KR101881345B1 - 혼합기체 정량등속흡인장치 - Google Patents

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홍성호
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Abstract

본 발명은 혼합기체 정량등속흡인장치에 관한 것으로써, 구체적으로는 다양한 열수력 조건(압력, 온도, 혼합비)에서 증기와 비응축기체로 구성되고 에어로졸 입자가 포함된 혼합기체를 정량등속 흡인하여 에어로졸 입자를 포집할 수 있는 혼합기체 정량등속흡인장치에 관한 것이다. 본 발명은 증기와 비응축기체로 구성된 혼합기체에 포함된 에어로졸 입자의 질량농도를 측정하기 위한 혼합기체 정량등속흡인장치에 있어서, 상기 혼합기체가 유동되는 주유동의 내부에 설치되어 상기 혼합기체가 유입되는 노즐; 상기 노즐로 유입된 상기 에어로졸 입자를 포집하는 여과지; 상기 여과지를 통과한 상기 증기를 응축시키는 열교환기; 및 상기 열교환기를 통과한 상기 비응축기체의 일정 유량을 외부로 배출하여 상기 노즐로 유입되는 상기 혼합기체의 유량을 일정하게 제어하는 유량조절기;를 포함한다.

Description

혼합기체 정량등속흡인장치{GAS SAMPLING IN CONTROLLED VOLUME APPARATUS FOR MIXTURE GAS}
본 발명은 혼합기체 정량등속흡인장치에 관한 것으로써, 구체적으로는 다양한 열수력 조건(압력, 온도, 혼합비)에서 증기와 비응축기체로 구성되고 에어로졸 입자가 포함된 혼합기체를 정량등속 흡인하여 에어로졸 입자를 포집할 수 있는 혼합기체 정량등속흡인장치에 관한 것이다.
방사능 사고 모의시험 시 격납고에 분사되는 에어로졸 입자의 질량농도를 측정하기 위하여 에어로졸 입자가 포함되고 증기와 비응축기체로 구성된 혼합기체를 정량등속으로 흡인하기 위해서 주유동의 온도, 압력, 혼합비를 고려해 제작된 오리피스를 사용한다.
이러한 오리피스는 열수력 조건(온도,압력,혼합비)에 맞게 설계한 유량을 흘려주는 역할을 하며 이를 통해 주유동에서 혼합기체를 정량등속으로 흡인할 수 있다.
그러나 증기와 비응축 기체의 혼합기체를 정량등속 흡인에 있어 오리피스를 이용할 경우 다양한 혼합 비율과 온도 압력 조건에 능동적으로 대응하는 시스템을 만들 수 없다.
또한, 오리피스 개구부의 크기가 작을 경우 응축에 의한 막힘 현상이 발생할 수 있고 이를 해결하기 위해 오리피스를 분해 세척 후 다시 가열해야 한다.
또한, 다양한 온도, 압력, 혼합비 조건의 실험을 수행할 경우 각각의 조건에 따른 오리피스의 제작이 필요하여 흡인장치의 단가가 상승하는 문제점이 있다.
KR 10-132225
본 발명의 목적은 다양한 열수력 조건(압력, 온도, 혼합비)에서 증기와 비응축기체로 구성되고 에어로졸 입자가 포함된 혼합기체를 정량등속 흡인하여 에어로졸 입자를 포집할 수 있는 혼합기체 정량등속흡인장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 증기와 비응축기체로 구성된 혼합기체에 포함된 에어로졸 입자의 질량농도를 측정하기 위한 혼합기체 정량등속흡인장치에 있어서, 상기 혼합기체가 유동되는 주유동의 내부에 설치되어 상기 혼합기체가 유입되는 노즐; 상기 노즐로 유입된 상기 에어로졸 입자를 포집하는 여과지; 상기 여과지를 통과한 상기 증기를 응축시키는 열교환기; 및 상기 열교환기를 통과한 상기 비응축기체의 일정 유량을 외부로 배출하여 상기 노즐로 유입되는 상기 혼합기체의 유량을 일정하게 제어하는 유량조절기;를 포함한다.
본 발명은 상기 열교환기를 통해 생성된 응축수가 수집되는 응축수 포집기를 더 포함한다.
본 발명은 상기 주유동의 단면적당 상기 혼합기체의 유량과 상기 노즐의 개구부 단면적당 상기 혼합기체의 유입유량이 같다.
