KR101195375B1 - 연료 수분 미소 정량 공급기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 수분 미소 정량 공급기에 관한 것으로서, 물과 수분을 함유하고 있는 워터봄베; 상기 워터봄베 내로 이송가스를 공급하는 이송가스공급부; 상기 워터봄베를 가열하는 제1히터부; 상기 워터봄베와 일 단부가 연결되어, 상기 수분과 이송가스의 혼합기체의 이동통로가 되는 수분공급도관; 상기 수분공급도관의 외주연을 가열하는 제2히터부; 상기 수분공급도관의 타 단부와 연결되어, 상기 이동된 혼합기체가 고체연료에 혼입되는 수분공급부; 상기 제1히터부와 연결되어, 상기 워터봄베 내의 물의 온도를 변화시켜 수분량을 제어하는 제1온도제어부; 및 상기 제2히터부와 연결되어, 상기 수분공급도관의 온도가 그 내부를 이동하는 수분 분압에 대한 이슬점온도 이상으로 유지될 수 있도록 제어하는 제2온도제어부;를 포함하여 이루어지며, 상기 제2히터부는, 상기 수분공급도관이 삽입되는 보호관 및 상기 보호관의 외주연에 권취되는 히팅케이블로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 물질전달이론을 이용하여 워터봄베 내의 물의 높이와 단면적 및 물의 온도 변화에 따른 고체연료에 공급되는 수분량을 극미량(시간당 100mg 이하)으로 조절할 수 있으며, 또한 수분의 이동통로인 수분공급도관의 온도를 수분분압에 대한 이슬점온도 이상으로 유지시켜 고체연료에 공급되는 수분량의 정확성을 높일 수 있는 유리한 효과가 있다.

Description

연료 수분 미소 정량 공급기{FUEL MOISTURE MICRO SUPPLIER}

본 발명은 연료 수분 미소 정량 공급기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고체연료에 공급되는 수분량을 극미량으로 정확하게 조절할 수 있는 연료 수분 미소 정량 공급기에 관한 것이다.

석탄 연료는 지구상에 존재하는 최대 매장량을 가진 자원으로서 화력발전시에 높은 효율을 얻을 수 있는 에너지원이다. 우리나라는 최근까지 수분이 적고 발열량이 큰 석탄을 사용하여 왔고 발전소에서도 대부분 이러한 석탄을 사용하도록 설계되어 있지만, 현재에는 대부분의 연료를 해외에서 수입해야 하는 상황이고 석탄 가격의 상승으로 인하여 저급탄을 사용하여 발전을 해야 하는 경우가 많아졌다. 그러나 이러한 저급탄은 대체적으로 발열량이 낮고 휘발분이 높으며 수분함량이 높고 회분 함량이 낮은 특성을 가지고 있다.

하지만, 현재까지의 연구결과에 의하면, 수분 및 휘발 물질 그리고 입자크기의 영향은 보일러의 연소 특성에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있고, 특히 저급탄으로 갈수록 수분량이 많아지는 특성이 있는데 보일러 내에 수분이 많은 석탄을 연료로 사용할 경우에는 수분으로 인한 발열량의 저하와 증발잠열로 인해 수분이 증가함에 따라 화로 내부의 온도가 낮아져서 발전효율에 악영향을 미치는 문제가 발생하였다.

