 인입 기체온도와 유량변동에 따라 상기 온도가 일정하게 유지되지 않아서 이슬점 4도 이상에서 운전되어 수분이 분석계로 유출되고 공기 중의 수분응결로 성애가 발생하여 열전달시 효율이 감소되는 문제점이 있다. 또한 4도 이하로 냉각되면 냉각열의 충격으로 열전달이 예민한 부분(예를 들어 금속 피팅부분)에서 결빙되어 기체 흐름이 방해된다. 또한 단일층의 단열층만이 형성되어 있어 열손실이 발생하며 온도제어가 용이치 않아 200cc이상의 냉각수단을 사용하여 응답속도가 느린 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명의 목적은 분석계에서 정밀한 검출이 가능하도록 피검출기체에 포함되어 있는 수분을 제거하고 기체의 변성을 방지하는 기체분석용 컨디셔너 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 피검출기체에서 수분을 제거하기 위하여 급냉구조가 형성된 기체분석용 컨디셔너 시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 TMS 시스템에 있어서 외부보호기능의 원통형의 외부재, 상기 외부재의 내외측에 이중으로 형성되어 있는 제1단열재 및 제2단열재, 상기 제1단열재의 내부에는 수용되며 냉각관의 전장의 길이에 반분하여 이중 코일 형태로 부설되는 냉매관, 상기 냉매관 내부에 수용되며 냉매관의 온도를 냉각관에 전도하는 전도재 및 상기 전도재 내부에 위치하는 냉각관, 온 도센서, 온도제어장치 및 히터가 구비되고, 상기 냉각관은 하부에 공기 중 수분이 액화되어 배출되는 액체배출구 및 상부에 수분이 제거된 피검출기체가 분리되어 배출되는 기체배출구를 포함하는 외부관, 상기 외부관의 내부에 부설되는 중간노즐 및 상기 중간노즐의 내부에 위치하고 피검출기체의 관로가 되며 외주면에 내부단열층이 형성되어 있는 노즐이 구비된 냉각장치를 포함하고 상기 냉각장치의 전단계에는 피검출기체를 수용하여 필터링을 수행하는 프로브 시스템 및 상기 프로브 시스템에서 배출된 기체를 가열하는 미들히터가 구비되고, 상기 냉각장치에 냉각온도를 제어하기 위한 메인 온도제어장치와 온도제어와 시스템을 감시하는 중앙제어기가 병설되고, 상기 냉각장치의 후단계에는 기체내의 수분제거를 감시하는 습도감지센서 및 미세입자를 여과하기 위한 멤브레인 필터가 구비되는 기체 컨디셔너 시스템을 제공한다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 발명에 의한 냉각원리는 습증기의 냉각에 따른 응축의 원리를 이용한 것이며 상기 원리는 전자식 또는 냉매식 모두에 적용될 수 있다. 다만 TMS 시스템에 있어서 피검출기체의 변겅과 이로인한 합성을 방지하기 위하여 4도로의 급냉이 필요하다. 특히 대기중의 현열에 의한 냉각 즉 서냉 시에는 SO2 가 SO3으로 변성하고 이것이 다시 가스 중의 수분과 합성하여 황산이 되는 아 황산은 다시 미스트(mist)가 되어 여하한의 여과 장치에서도 제거되지 않는다. TMS 시스템에서 변성된 기체와 기타 오염물이 분석계에 미치는 데이터의 오류는 치명적이므로 상기와 같은 오류를 방지하기 위해서는 급냉구조가 이루어져야 한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 콘디셔너 시스템의 냉각장치를 나타내는 것이다.
냉각장치(200)는 외부보호기능을 하는 원통형의 외부재(207)에 내외측으로 제1단열재(206) 및 제2단열재(208)가 이중으로 형성되어 있다. 제1단열재(206)의 내부에는 냉매관(205)을 수용하며 냉매관(205)은 냉각관(400)의 전장의 길이에 반분하여 이중 코일 형태로 전도재(201)를 둘러싸게 된다. 전도재(201) 내부에서는 냉각관(400), 온도센서(202), 온도제어장치(203) 및 히터(204)가 설치된다. 통상적으로 TMS 시스템은 외부환경에서 장시간 사용됨으로 겨울철 기기의 제빙을 위해 히터(204)가 사용된다. 전도재의 온도변화는 온도센서(202)에 의해 감지되며 소정의 일정 온도가 유지되지 못하면 온도제어장치(203)에 의해 자동으로 교정된다.
