KR100643123B1 - 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화가스 기액분리기에 장착되는 분사노즐에 있어서, 특히 흡입배관 끝단에 분사노즐과 2중의 메쉬로 구성된 흡입구 분사노즐을 설치함으로써, 고압의 액화가스를 1차적으로 기체와 액체로 분리시킴과 동시에 운동에너지를 감소시켜 기체는 상부의 배출구로 배출시키고 순수한 액체만이 내용기의 액체 상에 충전될 수 있도록 함으로써, 액체의 손실을 줄이고 액면을 획기적으로 안정시키는 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐에 관한 것이다.

본 발명은 내·외용기, 레벨제어센서, 흡입배관, 기체배출구, 액체공급관 및 자동충전밸브가 구성된 액화가스 기액분리기에 장착되는 분사노즐에 있어서, 상기 내용기 내부로 연장된 흡입배관의 끝단에 설치되는 것으로서, 상하단이 개방된 짧은 관이며 하부로 갈수록 점차 직경이 감소되는 분사노즐과; 상기 분사노즐에서 하부로 연장되는 관으로 그 하단이 이물질배출공이 구비되는 차단판에 의해 폐쇄되는 그물망 형태의 1차메쉬와; 상기 분사노즐에서 1차메쉬보다 더 하부로 연장되는 긴 관으로 1차메쉬의 외부에서 일정한 간격을 두고 1차메쉬를 감싸며 그 하단이 개방되는 그물망 형태의 2차메쉬; 로 이루어진다.

기액분리기, 액화가스, 흡입구, 분사노즐

Description

초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐{SUCTION DIFFUSING NOZZLE IN PHASE SEPARATOR OF CRYOGENIC LIQUEFIED GAS}

도 1은 본 발명의 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명의 흡입구 분사노즐이 설치된 초저온 액화가스 기액분리기를 나타내는 단면도,

도 3 및 도 4는 종래의 흡입구 분사노즐이 설치된 액화가스 기액분리기를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 외용기 2: 내용기

3: 자동충전밸브 4: 인입배관

5: 기체배출구 6: 액체공급관

7: 레벨제어센서 8: 흡입배관

9: 완충배관 N: 초저온액화가스

11: 분사삿갓 12: 레벨센서가이드

10: 흡입구 분사노즐 11: 분사노즐

12: 1차메쉬 13: 차단판

14: 이물질배출공 15: 2차메쉬

16: 완충배관

본 발명은 액화가스 기액분리기에 장착되는 분사노즐에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압의 액화가스를 기체와 액체로 분리시키고 운동에너지를 감소시켜 순수한 액체만이 내용기의 액체 상에 충전될 수 있도록 하는 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐에 관한 것이다.

초저온 액화가스는 -150℃ 이하에서 액화되고 잠열이 작기 때문에 소량의 열침입에 의하여 쉽게 증발해 버리며, 저장탱크에 저장된 초저온 액화가스는 열침입에 의하여 압력과 온도가 상승하는데 압력은 일반적으로 3~10barg로 유지된다.

이러한 초저온 액화가스를 멀리 떨어져 있는 장비까지 공급하기 위하여 단열성능이 우수한 배관을 사용하지만 소량의 열침입과 마찰에 의한 압력손실은 완전히 제거할 수 없기 때문에 기체가 발생하게 된다.

한편, 초저온 한랭을 이용하는 대부분의 장비들은 고밀도의 순수한 액화가스를 요구하는데, 이를 위하여 배관의 말단부 혹은 장비의 전단부에 기액분리기를 설치하여, 기체는 분리시켜 배출구를 통하여 배출하고 저압의 포화액체만을 장비에 공급한다.

그리고, 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이, 저장탱크의 고압의 액화가스는 기액분리기 전단의 배관에 설치된 자동충전밸브(3)를 통하여 기액분리기 내용기(2)로 충전되며, 기체는 상부의 배출구(5)를 통하여 대기압 상태의 외부로 배출되고 액체는 저압의 포화상태로 하부에 있는 액체 위에 합류된다.

또한, 내용기(2)의 액체 레벨은 전기적인 신호에 의한 레벨제어센서(7)와 레벨제어기를 통하여 자동충전밸브(3)를 개폐하면서 제어되며, 이렇게 충전된 순수한 액체는 기액분리기 하부의 액체 공급관(6)을 통하여 장비에 공급된다.

이 때, 기액분리기의 액체레벨이 하위 기준값 이하로 떨어지면 자동충전밸브(3)가 열려서 액화가스가 내용기(2)로 충전되는데, 3~10barg 정도의 높은 압력과 높은 내부에너지를 가진 액화가스가 순간적으로 낮은 압력의 포화액체 위에 충전되게 되면 인입되는 액화가스와 기존의 액체가 상호 혼합되어 요동을 치게 된다.