본 발명은 상기 노즐을 통해 유입된 상기 혼합기체가 유동되는 이송라인을 더 포함한다.
본 발명에서 상기 이송라인은 상기 노즐과 상기 여과지 간에 연결된 제1라인; 및 상기 여과지와 상기 열교환기 간에 연결된 제2라인;을 포함한다.
본 발명에서 상기 제2라인은 오리피스가 설치된 분지라인이 연결된 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 비응축기체가 존재할 경우, 상기 분지라인이 폐쇄되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 혼합기체 정량등속흡인장치는 다양한 열수력 조건(압력, 온도, 혼합비)에서 증기와 비응축기체로 구성되고 에어로졸 입자가 포함된 혼합기체를 정량등속 흡인하여 에어로졸 입자를 포집할 수 있으며, 이를 통해 에어로졸 입자의 질량농도 대표값을 설정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 혼합기체 정량등속흡인장치의 구성도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 혼합기체 정량등속흡인장치에서 시간당 주유동의 유량변화를 나타내는 그래프이다.
도 2b는 본 발명의 일실시예에 따른 혼합기체 정량등속흡인장치에서 시간당 주유동의 압력변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 혼합기체 정량등속흡인장치에서 시간당 유량조절기에서 측정한 질소의 배출 유량값을 나타내는 그래프이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 혼합기체 정량등속흡인장치에 대하여 설명하도록 한다.
혼합기체 정량등속흡인장치(이하 ‘흡인장치’라 함)는 방사능 사고 모의시험 시 격납고에 분사되는 에어로졸 입자의 질량농도를 측정하기 위하여 에어로졸 입자가 포함된 혼합기체를 정량등속으로 흡인하기 위한 장치이다.
여기서 혼합기체는 증기와 비응축기체로 구성되며, 이하 비응축기체의 일예로 질소를 기준하여 설명하도록 한다.
흡인장치는 노즐(10), 여과지(110), 열교환기(120), 응축수포집기(130), 유량조절기(140)를 포함한다.
노즐(10)은 혼합기체가 유동되는 주유동(1)의 내부에 설치되어 혼합기체가 유입된다.
여과지(110)는 노즐(10)로 유입된 혼합기체에 포함된 에어로졸 입자를 포집한다.
여기서, 에어로졸 입자가 포집된 여과지(110)에서 여과지(110)의 질량을 제하여 에어로졸 입자의 질량을 측정할 수 있다.
열교환기(120)는 혼합기체에서 증기를 분리하기 위한 구성으로써, 여과지(110)를 통과한 증기가 열교환기를 통과하여 온도가 약 20도 상태로 변환되어 응축된다.
응축수포집기(130)는 열교환기(120)를 통해 생성된 응축수가 수집된다.
여기서, 수집된 응축수의 부피값과 전술된 에어로졸 입자의 질량을 통해 에어로졸 입자의 농도를 측정할 수 있다.
유량조절기(140)는 열교환기(120)를 통과한 비응축기체의 일정 유량을 외부로 배출하여 노즐(10)로 유입되는 혼합기체의 유량을 일정하게 제어한다.
즉, 주유동(1)의 단면적당 혼합기체의 유량과 노즐(10)의 개구부 단면적당 혼합기체의 유입유량은 같게 유지된다.
흡인장치는 노즐(10)을 통해 유입되는 혼합기체가 유량조절기(140)까지 유동되는 이송라인을 더 포함하며, 이송라인은 제1라인(160) 내지 제4라인(164)으로 구성된다.
보다 구체적으로, 제1라인(160)은 노즐(10)과 여과지(110) 간에 연결되고, 제2라인(161)은 여과지(110)와 열교환기(120) 간에 연결되어 있다.
그리고 제3라인(163)은 열교환기(120)와 응축수포집기(130) 간에 연결되고, 제4라인(164)은 응축수포집기(130)와 유량조절기(140) 간에 연결되어 있다.
여기서, 제2라인(161)은 오리피스(170)가 설치된 분지라인(162)이 연결되어 있다.
