[논문]확산하는 액체질소의 증발에 관한 실험적 연구

김명배; 최병일; 김태훈; 도규형; 한용식; 정경열

doi:10.7316/khnes.2018.29.5.466

확산하는 액체질소의 증발에 관한 실험적 연구
Experimental Study of the Evaporation of Spreading Liquid Nitrogen 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.5, 2018년, pp.466 - 472

김명배 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 최병일 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 김태훈 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 도규형 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 한용식 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실) , 정경열 (한국기계연구원 에너지플랜트안전연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

The investigation of cryogenic liquid pool spreading is an essential procedure to assess the hazard of cryogenic liquid usage. In this experimental study, to measure the evaporation velocity when the pool is spreading, liquid nitrogen was continuously released onto unconfined concrete ground. Almost all of the reported results are based on a non-spreading pool in which cryogenic liquid is instantaneously poured onto bounded ground for a very short period of time. A simultaneous measurement of the pool location using thermocouples and of the pool mass using a digital balance was carried out to measure the evaporation velocity and the pool radius. A greater release flow rate was found to result in a greater average evaporation velocity, and the evaporation velocity decreased with the spreading time and the pool radius.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. The experiment apparatus
그림 Fig. 2. Concrete ground with the thermocouples
그림 Fig. 3. Design parameters for the funnel
그림 Fig. 4. Spill rate Qs with time for the three nozzles
그림 Fig. 5. Temperature in the north line and pool mass
그림 Fig. 6. Temperature in the east line and pool mass
표 Table 1. Pool radius and evaporation velocity with time (to be continued)
그림 Fig. 7. Evaporation velocity with pool radius
표 Table 1. Continued
표 Table 2. Comparison among experimental results

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연속적으로 누출되어 확산되고 있는 액체질소 풀에 대하여 증발속도를 측정하였다. 사고 사례로부터 연속적인 누출이 순간적인 누출보다 매우 높은 확률이고, 지금까지 보고된 모든 연구에서 측정된 증발속도는 비확산풀에 대한 연구이기 때문에, 본 연구에서 개발된 확산하고 있는 액체 풀에 대한 증발속도 측정 방법은 중요한 의미를 가지고 있다고 판단된다.
본 연구에서는 확산풀의 증발속도를 측정하기 위하여 원뿔 형태의 깔때기를 사용하고 방출시간 동안 일정한 누출량이 유지되도록 설계하였다. 이를 위하여 열전대를 이용하여 확산하고 있는 액체풀의 선단(front) 위치와 액체풀의 질량을 동시에 측정하였다.

가설 설정

는 그 시점의 액체질량이다. 노즐로부터 판위에 도달하는 시간은 약 0.1초 정도이므로 무시하고 t=t₁를 가정하였다.
액체 질소의 증발온도가 -196°C이므로 열전대의 온도가 -190°C 이하로 강하하는 순간이 액체질소의 선단이 그 열전대를 지나가는 순간이라고 가정할 수 있다.

제안 방법

025 m이며 콘크리트 판의 중심에 액체 질소가 수직으로 누출된다. 0.1 g의 분해능이 있는 전자저울이 콘크리트 판 위를 확산(spread)해 가는 액체질소의 질량을 측정하기 위하여 사용되었다. 전자저울의 데이터는 데이터 측정 시스템으로 연결된다.
깔때기, 콘크리트 판, 전자저울로 구성된 실험장치는 Fig. 1과 같이 실험실 내에 설치되어 바람이나 햇빛의 영향을 최소화할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 확산풀의 증발속도를 측정하기 위하여 원뿔 형태의 깔때기를 사용하고 방출시간 동안 일정한 누출량이 유지되도록 설계하였다. 이를 위하여 열전대를 이용하여 확산하고 있는 액체풀의 선단(front) 위치와 액체풀의 질량을 동시에 측정하였다.
전자저울의 데이터는 데이터 측정 시스템으로 연결된다. 콘크리트 판위를 확산해가는 액 체질소의 선단(front) 위치를 측정하기 위하여 Fig. 2와 같이 25개의 열전대를 네 방향으로 설치하였다. 판의 중심에도 열전대가 설치되어 확산이 시작되는 시간을 알 수 있도록 하였다.
안정화된 것을 확인하고 노즐 출구를 막고 있는 패드를 제거하면 액체질소가 콘크리트 판 위로 누출된다. 판의 중심에 설치된 열전대는 실험의 시작을 알려주는 용도이며, 실험의 신뢰도를 높이기 위하여 3개의 노즐에 대하여 2회씩 총 6회의 실험이 반복되었다.
확산하고 있는 액체 풀의 증발속도 측정을 위하여 누출유량, 액체 풀의 선단 위치와 질량의 동시 측정이 필요하였다. 비확산풀에서는 풀의 면적이 고정되어 있기 때문에, 증발속도 측정을 위하여는 시간에 따른 질량의 측정만이 필요하다.