즉, 내용기(2) 내부는 액체와 기체가 상호간 혼합되어 액면의 위치가 불분명해지고, 순간적으로 대기압 상태의 배출구 쪽으로 기체가 빠져나갈 때 안개 혹은 방울형태로 뒤섞여 있는 액체를 배출구 쪽으로 밀어내어 소량이더라도 액체가 유출되는 현상이 발생한다.

한편, 레벨제어센서(7)가 액면의 위치를 상위 기준값 이상으로 감지하여 자동충전밸브(3)를 닫으면 액화가스의 요동은 멈추게 되지만, 높은 에너지 상태로 충전되는 액화가스는 낮은 에너지의 포화액체 상태로 가기 위하여 계속적으로 기체를 발생시켜 액체의 레벨은 급격히 떨어지게 되므로 충전주기가 짧아져서 효율이 떨어진다.

이를 개선하기 위하여 종래에는 도 3에서와 같이, 인입배관(4)을 하부에 설 치하고 내용기(2)의 액면 위에 삿갓형태의 관(11)을 설치하여 액화가스가 부딪쳐서 아래방향으로 액체를 분산시키도록 하는 방법이 사용되었다.

또한, 도 4에서와 같이, 상부에 설치된 인입배관(4)을 내용기(2)에 설치된 별도의 완충배관(9) 내부로 액화가스를 분사하여 높은 압력과 내부에너지를 가진 액화가스가 저압으로 포화상태에 있는 액체와 직접적으로 부딪치는 것을 방지하는 방법도 사용되었다.

그런데, 전자의 경우에는 고압의 운동에너지가 감소하고 액체가 분산되면서 기체가 상부의 배출구로 빠져나가게 되지만, 이 방법은 압력차가 2barg 정도만 되어도 액면의 불안정성과 액체가 유출되는 문제를 근본적으로 해결하지 못한다.

그리고, 후자의 경우에는 인입배관(4)을 통과한 액화가스가 내용기(2) 내부의 별도의 완충배관(9)으로 1차 충전되어 기존의 포화액체와 시간을 두고 하부에서 합류되도록 하는 효과는 있지만, 압력차가 크고 유량이 적지 않으면 그 효과가 미미하다.

즉, 액화가스가 빠른 속도로 완충배관(9)에 충전되기 때문에 순간적으로 액체는 이 배관의 상부로 넘치게 되면서 액체가 레벨제어센서(7)와 접촉하게 되어 자동충전밸브(3)가 닫히게 되는 문제가 발생할 뿐만 아니라 액면의 유동과 액체의 유출문제를 해결하지는 못한다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기액분리기 흡입배관의 고압의 액화가스를 단계적으로 분리하여 내용기의 저 압의 액체 위에 충전시킴으로써, 내용기의 액체레벨을 안정화시켜서 레벨제어를 용이하게 하고 순수한 액체만이 배출구로 유출되도록 하는 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐은 내·외용기, 레벨제어센서, 흡입배관, 기체배출구, 액체공급관 및 자동충전밸브가 구성된 액화가스 기액분리기에 장착되는 분사노즐에 있어서,

상기 내용기 내부로 연장된 흡입배관의 끝단에 설치되는 것으로서,

상하단이 개방된 짧은 관이며 하부로 갈수록 점차 직경이 감소되는 분사노즐과;

상기 분사노즐에서 하부로 연장되는 관으로 그 하단이 이물질배출공이 구비되는 차단판에 의해 폐쇄되는 그물망 형태의 1차메쉬와;

상기 분사노즐에서 1차메쉬보다 더 하부로 연장되는 긴 관으로 1차메쉬의 외부에서 일정한 간격을 두고 1차메쉬를 감싸며 그 하단이 개방되는 그물망 형태의 2차메쉬;

로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 내용기 내부에는 2차메쉬보다 더 하부로 연장되는 긴 관으로 2차메쉬의 외부에서 일정한 간격을 두고 2차메쉬를 감싸며 그 상하단이 개방되는 완충배관이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하 면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐을 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 흡입구 분사노즐이 설치된 초저온 액화가스 기액분리기를 나타내는 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐은 내·외용기(1,2), 레벨제어센서(7), 흡입배관(8), 기체배출구(5), 액체공급관(6) 및 자동충전밸브(3) 등으로 이루어지는 일반적인 기액분리기에 장착된다.

즉, 높은 압력과 내부에너지를 가진 액화가스가 기액분리기에 충전될 때, 이미 충전되어 있는 기존의 포화액체와 혼합되어 기체와 액체의 경계면 구분이 불분명한 상태가 야기됨으로써 액체레벨 제어센서(7)의 오작동 및 액체의 일부가 기체배출구(5)로 유출되는 문제점을 근본적으로 해결하기 위해서, 기액분리기 내용기(2)의 흡입배관(8) 끝단에 분사노즐(11)과 2중의 메쉬(12,13)로 구성된 흡입구 분사노즐(13)을 장착한다.