따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 연구목적으로, 또는 기체 상태의 수분을 극미량으로 공급할 필요가 있는 산업의 제반분야에 두루 적용될 수 있도록, 고체에 함유되는 수분량을 극미량으로 제어할 수 있는 실험장치의 필요성이 대두되었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 워터봄베 내의 물의 높이와 단면적 및 물의 온도에 변화를 줌으로써, 고체연료에 공급되는 수분량을 극미량으로 조절할 수 있는 연료 수분 미소 정량 공급기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 고체연료로 공급되는 수분의 이동통로인 도관상의 응축현상을 방지하여, 공급되는 수분량의 정확성을 높일 수 있는 연료 수분 미소 정량 공급기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 연료 수분 미소 정량 공급기는, 물과 수분을 함유하고 있는 워터봄베; 상기 워터봄베 내로 이송가스를 공급하는 이송가스공급부; 상기 워터봄베를 가열하는 제1히터부; 상기 워터봄베와 일 단부가 연결되어, 상기 수분과 이송가스의 혼합기체의 이동통로가 되는 수분공급도관; 상기 수분공급도관의 외주연을 가열하는 제2히터부; 상기 수분공급도관의 타 단부와 연결되어, 상기 이동된 혼합기체가 고체연료에 혼입되는 수분공급부; 상기 제1히터부와 연결되어, 상기 워터봄베 내의 물의 온도를 변화시켜 수분량을 제어하는 제1온도제어부; 및 상기 제2히터부와 연결되어, 상기 수분공급도관의 온도가 그 내부를 이동하는 수분 분압에 대한 이슬점온도 이상으로 유지될 수 있도록 제어하는 제2온도제어부;를 포함하여 이루어지며, 상기 제2히터부는, 상기 수분공급도관이 삽입되는 보호관 및 상기 보호관의 외주연에 권취되는 히팅케이블로 구성되는 것을 특징으로 한다.

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상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따르면 첫째, 다양한 규격으로 제작된 워터봄베 내로 이송가스를 공급하고 제1히터부와 제1온도제어부로 워터봄베내의 온도를 조절함으로써, 워터봄베 내의 물의 높이와 단면적 및 물의 온도의 변화에 따른 고체연료에 공급되는 수분량을 극미량(시간당 100mg 이하)으로 조절할 수 있는 유리한 효과가 있다.

둘째, 워터봄베 내에서 혼합된 수분과 이송가스가 이동하는 통로인 수분공급도관에는 관로에서의 응축현상을 방지하기 위해 제2히터부와 제2온도제어부가 구비되어, 수분공급도관의 온도를 수분분압에 대한 이슬점온도 이상으로 유지시켜 고체연료에 공급되는 수분량의 정확성을 높일 수 있는 유리한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 수분 미소 정량 공급기의 사용상태도이다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 수분 미소 정량 공급기(100)의 사용상태도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 수분 미소 정량 공급기(100)는 워터봄베(10), 이송가스공급부(20), 제1히터부(30), 수분공급도관(50), 제2히터부(60) 및 수분공급부(80)로 이루어진다.

상기 워터봄베(Water Bombe)(10)는 증발을 통해 수분을 발생시킬 수 있도록 일정 높이로 물을 저장하고 있는 용기이다. 워터봄베(10)는 유리(glass) 재질의 투명 용기로 제작되어 관측자가 외부에서 물의 높이를 용이하게 관찰할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한 후술되는 바와 같이 증발되는 수분량을 조절하기 위해, 부피와 단면적을 달리하는 다양한 규격으로 제작될 수 있다.

한편, 상기 워터봄베(10)의 입구를 밀폐하기 위해서 우레탄 고무마개가 설치되는데, 상기 마개에는 두 개의 튜브를 내부로 삽입한다. 하나는 후술되는 이송가스공급부(20)로부터 증발된 수분을 이송하기 위한 이송가스(carrier gas)가 주입되는 튜브이고, 다른 하나는 용기내에서 증발된 수분과 이송가스의 혼합기체가 후술되는 수분공급도관(50)으로 배출되도록 하는 튜브이다.

공학적으로 고체, 액체, 기체를 모두 극미량으로 정량 공급하는 것은 대단히 어렵다. 특히 기체유량을 정밀하게 제어하는 기체유량제어장치(Mass Flow Controller,MFC)의 경우도 장치 자체에서 발생하는 오차때문에 기체를 극미량으로 공급하는데에는 한계가 있다. 또한 MFC는 습도(Humidity)에 대한 정확성이 보고되어 있지 않기 때문에 극미량의 수분 공급을 필요로 하는 곳에서는 해결점을 제시하지 못한다.

