KR101661064B1 - 써멀 디뉴더, 이를 가지는 블랙카본입자 측정시스템 및 측정방법 - Google Patents

써멀 디뉴더, 이를 가지는 블랙카본입자 측정시스템 및 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 측정대상인 블랙카본입자가 포함되는 에어로졸이 통과하면서 가열되도록 하여, 에어로졸에 포함되는 습기와 VOC를 제거하는 가열부; 상기 가열부의 온도를 측정하여 감지신호를 출력하는 온도감지부; 상기 온도감지부로부터 출력되는 감지신호를 수신받아 상기 가열부의 온도를 제어하는 제어부; 및 상기 가열부를 통과한 에어로졸을 냉각시켜서 측정장비에 공급되도록 하는 냉각부;를 포함하도록 한 써멀 디뉴더, 이를 가지는 블랙카본입자 측정시스템 및 측정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 블랙카본 입자 중에 포함되는 습기와 VOC(Volatile Organic Compound)을 고온, 예컨대 150~250℃로 가열하여 제거함으로써 가열 박리된 블랙카본입자에 대한 수농도 및 질량농도 등을 정확하게 측정할 수 있도록 하고, 가열된 블랙카본입자를 상온으로 냉각시켜서 측정장비에 공급되도록 함으로써 측정장비의 동작 및 측정에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.

Description

써멀 디뉴더, 이를 가지는 블랙카본입자 측정시스템 및 측정방법{Thermal denuder, black carbon particle measurement system with the same and measurement method thereof}
본 발명은 써멀 디뉴더, 이를 가지는 블랙카본입자 측정시스템 및 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 측정의 신뢰도가 뛰어난 블랙카본입자를 확보하기 위한 써멀 디뉴더, 이를 가지는 블랙카본입자 측정시스템 및 측정방법에 관한 것이다.
일반적으로, 열차, 선박, 산업용 차량 등에서는 디젤엔진을 사용하는 것이 보편적이며, 디젤 승용차의 출시가 늘어나면서 디젤엔진의 사용이 증가하고 있다.
이러한 디젤엔진의 사용량 증가 경향은 디젤엔진으로부터 배출되는 배출 가스에 포함된 검댕(Soot), 블랙카본(Black carbon) 등의 입자상 물질(Particulate Matter ; PM)(즉, 매연)의 배출량을 증가시키고 있으며, 이러한 배출물들은 환경오염, 특히 대기오염과 지구온난화의 주원인이 되어 점차 그 규제가 강화되고 있다.
이와 같은 디젤엔진에 사용되는 연료를 비롯하여, 석탄, 석유, 나무 등과 같이 탄소를 포함한 연료가 불완전 연소할 때, 블랙카본입자가 배출되는데, 이러한 블랙카본입자는 자동차 매연 등에 포함되어 있으며, 가시광선을 흡수해 적외선으로 전환시켜서 대기 중으로 배출될 때, 열을 함께 배출되기 때문에 지구온난화에 악영향을 미친다. 따라서 대기오염 방지 및 환경 보호를 위하여 블랙카본입자의 정확한 측정과 이에 대한 배출 방지 내지 최소화가 필요하게 되었다.
