게시판 > 질답게시판 > 안녕하세요.? 질소 및 헬륨 소요량에 대한 질문 드립니다.

스테파노 Stefano

15-09-16 20:14

(1) 계산이 어려운 것은 아니지만 좀 복잡합니다.

우선 Valve Body Metal의 부피 = Vm
Valve내 공간 Helium의 부피 = Vh
Chamber내 액체 Nitrogen의 부피 = Vn
Chamber내 액면까지의 전체 부피 = Vc

전체 부피 Vc = Vm + Vh + Vn

Vv의 값은 Valve 공간에 물을 채운 후 물을 비워 부피를 측정해 보면 B =Vh임을 알아낼 수 있을 것이고

Chamber 벽의 질량은 mc, 비열은 Cc 이고 금속, 헬륨, 질소의 밀도는 각각 ρm, ρh, ρn, 비열은 Cm, Ch, Cn 그리고 질소의 증발잠열을 λ, 사용하는 질소의 온도를 Tn=-196, Chamber 내의 초기 온도를 To, 변화하는 온도를 T라고 하면

소요되는 액체 질소가 냉각시켜야 할 열량을 먼저 계산해 보면
Chamber 냉각열 Qc = mc * Cc * (To + 196)
Valve 본체 냉각열 Qm=(Vm*ρm)*Cm*(To + 196)
Helium 기체냉각열 Qh = (Vh*ρh)*Ch*(To + 196)

Liquid N2를 제외한 냉각열량은 Q=Qc+Qm+Qh ......................(1) 가 되는데
이 열량을 질소를 증발시켜 낮추어야 할 것이므로 증발될 질소의 양은 Q/λ이 될 것입니다.
증발되고 난 후 Chamber는 액체질소로 채워둬야 할 것이므로 전체 필요한 질소의 양은

Liquid Nitrogen Required = Q/λ + (Vn*ρn) .............................(2)

(2) Liquid N2를 투입하는 속도는 (1)로 계산되는 전체의 열량을 10도/h씩 낮추어야 할 것이므로 소요되는시간은

Time Required for Chilling t = (To+196) / 10 [h]................................(3) 가 될 것이고

시간당 증발되는 질소의 양은 Q / t / λ ...............................(4)이 되겠고

그리고 나서 온도가 원하는 온도로 도달 했다면 나머지 질소를 Chamber에 채우면 되겠습니다.

(3) Helium Gas 를 흘려보내지 않는다면 Vh로부터 이상기체법칙을 이용하여 채워넣은 량을 계산해 보세요.

Helium의 몰수 nh = P * Vh / {R*(273.15-196)}.....................(5)

(1) 계산이 어려운 것은 아니지만 좀 복잡합니다.
 
우선 Valve Body Metal의 부피            = Vm
Valve내 공간 Helium의 부피               = Vh 
Chamber내 액체 Nitrogen의 부피       = Vn
Chamber내 액면까지의 전체 부피      = Vc

전체 부피 Vc = Vm + Vh + Vn

Vv의 값은 Valve 공간에 물을 채운 후 물을 비워 부피를 측정해 보면 B =Vh임을 알아낼 수 있을 것이고

Chamber 벽의 질량은 mc, 비열은 Cc 이고 금속, 헬륨, 질소의 밀도는 각각 ρm, ρh, ρn, 비열은 Cm, Ch, Cn 그리고 질소의 증발잠열을 λ, 사용하는 질소의 온도를 Tn=-196, Chamber 내의 초기 온도를 To, 변화하는 온도를 T라고 하면

소요되는 액체 질소가 냉각시켜야 할 열량을 먼저 계산해 보면
Chamber 냉각열    Qc = mc * Cc * (To + 196)
Valve 본체 냉각열  Qm=(Vm*ρm)*Cm*(To + 196)
Helium 기체냉각열 Qh = (Vh*ρh)*Ch*(To + 196)

Liquid N2를 제외한 냉각열량은 Q=Qc+Qm+Qh ......................(1) 가 되는데
이 열량을 질소를 증발시켜 낮추어야 할 것이므로 증발될 질소의 양은  Q/λ이 될 것입니다. 
증발되고 난 후 Chamber는 액체질소로 채워둬야 할 것이므로 전체 필요한 질소의 양은

Liquid Nitrogen Required = Q/λ + (Vn*ρn) .............................(2)

(2) Liquid N2를 투입하는 속도는 (1)로 계산되는 전체의 열량을 10도/h씩 낮추어야 할 것이므로 소요되는시간은

Time Required for Chilling   t = (To+196) / 10   [h]................................(3) 가 될 것이고

시간당 증발되는 질소의 양은  Q / t / λ ...............................(4)이 되겠고

그리고 나서 온도가 원하는 온도로 도달 했다면 나머지 질소를 Chamber에 채우면 되겠습니다.

