KIER Type CYBAGFILTER에서 내통형상의 최적설계

김상도, 박영옥, 임정환, 손재익, 정동규*

한국에너지기술연구소 에너지환경연구부

*(주)씨에프텍

Optimum Design of Inner Tube Type in KIER Type CYBAGFILTER

S.D. Kim, Y.O. Park, J.H. Lim, J.E. Son, D.K. Jung*

Energy & Environment Research Dept., KIER

*CFTech

1. 서  론

미세한 입자들을 포함하고 있는 함진기체로부터 입자를 분리하기 위하여 가장 넓게 그리고 오랫동안 사용되어온 집진장치는 싸이클론 분리기이다.  이는 움직이는 부분이 없기 때문에 제작과 유지비용이 저렴한 장점이 있는 반면에 5□ 이하의 미세먼지를 집진하는데는 효율이 저하되는 단점을 가지고 있다.  그동안 싸이클론의 성능 향상을 위하여 형상을 수정하거나 보조장비 등을 도입한 시도들이 있어 왔다.  최근에는 싸이클론의 집진효율을 향상시키기 위하여 내부에 전극을 삽입하여 먼지들을 하전시킨후 제거하는 기술이 개발되어 활용되고 있다1).  그러나 현재까지 개발된 집진장치중 1□ 이하의 미세먼지까지도 고효율로 제거할 수 있는 것이 여과포집진장치이다.  여과포집진장치가 이러한 장점을 가지고 있는 반면에 높은 압력손실, 낮은 여과속도에서의 운전, 장치면적의 증가, 여과포의 손실과 같은 단점을 가지고 있다.  여과포집진장치의 이러한 단점을 극복하기 위하여 유입되는 먼지입자를 하전시켜 여과포 표면에 수지상구조(dendrite structure)의 먼지층을 형성하여 먼지를 제거하는 여과포집진기술과 전기집진기술원리를 접목시킨 미세먼지입자 응집기술이나2,3), 기존 부직포 여과재의 표면에 PTFE(Polytetrafluoroethylene, 일명 테프론) 또는 아크릴 코팅을 하여 먼지들이 여과포의 내부로 침투하는 것을 방지하고 표면에서 여과가 이루어지는 박막여과포(membrane filter) 개발 등 집진기술 및 여과재의 개발에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 실정이다4).

본 연구소에서는 1996년부터 환경공학선도기술개발사업(G7)으로 싸이클론과  여과포집진기술의 원리를 접목한 일체형 원심여과집진장치인 KIER Type CYBAGFILTER를 개발하여 연구를 수행하여 오고 있다5,6).

본 연구에서 개발된 일체형 원심여과집진장치인 KIER Type CYBAGFILTER의 성능에 영향을 미치는 중요한 변수로 내통을 들수 있는데, 이는 내통의 길이, 내통의 직경, 내통의 각도에 따라 집진효율, 압력손실이 변화된다.  따라서, 본 연구에서는 KIER Type CYBAGFILTER의 전산유체 모사를 통하여 이들 세가지 변수의 변화에 의한 최적의 내통형상을 설계하여 보고, 기존에 설계되었던 내통과의 성능을 검토·비교해 보고자 한다.

2. 지배방정식과 난류모델

가) 지배방정식

비압축성 유동을 기술하기 위하여 요구되는 방정식은 질량과 운동량보존방정식으로 식 (1) 및 식 (2)와 같다.

질량보존방정식

[eqn: {PARTIAL u_i} over {PARTIAL x_i} ~=~ 0``]	(1)

운동량보존방정식

[eqn: {PARTIAL(rho`u_i )} over {PARTIAL t } `+` {PARTIAL(rho`u_i `u_j )} over {PARTIAL x_j } `=` - {PARTIAL p} over {PARTIAL x_i } `+` PARTIAL over {PARTIAL x_j } [ mu_eff ``({ PARTIAL u_i } over { PARTIAL x_j } `+` {PARTIAL u_j }over {PARTIAL x_i } ) ]]	(2)

