수직 2상 유동은 혼합 및 물질전달 성능향상과 관련되어 산업계 및 환경분야에서 중요성이 지속적으로 증가하고 있으며, 다양한 산업분야에서 적용이 가능하기 때문에 2상의 물질전달과 수력학적 특성에 대한 많은 연구결과들이 발표되고 있다. 혼합유동 반응공정에서 2상의 경계를 통한 산소와 같은 기체상의 전달은 전체 공정의 반응율에 크게 영향을 미치기 때문에 물질 전달율 향상 기술에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 ...
수직 2상 유동은 혼합 및 물질전달 성능향상과 관련되어 산업계 및 환경분야에서 중요성이 지속적으로 증가하고 있으며, 다양한 산업분야에서 적용이 가능하기 때문에 2상의 물질전달과 수력학적 특성에 대한 많은 연구결과들이 발표되고 있다. 혼합유동 반응공정에서 2상의 경계를 통한 산소와 같은 기체상의 전달은 전체 공정의 반응율에 크게 영향을 미치기 때문에 물질 전달율 향상 기술에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 오리피스노즐의 설계형상과 유동변수에 따른 수직 오리피스 2상 유동의 수력학적 거동 및 산소전달 특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 실험장치는 폭기 수조, 전동 모터-펌프, 오리피스 노즐, 가시화 시스템, 공기압축기, 용존산소 측정기, 유량계 및 압력계, 제어 밸브 및 판넬 등으로 구성하였다. 실험에서는 구동 및 부유체 체적유량, 용존산소 농도, 소요동력을 측정하였으며, 고속 카메라 장치를 이용하여 수직 혼합유동의 가시화 이미지를 획득하고 정성적 거동을 분석하였다. 측정된 자료를 이용하여 체적비 또는 유량비, 비소요동력, 총괄 물질전달 계수 및 물질전달 효율을 도출하였다. 부유체 자연 유입조건에서 실험변수인 구동압력이 증가하면, 구동 및 부유체의 유량은 증가하지만 비압축성 구동유체와 압축성 부유체의 유입특성 차이에 기인하여 체적비는 감소하였다. 구동유체 유입부와 오리피스 목의 직경이 커지면, 구동유체와 부유체의 유입량은 증가하며 오리피스 목의 면적비와 출구각이 작은 설계사양의 체적비가 크게 나타났다. 레이놀드 수는 커지고 체적비가 작아지면, 2상 사이의 전단작용과 난류혼합 효과가 커져서 기포의 미세화가 촉진되고 확산도가 증대되기 때문에 물질 전달율이 증가하였다. 구동압력 증가에 따른 소요동력 증가율이 물질 전달율 증가량보다 커지면 물질전달 효율은 감소하며, 오리피스 목의 면적비와 디퓨저 출구각이 상대적으로 작은 사양의 물질전달 효율이 높게 나타났다. 총괄 물질전달 계수에 미치는 체적비, 소요동력 그리고 레이놀드 수의 영향을 평가하기 위해서 제시한 실험식은 평균적으로 약 ±3.3% 정도의 오차 범위에서 실험결과와 일치하였다. 부유체 강제 주입조건에서 구동유량이 일정하고 압축기의 공기압이 높아지면 유량비는 증가하며, 공기압이 일정하고 구동유량이 증가하면 유량비는 감소하였다. 오리피스 목의 면적비가 작은 노즐에서 압축기의 공기압이 증가하면 혼합유동 선단의 도달거리는 감소하고, 구동유량이 증가하면 혼합유동 선단의 도달거리와 반경방향의 확산도는 증가하였다. 오리피스 목의 면적비가 작은 노즐에서는 기포의 미세화 촉진과 확산도 증가에 기인하여 기포의 체류시간과 접촉면적이 증대되기 때문에 물질전달 계수가 높게 나타났다. 반면에 오리피스 목의 면적비 및 디퓨저 확대각이 큰 노즐에서는 혼합유동 선단의 도달거리는 짧지만 미세화에 미치는 전단력과 난류효과의 감소로 물질전달 계수가 낮게 나타났다.
수직 2상 유동은 혼합 및 물질전달 성능향상과 관련되어 산업계 및 환경분야에서 중요성이 지속적으로 증가하고 있으며, 다양한 산업분야에서 적용이 가능하기 때문에 2상의 물질전달과 수력학적 특성에 대한 많은 연구결과들이 발표되고 있다. 혼합유동 반응공정에서 2상의 경계를 통한 산소와 같은 기체상의 전달은 전체 공정의 반응율에 크게 영향을 미치기 때문에 물질 전달율 향상 기술에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 오리피스 노즐의 설계형상과 유동변수에 따른 수직 오리피스 2상 유동의 수력학적 거동 및 산소전달 특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 실험장치는 폭기 수조, 전동 모터-펌프, 오리피스 노즐, 가시화 시스템, 공기압축기, 용존산소 측정기, 유량계 및 압력계, 제어 밸브 및 판넬 등으로 구성하였다. 실험에서는 구동 및 부유체 체적유량, 용존산소 농도, 소요동력을 측정하였으며, 고속 카메라 장치를 이용하여 수직 혼합유동의 가시화 이미지를 획득하고 정성적 거동을 분석하였다. 측정된 자료를 이용하여 체적비 또는 유량비, 비소요동력, 총괄 물질전달 계수 및 물질전달 효율을 도출하였다. 부유체 자연 유입조건에서 실험변수인 구동압력이 증가하면, 구동 및 부유체의 유량은 증가하지만 비압축성 구동유체와 압축성 부유체의 유입특성 차이에 기인하여 체적비는 감소하였다. 구동유체 유입부와 오리피스 목의 직경이 커지면, 구동유체와 부유체의 유입량은 증가하며 오리피스 목의 면적비와 출구각이 작은 설계사양의 체적비가 크게 나타났다. 레이놀드 수는 커지고 체적비가 작아지면, 2상 사이의 전단작용과 난류혼합 효과가 커져서 기포의 미세화가 촉진되고 확산도가 증대되기 때문에 물질 전달율이 증가하였다. 구동압력 증가에 따른 소요동력 증가율이 물질 전달율 증가량보다 커지면 물질전달 효율은 감소하며, 오리피스 목의 면적비와 디퓨저 출구각이 상대적으로 작은 사양의 물질전달 효율이 높게 나타났다. 총괄 물질전달 계수에 미치는 체적비, 소요동력 그리고 레이놀드 수의 영향을 평가하기 위해서 제시한 실험식은 평균적으로 약 ±3.3% 정도의 오차 범위에서 실험결과와 일치하였다. 부유체 강제 주입조건에서 구동유량이 일정하고 압축기의 공기압이 높아지면 유량비는 증가하며, 공기압이 일정하고 구동유량이 증가하면 유량비는 감소하였다. 오리피스 목의 면적비가 작은 노즐에서 압축기의 공기압이 증가하면 혼합유동 선단의 도달거리는 감소하고, 구동유량이 증가하면 혼합유동 선단의 도달거리와 반경방향의 확산도는 증가하였다. 오리피스 목의 면적비가 작은 노즐에서는 기포의 미세화 촉진과 확산도 증가에 기인하여 기포의 체류시간과 접촉면적이 증대되기 때문에 물질전달 계수가 높게 나타났다. 반면에 오리피스 목의 면적비 및 디퓨저 확대각이 큰 노즐에서는 혼합유동 선단의 도달거리는 짧지만 미세화에 미치는 전단력과 난류효과의 감소로 물질전달 계수가 낮게 나타났다.
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