종래의 블랙카본입자 측정과 관련된 기술로는, 한국공개특허 제10-2012-0039219호의 "입자상 대기오염물질 측정과 대기질 모니터링을 위한 파티클 카운팅 장치"가 제시된 바 있는데, 이는 입자상 대기오염물질 측정과 대기질 모니터링을 위한 파티클 카운팅 장치에 있어서, 입자상 대기에 포함된 대기오염물질 및 온실가스를 수집하여 실시간으로 생성한 대기분석정보를 디스플레이하며, 생성한 대기분석정보를 접속된 모니터링서버로 전송하는 파티클 카운터; 강우 및 강설에 의한 외부 환경요인의 차단을 위해 상기 파티클 카운터 상측에 구비되는 선형커버; 복수개의 원통형 지지봉으로 구성되어 그 상단의 상측 결합부를 통해 상기 선형커버를 지지하며, 그 하단의 하측 결합부를 통해 지지부재의 상측과 고정되는 지지대; 및 그 상측 중앙부에 구비되는 상기 파티클 카운터를 지지하고, 상기 지지봉의 하측 결합부와 결합되어 상기 지지봉을 지지하는 지지부재;를 포함하고, 상기 파티클 카운터는, 대기유입모듈에 의해 수집된 입자상 대기오염물에 포함된 대기오염물질(일산화탄소(CO), 블랙카본(BC), 유기탄소(OC), 질소산화물(NOx), 아황산가스(SO2), 암모니아(NH3), 휘발성유기성분(NMVOC)) 및 온실가스(이산화탄소(CO2), 이산화질소(N2O) 및 매탄(CH4))을 추출하여 대기분석정보를 생성하는 대기분석모듈을 포함하고 있다.
그러나, 블랙카본입자 중에는 습기와 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compound, 이하, 'VOC'라 함)이 포함되어 있고, 이러한 습기와 휘발성유기화합물의 미세입자는 블랙카본입자의 측정에 영향을 주어 정확한 측정을 어렵게 하는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 블랙카본 입자 중에 포함되는 습기와 VOC(Volatile Organic Compound)을 제거함으로써 블랙카본입자의 수 농도 및 질량 농도 등을 정확하게 측정하도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 측정대상인 블랙카본입자가 포함되는 에어로졸이 통과하면서 가열되도록 하여, 에어로졸에 포함되는 습기와 VOC를 제거하는 가열부; 상기 가열부의 온도를 측정하여 감지신호를 출력하는 온도감지부; 상기 온도감지부로부터 출력되는 감지신호를 수신받아 상기 가열부의 온도를 제어하는 제어부; 및 상기 가열부를 통과한 에어로졸을 냉각시켜서 측정장비에 공급되도록 하는 냉각부;를 포함하는, 써멀 디뉴더가 제공된다.
상기 가열부는, 상기 에어로졸이 통과하기 위한 경로를 제공하는 가열파이프; 상기 가열파이프에 길이방향을 따라 다수로 설치되어 열을 제공하고, 상기 제어부에 의해 동작 및 가열온도가 제어되는 히터; 및 상기 가열파이프와 함께 상기 히터를 감싸는 하우징;을 포함할 수 있다.
상기 가열부는, 상기 가열파이프에서 외기에 노출되는 부분을 제외한 가열구간이 1,500~2,000mm의 길이를 가지고, 상기 히터가 상기 제어부의 제어의 의해 상기 가열파이프를 통과하는 에어로졸을 상온으로부터 300℃까지 가열할 수 있다.
상기 냉각부는, 상기 가열부를 통과한 에어로졸이 통과하도록 800~1,600mm의 길이를 가지는 냉각파이프로 이루어지고, 통과하는 에어로졸을 대기와의 열교환에 의해 상온으로 냉각시킬 수 있다.
