KR101897615B1

KR101897615B1 - 고농도 에어로졸 발생장치

Info

Publication number: KR101897615B1
Application number: KR1020170052133A
Authority: KR
Inventors: 김성일; 김환열; 하광순; 정재훈; 김상백; 송용만; 안상모; 나영수; 이재봉; 연제원; 송진호; 홍성완; 박래준; 홍성호; 박기한; 박종호; 김종윤
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2018-09-12

Abstract

본 발명은 고농도 에어로졸 발생장치에 관한 것으로써, 구체적으로는 고온, 고압의 환경에서 고농도의 에어로졸을 장시간 안정적으로 발생시키고, 분사부의 압력이 고압일 때, 정량의 에어로졸 혼합물을 안정적으로 장시간 공급할 수 있는 에어로졸 발생장치에 관한 것이다. 본 발명은 액상의 현탁액에 에어로졸 입자가 혼합된 에어로졸 혼합물이 수용된 저장탱크; 상기 에어로졸 혼합물이 토출되는 분사노즐이 설치된 분사부; 상기 저장탱크에 수용된 에어로졸 혼합물을 상기 분사부로 유동시키기 위하여, 상기 저장탱크와 상기 분사부의 압력간 차압을 생성하는 밸브부; 상기 저장탱크와 상기 분사부의 압력간 차압을 계산하는 산출부; 및 상기 차압이 일정하게 유지되도록 상기 밸브부를 제어하는 밸브제어부;를 포함한다.

Description

고농도 에어로졸 발생장치{AEROSOL GENERATION APPARATUS WITH HIGH CONCENTRATION}

본 발명은 고농도 에어로졸 발생장치에 관한 것으로써, 구체적으로는 고온, 고압의 환경에서 고농도의 에어로졸을 장시간 안정적으로 발생시키고, 분사부의 압력이 고압일 때, 정량의 에어로졸 혼합물을 안정적으로 장시간 공급할 수 있는 에어로졸 발생장치에 관한 것이다.

원자력 발전소에서 노심이 용융되는 중대사고가 발생하였을 때, 방사능을 가진 핵분열 생성물은 주로 에어로졸의 형태로 발생하여 원자로 압력용기 밖으로 방출되고, 원자로 압력용기 밖으로 방출된 핵분열 생성물은 격납건물에서 열수력 조건에 따라 에어로졸 거동을 하여 격납건물의 설계압력 이상의 파단압력이 되었을 경우 대기중으로 방출된다.

중대사고 실험에서 이를 모의하기 위하여, 격납건물 내의 환경과 같은 고온, 고압의 상황에서 고농도의 상사물 에어로졸을 발생하는 것이 필요하며, 실험에 사용되는 상사물 에어로졸의 발생에는 많은 방법이 있지만 가장 간단하고, 에어로졸 입자 크기를 균일하게 발생할 수 있는 방법 중 하나는 SiO2와 같은 에어로졸 입자를 액상의 현탁액에 혼합하며 분무를 통해 발생하는 방법이다.

종래의 에어로졸 발생장치는 고압, 고온(~10 bar(a), 180℃) 의 환경에서 에어로졸을 발생시키는데 제약이 있으며, 보다 구체적으로 고압으로 분사하기 위하여 대기압과의 압력차이를 극복해야 하는데, 종래의 경우 펌프를 사용하여 압력차이를 극복해야 한다.

에어로졸 혼합물의 경우 안정적으로 정량의 에어로졸을 공급하기 위하여 기어펌프를 주로 사용하는데, 펌프의 압력 극복 능력에 한계가 있고, 펌프 전단에 압력이 가해진 경우 펌프의 내구성이 손상되어 에어로졸 이송이 되지 않는 단점이 있다.

