KR101682707B1 - 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템 - Google Patents

고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템 Download PDF

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이종찬
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Abstract

본 발명은 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템에 관한 것으로서, 이송기체라인(1)의 이송기체의 진행방향과 같은 방향으로 등속포집프로브(2)가 형성되고 등속포집프로브로부터 포집된 이송기체는 제1멤브레인 필터(7)로 이동하여 포집 및 계측이 수행되는데 고온/고압에서 압력 및 온도형평 상태에서 포집이 이루어질 수 있도록 포집이 시작되기전 등속포집프로브(2)에서 제1멤브레인 필터(7)로 진행하는 구간에 퍼지가스를 주입하여 포집프로브 내부에 에어로졸이 퇴적되지 않도록 이송기체라인의 압력보다 같거나 높은 압력으로 유지하기 하도록 하는 퍼지가스 주입기(4)가 설치되며 포집시작시 퍼지가스의 공급을 차단하고 제1멤브레인필터(7)와 등속포집프로브(2)사이에서 제2멤브레인필터(5)로 우회하도록 하여 에어로졸은 제1멤브레인필터(5)에 의해 제거되도록 하고 포집관은 이송기체만으로 채워지도록 하여 이송기체라인과 포집라인간의 압력차이 와 온도차가 없도록 한다.