상기 온도감지부는, 상기 가열부에서 에어로졸이 가열을 위해 유입되기 위한 전단에 설치되는 제 1 온도센서; 및 상기 가열부에서 에어로졸이 가열되어 배출되기 위한 후단에 설치되는 제 2 온도센서;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 블랙카본입자를 측정하기 위한 시스템으로서, 상기 블랙카본입자가 포함된 에어로졸을 가열하여 수분과 VOC(Volatile Organic Compound)를 제거하고, 냉각시켜서 배출시키며, 본 발명의 일측면에 따른 써멀 디뉴더; 및 상기 써멀 디뉴더로부터 배출되는 에어로졸에 포함되는 블랙카본입자의 수 농도나 질량 농도 중 어느 하나 또는 모두를 측정하는 측정부;를 포함하는, 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 블랙카본입자를 측정하기 위한 시스템으로서, 상기 블랙카본입자가 포함된 에어로졸을 가열하여 수분과 VOC(Volatile Organic Compound)를 제거하고, 냉각시켜서 배출시키며, 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 써멀 디뉴더; 상기 써멀 디뉴더로부터 공급되는 에어로졸로부터 블랙카본입자의 하전분포를 중화시키는 중화기; 상기 중화기로부터 공급되는 블랙카본입자로부터 원하는 측정 입자 사이즈를 가진 블랙카본입자를 분급하는 입자분급기; 상기 입자분급기에 의해 분급된 블랙카본입자를 공급받아 블랙카본입자의 수 농도를 측정하는 수농도측정기; 및 상기 입자분급기에 의해 분급된 블랙카본입자를 공급받아 블랙카본입자의 질량 농도를 측정하는 질량농도측정기;를 포함하는, 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 측정대상인 블랙카본입자가 포함되는 에어로졸을 정해진 온도로 가열하여 에어로졸에 포함되는 습기와 VOC를 제거하는 단계; 상기 습기와 상기 VOC가 제거된 에어로졸을 상온으로 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 에어로졸을 공급받아 수 농도와 질량 농도 중 어느 하나 또는 모두를 측정하는 단계:를 포함하는, 블랙카본입자 측정방법이 제공된다.
상기 에어로졸에 포함되는 습기와 VOC를 제거하는 단계는, 가열파이프를 통과하는 에어로졸을 히터에 의해 150~250℃로 가열할 수 있다.
상기 측정하는 단계는, 상기 냉각된 에어로졸을 공급받아 블랙카본입자의 하전분포를 중화시키는 단계; 상기 중화된 블랙카본입자로부터 원하는 측정 입자 사이즈를 가진 블랙카본입자를 분급하는 단계; 상기 분급된 블랙카본입자의 수 농도를 측정하는 단계; 및 상기 분급된 블랙카본입자의 질량 농도를 측정하는 단계:를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 써멀 디뉴더, 이를 가지는 블랙카본입자 측정시스템 및 측정방법에 의하면, 블랙카본 입자 중에 포함되는 습기와 VOC(Volatile Organic Compound)을 고온, 예컨대 150~250℃로 가열하여 제거함으로써 가열 박리된 블랙카본입자에 대한 수 농도 및 질량 농도 등을 정확하게 측정할 수 있도록 하고, 가열된 블랙카본입자를 상온으로 냉각시켜서 측정장비에 공급되도록 함으로써 측정장비의 동작 및 측정에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더의 배선도를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 파이프의 열 유동 해석시 사용된 메쉬 그리드를 나타낸 도면이다.
도 5는 최대유량의 배기가스 가열시 관의 길이에 따른 온도분포 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 최대유량의 배기가스 냉각시 관의 길이에 따른 온도분포 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 최소유량의 배기가스 가열시 관의 길이에 따른 온도분포 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 최소유량의 배기가스 냉각시 관의 길이에 따른 온도분포 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더(100)는 가열부(110), 온도감지부(121,122), 제어부(130) 및 냉각부(140)를 포함할 수 있다.
가열부(110)는 측정대상인 블랙카본입자가 포함되는 에어로졸이 통과하면서 가열되도록 하여, 에어로졸에 포함되는 습기와 VOC를 제거하도록 하는데, 이러한 에어로졸을 일례로 디젤배기관(10; 도 3에 도시)으로부터 공급라인(11)을 통해 공급받을 수 있다.