오리피스(170)는 혼합기체에 구성된 비응축기체가 배제되어 증기가 100%인 경우, 여과지를 통과한 증기를 외부로 배출하기 위한 구성이다.
보다 구체적으로, 노즐(10)로 유입된 혼합기체가 유량조절기(140)까지 유동되기 위하여 유량조절기(140)의 전단압력이 충족되어야 한다.
유량조절기(140)의 전단압력을 정의하기 위하여, 주유동(1)의 압력과 온도를 P1, T1 이라고 할 때 P1은 하기 수학식 1로 정의된다.
[수학식 1]
P1=Pvapor@1+PNG@1
Pvapor@1 : 주유동의 증기압력 ; PNG@1 : 주유동의 비응축기체압력
노즐(10)로 유입된 혼합기체는 여과지(110) 통과 시, 압력 강하되며 이때 압력과 온도는 P2, T2이며, P2는 하기 수학식 2로 정의된다.
[수학식 2]
P2=P1-PdF
PdF : 여과지 통과 시 압력강하값
그리고 혼합기체가 열교환기(120)를 통과하여 응축수 생성 후 유량조절기(140)의 전단압력은 P3로써, 하기 수학식 3으로 정의된다.
[수학식 3]
P3= Pvapor@3+PNG@3
Pvapor@3 : 유량조절기 전단의 증기압력 ; PNG@3 : 유량조절기 전단의 비응축기체압력
만약, 완전 응축에 의해 PNG@3가 0에 가깝다면, 유량조절기(140)의 전단압력은 유량조절기(140) 전단의 증기압력과 같다.
즉, 혼합기체에 비응축기체가 미포함된 경우, 유량조절기(140)의 목표배출유량을 위한 유량조절기(140)의 전단압력이 미충족되어 주유동(1)의 열수력 조건(압력, 온도, 혼합비)에 따라 노즐(10)로 유입되는 혼합기체의 정량등속 흡인을 구현하기 어렵다.
따라서, 혼합기체에 구성된 비응축기체가 미포함되어 증기가 100%인 경우, 여과지(110)를 통과한 증기는 오리피스(170)를 통해서 외부로 배출된다.
분지라인(162)의 양단부는 각각 제1,2삼방밸브(152,153)에 의해 제2라인(161)에 연결되어 있다.
즉, 증기가 100%인 경우, 제1,2삼방밸브(152,153)의 제어를 통해 분지라인(162)을 개방하여 증기가 분지라인(162)으로 유동되어 오리피스(170)를 통해 외부로 배출되도록 한다.
여기서, 종래와 같이 열수력 조건(온도, 압력, 혼합비) 조건에 맞게 유량이 배출되도록 오리피스(170)를 설계하는 방식을 이용하여야 한다.
이와 반대로, 비응축기체가 포함된 혼합기체인 경우, 제1,2삼방밸브(152,153)의 제어를 통해 분지라인(162)을 폐쇄하여 혼합기체가 제2라인(161)으로 유동되어 열교환기(120) 측으로 유동될 수 있도록 한다.
혼합기체를 흡인하기 이전에 노즐(10) 개구부에 침적된 응축수에 의해 혼합기체의 정량등속 흡인이 저해되는 것을 방지하기 위하여, 흡인장치는 노즐(10)에 퍼지가스를 주입하여 노즐(10)에 침적된 응축수를 제거하기 위한 퍼지가스라인(165)을 더 포함한다.
퍼지가스라인(165)은 제3삼방밸브(151)에 의해 제1라인(160)에 연결되어 있다.
즉, 제3삼방밸브(151)의 제어를 통해 퍼지가스라인(165)을 개방하여 퍼지가스인 비응축기체를 노즐(10) 측으로 유동될 수 있도록 한다.
퍼지가스라인(165)은 히터(H)가 설치되어 있으며, 히터(H)를 통해 퍼지가스의 온도를 높여주어 노즐(10)에 응축수가 생성되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도 2a 내지 도 3을 참조하여, 흡인장치를 통한 혼합기체의 흡인결과에 대하여 설명하도록 한다.
도 2a는 시간당 주유동(1)의 유량변화를 나타내는 그래프이고, 도 2b는 시간당 주유동(1)의 압력변화를 나타내는 그래프이다.
그리고 도 3은 시간당 유량조절기(140)에서 측정한 질소의 배출 유량값을 나타내는 그래프이다.
혼합기체의 등속정량 흡입을 위한 흡인장치의 조건은 하기 표 1과 같다.