Description

고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템{AEROSOL SAMPLING SYSTEM}
본 발명은 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 에어로졸을 샘플링 및 분석 가능한 시스템에 관한 것으로서, 현재 고온 고압 상태에서 샘플링 및 분석이 가능한 에어로졸 계측시스템이 부재하여 이러한 상황에서도 계측이 가능한 시스템을 제공하는 것을 목표로 한다.
상용 에어로졸 장비는 대부분이 상압/상온, 상압/고온, 고압/상온 등의 조건에서 적용되고 있으며, 고온/고압 조건에서 직접적으로 적용 가능한 상용장비는 없다. 따라서 고온/고압 조건에서의 분진, 오염물 및 방사성 물질을 포함하는 다양한 에어로졸의 분석이 가능하며 상온/상압의 조건을 포함하여 고온/고압 조건을 포함하고 석유화학공정, 화력, 제철, 원자력, 자동차, 공조 및 필터 등의 광범위한 환경 조건에서의 에어로졸 분석 기술에 기반기술을 제공할 수 있다.
이와 관련하여 대한민국 특허 등록 제100145032호' 공구장착및 에어로졸생성장치'와 같은 장치 등이 개시된바 있으나 역시 상온/상압에서의 에어로졸 생성장치에 관한 것이며 고온/고압 에어로졸 생성/주입, 혼합 샘플링 시스템에 대해서는 아직까지 개시된 바는 없다.
에어로졸 계측 시스템은 샘플의 유속을 조절하며 일정하게 유지하여 포집되는 에어로졸의 양을 제어할 수 있어야 하고, 정교한 계측장비를 사용하여 다양한 위치에서 입자의 수 농도, 크기 분포, 질량 농도를 측정할 수 있어야 한다.
에어로졸 특성을 측정하기 위해서는 표본을 샘플링하기 위한 장치가 필요하다. 이때, 에어로졸의 특성이 포집과정 중에 변하지 않도록 특히 주의하여야 하는데, 이와 같은 포집과정을 등속 포집(Isokinetic Sampling)이라고 한다. 등속 포집이라 함은 포집 프로브(Sampling Probe) 내에서의 에어로졸의 흐름 방향 및 속도가 관내 주 에어로졸 흐름의 방향 및 속도와 각각 일치한 조건에서의 포집과정을 말한다. 비등속 포집의 경우 에어로졸의 특성이 포집과정 중에 변하게 됨으로써 이후 계측결과와 무관하게 잘못된 계측결과를 야기하게 되므로, 관내 유속조건에 따라 포집 프로브를 적절히 선정하여야 한다. 또한 포집 시작 이전에 주 에어로졸 흐름에 노출된 포집 프로브의 내부에 에어로졸이 장기간 퇴적되지 않도록 주의하여야 한다.
공기, 비응축성 기체 및 스팀을 포함하는 고온/고압 환경에서의 이송기체에 포함된 에어로졸을 샘플링하기 위해서는 계통 및 장치가 고온/고압 환경에 견딜 수 있어야 하며 계측기기의 신뢰성에 영향을 미치지 않도록 샘플링 계통을 설계하여야 한다. 또한 샘플링 시간과 열수력 조건의 차이에서 발생할 수 있는 불확실성을 분석하여 계측의 정확성을 확인하고 보정하여야 한다.
에어로졸 계측장비는 에어로졸 샘플링시 정확도가 가장 높은 오프라인 방식인 필터를 기본으로 사용한다. 또한 이를 보완하기 위한 목적으로 샘플링 포트를 통하여 광학입자계수기, 정전식저압임팩터 등 다양한 계측기기를 연결시킬 수 있다. 오프라인 계측에는 시험부의 입출구에서 상용장비인 멤브레인필터를 사용한다. 그러나 대부분의 상용장비는 그 적용범위가 제한되어 증기를 포함하는 고온, 고압의 환경에서는 직접적인 적용이 힘들다. 따라서 상용장비의 적용이 가능하도록 전처리 장치와 후처리 장치가 요구된다. 도1에서는 오프라인 계측장치로 멤브레인필터를 사용하는 에어로졸 샘플링 계통을 보여주고 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템을 제공하는데, 이송기체라인(1)의 이송기체의 진행방향과 같은 방향으로 등속포집프로브(2)가 형성되고 등속포집프로브로부터 포집된 이송기체는 제1멤브레인 필터(7)로 이동하여 포집 및 계측이 수행되는데 고온/고압에서 압력 및 온도형평 상태에서 포집이 이루어질 수 있도록 포집이 시작되기전 등속포집프로브(2)에서 제1멤브레인 필터(7)로 진행하는 구간에 퍼지가스를 주입하여 포집프로브 내부에 에어로졸이 퇴적되지 않도록 이송기체라인의 압력보다 같거나 높은 압력으로 유지하기 하도록 하는 퍼지가스 주입기(4)가 설치되며 포집시작시 퍼지가스의 공급을 차단하고 제1멤브레인필터(7)와 등속포집프로브(2)사이에서 제2멤브레인필터(5)로 우회하도록 하여 에어로졸은 제1멤브레인필터(5)에 의해 제거되도록 하고 포집관은 이송기체만으로 채워지도록 하여 이송기체라인과 포집라인간의 압력차이 와 온도차가 없도록 한다.
등속포집프로브(2)와 제1멤브레인필터에 이르는 구간은 이송기체라인과 같은 온도를 이루도록 가열된다.
제1멤브레인 필터(7)를 통과한 포집기체는 임계오리피스(8)를 통과하여 감압되도록 하고 임계오리피스를 통과한 포집기체는 열교환기(11)에 의하여 열제거가 이루어지며 증기는 배수탱크(12)에 응축되어 포집될 수 있다.
임계오리피스(8)를 통과하기 이전에 니들밸브(9)로 우회가능하도록 하여 압력조절이 가능하도록 한다.
증기가 제거된 포집기체는 열식질량유량계를 통과하도록 하며 열식질량유량계(15)전단에 습분분리기가 설치될 수 있다.
열식질량유량계의 끝단에는 진공탱크와 진공펌프가 형성되어 프로브로 유입되는 이송기체의 유량을 제어가능하게 한다.
멤브레인 필터가 장착되는 필터홀더는 에어로졸의 이송손실량을 최소화하기 위하여 필터홀더의 입구로부터 멤브레인 필터에 이루는 구간은 원뿔형 구조를 가지도록 하여 층류를 형성하도록 할 수 있다.
상기한 바와 같은 발명에 의하여 고온/고압에서 샘플링이 가능하게 된다.
도1내지 도3은 본 발명에 따른 일실시예를 도시하는 도면
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도1은 본 발명에 따른 고온/고압 오프라인 에어로졸 계측장치를 도시한 도면이다.