구체적으로, 본 발명의 흡입구 분사노즐(10)은 내용기(2) 내부로 연장된 흡입배관(8)의 끝단에 설치되며, 분사노즐(11), 1차메쉬(12) 및 2차메쉬(13)가 구성된다.

분사노즐(11)은 상하단이 개방된 짧은 관이며 하부로 갈수록 점차 직경이 감소되는 형태이고, 그 내경은 인입배관(4) 내경의 30~50% 정도의 크기이며 노즐길이는 노즐내경의 1~1.5배 정도이다.

1차메쉬(12)는 상기 분사노즐(11)에서 하부로 연장되는 관으로 그 하단이 차 단판(13)에 의해 폐쇄되는 그물망 형태이며, 메쉬크기가 80~100 정도로 조밀하고, 차단판(13)의 상단부 외주면에는 여러 개의 이물질배출공(14)이 수평하게 미세천공된다.

2차메쉬(15)는 상기 분사노즐(11)에서 1차메쉬(12)보다 더 하부로 연장되는 긴 관으로 1차메쉬(12)의 외부에서 일정한 간격을 두고 1차메쉬(12)를 감싸며 그 하단이 개방되는 그물망 형태이다.

이 2차메쉬(15)의 메쉬크기는 45~55 정도이며, 1차메쉬(12)와 동심을 가지면서 1차메쉬(12)의 외부에서 일정 간격을 두고 감싸도록 설치되고, 1차메쉬(12)와는 달리 하부에 차단판이 설치되지 않고 개방되며, 길이는 1차메쉬(12)의 약 3~5배 정도로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐은 다음과 같이 작용한다.

먼저, 기액분리기의 레벨이 하위 기준값 이하로 떨어지면 레벨제어센서(7)에 의하여 자동충전밸브(3)가 열리면서 고압의 액화가스가 순간적으로 인입배관(4)을 통하여 내용기(2)에 충전된다.

이 때, 분사노즐(11)은 고압의 액화가스를 가속시켜 빠른 유속으로 저압의 내용기(2)로 유도하고 액화가스를 방사형으로 확산시켜 1차메쉬(12)와 차단판(13)에 충돌하도록 유도하는 역할을 한다.

그리고, 충돌한 액체의 일부는 1차메쉬(12)의 면을 따라 하부로 흐르게 되고, 나머지는 1차메쉬(12)를 통과하여 2차메쉬(15) 방향으로 단열팽창을 하며, 기 체는 액체의 흐름에 의해 막혀있지 않은 상부로 배출된다.

2차메쉬(15)는 1차메쉬(12)를 통과한 액체의 유속을 더욱 감소시켜서 저속으로 기존의 포화액체에 합류되도록 하는 역할을 한다.

구체적으로, 고압의 액화가스는 분사노즐(11)에서 가속되면서 단열팽창하게 되는데, 기체의 온도는 떨어지고 액체는 방사형으로 확산하게 되며, 확산된 액체는 빠른 속도로 1차메쉬(12) 및 차단판(13)과 충돌하여 운동에너지를 잃음으로써 유속이 감소되고, 저압의 포화액체로 가기 위하여 기체가 발생하면서 온도가 떨어진다.

그리고, 일부 액체는 1차메쉬(12)의 면 내외부를 따라 아래로 흐르면서 떨어져 기존의 포화액체와 합류되고, 나머지는 1차메쉬(12)를 통과하면서 다시 단열 팽창을 하여 2차메쉬(16)를 향하게 된다.

1차메쉬(12)의 아래부분은 점성이 큰 액체가 흐르기 때문에 점성이 작은 기체는 1차메쉬(12)의 상부를 통하여 빠져나가게 되며, 이 과정에서 기체도 1차메쉬(12)와 충돌 및 단열팽창을 하지만 액체의 유속보다는 여전히 크다.

특히 안개 혹은 방울형태로 기체와 섞여있는 액체는 1차메쉬(12)의 면을 통과하면서 점성때문에 유속히 현저히 떨어지게 되므로 액체와 기체가 자연스럽게 분리되는 것이다.

2차메쉬(15)는 1차메쉬(12)에 비하여 구멍의 크기가 커서 기체는 쉽게 빠져나가지만 액체는 유속이 작아진 상태로 충돌하기 때문에 여전히 운동에너지를 감소시키는 역할을 한다.

1차메쉬(12)에는 차단판(13)이 설치되어 액체가 1차메쉬(12)로만 통과할 수 있는 반면에, 2차메쉬(15)에는 하부에 차단판이 없고 내용기(2)의 액면 하부 기준값 아래까지 길게 연장되어 있어서 기존의 포화액체는 항상 1차메쉬(12)의 10% 이상으로 채워진다.