가열부(110)는 예컨대 에어로졸이 통과하기 위한 경로를 제공하는 가열파이프(111)와, 가열파이프(111)에 길이방향을 따라 다수로 설치되어 열을 제공하고, 제어부(130)에 의해 동작 및 가열온도가 제어되는 히터(112)와, 가열파이프(111)와 함께 히터(112)를 감싸는 하우징(113)을 포함할 수 있다. 여기서 가열파이프(111)는 일례로 스테인레스스틸 재질로 이루어질 수 있고, 이에 한하지 않고, 금속 재질이나 그 밖에 고온에 견디는 다양한 재질의 파이프가 사용될 수 있다. 또한 가열파이프(111)에서 외기에 노출되는 부분을 제외한 가열구간, 예컨대 하우징으로 감싸지는 구간이 1,500~2,000mm의 길이(L1)를 가질 수 있으며, 10~16mm의 직경과 1~2mm의 벽체두께를 가질 수 있다. 또한 히터(112)는 일례로 세라믹 히터로 이루어질 수 있는데, 이에 한하지 않고 다양한 열원을 제공하는 히팅장치가 사용될 수 있으며, 본 실시례에서처럼 가열파이프(111)의 외측면에 길이방향을 따라 다수의 열, 예컨대 2열로 설치될 수 있고, 외부로부터 공급되는 전기에너지를 열로 변환시키도록 하고, 제어부(130)의 제어의 의해 가열파이프(111)를 통과하는 에어로졸을 상온으로부터 300℃까지 가열할 수 있다. 하우징(113)은 히터(112)를 가열파이프(111)에 고정시키기 위한 홈이나 돌기 등의 장착 구조를 가지고서, 단열 기능을 가지는 재질로 이루어질 수 있으며, 내부가 개폐되도록 다수로 분할되는 구조를 가질 수 있는데, 이러한 리지드(rigid)한 구조 이외에 테이핑되는 시트 구조를 비롯하여 다양한 구조를 가질 수 있다.
온도감지부(121,122)는 가열부(110)의 온도를 측정하여 감지신호를 출력하도록 한다. 온도감지부(121,122)는 일례로 써멀커플로 이루어질 수 있고, 본 실시례에서처럼 제 1 및 제 2 온도센서(121,122)로 이루어질 수 있다. 여기서 제 1 온도센서(121)는 가열부(110)에서 에어로졸이 가열을 위해 유입되기 위한 전단에 설치될 수 있다. 제 2 온도센서(122)는 가열부(110)에서 에어로졸이 가열되어 배출되기 위한 후단에 설치될 수 있다. 제 1 및 제 2 온도센서(121,122)는 가열파이프(111)의 내측이나 외주면 또는 하우징의 내측 등에 설치되어 온도를 측정하게 되는데, 제어부(130)는 제 1 및 제 2 온도센서(121,122)의 측정값이 제 1 및 제 2 온도센서(121,122)의 설치 위치에 따라 가열파이프(111) 내측의 에어로졸 온도값과 편차를 가지므로, 이러한 편차를 감안하여 에어로졸이 원하는 온도값을 가지도록 제 1 및 제 2 온도센서(121,122)의 설치 위치에 따른 편차값을 반영하여 제어할 수 있다.
제어부(130)는 온도감지부(121,122)로부터 출력되는 감지신호를 수신받아 가열부(110)의 온도, 예컨대 히터(112)의 가열온도를 제어하도록 한다. 또한 제어부(130)는 가열 동작 제어에 필요한 입력신호가 입력되는 입력장치로부터 입력신호를 입력받아, 이에 상응하는 동작을 수행하도록 히터(112) 등의 동작을 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더의 배선도를 나타내는데, 여기서 SSR은 솔리드 스테이트 릴레이(Solid State Relay)로서 무접전 릴레이를 나타내며, TB는 터미널 블록(Terminal Block)을 나타낸다. 또한 제 1 및 제 2 온도센서(121,122) 각각에 해당하는 써멀커플이 제어부(130)를 구성하는 보드, 즉 아웃보드(out board)와 인보드(in board)에 일체로 구성될 수 있으며, 히터(112) 각각이 터미널 블록으로 제어부(130)에 연결될 수 있다.