(3) Helium Gas 를 흘려보내지 않는다면 Vh로부터 이상기체법칙을 이용하여 채워넣은 량을 계산해 보세요.

Helium의 몰수  nh = P * Vh / {R*(273.15-196)}.....................(5)

진브르 jinblue1

15-09-17 07:57

안녕하세요. 답변 감사 드립니다.

설명해 주신 수식 검토 후 추가 문의 드리겠습니다.

제가 화학 공학 전공자가 아니라... 그렇다고 고등학교에서 열심히 한것도 아니라서.. ^^;

잘 이해는 안되지만.. 수식이 다 나와 있으니 이해는 할 수 있을것 같네요.

위에서 Vv가 나오는데.. 이것은 Valve의 부피로 이해 하면 되는지요?

감사합니다.

Stefano

15-09-17 12:02

(1) Valve내 빈 공간 (Void) 부피를 Vv로 나타낸 것인데 이 부분이 헬륨으로 채우져 있으므로 Vh와 같고 질문에서의 B값과 같지요.

(2) 10도씩 온도를 낮춘다고 했는데 처음에는 액체질소가 닿는 부분에서는 액체질소와 같은 온도가 되어 버리는데 과연 어느 부분의 온도를 언급하는지 명확하지 않습니다. 실제로는 밸브에 액체질소를 끼얹으면 접촉하는 부분부터 급속냉각이 될 것이므로 균일한 온도유지가 어려울 것으로 보지만 밸브 본체와 헬륨이 채워져 있는 공간 및 챔버의 가중평균 온도라고 봐야 하겠지요

가중평균 온도, T = (챔버무게*챔버온도 + 밸브본체무게*본체온도 + 헬륨무게* 헬륨온도)/(챔버무게+밸브본체무게+헬륨무게)

(3) 액체질소의 온도를 -196도로 보기 때문에 액체질소 자체를 냉각시키는데 필요한 열량은 없다고 본 것입니다. 참고하세요.
(액체질소가 챔버안에 담겨 있다고 해도 액체질소의 온도가 증발온도보다 낮다면 모두 증발해서 대기중으로 날라가 버리고 액체질소의 온도는 여전히 -196도를 유지하고 있을 것입니다.

금속이 급속히 냉각되면 금속조직내 열수축 등에 의해 Stress가 많이 걸리게 될 것인데 필자도 구체적인 실험방법이 궁금한 것은 사실입니다.

(4) 필자라면 상온에서부터 서서히 냉각하려고 한다면 1단계에서 우선 알코홀 등을 이용해서 영하 수십도로 낮추고 질소의 임계온도 이하로 도달하면 2단계에선 알콜을 빼내고 그 온도 ,그 압력의 액체질소로 채운 다음 챔버의 압력을 서서히 낮추어 가면서 증발되어 배출되는 질소유량을 조절(액이 증발하게 되면 액체질소를 보충)하는 방법으로 온도를 낮추어 가는 것이 좋을 것으로 봅니다.

진브르 jinblue1

15-09-22 17:15

추가 답변 감사 드립니다.

(4)번 항목의 경우, 제가 언급 드린 것처럼 처음부터 액화질소로 낮추지는 않지만, 계산을 단순화 하기 위해 부연설명을 제외한 사항입니다.

일정 온도 까지 낮추고 더 낮출수가 없을때 액화질소를 투입시킵니다.

우선.. 제가 study르 많이 해보고... 다시 질문 드리겠습니다. 너무 화학쪽엔 무지해서 도무지 감이 오질 않네요; ^^

감사합니다.

Stefano

15-09-23 09:25

화학.. 알고보면 착한(?) 학문입니다. 너무 어려워 하지 마시고 가까이 다가가려고 맘 먹으면 정이 들게 됩니다.
검토 하던 중 추가 의문사항.. 서슴지 마시고 질문하세요.

원래 이곳은 함께 고민(?)하고 토의하려고 만들었던 마당이었는데 실제로 원했던 대로 되지는 않았지만 그래도 15년 넘는 역사를 가지고 있습니다.

진브르 jinblue1

15-12-24 09:40

안녕하세요. 현업에 바쁘다 보니 인제서야 다시 한번 확인하게 되었습니다.

본격적으로 study를 하고 궁금한 사항은 물어 보도록 하겠습니다.

제 필요에 의해 질문만 하고 가는게 너무 죄송 스럽지만... 많은 도움 주시기 바랍니다.

감사합니다.