또한, 고온의 환경에 분사를 할 경우, 에어로졸 혼합물의 현탁액이 이송관을 따라 이동하면서 고온으로 가열되어, 현탁액이 증발되어 고체 에어로졸로 이송관이 막히는 현상이 발생할 수 있으며, 또한 분사를 잠시 중단하고 재 분사를 시작할 경우 관내에 존재하는 에어로졸 혼합물 현탁액이 증발하여 이송관이 막혀 더 이상 분사가 이루어지지 않는 현상이 발생하게 된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0121415호

본 발명의 목적은 고온, 고압의 환경에서 고농도의 에어로졸을 장시간 안정적으로 발생시키고, 분사부의 압력이 고압일 때, 정량의 에어로졸 혼합물을 안정적으로 장시간 공급할 수 있는 에어로졸 발생장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 액상의 현탁액에 에어로졸 입자가 혼합된 에어로졸 혼합물이 수용된 저장탱크; 상기 에어로졸 혼합물이 토출되는 분사노즐이 설치된 분사부; 상기 저장탱크에 수용된 에어로졸 혼합물을 상기 분사부로 유동시키기 위하여, 상기 저장탱크와 상기 분사부의 압력간 차압을 생성하는 밸브부; 상기 저장탱크와 상기 분사부의 압력간 차압을 계산하는 산출부; 및 상기 차압이 일정하게 유지되도록 상기 밸브부를 제어하는 밸브제어부;를 포함한다.

본 발명에서 상기 밸브부는 상기 저장탱크의 내부에 압력기체를 주입하기 위한 공급밸브; 및 상기 저장탱크에 주입된 압력기체를 외부로 배출하기 위한 배기밸브;를 포함한다.

본 발명은 상기 저장탱크와 상기 분사노즐간에 연결되어 상기 에어로졸 혼합물이 유동되는 유동라인; 및 상기 유동라인에 설치된 냉각장치를 더 포함한다.

본 발명에서 상기 냉각장치는 상기 분사부의 내부열이 상기 유동라인으로 전달되는 것을 방지하기 위하여 상기 분사부의 내부에 배치된다.

본 발명에서 상기 냉각장치는 상기 유동라인의 외주면을 감싸는 제1냉각수라인; 및 상기 제1냉각수라인의 외주면을 감싸는 제2냉각수라인;을 포함한다.

본 발명에서 상기 냉각장치는 냉각수가 상기 제1냉각수라인으로 유입되어 상기 제1냉각수라인을 따라 상기 제2냉각수라인을 경유하여 외부로 배출된다.

본 발명에 따른 고농도 에어노졸 분사장치는 밸브부, 산출부, 밸브제어부, 냉각장치를 통해서, 고온, 고압의 환경에서 고농도의 에어로졸을 안정적으로 발생할 수 있어 원자력 발전소 중대사고 발생시 핵분열 생성물의 발생을 모의할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 에어로졸 발생장치의 구성도이다.
도 2a는 도 1에 도시된 냉각장치의 확대도이다.
도 2b는 도 2에 도시된 유동라인, 제 1,2 냉각수라인의 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 분사부의 압력상태가 2bar인 것을 기준하여, 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 에어로졸 발생장치를 통해 발생한 에어로졸의 입경별 질량농도 변화와 수농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 분사부의 압력상태가 7bar인 것을 기준하여, 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 에어로졸 발생장치를 통해 발생한 에어로졸의 입경별 질량농도 변화와 수농도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 분사부의 압력상태가 7bar인 것을 기준하여, 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 에어로졸 발생장치를 통해 발생한 에어로졸의 시간별 총 질량농도를 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.

본 발명의 구체적인 설명에 앞서 후술되는 내용에 표현된 방향에 있어서, “상부”의 상(上)은 도 2a에 도시된 제1냉각수라인(141)을 기준하여 제2냉각수라인(142) 측으로 향한 방향이며, “하부”의 하(下)는 제2냉각수라인(142)을 기준하여 제1냉각수라인(141) 측으로 향한 방향으로 정의한다.

이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 에어로졸 분사장치에 대하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 에어로졸 발생장치의 구성도이다.

