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문제 정의
- 본 연구의 목적은 스태틱 믹서의 믹싱 엘먼트를 개발하고, 믹싱 및 압력 손실량에 대한 실험적 연구를 수행하여 산업용 스태틱 믹서의 성능개선 및 최적설계에 기여하고자 하는데 있다. 실험적 연구를 위하여 4개와 8개의 단위 엘리먼트로 구성된 각각 3종류의 믹싱 엘리먼트 모델를 제작하였으며, 또한 믹싱 엘리먼트 모델를 장착하여 압력 손실량을 측정할 수 있는 스태틱 믹서 시스템을 제작하였다.
- 따라서 최근에 들어서 전 세계적으로 강화되고 있는 지적 재산권 문제에 직면하여 국내에서 개발된 독자적인 모델에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해 본 연구를 통해서 개발된 모델은 Sulzer형과는 완전히 다른 방식으로 믹싱 효율의 감소는 최소화하고 압력 손실량을 줄여 에너지의 이용효율을 향상시키고, 돌발적인 운전정지 시의 클리닝 문제를 개선할 목적으로 고안된 모델 이다. 이 모델은 단위 엘리먼트의 전체 단면적중 약 27%에 해당하는 직경 3mm의 홀들을 통해 유체가 유동하며 믹싱 되도록 고안하였다.
제안 방법
- 제작된 엘리먼트 모델중에서 SSM형은 본 연구과정을 통해서 새롭게 개발된 모델이다. Fig. 3의 엘리먼트 모델들은 8개의 단위 엘리먼트의 조합으로 하나의 믹싱 엘리먼트 모델를 구성한 것이고, 이와는 별도로 단위 엘리먼트의 갯수에 따른 유동특성의 영향을 조사하기 위하여 각각 4개의 단위 엘리먼트로 구성된 믹싱 엘리먼트 모델을 제작하였다. Fig.
- 믹싱 튜브에는 마노미터를 이용하여 압력손실 수두를 측정할 수 있도록 입구의 90mm 하류와 출구의 50mm 상류에 각각 압력 탭을 제작하였다. 동력 공급부는 기어 펌프(Viking Spur Gear Single Pump ; SG-0570)와 3상 유도전동기(효성)로 구성 하였다.
- 믹싱부의 믹싱 튜브는 40mm 직경, 500mm 길이의 투명 아크릴관으로 제작하여 믹싱 과정을 가시화할 수 있도록 하였으며, 믹싱 엘리먼트의 교체를 위한 탈착후의 누설방지를 위해 튜브 양단을 플랜지 형상으로 가공하였다. 믹싱 튜브에는 마노미터를 이용하여 압력손실 수두를 측정할 수 있도록 입구의 90mm 하류와 출구의 50mm 상류에 각각 압력 탭을 제작하였다. 동력 공급부는 기어 펌프(Viking Spur Gear Single Pump ; SG-0570)와 3상 유도전동기(효성)로 구성 하였다.
- 압력 손실량은 액주 마노미터를 이용하여 측정하였다. 믹싱 효율은 헤어스타일링 젤에 추적 색소가 혼합되도록 하여 디지털 카메라로 촬영하였다.
- 전체의 구성은 믹싱 엘리먼트 모델을 교체할 수 있도록 탈착식으로 제작된 믹싱부, 믹싱 유체에 에너지를 공급하는 동력 공급부, 믹싱 유체 저장부 그리고 측정부로 구성하였다. 믹싱부의 믹싱 튜브는 40mm 직경, 500mm 길이의 투명 아크릴관으로 제작하여 믹싱 과정을 가시화할 수 있도록 하였으며, 믹싱 엘리먼트의 교체를 위한 탈착후의 누설방지를 위해 튜브 양단을 플랜지 형상으로 가공하였다. 믹싱 튜브에는 마노미터를 이용하여 압력손실 수두를 측정할 수 있도록 입구의 90mm 하류와 출구의 50mm 상류에 각각 압력 탭을 제작하였다.