나)난류모델

원심력집진기의 유동과 같은 복잡한 유동을 모사할 수 있는 대표적인 모델로는 표준 [eqn: k-epsilon``], RSM (Reynolds Stress Model), RNG(ReNomalization Group) [eqn: k-epsilon``] 모델 등이 있다.  표준 [eqn: k-epsilon``] 모델은 난류 운동에너지와 소산율(dissipation rate)에 관한 전달방정식의 해를 필요로 하며, 이 모델은 수렴성이 뛰어난 장점을 가지고 있지만 소용돌이 유동이 있을 때에는 비현실적인 접선속도 분포에 이르게 하는 과도한 난류 점성을 초래하기 때문에 부적당한 단점이 있다.  RSM 모델은 소산율 전달방정식 뿐만 아니라 Reynolds 응력성분 각각에 대한 전달방정식의 해를 요구한다.  따라서 이 모델은 비등방성 난류가 될 확률이 높은 소용돌이 유동에서 표준 [eqn: k-epsilon``] 모델보다 정확성이 높지만 수렴이 잘 안되고 계산해야 할 전달방정식 수의 증가로 계산 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.  최근 들어, 연속역학보다는 통계역학에 기반을 둔 난류 모델이 개발되었는데, 이는 RNG [eqn: k-epsilon``] 모델로 표준 [eqn: k-epsilon``] 모델의 수학적 간단성과 RSM 모델의 정확성을 제공하여 소용돌이와 같은 회전 유동을 잘 다룰 수 있으면서도 계산 시간이 RSM 모델에 비하여 적게 드는 이점을 가지고 있다.  RNG 이론은 운동에너지와 소산율에 관한 다음과 같은 전달방정식을 제공한다.

난류 운동에너지 전달방정식

[eqn: PARTIAL over {PARTIAL t} (rho k) `+` PARTIAL over {PARTIAL x_i }(rho u_i k) `=` PARTIAL over {PARTIAL x_i }(alpha_k mu_eff `{PARTIAL k} over {PARTIAL x_i } ) `+`mu_t `S^2 `-` rho `epsilon]	(3)

소산율 전달방정식

[eqn: PARTIAL over {PARTIAL t} (rho epsilon) `+` PARTIAL over {PARTIAL x_i }(rho u_i epsilon) `=` PARTIAL over {PARTIAL x_i }(alpha_k mu_eff `{PARTIAL epsilon} over {PARTIAL x_i } ) `+`C_1epsilon epsilon over k mu_t `S^2 `-` C_2epsilon rho epsilon^2 over k `-` R] (4)

여기서 [eqn: alpha_k``]와 [eqn: alpha_epsilon``]는 난류운동에너지와 소산율에 대한 유효 Prandtl 수의 역이다.

3. 모사실험

가). 장치형상

일체형 원심여과집진장치의 하부는 기존의 원심력집진기와 같은 형상이나 상부 여과포집진장치의 여과포에서 탈진되어 침강하는 응집 먼지가 하부 호퍼까지 침강하여야 하므로 내통 직경이 훨씬 크며 하부에서 상승하는 함진기체들을 균일하게 상부로 전달될 수 있도록 40∼50o 정도의 경사로 되어 나있다.  이와같은 구조를 Fig. 1에 나타내었다.  처음 설계시에는 내통길이를 150mm로 일저하게 하고, 내통직경을 500, 530, 560mm로 설계 제작하여 성능실험을 실시하였고, 전산유체기법을 통하여 내통길이, 직경, 각도등을 변화시키며 압력손실 및 집진효율에 대한 성능을 검토하여 보았다.  내통길이는 61-285mm, 내통각도는 45o-90o, 60o+90o 조합형, 내통직경은 500-560mm에서 변화시키며 성능을 검토하여 보았다.  이때의 CYBAGFILTER의 직경은 873mm 이다.

나). 수치해석 방법

수치해석에 적용된 코드로는 FLUENT/UNS Ver 4.3(미국 FLUENT 사)을 사용하였다.  주로 적용되고 있는 기법으로는 SIMPLE Algorithm (Semi-Implicit Pressure Linked Equation), FVM(Finite Volume Method), Structured/ Unstructured Grid, 그리고 난류모델로서는 RNG [eqn: k-epsilon``]을 적용하고 있다.