그리고 도 2a는 도 1에 도시된 냉각장치(140)의 확대도이고, 도 2b는 도 2에 도시된 제1유동라인(151), 제1,2냉각수라인(142,143)의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 고농도 에어로졸 분사장치(이하, 분사장치라 함)는 저장탱크(110), 분사부(120), 밸브부(161,162), 산출부, 밸브제어부를 포함한다.

저장탱크(110)는 액상의 현탁액에 에어로졸 입자가 혼합된 에어로졸 혼합물이 수용되어 있으며, 저장탱크(110)의 상부에 상기 밸브부(161,162)가 설치되어 있다.

상기 분사부(120)는 상기 에어로졸 혼합물이 토출되는 분사노즐(130)이 설치되어 있으며, 보다 구체적으로 상기 에어로졸 혼합물은 상기 분사노즐(130)의 단부에 장착된 오리피스(131)를 통해 상기 분사부(120)의 내부로 토출된다.

고농도의 에어로졸이 상기 분사노즐(130) 측으로 유동되도록 현탁액은 에탄올이 사용되며, 상기 분사노즐(130)을 통해 상기 분사부(120)의 내부로 에어로졸 혼합물이 토출되면, 고온고압의 상기 분사부(120)의 내부환경에 의해 에탄올은 증발된다.

그리고 상기 저장탱크(110)에 수용된 에어로졸 혼합물이 상기 분사노즐(130) 측으로 유동되어 분사될 수 있도록 상기 저장탱크(110)와 상기 분사부(120)의 압력 간 차압이 생성되어야 한다.

상기 밸브부(161,162)는 이러한 차압을 생성하여 상기 저장탱크(110)에 수용된 에어로졸 혼합물을 상기 분사부(120)로 유동시키기 위한 구성으로써, 공급밸브(161)와 배기밸브(162)를 포함한다.

상기 공급밸브(161)는 상기 저장탱크(110)의 내부에 압력기체를 주입하기 위한 구성이고, 상기 배기밸브(162)는 상기 저장탱크(110)에 주입된 압력기체를 외부로 배출하기 위한 구성이다.

상기 산출부는 상기 저장탱크(110)와 상기 분사부(120)의 압력간 차압을 계산하기 위한 구성이고, 상기 밸브제어부는 상기 차압이 일정하게 유지되도록 상기 밸브부(161,162)를 제어하기 위한 구성이다.

그리고 상기 분사장치는 상기 저장탱크와 상기 분사부의 압력을 측정하기 위한 압력센서를 더 포함한다.

즉, 상기 압력센서가 상기 저장탱크(110)와 상기 분사부(120)의 압력을 측정하고, 상기 산출부가 상기 저장탱크(110)와 상기 분사부(120)의 압력간 차압을 계산하고, 차압이 일정하게 유지되도록 상기 밸브제어부가 상기 밸브부(161,162)의 개폐량을 조절한다.

차압이 일정하게 유지될 경우, 상기 분사노즐(130)에 장착된 상기 오리피스(131)의 직경이 일정하기 때문에 상기 저장탱크(110)로부터 상기 분사부(120)로 일정한 유량과 농도의 에어로졸 혼합물이 공급될 수 있다.

따라서, 상기 저장탱크(110)에 주입, 또는 상기 저장탱크(110)로부터 배출되는 압력기체, 밸브부(161,162), 산출부, 밸브제어부를 통해 상기 저장탱크(110)와 상기 분사부(120)의 압력간 차압을 이용하여, 에어로졸 혼합물을 유동시키기 위한 종래의 펌프를 배재한 상태로 상기 저장탱크(110)로부터 상기 분사노즐(130)을 통해 일정한 유량과 농도의 에어로졸 혼합물이 분사부(120)의 내부로 토출될 수 있다.

상기 분사장치는 유동라인과 냉각장치(140)를 더 포함한다.

상기 유동라인은 제1,2,3유동라인(151,152,153)으로 구성되며, 상기 제1유동라인(151)은 상기 저장탱크(110)와 상기 분사노즐(130)간에 연결되어 상기 에어로졸 혼합물이 유동된다.