항 목
기호
값
계산식

주유동 내 질소 질량유량
Figure 112017039937205-pat00001
0.07 kg/s

주유동 내 증기 질량유량
Figure 112017039937205-pat00002
0.07 kg/s

시험조건에서 질소 밀도
Figure 112017039937205-pat00003
3.9761 kg/m3
at 5 bar(a), 150℃

시험조건에서 증기 밀도
Figure 112017039937205-pat00004
2.668 kg/m3
at 5 bar(a), Sat. temp.

유량조절기 후단 질소 밀도
Figure 112017039937205-pat00005
1.1502 kg/m3
at 1 bar(a), 25℃

주유동 내 질소 부피유량
Figure 112017039937205-pat00006
0.01769 m3/s
=
Figure 112017039937205-pat00007
/
Figure 112017039937205-pat00008

주유동 내 증기 부피유량
Figure 112017039937205-pat00009
0.026237 m3/s
=
Figure 112017039937205-pat00010
/
Figure 112017039937205-pat00011

주유동 배관 직경
D
6 inch(=0.1524 m)

주유동 배관 면적
A
0.018232 m2
=πxD2/4

주유동 내 유속
v
2.409235 m/s
=(
Figure 112017039937205-pat00012
+
Figure 112017039937205-pat00013
)/A

흡인장치

노즐 직경
d1
0.005 m

노즐 면적
A1
1.96E-5 m2
=πxd12/4

노즐 흡입 유량(질소+증기)
Figure 112017039937205-pat00014
4.73E-5 m3/s
2.837 LPM
=v x A1

노즐의 질소 흡입 유량
Figure 112017039937205-pat00015
1.142 LPM
=
Figure 112017039937205-pat00016
x
Figure 112017039937205-pat00017
/(
Figure 112017039937205-pat00018
+
Figure 112017039937205-pat00019
)

유량조절기 설정 유량
Figure 112017039937205-pat00020
3.93 LPM
=
Figure 112017039937205-pat00021
x
Figure 112017039937205-pat00022
/
Figure 112017039937205-pat00023
일 예로써, 증기와 질소 혼합비 1:1의 혼합기체를 이용하고, 6인치 배관 안의 주유동(1)과 직경 5mm의 노즐(10)을 이용하여 정량의 혼합기체를 흡인하였다.
표 1에서 유량조절기(140)의 설정유량은 혼합기체의 등속흡인 시 질소배출유량으로써, 흡인장치의 실제 측정 유량값과 설정값이 같다는 것을 통해 혼합기체가 정량등속으로 흡입되었다는 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 10000초 이상 정량등속의 혼합기체를 흡인할 수 있음을 확인할 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 흡인장치는 다양한 열수력 조건(압력, 온도, 혼합비)에서 증기와 비응축기체로 구성되고 에어로졸 입자가 포함된 혼합기체를 정량등속 흡인하여 에어로졸 입자를 포집할 수 있으며, 이를 통해 에어로졸 입자의 질량농도 대표값을 설정할 수 있다.
상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 주유동 10 : 노즐
110 : 여과지 120 : 열교환기
130 : 응축수포집기 140 : 유량조절기

Claims (7)

  1. 증기와 비응축기체로 구성된 혼합기체에 포함된 에어로졸 입자의 질량농도를 측정하기 위한 혼합기체 정량등속흡인장치에 있어서,
    상기 혼합기체가 유동되는 주유동의 내부에 설치되어 상기 혼합기체가 유입되는 노즐;
    상기 노즐로 유입된 상기 에어로졸 입자를 포집하는 여과지;
    상기 여과지를 통과한 상기 증기를 응축시키는 열교환기; 및
    상기 열교환기를 통과한 상기 비응축기체의 일정 유량을 외부로 배출하여 상기 노즐로 유입되는 상기 혼합기체의 유량을 일정하게 제어하는 유량조절기;
    를 포함하며,
    상기 노즐을 통해 유입된 상기 혼합기체가 유동되는 이송라인을 더 포함하고,
    상기 이송라인은,
    상기 노즐과 상기 여과지 간에 연결된 제1라인; 및
    상기 여과지와 상기 열교환기 간에 연결된 제2라인;
    을 포함하며,
    상기 제2라인은 오리피스가 설치된 분지라인이 연결되되,
    상기 혼합기체에 비응축기체가 존재할 경우, 상기 제2라인은 개방되고, 상기 분지라인은 폐쇄되며,
    상기 혼합기체에 비응축기체가 미포함된 경우, 상기 제2라인은 폐쇄되고, 상기 분지라인은 개방되어 상기 오리피스를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 혼합기체 정량등속흡인장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기를 통해 생성된 응축수가 수집되는 응축수 포집기를 더 포함하는 혼합기체 정량등속흡인장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 주유동의 단면적당 상기 혼합기체의 유량과 상기 노즐의 개구부 단면적당 상기 혼합기체의 유입유량이 같은 것을 특징으로 하는 혼합기체 정량등속흡인장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
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KR20230055568A (ko) 2021-10-19 2023-04-26 한국기계연구원 굴뚝 내 배기가스 샘플링 장치
KR102722874B1 (ko) 2021-09-27 2024-10-25 이성철 드라이아이스를 활용한 다중관부 부분 리크테스트방법

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KR101682707B1 (ko) * 2016-02-29 2016-12-06 주식회사 미래와도전 고온 고압에서 작동하는 에어로졸 샘플링 시스템

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