냉각부(140)는 가열부(110)를 통과한 에어로졸을 냉각시켜서 블랙카본입자의 수 농도나 질량 농도 등을 측정하기 위한 측정장비에 공급되도록 한다. 냉각부(140)는 별도의 공급라인(141)을 통해서 가열파이프(111)에 연결되거나, 가열파이프(111)에 직접 연결될 수 있으며, 가열부(110)를 통과한 에어로졸이 통과하도록 2,000~2,600mm의 길이(L2)를 가지는 냉각파이프로 이루어질 수 있고, 일례로 스테인레스틸의 관으로 이루어질 수 있으며, 10~16mm의 직경과 1~2mm의 벽체두께를 가질 수 있다. 냉각부(140)는 이와 같은 냉각관으로 이루어짐으로써 측정장비에 필요한 유량의 에어로졸이 통과시 대기와의 열교환에 의해 상온으로 충분히 냉각되도록 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템을 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템(200)은 블랙카본입자가 포함된 에어로졸을 가열하여 수분과 VOC(Volatile Organic Compound)를 제거하고, 냉각시켜서 배출시키는 써멀 디뉴더(100)와, 써멀 디뉴더(100)로부터 배출되는 에어로졸에 포함되는 블랙카본입자의 수 농도나 질량 농도 중 어느 하나 또는 모두를 측정하는 측정부(230,240)를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템(200)은 측정 수단에 대한 구체적인 예로서 상기한 써멀 디뉴더(100)와 함께, 중화기(210), 입자분급기(220), 수농도측정기(230) 및 질량농도측정기(240)를 포함할 수 있다.
써멀 디뉴더(100)는 상기한 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더(100)와 동일하므로 그 설명을 생략하기로 한다.
중화기(Neutralizer; 210)는 써멀 디뉴더(100)로부터 제 1 라인(251)을 통해 공급되는 에어로졸로부터 블랙카본입자의 하전분포를 중화시키도록 하는데, 이로 인해 블랙카본입자를 일정한 비율로 양전하, 음전하 및 중성전하를 띠도록 하는 역할을 한다. 중화기(210)는 일례로 소프트 엑스레이(soft X-ray)가 안전하면서도 보다 쉽게 콘트롤될 수 있는 것을 이용하여, 소프트 엑스레이의 광이온화로 나노미터의 에어로졸, 즉 블랙카본입자를 중화시킬 수 있게 된다.
입자분급기(220)는 중화기(210)로부터 제 2 라인(252)을 통해 공급되는 에어로졸에 포함된 블랙카본입자로부터 원하는 측정 입자 사이즈를 가진 블랙카본입자를 분급하도록 한다. 입자분급기(220)는 일례로 DMA(Differential Mobility Analyzer)일 수 있는데, DMA는 입자의 전기 이동도를 이용하여 다양한 크기로 븐급되도록 한다. 즉 DMA는 미세입자가 그 크기에 따라 일정한 비율로 양전하, 음전하 및 중성으로 전하를 띠는데, 이를 전기장 내에 통과시키면서, 미세입자의 관성력과 전기장에 의한 힘이 균형을 이루는 위치로 미세입자가 이동하게 되어 미세입자를 크기에 따라 분급하도록 한다.
수농도측정기(230)는 제 3 라인(253)을 통해 입자분급기(220)에 의해 분급된 블랙카본입자를 공급받아 블랙카본입자의 수 농도를 측정하도록 한다. 수농도측정기(230)는 일례로 CPC(Condensation Particle Counter)일 수 있는데, CPC는 모아진 공기의 온도를 낮추는 방식으로 일반 파티클카운터로는 측정이 불가능한 100나노미터 이하 미세한 입자를 응축시키고, 응축에 의해 성장한 입자의 개수를 측정하도록 한다. 이러한 CPC는 일례로 알코올을 기화시킨 후, 블랙카본입자의 표면에 알코올을 응축시켜서 입자의 크기를 크게 하여, 광학센서를 사용하여 광학적으로 입자의 수 농도(#/cc)를 측정하게 된다.
