등속흡인

왜 배우는가: 등속흡인은 굴뚝 먼지 측정값이 실제 배출 농도를 대표하는지를 결정하는 채취 조건이다. 입자의 관성 때문에 흡인속도가 조금만 어긋나도 측정 농도가 달라지므로, 측정 정확성과 배출허용기준 판정의 신뢰도를 좌우한다. 원리와 등속흡인비 계산은 기본 개념으로서 정확히 이해해야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 1번, 제116회 1교시 5번, 제90회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

등속흡인은 측정점 유속과 흡인속도를 같게 하여 시료를 채취하는 방법이다. 이 정의는 굴뚝 배출가스 중 입자상물질을 채취하는 조건을 가장 짧게 나타낸 문장이다.

답안과 해설을 이해하는 데 필요한 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 등속흡인
• 등속흡인비
• 측정점 유속
• 흡인속도
• 노즐
• 입자 관성
• 입경 분포
• 대표성

이 키워드들은 정의, 원리, 필요성 순서로 이어진다. 등속흡인비와 입자 관성은 원리를 묻는 문항에서 답안의 중심이 되는 용어이다. 따라서 두 용어의 뜻과 관계를 먼저 정확히 잡아야 나머지 절의 내용이 흔들리지 않는다.

2. 개념 풀이

등속흡인(Isokinetic Sampling)은 굴뚝 배출가스 중 입자상물질을 채취할 때, 노즐로 흡입하는 가스의 속도를 측정점에서 측정한 배출가스 유속과 같게 맞춰 시료를 뽑는 채취 방법이다. 굴뚝 단면은 위치마다 가스 유속이 다르므로, 측정점마다 흡인속도를 조절하여 두 속도가 같아지도록 한다. 이렇게 채취한 시료는 굴뚝 안 입자의 농도와 입경 분포를 대표하게 된다.

등속흡인이 필요한 원리는 입자의 관성에 있다. 입자는 가스보다 질량이 커서 흐름 방향이 바뀌어도 원래 방향을 유지하려는 관성이 크다. 흡인속도가 측정점 유속보다 느리면 가스는 노즐을 비껴 흐르고, 큰 입자는 관성 때문에 직진하여 노즐 안으로 들어온다. 흡인속도가 유속보다 빠르면 가스는 노즐 쪽으로 강하게 끌려 들어오지만 큰 입자는 흐름을 따라 꺾이지 못해 노즐로 들어오는 양이 상대적으로 줄어든다. 흡인속도가 유속보다 느리면 농도가 과대, 빠르면 과소로 측정된다.

등속 조건의 정도는 등속흡인비로 나타낸다. 등속흡인비는 노즐 흡인속도를 측정점 유속으로 나눈 값에 100을 곱한 백분율이며, 이상적인 값은 100%이다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\\text{등속흡인비}(\\%) = \\frac{\\text{노즐 흡인속도 (m/s)}}{\\text{측정점 유속 (m/s)}} \\times 100$

분자는 노즐 입구에서의 흡인속도이고 분모는 굴뚝 내 측정점에서 피토관으로 구한 배출가스 유속이다. 두 속도의 단위가 같으므로 등속흡인비는 단위가 없는 백분율이다. 실무에서는 등속흡인비가 90~110% 범위에 들어와야 채취 결과의 신뢰도를 확보한 것으로 본다. 등속흡인비가 100%에서 벗어나는 원인은 노즐 크기 선정 오류, 펌프 유량 조절 불량, 측정점 유속 측정 오류의 세 가지로 정리된다.

편향은 입경에 따라 다르게 나타난다. 입경이 큰 입자일수록 관성이 커서 편향이 크고, 입경이 매우 작은 입자는 가스 흐름을 거의 그대로 따라가므로 흡인속도 차이의 영향이 작다. 이 편향은 측정 결과를 실제보다 높거나 낮게 만드는 방향성 있는 오차이므로 반복 측정으로 줄어들지 않는다. 그래서 등속흡인의 오차는 입경 분포가 넓은 배출원에서 특히 문제가 된다.

이 절에서 쓰는 핵심 용어는 다음과 같다.

• 측정점 유속: 굴뚝 단면의 측정점에서 피토관과 마노미터로 구한 배출가스의 속도이다. 동압을 측정하여 계산하며 측정 중에도 변할 수 있다.
• 흡인속도: 노즐 입구에서 시료 가스를 빨아들이는 속도이다. 펌프 유량을 노즐 단면적으로 나눈 값으로 정해진다.
• 입자 관성: 입자가 흐름 방향의 변화를 따라가지 못하고 원래 방향을 유지하려는 성질이다. 입경과 밀도가 클수록 커진다.
• 입경 분포: 채취한 입자를 크기별로 나눈 비율이다. 등속 조건을 벗어날 때 편향의 크기를 결정한다.

3. 등장 배경과 필요성

굴뚝 배출가스의 먼지 농도는 단위 부피의 배출가스에 든 입자상물질의 질량으로 표시한다. 그런데 굴뚝 단면에서는 가스 유속이 위치마다 다르고, 배출 조건에 따라 시간에 따라서도 변한다. 흡인속도를 한 값으로 고정하여 시료를 뽑으면 채취된 시료는 굴뚝 전체의 상태를 대표하지 못하고 시료의 대표성이 떨어진다. 굴뚝 먼지 측정은 대기오염공정시험기준에 따라 등속흡인 방법으로 채취한다.

입자상물질의 등속흡인이 필요한 이유는 입자의 질량에 있다. 입자상물질은 가스 분자보다 질량이 훨씬 커서 흐름의 영향을 덜 받고, 그 결과 흡인속도가 유속과 다르면 채취 효율이 입경에 따라 달라진다. 가스상 물질은 분자가 작아 흐름을 거의 그대로 따라가므로 등속 조건의 영향이 작다. 따라서 등속흡인은 입자상물질 채취에서 필요한 조건이며, 가스상 물질의 채취 조건과 구분해야 한다.