전술된 바와 같이, 상기 분사부(120)의 내부는 고온상태로 유지됨으로써, 상기 분사부(120)의 내부온도에 의해, 상기 분사부(120)의 내부에 배치된 상기 제1유동라인(151)에서 에어로졸 혼합물의 현탄액이 증발하여 상기 제1유동라인(151)이 막힐 수 있다.

따라서, 상기 냉각장치(140)는 상기 분사부(120)의 내부열이 상기 제1유동라인(151)에 전달되는 것을 제거해주기 위한 구성으로써, 상기 분사부(120)의 내부에 배치된 상기 제1유동라인(151)에 설치된다.

도 2를 참조하면, 상기 냉각장치(140)는 제1,2냉각수라인(141,142)을 포함한다.

상기 제1냉각수라인(141)은 상기 제1유동라인(151)의 외주면을 감싸고, 상기 제2냉각수라인(142)은 상기 제1냉각수라인(141)의 외주면을 감싸는 이중 구조로 형성되어 있다.

상기 제1냉각수라인(141)의 일측단부에는 냉각수가 유입되는 인렛이 형성되어 있으며, 상기 제2냉각수라인(142)의 타측단부에는 상기 제1냉각수라인(141)으로 유입된 냉각수가 외부로 배출되는 아웃렛이 형성되어 있다.

즉, 상기 냉각장치(140)는 냉각수가 상기 제1냉각수라인(141)으로 유입되어 상기 제1냉각수라인(141)을 따라 상기 제2냉각수라인(142)을 경유하고 상기 분사부(120)의 내부열을 흡수하여 외부로 배출된다.

따라서, 상기 제1유동라인(151)을 감싸는 상기 제1,2냉각수라인(141,142)이 이중구조를 통해, 상기 분사부(120)의 내부열이 상기 제1유동라인(151)에 전달되는 것이 차단되어 상기 제1유동라인(151)을 따라 유동되는 에어로졸 혼합물의 현탄액이 증발되는 것을 방지할 수 있다.

상기 제2,3유동라인(152,153)은 상기 분사노즐(130)에 연결되어 상기 분사노즐(130)에 압력기체를 공급하기 위한 구성이다.

상기 제2,3유동라인(152,153)을 통해 상기 분사노즐(130)에 공급되는 압력기체에 의해, 상기 에어로졸 혼합물에서 현탁액과 에어로졸이 보다 용이하게 분리되어 상기 분사노즐(130)을 통해 상기 분사부(120)의 내부로 토출될 수 있게 된다.

여기서, 상기 제2,3유동라인(152,153) 중 어느 하나 또는 모두에 히터가 설치되어 압력기체의 온도를 높일 수 있으며, 온도가 상승된 압력기체에 의해 상기 분사노즐(130)을 통해 토출되는 현탁액인 에탄올의 증발점을 높여 현탁액과 에어로졸이 보다 용이하게 분리될 수 있다.

또한, 상기 제2,3유동라인(152,153)을 통해 상기 분사노즐(130)에 공급되는 압력기체를 통해, 상기 분사노즐(130)을 막고 있는 이물질을 제거할 수 있다.

이하, 도 3a 내지 도 5를 참조하여, 상기 발생장치를 이용하여 발생된 에어로졸의 특성을 살펴보도록 한다.

도 3a 및 도 3b는 상기 분사부(120)의 압력상태가 2bar인 것을 기준하여, 상기 발생장치를 통해 발생한 에어로졸의 입경별 질량농도 변화와 수농도 변화를 나타내는 그래프이다.

그리고 도 4a 및 도 4b는 상기 분사부(120)의 압력상태가 7bar인 것을 기준하여, 상기 발생장치를 통해 발생한 에어로졸의 입경별 질량농도 변화와 수농도 변화를 나타내는 그래프이다.

그리고 도 5는 상기 분사부(120)의 압력상태가 7bar인 것을 기준하여, 상기 발생장치를 통해 발생한 에어로졸의 시간별 총 질량농도를 나타내는 그래프이다.