질량농도측정기(240)는 제 3 라인(253)을 통해 입자분급기(220)에 의해 분급된 블랙카본입자를 공급받아 블랙카본입자의 질량 농도를 측정하도록 한다. 질량농도 측정기(240)는 일례로 MAAP(Multi-Angle Absorption Photometer)일 수 있는데, MAAP는 다양한 각도에서 측정된 산란계수를 활용하여 보정된 흡수계수로부터 질량 농도(μg/m3)를 측정하게 된다.
수농도측정기(230)와 질량농도측정기(240)는 입자분급기(220)로부터 제 3 라인(253)의 분기라인(253a,253b)을 통해 중화된 블랙카본입자를 동시에 공급받을 수 있다.
본 발명의 일 실시례에 따른 블랙카본입자 측정방법은 상기한 본 발명의 일 실시례에 따른 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템을 이용하는 측정방법으로서, 측정대상인 블랙카본입자가 포함되는 에어로졸을 가열부(110)에 의해 정해진 온도로 가열하여 에어로졸에 포함되는 습기와 VOC를 제거하는 단계와, 가열부(110)에 의해 습기와 VOC가 제거된 에어로졸을 냉각부(140)에 의해 상온으로 냉각하는 단계와, 냉각부(140)에 의해 냉각된 에어로졸을 공급받아 수 농도와 질량 농도 중 어느 하나 또는 모두를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
에어로졸에 포함되는 습기와 VOC를 제거하는 단계는 예컨대 가열파이프(111)를 통과하는 에어로졸을 제어부(130)에 의해 제어되는 히터(112)에 의해 150~250℃로 가열할 수 있다.
측정하는 단계는 예컨대 냉각부(140)에 의해 냉각된 에어로졸을 공급받아 중화기(210)에 의해 블랙카본입자의 하전분포를 중화시키는 단계와, 중화기(210)에 의해 중화된 블랙카본입자로부터 입자분급기(220)에 의해 원하는 측정 입자 사이즈를 가진 블랙카본입자를 분급하는 단계와, 입자분급기(220)에 의해 분급된 블랙카본입자의 수 농도를 수농도측정기(230)에 의해 측정하는 단계와, 입자분급기(220)에 의해 분급된 블랙카본입자의 질량 농도를 질량농도측정기(240)에 의해 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 써멀 디뉴더의 최적 설계에 대해서 설명하면 다음과 같다.
블랙카본입자들의 수 농도를 측정하는 CPC(Condensation Particle Counter)의 최대유량인 1.5lpm과 질량농도를 측정하는 MAAP(Multi Angle Absorption Photometer)의 최대 유량인 16.7lpm에 더불어, 같이 동작하는 에어로졸 샘플러의 16.7lpm를 기준으로 하여, 동시 측정시 최대유량 34.9lpm의 해석 유량을 설정하였다. 그리고 모든 장비가 1.5lpm으로 동시 측정하는 경우, 4.5lpm의 유량을 최소 유량으로 설정하였다. 써멀 디뉴더(100)의 가열파이프(111)와 냉각부(140)인 냉각파이프의 재료를 스테인레스스틸로서, 관경 16mm의 원형 관으로 구성되고, 관의 벽면온도를 150℃, 200℃, 250℃의 3가지 조건으로 설정하였다. 이러한 세가지 벽면 설정 온도에 대하여, 관 중심에서의 디젤 배기가스의 온도가 균일하게 유지될 수 있는 최적의 설계 조건을 ANSYS FLUENT를 이용하여 도출하였다. 이후 상온까지 공냉되는 최적의 써멀 디뉴더(100)의 길이와 이때의 온도 분포의 변화를 도출하여 이를 바탕으로 써멀 디뉴더(100)의 형상을 최적화하였다.
ANSYS FLUENT를 사용하였으며 가열부(110)와 냉각부(140)를 나누어 수치해석을 진행하였다. 지배 방정식으로는 steady state에서의 energy equation, 2-dimensional axisymmetric continuity equation을 사용하였다. Re는 34.9lpm에서 3620, 4.5lpm에서 46이다. 34.9lpm유량 조건에서는 k-ε 난류모델을, 4.5lpm에서 층류모델로 고려하였다. 경계층의 형상은 더욱 세밀하게 고려하여 171,428개의 메쉬(mesh)를 생성하였으며, 그 형상은 도 4와 같다.