1차메쉬(12)를 통과한 많은 액체는 바로 2차메쉬(15) 하부의 기존 포화액체의 액면에 합류하게 되지만, 2차메쉬(15)의 구멍이 크고, 그 하단이 개방되어 있어서 액체가 사방으로 쉽게 유동하여 액면이 2차메쉬(15)를 따라 상승하지 못할 뿐만 아니라, 2차메쉬(15)를 통과한 액체는 이미 유속이 현저히 감소하였기 때문에 기존의 포화액체와 합류하더라도 액면에 큰 유동을 야기시키지 않는다.

즉, 내용기(2)에 충전되는 고압의 액화가스는 액체와 기체의 점성의 차이로 인하여 메쉬에서 상이 분리되고, 상 분리된 기체는 상대적으로 빠른 유속으로 배출구로 빠져나가지만 순수한 기체만이 유출되며, 액체는 분산된 형태로 저속으로 기존의 액체와 합류함으로써 액면의 유동이 현저히 줄어들어 액면의 요동은 발생하지 않는다.

1차메쉬(12) 하부에 구비된 차단판(13) 상에 수평방향으로 형성된 이물질배출공(14)들은 액화가스 중에 존재할 수 있는 이물질이 통과되도록 하기 위한 것이다.

이것은 운전 중에 하부 차단판(13)으로부터 이 이물질배출공(14) 위까지 액체가 채워지고, 이물질배출공(14)으로 소량의 액체가 빠져 나가기 때문에 기체가 하부방향으로 진행하는 것을 방지한다.

종래의 흡입구 분사노즐과 비교하기 위한 본 발명의 시험예로서, LGC용기와 10m³ 용량의 초저온 탱크에서 2~10barg의 액체질소를 배관을 통하여 공급받아 5리터의 듀어(dewar)용기를 사용하여 실험을 실시하였다.

종래의 흡입구 분사노즐을 사용하는 경우에는 액체의 레벨을 제어할 수 없을 정도로 요동이 심하였고, 특히 압력이 5barg 이상에서는 액면의 경계를 구분하기 힘들 정도여서 레벨제어센서(7)가 레벨을 지시하는 것이 불가능하였다.

본 발명에 따른 흡입구 분사노즐(10)을 사용한 경우에는 압력이 높아짐에 따라 유동의 증가는 관찰되었으나 유동이 현저히 감소하였고, 액체와 기체가 완전히 분리되어 레벨제어센서(7)의 유동변화는 2% 이내이었다.

따라서, 상용화된 기액분리기에 장착하여 실험한 결과 종래에 자주 발생하였던 레벨의 불안정 문제에 의한 오작동은 전혀 발생하지 않았으며, 액체가 기체 배출구(5)를 통하여 유출되는 현상도 발견되지 않았다.

이와 같이 구성된 본 발명의 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐은 액체의 유속을 현저히 감소시켜 액화가스의 극심한 유동을 방지함으로써, 고밀도 액체질소를 사용하는 장비에 안정적으로 액체질소를 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한, 공급되는 액체질소의 압력이 10barg 이하이기만 하면 압력에 상관없이 안정적인 레벨제어가 가능하기 때문에, 일반적으로 쉽게 구할 수 있는 컨트롤러를 사용할 수 있게 되어 레벨제어 시스템의 비용도 절감되는 유용한 효과를 발휘한다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 다양하게 변경 또는 변형하여 실시할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게는 자명한 것이며, 따라서 그러한 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (2)

1. 내·외용기, 레벨제어센서, 흡입배관, 기체배출구, 액체공급관 및 자동충전밸브가 구성된 액화가스 기액분리기에 장착되는 분사노즐에 있어서,

   상기 내용기 내부로 연장된 흡입배관의 끝단에 설치되는 것으로서,

   상하단이 개방된 짧은 관이며 하부로 갈수록 점차 직경이 감소되는 분사노즐과;

   상기 분사노즐에서 하부로 연장되는 관으로 그 하단이 이물질배출공이 구비된 차단판에 의해 폐쇄되는 그물망 형태의 1차메쉬와;

   상기 분사노즐에서 1차메쉬보다 더 하부로 연장되는 긴 관으로 1차메쉬의 외부에서 일정한 간격을 두고 1차메쉬를 감싸며 그 하단이 개방되는 그물망 형태의 2차메쉬;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 내용기 내부에는 2차메쉬보다 더 하부로 연장되는 긴 관으로 2차메쉬의 외부에서 일정한 간격을 두고 2차메쉬를 감싸며 그 상하단이 개방되는 완충배관이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 초저온 액화가스 기액분리기의 흡입구 분사노즐.

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