대상 데이터

깔때기는 액체질소를 공급하는 장치로 깔때기 벽을 통한 열전도를 최소화하기 위하여 단열 처리되었으며 콘크리트 판위에 약간의 틈을 두고 설치되었다. 콘크리트 판은 직경 0.8 m, 두께 0.025 m이며 콘크리트 판의 중심에 액체 질소가 수직으로 누출된다. 0.

데이터처리

열전대 신호 역시 데이터 계측시스템에 연결되어 액체질소의 선단 위치와 그 때의 액체질소 질량을 동시에 측정할 수 있게 된다. 각 열전대에 액체질소 선단이 도달한 시간은 네 방향에 대한 값들을 이용 평균을 취하였다.

성능/효과

누출유량이 클수록 증발속도가 증가하였으며, 증발속도는 시간에 따라 감소하였다. 타 연구에서 측정된 증발속도에 비하여 본 연구에서 측정된 증발속도가 일반적으로 더 큰 값을 보이는데, 이는 타 연구 결과들은 전부 비확산풀에 대한 결과이기 때문으로 판단된다.
1 g이 충분한 정밀도를 갖고 있는 것을 알 수 있다. 또한 열전대의 반응시간도 전체 측정시간에 비하여 매우 짧아 극저온 액체선단의 열전대 도달을 명확하게 측정할 수 있다는 사실도 알게 된다.
본 연구에서 측정된 증발속도를 기준으로 확산풀에서의 증발 속도 확산풀에서의 증발속도보다 일반적으로 큰 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 연속적으로 누출되어 확산되고 있는 액체질소 풀에 대하여 증발속도를 측정하였다. 사고 사례로부터 연속적인 누출이 순간적인 누출보다 매우 높은 확률이고, 지금까지 보고된 모든 연구에서 측정된 증발속도는 비확산풀에 대한 연구이기 때문에, 본 연구에서 개발된 확산하고 있는 액체 풀에 대한 증발속도 측정 방법은 중요한 의미를 가지고 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	확산풀의 증발속도를 측정하기 위하여 무엇을 동시에 측정하였는가?	본 연구에서는 확산풀의 증발속도를 측정하기 위하여 원뿔 형태의 깔때기를 사용하고 방출시간 동안 일정한 누출량이 유지되도록 설계하였다. 이를 위하여 열전대를 이용하여 확산하고 있는 액체풀의 선단(front) 위치와 액체풀의 질량을 동시에 측정하였다.
	극저온 액체가 외부로 확산하게 되면 어떤 형태를 취하게 되는가?	극저온 액체가 저장용기에서 누출되어 외부로 확산하게 되면 액체풀(liquid pool)의 형태를 취하게 된다. 보통 주변의 온도는 극저온 액체의 증발온도보다 매우 높기 때문에, 극저온 액체풀은 주변과의 열교환에 의하여 격렬한 증발이 발생한다.
	누출된 극저온 액체가 가열성일 때 어떤 위험성이 있는가?	주요 열원은 지면으로부터의 전도열, 주위 공기로부터의 대류열과 태양으로부터의 복사열 등이다. 누출된 극저온 액체가 가연성이라면 풀화재(pool fire)와 폭발의 가능성이 뚜렷하다. 더욱이 액체가 독성을 가지고 있다면 대기중으로 바람과 함께 확산되어, 누출 주변이 위험해질 수 있다.

참고문헌 (9)

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