관의 벽면 재료는 스틸로서 단열조건으로 정하였으며, 최대유량(34.9lpm)에서의 속도는 34.9lpm을 4.53m/s로 변환하여 velocity inlet 조건을, 출구조건은 outflow로 정하였다. 그리고 내부의 유체는 비압축성 이상기체로 가정하였으며, 디젤 배기가스내의 블랙카본입자를 측정하기 위하여 디젤 배기가스의 물성치 자료를 기준으로 하여, 대표적으로 산소 10%, 물 11%, 이산화탄소12%, C10H22 0.00003%, 질소 67%로 설정하였다. 축 대칭형 관 형상이기에 2d-axisymmetric으로 진행하였으며, 내부의 관 직경은 12.8mm, 벽두께는 1.65mm로 하였고, 관의 길이는 관 내부에서 온도가 유체 내부로 최대한 전달된 위치를 확인하기 위해 10m로 하였다.
도 5는 가열조건에서 배기가스가 최대유량인 경우, 수행한 수치해석 결과를 나타낸 것이다. 내부에서의 온도 분포는 0m에서 1m까지 급격하게 상승하며, 그 이후 설정 온도에 수렴하는 양상을 보인다. 또한 최대유량의 배기가스의 경우 상온 냉각시 도 6에서와 같이, 온도 분포가 처음 0m에서 0.4m까지 급격하게 하강하며, 0.8m에서 설정온도에 수렴하는 것을 관찰할 수 있다. 도 6의 해석결과를 바탕으로 CPC, MAAP, 에어로졸 샘플러를 모두 최대 유량으로 가동하였을 때의 가열파이프(111) 가열구간의 길이(L1)는 2m, 냉각부(140)인 냉각파이프의 길이(L2)는 0.8m로 최적화 설계가 가능하다.
도 7 및 도 8은 최소유량에서의 결과를 도시하였다. 4.5lpm의 유량에서 해당 관의 배기가스 유속을 0.583m/s로 고려하였다. 최소유량 4.5lpm에서의 해당 관의 유속 0.583m/s하에서, 가열시 도 7에서와 같이 1.5m에서 설정온도로 가열됨을 확인할 수 있으며, 냉각시 도 8에서와 같이, 1.6m에서 설정온도로 냉각됨을 확인할 수 있다. 이는 최대 유량 조건과 비교하면 써멀 디뉴더(100)의 길이는 가열시 25% 감소하였고, 냉각시 2배로 증가되었다. 최대, 최소유량의 써멀 디뉴더(100) 수치해석 결과로서, CPC, MAAP, 에어로졸 샘플러를 이용한 최대유량(34.9lpm)과 최소시험유량(4.5lpm)에서 습기와 VOC를 제거하기 위한 써멀 디뉴더(100)의 적정길이(L1,L2)는 가열부(110)의 가열파이프(111) 가열구간 길이(L1)의 경우 2m, 냉각부(140)의 냉각파이프 길이(L2)의 경우 1.6m로 결정될 수 있다. 이 길이는 최대에서 최소유량까지 모든 시험시 조건에 맞는 재료와 형상을 설계할 경우 적용할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 블랙카본 입자 중에 포함되는 습기와 VOC(Volatile Organic Compound)을 고온, 예컨대 150~250℃로 가열하여 제거함으로써 가열 박리된 블랙카본입자에 대한 수농도 및 질량농도 등을 정확하게 측정할 수 있도록 하고, 가열된 블랙카본입자를 상온으로 냉각시켜서 측정장비에 공급되도록 함으로써 측정장비의 동작 및 측정에 대한 신뢰성을 높일 수 있다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 써멀 디뉴더 110 : 가열부
111 : 가열파이프 112 : 히터
113 : 하우징 121 : 제 1 온도센서
122 : 제 2 온도센서 130 : 제어부
140 : 냉각부 141 : 공급라인
210 : 중화기 220 : 입자분급기