수분을 발생시키는 방법으로는 크게 두 가지를 언급할 수 있는데, 그 중 하나가 끓임(Boiling)이고, 다른 하나는 증발(evaporation)이다. 끓임의 경우는 끓는 순간 유체의 속도 변화가 크게 발생하기 때문에 극미량으로 제어되지 못하고, 균일한 유량을 유지시킬 수 없다. 따라서 본 발명인 연료 수분 미소 정량 공급기(100)는 극미량의 수분을 발생시키면서 균일한 유량으로 공급되도록 하기 위해 증발을 통해 수분량을 조절하는 워터봄베(10)를 사용한다.

상기 이송가스공급부(20)는, 전술한 워터봄베(10) 내에서 발생된 수분을 고체연료로 이송하기 위한 이송가스를 워터봄베(10) 내로 공급한다. 이송가스는 질소가스로 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 증발된 기체 상태인 극미량의 수분을 고체연료로 공급하기 위해서 물질전달이론을 이용한다. 즉, 물질전달은 상 사이의 경계면에서 물질이 서로 이동하는 것을 말하는 것으로, 이동원리는 확산에 의하여 일어나며 혼합성분에서 두 지점의 농도차이가 있을 때 발생한다. 또한, 두 개의 상 사이에서 농도의 차이가 크면 클수록 물질전달은 활발히 일어나게 된다. 예를 들면 대기로의 물의 증발은 물 표면과 공기 사이의 농도차이로 인해 물 표면에서 공기속으로 "추진력"이 작용하여 일어나는 현상이다.

따라서, 본 발명인 연료 수분 미소 정량 공급기(100)는, 워터봄베(10) 내부로 주입되는 질소가스의 수분 농도가 기체-액체 접촉면의 수분농도보다 작기 때문에 물질 확산에 의해서 수분이 빠른 속도로 용기 출구로 이동됨을 이용한다. 이때 질소가스 내의 수분은 역으로 액화되지 않으며 질소가스가 물에 녹지 않기 때문에, 증발되는 수분량은 물질 전달 이론과 질량 보존 이론을 모두 만족하게 된다.

상기 제1히터부(30)는, 상기 워터봄베(10)를 가열하여 수분발생량을 조절하기 위해 용기 외면에 실리콘 러버 히터(Electric silicon rubber heater)를 부착하여 물의 온도를 제어하도록 한다. 실리콘 러버 히터는 내화학성이 우수하고 사용온도가 180℃~200℃로서 실험용으로 적당하며, 산업용으로 사용할 경우에는 기 공지된 다양한 히터수단으로 대체될 수 있다.

물질전달이론에 따른 단위면적 및 단위시간당 증발량인, 증발 질량 플럭스(m_A)는 다음의 수학식으로 나타낸다.

수학식

여기서,

는 증발 질량 플럭스

,

는 밀도

,

는 이성분확산계수(binary diffusivity)

,

은 용기 내의 기체 기둥의 높이

이며,

는 계면에서의 물의 질량 분율이다.

따라서, 워터봄베(10)로부터 증발되는 수분량은 용기 내의 물의 높이(

)와 증발 단면적(

) 뿐만 아니라 물의 온도(

)의 조절에 따른 수분 질량분율의 변화로 극미량(시간당 100mg 이하) 제어가 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료 수분 미소 정량 공급기(100)는, 전술한 제1히터부(30)와 연결되어 워터봄베(10) 내의 물의 온도를 변화시켜 수분량을 제어하는 제1온도제어부(40)가 더 포함될 수 있다.

상기 제1온도제어부(40)는 워터봄베(10)의 용기 내부에 열전대(41)를 삽입하여 물의 온도를 피드백하여 PID 온도제어기가 수분 발생량을 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 수분공급도관(50)은, 전술한 워터봄베(10) 내에서 수분과 이송가스가 혼합되고, 이러한 혼합기체가 고체연료로 혼입되는 수분공급부(80)로 이동하는 통로가 된다.