고온/고압 샘플링 시스템은 샘플링이 종료되기 전 까지 고온 및 고압조건이 유지되어야 하며 샘플링이 끝나는 시점에서 온도와 압력을 적절하게 낮추어 배출될 수 있도록 설계되어야 한다. 또한, 기기 및 계통이 고온 및 고압조건에서 안정된 기능을 유지시킬 수 있어야 한다. 이를 위해 등속포집프로브(2)에서 임계오리피스(8) 후단까지는 히터를 이용하여 계통을 일정한 온도로 유지시켜주며, 샘플링이 끝난 포집기체는 오리피스(8), 니들밸브(9), 열교환기(11)와 응축수 탱크(12), 습분분리기(14)를 지나 습분을 제거하고 압력과 온도를 감소시켜 시스템 외부로 방출시킬 수 있도록 한다. 멤브레인필터(5,7)는 고온/고압에 견딜 수 있도록 특수 제작된 홀더를 사용하며 멤브레인필터가 손상되는 것을 방지하기 위해 플레이트가 존재한다. 이 때 멤브레인필터를 포함하여 세라믹필터, 캐필러리필터 등 사용하고자 하는 필터로 쉽게 교체할 수 있도록 설계되었다. 또한, 초기 샘플링시 급격한 온도 및 압력변화를 방지하고 이송기체와 평형을 이루기 위해 멤브레인필터를 우회라인에 추가하여 사용한다.
등속포집프로브(2)를 통하여 이송기체가 샘플링 장치로 이송되며 이송기체라인(1)과 샘플링 라인의 유속은 동일하게 유지된다. 이송기체와 샘플링라인의 유속을 동일하게 유지하기 위해 진공펌프(17) 및 진공탱크(16)를 사용하여 샘플링 유속을 조절할 수 있다. 이 때 사용기체에 따라 니들밸브(9) 및 임계오리피스를 사용할 수 있다. 이송기체가 공기 또는 질소 등 비응축성 기체 일 경우 니들밸브를 사용하여 후단압력을 조절하여 일정한 샘플링 유속을 유지시킬 수 있으며, 이송기체에 증기가 포함된 경우 임계오리피스를 사용하여 후단압력을 조절할 수 있다. 포집된 이송기체는 질량유량계(3)과 열식질량유량계(15)를 통하여 공기, 질소, 스팀 및 그 혼합물의 질량유량 및 체적유량을 측정할 수 있으며 이송기체라인과 샘플링 라인의 유속차이로 인한 에어로졸 손실량을 보정할 수 있는 도구로 사용된다.
퍼지가스(purge gas) 주입기(4)는 샘플링 프로브 내부에 미량의 공기 또는 질소기체를 주입하여 에어로졸 포집이 시작되기 이전에 에어로졸 흐름에 노출된 포집 프로브의 내부에 에어로졸이 장기간 퇴적되지 않도록 이송기체라인의 압력보다 같거나 높은 압력으로 유지한다. 또한, 이송기체라인과 같은 온도를 유지시킬 수 있도록 히터가 설치되어 있어 열확산 및 응축에 의한 에어로졸 손실을 사전에 방지해준다. 또한 퍼지가스주입기는 희석이 필요한 고농도의 에어로졸에 대하여 계측시간 조절을 위해 희석기의 역할을 동시에 수행할 수 있다.
이 후 포집이 시작되면 퍼지가스의 공급은 차단되고 제2멤브레인필터(5)를 통과하게 된다. 포집 시작 직 후 제2멤브레인필터를 먼저 통과하면서 에어로졸이 완전히 제거된 이송기체만을 포집관 내부에 채움으로써 포집 시작 시 이송기체라인과 포집라인간의 압력 및 온도평형을 유지한 이 후 포집을 시작할 수 있도록 한다. 이는 이송기체라인과 포집라인의 압력 차이로 인한 급격한 포집을 방지하며 온도차이로 인해 포집관 내벽에 에어로졸이 부착되는 열확산현상을 발생하지 않도록 방지한다.
압력/열평형에 도달한 샘플링 시스템은 제1멤브레인필터(7)를 통하여 포집 및 계측이 수행된다. 제 1, 2 멤브레인 필터는 플렉시블 튜브(Flexible tube)(6)로 연결되어 탈부착이 용이하도록 설계되었다.
제1멤브레인필터를 통과한 포집기체는 임계오리피스(8)를 통과하여 일정한 압력으로 감압되며 임계오리피스 전ㅇ후단에 설치된 차압계(10)를 통하여 차압값을 측정하고 증기를 포함한 포집가스의 유속을 간접적으로 측정할 수 있다. 또한, 임계오리피스 또는 니들밸브를 통과한 고온의 포집기체는 열교환기(11)에 의해 열제거가 이루어지며 증기가 포함된 경우 증기는 배수탱크(12)에 응축되어 포집되며 포집된 응축수는 배수밸브(13)를 통하여 응축량을 계량할 수 있다. 이를 통하여 정확한 유량을 측정할 수 있으며 사용되는 계측기의 불확실성을 보완할 수 있는 수단을 제공해준다. 또한 니들밸브(9)를 통과하도록 밸브를 조절하여 후단 압력을 임의로 조절할 수 있다. 이 때 열식질량유량계(15)의 성능을 보장하기 위해 습분분리기(14)를 설치하여 응축된 증기의 유입을 방지하도록 하고 있다.
멤브레인필터 후단에 연결된 진공탱크(16)와 진공펌프(17)는 샘플링 프로브로 유입되는 이송기체의 유량을 제어할 수 있다.
도2는 고온/고압 조건에서 견딜 수 있도록 설계된 필터홀더(18)를 보여주고 있다. 필터홀더는 수직방향으로 샘플링시스템에 설치되어 포집 후 분리되는 과정에서 멤브레인 필터에 쌓여있는 에어로졸의 손실을 최소화한다. 또한 필터홀더 상부 및 하부는 클램프로 고정되어 시스템이 운전중일 때도 쉽게 분리하여 멤브레인 필터를 교체할 수 있다. 멤브레인 필터가 장착되는 필터홀더 내부는 에어로졸의 이송손실과 응집을 최소화 하기 위하여 층류를 형성할 수 있는 원뿔형 구조를 가진다. 이 때 고압 조건에서 멤브레인필터의 손상을 방지하기 위해 천공플레이트(20)와 메쉬플레이트(21) 상부에 멤브레인필터를 고정시켜 안정적인 샘플링을 유지할 수 있다. 테프론링(19)은 고압에서 기밀성을 유지하여 압력손실이 없도록 제작되었다.
도3은 고온/고압 조건에서 사용하도록 제작된 오리피스홀더(22) 및 임계오리피스(8)를 보여주고 있다. 임계오리피스 플레이트는 오리피스홀더(8)에 고정되어 있으며 원하는 구멍크기를 가지는 임계오리피스 플레이트의 탈부착이 용이하도록 설계되었다. 따라서 오리피스를 교체함에 따라 오리피스 후단 압력을 조절할 수 있으며, 오리피스 전ㅇ후단 압력차가 일정한 범위를 넘어서게 될 경우 Chocked Flow에 의해 일정한 샘플링 유속을 유지할 수 있다.
1: 이송기체라인 2: 등속포집프로브
3: 질량유량계 4: 퍼지가스(Purge gas)주입기
5: 제2멤브레인필터 6: 플렉시블 튜브
7: 제1멤브레인필터 8: 임계오리피스
9: 니들밸브 10: 차압계
11: 열교환기 12: 응축탱크
13: 배수관 14: 습분분리기
15: 열식질량유량계 16: 진공탱크
17: 진공펌프 18: 필터홀더
19: 테프론링 20: 천공플레이트
21: 메쉬플레이트 22: 오리피스 홀더

