세라믹 필터 장치의 내부 유동 흐름 및 고속 세척에 관한 연구

류진복, 이성철, 홍민선*

한양대학교 화학공학과, CPRC, 아주대학교 환경공학과*

A Numerical Study on Internal Flow and Jet Cleaning

in a Ceramic Bag Filter

Yoo Jin Bog, Yi Sung Chul, Hong Min Sun*

Dept. of Chem. Eng. Hanyang Univ., CPRC, Dept. of Eviron. Eng. Ajou Univ.*

1. 서론

대기 오염 물질을 효과적으로 제어하기 위하여 오늘날의 많은 대기오염 배출 시설물에서 고온 집진의 필요가 증대되고 있다. 고온 세라믹 여과제를 이용한 고온 여과 집진기는 기존 여과 집진기에 비해 여과 속도가 최대 10배까지 빠르고, 고온에서 먼지를 제거하므로 냉각 설비가 따로 필요 없으며 고온의 청정가스를 건조, 보온 공정에 이용할 수 있는 장점이 있어 전 세계적으로 개발에 박차를 가하고 있고, 현재 일본 CRIEPI (Central Research Institute of Electric Power Industry) 및 몇몇 공장에 설치되어 사용되고 있는 방지 장치이다. 그러나 이 장치를 무한정 연속으로 사용할 수는 없다. 필터 표면에 dust cake가 생겨 압력손실이 생기기 때문이다.

세라믹 여과의 있어 발생하는 압력손실을 복원시켜주기 위해서, 필터 외벽의 dust cake의 역세정의 최적화가 필요하다. 이를 위해 미국 JPL사의 Cuffel 등은 supersonic nozzle을 연구 수행하였다. 또한 Ito[2-3]는 일차원 모델로서 필터 내부의 압력 및 속도 분포를 계산해 냈다. 그러나 그는 등온 과정으로 문제를 해석해 보다 정확한 결과를 나타내기 어렵다 할 수 있다. 유체가 compressible하기 때문에 온도변화에 따른 유동장 변화가 생기게 된다.

본 연구는 온도를 포함한 모델식 도출과 그에 대해 이차원 축대칭 문제로 전산모사를 수행해 필터내부의 유동 및 온도 등을 보다 세밀하게 해석하고, 이 결과를 가지고 가장 빠른 시간 내에 역세척을 끝낼 수 있는 가장 최적화된 venturi diffuser의 형상을 결정하는데 그 목적이 있다.

2. 이론 및 계산

Diffuser 및 필터 내의 유동은 굉장히 빠른 supersonic flow로서 난류 유동을 보인다. 그러므로 diffuser 내에서 완전 발달한 형태의 velocity profile의 형태를 그리지 않는다. 이러한 이유로, 계산 영역내의 난류현상을 묘사하기 위하여 가장 보편적으로 사용되는 [eqn: k- epsilon] 모델을 사용하였다. 그리고 Fig.1에서 보이는, reservoir와 entrained flow 간의 온도차가 아주 크고 유체가 compressible이기 때문에 온도장도 함께 계산하였다.

Fig.1 The apparatus for computational ceramic bag filter.

2.1 지배방정식

Continuity equation

[eqn: partialrho over partialt ~+~ partial over partialx_j (rhou_j )~=~0]

(1)

Heat and momentum equation

[eqn: partial over partialt (rhophi) ~+~ partial over partialx_j (rhou_j phi) ~=~ partial over partialx_j LEFT ( GAMMA partialphi over partialx_j RIGHT ) ~+~ S]

(2)

2.2 경계조건 및 가정

Reservoir 에서는 압력이 5 atm이지만 실제 nozzle exit에서의 압력은, isentropic flow에서 chocked condition에 의해 결정된다. 즉 압력을 어떤 값 이상으로 아무리 높인다 하더라도 mass flow rate는 일정하게 유지된다. 여기서 5 atm은 최대의 mass flow rate를 낼 수 있는 최소의 압력이라 할 수 있다.