230 : 수농도측정기 240 : 질량농도측정기
251 : 제 1 라인 252 : 제 2 라인
253 : 제 3 라인 253a,253b : 분기라인

Claims (10)

  1. 측정대상인 블랙카본입자가 포함되는 에어로졸이 통과하면서 가열되도록 하여, 에어로졸에 포함되는 습기와 VOC를 제거하는 가열부;
    상기 가열부의 온도를 측정하여 감지신호를 출력하는 온도감지부;
    상기 온도감지부로부터 출력되는 감지신호를 수신받아 상기 가열부의 온도를 제어하는 제어부; 및
    상기 가열부를 통과한 에어로졸을 냉각시켜서 측정장비에 공급되도록 하는 냉각부;
    를 포함하고,
    상기 온도감지부는,
    상기 가열부에서 에어로졸이 가열을 위해 유입되기 위한 전단에 설치되는 제 1 온도센서, 상기 가열부에서 에어로졸이 가열되어 배출되기 위한 후단에 설치되는 제 2 온도센서를 포함하고
    상기 가열부는,
    상기 에어로졸이 통과하기 위한 경로를 제공하는 가열파이프, 상기 가열파이프에 길이방향을 따라 다수로 설치되어 열을 제공하고, 상기 제어부에 의해 동작 및 가열온도가 제어되는 히터, 상기 가열파이프와 함께 상기 히터를 감싸는 하우징을 포함하고,
    상기 가열부는,
    상기 가열파이프에서 외기에 노출되는 부분을 제외한 가열구간이 1,500~2,000mm의 길이를 가지고, 상기 히터가 상기 제어부의 제어의 의해 상기 가열파이프를 통과하는 에어로졸을 상온으로부터 300℃까지 가열하는, 써멀 디뉴더.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 가열부를 통과한 에어로졸이 통과하도록 800~1,600mm의 길이를 가지는 냉각파이프로 이루어지고, 통과하는 에어로졸을 대기와의 열교환에 의해 상온으로 냉각시키는, 써멀 디뉴더.
  5. 삭제
  6. 블랙카본입자를 측정하기 위한 시스템으로서,
    상기 블랙카본입자가 포함된 에어로졸을 가열하여 수분과 VOC(Volatile Organic Compound)를 제거하고, 냉각시켜서 배출시키며, 청구항 1 또는 청구항 4에 기재된 써멀 디뉴더; 및
    상기 써멀 디뉴더로부터 배출되는 에어로졸에 포함되는 블랙카본입자의 수 농도나 질량 농도 중 어느 하나 또는 모두를 측정하는 측정부;
    를 포함하는, 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템.
  7. 블랙카본입자를 측정하기 위한 시스템으로서,
    상기 블랙카본입자가 포함된 에어로졸을 가열하여 수분과 VOC(Volatile Organic Compound)를 제거하고, 냉각시켜서 배출시키며, 청구항 1 또는 청구항 4에 기재된 써멀 디뉴더;
    상기 써멀 디뉴더로부터 공급되는 에어로졸로부터 블랙카본입자를 중화시키는 중화기;
    상기 중화기로부터 공급되는 블랙카본입자로부터 원하는 측정 입자 사이즈를 가진 블랙카본입자를 분급하는 입자분급기;
    상기 입자분급기에 의해 분급된 블랙카본입자를 공급받아 블랙카본입자의 수 농도를 측정하는 수농도측정기; 및
    상기 입자분급기에 의해 분급된 블랙카본입자를 공급받아 블랙카본입자의 질량 농도를 측정하는 질량농도측정기;
    를 포함하는, 써멀 디뉴더를 가지는 블랙카본입자 측정시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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