냉각장치에 일 이상의 냉각관이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 3개의 냉각관이 사용될 수 있다. 냉각관(400)은 하부에 공기 중 수분이 액화되어 배출되는 액체배출구(450)와 상부에 수분이 제거된 피검출기체가 분리되어 배출되는 기체배출 구(460)를 포함하는 외부관(440)과 외부관의 내부에 부설되는 중간노즐(430), 중간노즐의 내부에 위치하고 피검출기체의 관로가 되며 외주면에 내부단열층(420)이 형성되어 있는 노즐(410)로 이루어진다. 노즐(410)에서는 프로브(probe)에서 여과된 피검즐기체가 통과하면서고 하부에 이르면 본 발명의 냉각구조에 의해 상기 기체가 약 4도로 급냉되고 이 때 기체와 액체가 분리되어 액체는 액체배출구(450)를 지나 냉각장치 외부에 설치된 응축수 트랩(미도시)으로 유도되어 제거되고 기체는 기체배출구(460)로 유도되어 다음 단계로 진행된다.
냉각장치(200)는 냉매관(205)을 통하여 냉매순환식으로 작동되며 별도의 컴프레서가 설치되어 있다. 상기 냉매는 통상의 냉매가 사용될 수 있고 바람직하게는 할로겐화 탄화 수소계의 불소를 포함하는 냉매군을 사용할 수 있고 특히 바람직하게는 프레온계 냉매를 사용한다.
전도재(201)는 직접냉각방식이며 재질은 알루미늄을 사용할 수 있으며, 알루미늄 블록에 위치한 온도센서(202)에 의해 일정 온도 유지가 가능하며 더 나아가 알루미늄 자체의 체적으로 인한 냉열, 잠열로 열충격을 완화하여 일정 온도 유지를 가중하는 역할을 한다.
외부재(207)의 내외부에 설치된 제1 및 제2단열재(206, 208)는 우레탄 재질로 이루어지고 하이로 처리가 됨이 바람직하다. 상기 이중단열재로서 외부재 벽면에 응축수분이 없어서 주변 기기에 산화를 방지할 수 있는 역할을 한다.
냉각관(400)의 재질은 파이렉스 글래스(pyrex glass)임이 바람직하며, 전체 체적이 50 내지 60cc인 냉각관이 사용될 수 있고 상기의 경우 응답속도가 1/4배 증 가할 수 있다. 노즐(410)과 중간 노즐(430)간의 간격은 기체 중의 수분의 액화에 가장 중요한 영향을 미친다. 본 발명의 발명자의 실험에 의하면 2.7mm 일 때 기체와 액체간의 분리가 가장 효율적인 것으로 밝혀졌다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 컨디셔너 시스템의 구조 다이어그램으로서 프로브 시스템(610)에서 여과된 피검출기체는 미들히터(620)에서 120도 내지 150도 사이로 예열된다. 통상적으로 피검출기체는 HCN, HCl 등 다수의 흡습성 유독성분을 포함하고 있어 이를 일정온도 이상에서 예열되지 않은 상태에서 이송되면 이송 중 기체 성분이 변성되고 도관 상에 응축·고착되어 오염을 초래할 수 있다. 따라서 피검출기체를 일정온도 이상에서 예열하는 것이며 상기 온도는 피검출기체의 성질에 따라 120도 내지 150도로 제어된다. 상기 예열된 기체는 냉각장치(200)에서 4도로 급냉되어 기체와 액체가 분리되고 분리된 기체는 습도감지센서(660)에 의해 검수된다. 예를 들어 검수 결과 보다 수분이 제거될 신호가 중앙제어기에 입력된 경우 부가적으로 압력제어시스템(650)에 의해 냉각관(400)에 압력을 증압 내지 감압하여 피검출기체의 상태를 최적으로 한다. 습도감지센서(660)를 지난 기체는 멤브레인 필터(670)에서 미세입자를 제거하고 주분석계(700)로 유입되고 최종 기체의 성분이 분석 평가된다.