상기 제2히터부(60)는, 전술한 수분공급도관(50)의 외주연을 가열하여 관로를 이동하는 수분의 응축을 방지하는 역할을 한다. 즉, 수분을 이송하기 위한 이송가스(질소가스)와 수분의 혼합기체가 수분공급도관(50)을 이동할 때, 미세관로인 수분공급도관(50) 벽면의 낮은 온도로 인해 수분의 일부가 이슬점 온도 이하로 떨어지면서 응축이 발생하게 된다. 이는 수분의 정량공급을 곤란하게 한다. 따라서 제2히터부(60)를 이용하여 수분공급도관(50)의 외주연을 가열하여 수분 분압에 대한 이슬점 온도 이상으로 유지함으로써 수분의 응축을 방지할 수 있게 된다. 바람직하게는 수분공급도관(50)의 외부에 보호관(51)을 씌워서 강도를 보강한 후에, 그 보호관(51) 위에 히팅케이블(Electric heating cable)을 감는 것으로 구성됨이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 수분 미소 정량 공급기(100)는, 전술한 제2히터부(60)와 연결되고 수분공급도관(50)의 온도가 그 내부를 이동하는 수분 분압에 대한 이슬점온도 이상으로 항상 유지될 수 있도록 제어하는 제2온도제어부(70)가 더 포함될 수 있다. 바람직하게는 제2히터부(60)에 열전대(71)를 삽입하여 PID 온도제어기(PID temperature controller)를 이용하여 이슬점 온도 이상으로 유지시킨다.

상기 수분공급부(80)는, 수분이 포함된 혼합기체의 이동통로인 수분공급도관(50)의 말 단부에 위치하며, 여기서 고체연료와 이동된 수분의 혼합이 일어난다. 이후 필요한 수분함유량으로 조절된 고체연료는 실험을 위해 버너 등으로 이동하여 연소반응에 사용된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명인 연료 수분 미소 정량 공급기(100)는, 물질전달이론을 이용하여 워터봄베(10) 내의 물의 높이와 단면적 및 물의 온도 변화에 따른 고체연료에 공급되는 수분량을 극미량(시간당 100mg 이하)으로 조절할 수 있으며, 또한 수분의 이동통로인 수분공급도관(50)의 온도를 수분 분압에 대한 이슬점온도 이상으로 유지시켜 고체연료에 공급되는 수분량의 정확성을 높일 수 있는 유리한 효과가 있다.

100 : 연료 수분 미소 정량 공급기 10 : 워터봄베
20 : 이송가스공급부 30 : 제1히터부
40 : 제1온도제어부 41 : 열전대
50 : 수분공급도관 51 : 보호관
52 : 히팅케이블
60 : 제2히터부 70 : 제2온도제어부
71 : 열전대 80 : 수분공급부

Claims (3)

1. 물과 수분을 함유하고 있는 워터봄베;
   상기 워터봄베 내로 이송가스를 공급하는 이송가스공급부;
   상기 워터봄베를 가열하는 제1히터부;
   상기 워터봄베와 일 단부가 연결되어, 상기 수분과 이송가스의 혼합기체의 이동통로가 되는 수분공급도관;
   상기 수분공급도관의 외주연을 가열하는 제2히터부;
   상기 수분공급도관의 타 단부와 연결되어, 상기 이동된 혼합기체가 고체연료에 혼입되는 수분공급부;
   상기 제1히터부와 연결되어, 상기 워터봄베 내의 물의 온도를 변화시켜 수분량을 제어하는 제1온도제어부; 및
   상기 제2히터부와 연결되어, 상기 수분공급도관의 온도가 그 내부를 이동하는 수분 분압에 대한 이슬점온도 이상으로 유지될 수 있도록 제어하는 제2온도제어부;를 포함하여 이루어지며,
   상기 제2히터부는, 상기 수분공급도관이 삽입되는 보호관 및 상기 보호관의 외주연에 권취되는 히팅케이블로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료 수분 미소 정량 공급기.
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