[eqn: P_r ~=~ P_n LEFT ( 1+ gamma-1 over 2 M^2 RIGHT ) ^ {gamma over gamma-1} ~~~rm (chocked~ condition)]

(3)

Table.  Boundary condition

Reservoir	5 atm, 300 K
Entrained Flow	1 atm, 1073 K
Outside of Filter	1 atm, 1073 K

본 계산에서의 가정으로서 viscosity와 thermal conductivity는 온도에 대한 일차 함수로 하였고, density는 ideal gas law를 적용해 압력에 대한 함수로 처리하였다. 그리고 본 연구에서 쓰인 필터의 permeability는 대략 평균적인 값인 8.225 × 1012 /□을 사용하였다.

그리고 diffuser를 지나가는 속도가 음속에 가깝게 빠르기 때문에 boundary sublayer는 생기지 않는다고 할 수 있다.

3. 결과 및 고찰

본 연구에서는 다음 Fig.2∼5에서 보듯 네 가지 형상의 diffuser를 대상으로 계산을 수행하였다. 첫 번째 경우는 diffuser throat가 정 가운데에 있고 반지름이 선형적으로 작아졌다가 커지는 모형을 하고 있다. 두 번째의 경우는 diffuser throat의 길이를 늘려 잡았다. 세 번째의 겨우는 diffuser 앞부분에서 eddy가 생겨 유체가 바깥으로 빠져나가는 것을 막아보기 위해 이러한 형상을 취했다. 네 번째의 경우는 비행기 날개 형상으로 유체의 효과적인 가속을 위해 이와 같이 잡았다.

Fig.2 1st case of diffuser

Fig.3 2nd case of diffuser

Fig.4 3rd case of diffuser

Fig.5 4th case of diffuser

Fig.6∼9에서 결론적으로 두 번째의 경우가 최고 616 m/sec로 가장 많이 가속이 됨을 볼 수 있다. 그 이유는 diffuser 앞부분의 eddy size가 작아 entrain되는 fluid의 양이 많아져 그러한 결과를 나타낸 것으로 보인다.

그 반대로 나머지 경우에 eddy size가 큰 이유는 nozzle exit와 diffuser throat 까지의 거리가 상대적으로 멀어 nozzle에서 나온 유체의 대부분이 diffuser throat 속으로 유입하지 못해 entrain된 유체가 오히려 밀려 나가는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상을 막기 위해서는 nozzle과 diffuser throat간의 거리를 좁히거나 diffuser throat의 폭을 넓혀 이를 방지할 수 있다.

그러므로 diffuser의 최적화는, nozzle과 diffuser throat간의 거리, 그리고 diffuser throat의 폭간의 배열을 어떻게 하느냐에 따라 달려있다.

Fig.6 Result for 1st case

Fig.7 Result for 2nd case

Fig.8 Result for 3rd case

Fig.9 Result for 4th case

4. 참고문헌

1. 홍민선외, "고온·고압 세라믹 여과제 집진 기술 개발 및 실용화", 아주대학교, 1차년도 보고서, (1997)

2. Ito, Shigeo, □Pulse Jet Cleaning and Internal Flow in a Large Ceramic Tube Filter□, Gas Cleaning at High Temperature, 266-279, (1993)

3. Ito, Shigeo, □A Study of Pulse Jet Cleaning Applied to Ceramic Candle Filter□, Filtration and Separation Symposium, 139-144, (1997)

4. Patankar, V., Suhas, □Computation of Conduction and Duct Flow Heat Transfer□, Innovative Research. Inc., (January 1991)

5. 감사의 글

본 연구는 G7 프로젝트의 고온·고압 세라믹 여과제 집진기술개발 및 실용화(과제번호 : 9706-058) 사업의 일환으로 수행되었습니다. 이에 감사드립니다.