상기 냉각장치에서 부유 상의 먼지 등이 급냉으로 인하여 주변의 습기가 응축시 젖은 입자가 되어 자가비중의 증가로 침강하여 응축수와 혼합되어 탁도가 증가된 상태로 배출된다.(서냉 및 이슬점 온도가 10도 이상의 조건에서는 유동상이 되어 젖은 입자로 되지 않는다) 이때의 미세입자 제거율이 절대값의 50% 이하에 그 치게 되며, 프로브 시스템에서는 2 내지 5㎛ 이사의 입자가 제거되나 5㎛ 이하의 입자가 많을 경우에는 멤브레인 필터(670)를 사용하게 된다. 상기 필터는 0.4μ 메시 입도의 필터임이 바람직하다.
실시예
- 미들히터에서 150도(절대습도 35%)로 가열
- 총유량이 20L/분으로 흡입(최대)
- 냉각관의 이슬점 온도를 4도로 유지
- 효율 80%
- 전도재 : 직경 100mm, 길이 270mm
- 냉각관 : 직경 6mm, 노즐과 중간노즐 간의 간격 2.7mm
- 물의 증발잠열 : 539 Kcal/Kg
- 기체 1몰의 표준체적 : 22.4L/몰
- 1몰 당 기체 내 물의 무게 : 18g
* 응축수의 증발잠열
* 습윤기체의 냉각열량
* 총냉각열량
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 기체분석용 컨디셔너 시스템은 알루미늄 전도재로서 직접냉각 방식에 의하고, 노즐과 중간노즐의 간격을 가장 적합한 이격시켜서 일정 온도유지가 가능할 뿐만 아니라 고열의 기체를 급냉하여 기체내에 수분을 제거하는 효율이 우수하여 기체분석기 정확한 데이터를 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 이중단열 구조로 열손실을 최소화하고 냉각관의 체적을 최소로 함으로서 연속계 처리에 있어서 신속한 분석이 가능케 된다.
Claims (8)
- TMS 시스템에 있어서,외부보호기능의 원통형의 외부재,상기 외부재의 내외측에 이중으로 형성되어 있는 제1단열재 및 제2단열재,상기 제1단열재(206)의 내부에는 수용되며 냉각관의 전장의 길이에 반분하여 이중 코일 형태로 부설되는 냉매관,상기 냉매관 내부에 수용되며 냉매관의 온도를 냉각관에 전도하는 전도재 및상기 전도재 내부에 위치하는 냉각관, 온도센서, 온도제어장치 및 히터가 구비되고,상기 냉각관은 하부에 공기 중 수분이 액화되어 배출되는 액체배출구 및 상부에 수분이 제거된 피검출기체가 분리되어 배출되는 기체배출구를 포함하는 외부관,상기 외부관의 내부에 부설되는 중간노즐 및상기 중간노즐의 내부에 위치하고 피검출기체의 관로가 되며 외주면에 내부단열층이 형성되어 있는 노즐이 구비된 냉각장치를 포함함을 특징으로 하는 기체 컨디셔너 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 냉각장치의 전단계에는 피검출기체를 수용하여 필터링을 수행하는 프로 브 시스템 및 상기 프로브 시스템에서 배출된 기체를 가열하는 미들히터가 구비되고,상기 냉각장치에 냉각온도를 제어하기 위한 메인 온도제어장치와 온도제어와 시스템을 감시하는 중앙제어기가 병설되고,상기 냉각장치의 후단계에는 기체내의 수분제거를 감시하는 습도감지센서 및 미세입자를 여과하기 위한 멤브레인 필터가 구비됨을 특징으로 하는 기체 컨디셔너 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단열재는 알루미늄 블록임을 특징으로 하는 기체 컨디셔너 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2단열재는 우레탄 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 기체 컨디셔너 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉각관은 파이렉스 재질로 이루어짐을 특징으로 하는 기체 컨디셔너 시스템.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 노즐과 중간 노즐의 간격은 2.7mm임을 특징으로 하는 기체 컨디셔너 시스템.
- 제2항에 있어서, 습도감지센서에서 검수 결과 보다 수분이 제거될 신호가 중앙제어기에 입력된 경우 부가적으로 냉각관(400)에 압력을 증압 내지 감압하는 압력제어시스템을 포함함을 특징으로 하는 기체 컨디셔너 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 멤브레인 필터의 입도는 0.4μ 메시임을 특징으로 하는 기체 컨디셔너 시스템.
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