에어로졸 특성을 측정하기 위한 조건으로 상기 저장탱크(110)와 상기 분사부(120)의 압력간 최고차압이 0.5bar으로, 최저차압은 0.1bar로 설정하였다.

최고차압은 에어로졸의 미립화를 고려하기 위한 것으로, 이보다 증가하면 상기 분사노즐(130)을 통해 토출되는 에어로졸 혼합물의 양이 증가하고 에어로졸의 미립화가 덜되어 결과적으로 상기 분사부(120)의 내부로 토출되는 에어로졸의 발생량이 감소하게 되기 때문이다.

또한, 최저차압은 상기 분사노즐(130)을 통해 에어노즐이 분사되기 위해 고려된 압력이다.

상기 분사부(120)의 내부온도는 180℃, 직경 0.7μm의 SiO₂ 에어로졸 입자가 에탄올에 혼합된 에어로졸 혼합물을 약 2시간 동안 분사하였다.

상기 분사부(120)의 압력이 2bar와 7bar인 것을 기준하여, 에어로졸의 직경이 0.04μm~7.2μm에서 에어로졸 입자의 분사가 효과적으로 이루어졌음을 확인할 수 있다.

그리고 약 5,000초 이상 동안 고농도의 에어로졸이 상기 분사부(120)의 내부로 토출할 수 있는 조건을 안정적으로 생성할 수 있음을 확인할 수 있다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 고농도 에어노졸 분사장치는 상기 밸브부(161,162), 산출부, 밸브제어부, 냉각장치(140)를 통해서, 고온, 고압의 환경에서 고농도의 에어로졸을 안정적으로 발생할 수 있어 원자력 발전소 중대사고 발생시 핵분열 생성물의 발생을 모의할 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.

110 : 저장탱크
120 : 분사부
130 : 분사노즐
140 : 냉각장치
151,152,153 : 제1,2,3유동라인

Claims

액상의 현탁액에 에어로졸 입자가 혼합된 에어로졸 혼합물이 수용된 저장탱크;
상기 에어로졸 혼합물이 토출되는 분사노즐이 내부에 설치되는 고온 상태의 분사부;
상기 저장탱크에 수용된 에어로졸 혼합물을 상기 분사부로 유동시키기 위하여, 상기 저장탱크와 상기 분사부의 압력간 차압을 생성하는 밸브부;
상기 저장탱크와 상기 분사부의 압력간 차압을 계산하는 산출부; 및
상기 차압이 일정하게 유지되도록 상기 밸브부를 제어하는 밸브제어부;
를 포함하며,
상기 저장탱크와 상기 분사노즐 간에 연결되어 상기 에어로졸 혼합물이 유동되는 유동라인; 및
상기 유동라인 중 상기 에어로졸 혼합물이 유동되는 제1 유동라인에 설치되되, 상기 유동라인 중 상기 분사부 내부에 배치된 제1 유동라인에 설치되어 상기 분사부의 내부열이 상기 제1 유동라인으로 전달되는 것을 방지하는 냉각장치;를 더 포함하는 고농도 에어로졸 발생장치.
제 1 항에 있어서,
상기 밸브부는
상기 저장탱크의 내부에 압력기체를 주입하기 위한 공급밸브; 및
상기 저장탱크에 주입된 압력기체를 외부로 배출하기 위한 배기밸브;
를 포함하는 고농도 에어로졸 발생장치.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 냉각장치는
상기 유동라인의 외주면을 감싸는 제1냉각수라인; 및
상기 제1냉각수라인의 외주면을 감싸는 제2냉각수라인;
을 포함하는 고농도 에어로졸 발생장치.
제 5 항에 있어서,
상기 냉각장치는
냉각수가 상기 제1냉각수라인으로 유입되어 상기 제1냉각수라인을 따라 상기 제2냉각수라인을 경유하여 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 고농도 에어로졸 발생장치.