유동해석을 위한 전처리 작업으로 구조물 표면의 형상화를 위한 표면격자수는 150,000 cell로 cyclone부는 육면체격자를 bagfilter부는 사면체격자로 혼합형격자를 사용하였다.  입자궤적은 clean 상태의 cold flow를 계산한 뒤 유동상의 운동방정식을 이용한 궤적추적기법(trajectory tracking method)를 사용하였다.  각 모사의 수렴조건은 각 유동변수의 normal error 값이 10-5 까지 떨어지면 정상상태에 도달한 것으로 간주하였다.

4. 결과 및 고찰

입구와 출구사이의 압력차인 압력손실은 싸이클론 설계시에 고려되어야 할 중요한 변수이다.  압력손실이 크다는 것은 에너지손실이 크다는 것으로 해석할 수 있어, 압력손실이 큰 싸이클론으로 다중 싸이클론 시스템을 만들 경우 중대한 문제가 야기될 수도 있다.

본 논문에서는 일체형 원심여과집진장치인 CYBAGFILTER의 내통각도, 내통길이, 내통직경 등에 따른 압력손실 및 집진효율 성능을 모사하여 보았는데,  여기에서는 내통각도의 변화에 의한 모사 결과를 살펴보고자 한다.  Fig. 2에 이러한 영향을 나타내었다.  기존에 설계되어 성능검토를 알아보았던 내통의 각도는 45o  -52.5o 이었는데, 모사결과에 의하면 내통의 각도가 60o, 90o, 60o+90o 조합형으로 증가할수록 압력손실은 약 10% 정도 상승하지만 집진효율은 15-18% 정도 상승하여 내통각도의 증가가 전체적으로 성능에 좋은 영향을 미치는 것으로 평가되어 졌다.  이는 각도가 완만할때는 상승기류가 내통 상부의 경사면을 따라 상승하지만, 90o의 경우 상승하던 기류가 외통의 벽면으로 갑자기 팽창효과가 발생하여 상대적으로 집진성능이 향상되는 것으로 예측되는 바이다.

4. 결  론

원심력집진기의 원리와 여과포집진장치의 집진원리를 접목한 일체형 원심여과집진장치인 KIER Type CYBAGFILTER에 설치되어 있는 내통의 길이, 직경, 각도 등에 따라 전산유체모사를 통하여 압력손실 및 집진효율의 성능이 변화하는 것을 예측할 수 있었으며 이를 토대로 최적의 내통형상을 설계할 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 환경공학선도기술개발(G7) 사업의 일환으로 수행되었습니다.  연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. W.C. Hinds, "Aerosol Technology, Properties, behavior and measurement of

Aerborne Particles", John Wiley & Sons, New York, pp. 2-10(1982)

2. A.S.Viner, G.P.Greiner, D.F.Furlong, and R.G.Hurst, "Pilot-Scale Evaluation

of Top-Inlet and Advanced Electrostatic Filtration", U.S.EPA, Research

Triangle Park, NC, EPA/600/7-86/042(NTIS PB87-133096), (November 1986)

3. D.W.VanOsdell, M.B.Ranade, G.P.Greiner, D.F.Furlong, "Electrostatic

Augmentation of Fabric Filtration: Pulse-Jet Pilot unit Experience" ,

EPA-600/7-82-062 (November 1982).

4. J.Plucinski, L.Gradon and J.Nowicki, "Collection of aerosol particles in a

cyclone with an external electric field", J. Aerosol Sci., Vol. 20, No. 6,

pp. 695-700(1989).

5. 손재익 외 20명, □산업용 직물 여과포집진장치 국산화 개발(Ⅰ)□, 환경부

연구보고서, KIER-956326(1996).

6. 손재익 외 24명, □산업용 직물 여과포집진장치 국산화 개발(Ⅱ)□, 환경부

연구보고서, KIER-966417(1997).

Fig. 1 Structure of inner tube type.

Fig. 2 Effect of collection efficiency and pressure drop

with the variation of inner tube angle.