Claims (7)

  1. 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템으로서,
    이송기체라인(1)의 이송기체의 진행방향과 같은 방향으로 등속포집프로브(2)가 형성되고 등속포집프로브로부터 포집된 이송기체는 제1멤브레인 필터(7)로 이동하여 포집 및 계측이 수행되는데
    고온/고압에서 압력 및 온도형평 상태에서 포집이 이루어질 수 있도록
    포집이 시작되기전 등속포집프로브(2)에서 제1멤브레인 필터(7)로 진행하는 구간에 퍼지가스를 주입하여 포집프로브 내부에 에어로졸이 퇴적되지 않도록 이송기체라인의 압력보다 같거나 높은 압력으로 유지하기 하도록 하는 퍼지가스 주입기(4)가 설치되며
    포집시작시 퍼지가스의 공급을 차단하고 제1멤브레인필터(7)와 등속포집프로브(2)사이에서 제2멤브레인필터(5)로 우회하도록 하여 에어로졸은 제1멤브레인필터(5)에 의해 제거되도록 하고 포집관은 이송기체만으로 채워지도록 하여 이송기체라인과 포집라인간의 압력차이 와 온도차가 없도록 하는,
    고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템
  2. 제1항에 있어서, 등속포집프로브(2)와 제1멤브레인필터에 이르는 구간은 이송기체라인과 같은 온도를 이루도록 가열되는 것을 특징으로 하는, 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템

  3. 제2항에 있어서, 제1멤브레인 필터(7)를 통과한 포집기체는 임계오리피스(8)를 통과하여 감압되도록 하고 임계오리피스를 통과한 포집기체는 열교환기(11)에 의하여 열제거가 이루어지며 증기는 배수탱크(12)에 응축되어 포집되는, 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템
  4. 제3항에 있어서, 임계오리피스(8)를 통과하기 이전에 니들밸브(9)로 우회가능하도록 하여 압력조절이 가능하도록 하는, 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템
  5. 제4항에 있어서, 증기가 제거된 포집기체는 열식질량유량계를 통과하도록 하며 열식질량유량계(15)전단에 습분분리기가 설치되는, 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템
  6. 제5항에 있어서, 열식질량유량계의 끝단에는 진공탱크와 진공펌프가 형성되어 프로브로 유입되는 이송기체의 유량을 제어가능한, 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템
  7. 제1항내지 제6항중 어느 한항에 있어서, 멤브레인 필터가 장착되는 필터홀더는 에어로졸의 이송손실량을 최소화하기 위하여 필터홀더의 입구로부터 멤브레인 필터에 이루는 구간은 원뿔형 구조를 가지도록 하여 층류를 형성하도록 하는, 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템
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