- 본 연구에서는 2.1 절에서 설명한 엘리먼트 모델들을 장착하여 압력 손실량을 측정하였으며, 디지털 카메라를 이용하여 믹싱 효율을 촬영하는 실험적 연구를 수행하였다. 압력 손실량의 측정 실험을 시작하기 전에 측정 유체는 원래의 저장용기로부터 하단의 믹싱유체 공급부에 주입하는 과정에서 포함될 수 있는 기포방울이 액면 위로 제거되도록 하기 위해 약 2시간 정도 하단의 저장용기에 저장하였다.
- 본 연구의 목적은 스태틱 믹서의 믹싱 엘먼트를 개발하고, 믹싱 및 압력 손실량에 대한 실험적 연구를 수행하여 산업용 스태틱 믹서의 성능개선 및 최적설계에 기여하고자 하는데 있다. 실험적 연구를 위하여 4개와 8개의 단위 엘리먼트로 구성된 각각 3종류의 믹싱 엘리먼트 모델를 제작하였으며, 또한 믹싱 엘리먼트 모델를 장착하여 압력 손실량을 측정할 수 있는 스태틱 믹서 시스템을 제작하였다. 압력 손실량은 액주 마노미터를 이용하여 측정하였다.
- 실험적 연구를 위하여 4개와 8개의 단위 엘리먼트로 구성된 각각 3종류의 믹싱 엘리먼트 모델를 제작하였으며, 또한 믹싱 엘리먼트 모델를 장착하여 압력 손실량을 측정할 수 있는 스태틱 믹서 시스템을 제작하였다. 압력 손실량은 액주 마노미터를 이용하여 측정하였다. 믹싱 효율은 헤어스타일링 젤에 추적 색소가 혼합되도록 하여 디지털 카메라로 촬영하였다.
- 1 절에서 설명한 엘리먼트 모델들을 장착하여 압력 손실량을 측정하였으며, 디지털 카메라를 이용하여 믹싱 효율을 촬영하는 실험적 연구를 수행하였다. 압력 손실량의 측정 실험을 시작하기 전에 측정 유체는 원래의 저장용기로부터 하단의 믹싱유체 공급부에 주입하는 과정에서 포함될 수 있는 기포방울이 액면 위로 제거되도록 하기 위해 약 2시간 정도 하단의 저장용기에 저장하였다. 실험이 시작되면 하단의 저장용기로부터 펌프를 이용하여 상부 탱크로 믹싱 유체를 공급하게 되는데, 상부탱크에 주입 될 때 기포가 발생되지 않도록 하기 위해 느린 속도로 펌핑하였다.
- 이러한 요구에 부응하기 위해 본 연구를 통해서 개발된 모델은 Sulzer형과는 완전히 다른 방식으로 믹싱 효율의 감소는 최소화하고 압력 손실량을 줄여 에너지의 이용효율을 향상시키고, 돌발적인 운전정지 시의 클리닝 문제를 개선할 목적으로 고안된 모델 이다. 이 모델은 단위 엘리먼트의 전체 단면적중 약 27%에 해당하는 직경 3mm의 홀들을 통해 유체가 유동하며 믹싱 되도록 고안하였다. PPM형은 믹싱 튜브의 직경과 동일한 폭의 평판을 직교시킨 형상으로 매우 단순한 엘리먼트 구조를 갖고 있어서 Kenics형과 함께 대부분의 이론적, 수치해석 연구(10~13)의 모델로 이용되고 있다.
- 5는 제작된 스태틱 믹서 의 개략도를 나타낸다. 전체의 구성은 믹싱 엘리먼트 모델을 교체할 수 있도록 탈착식으로 제작된 믹싱부, 믹싱 유체에 에너지를 공급하는 동력 공급부, 믹싱 유체 저장부 그리고 측정부로 구성하였다. 믹싱부의 믹싱 튜브는 40mm 직경, 500mm 길이의 투명 아크릴관으로 제작하여 믹싱 과정을 가시화할 수 있도록 하였으며, 믹싱 엘리먼트의 교체를 위한 탈착후의 누설방지를 위해 튜브 양단을 플랜지 형상으로 가공하였다.
- 9는 8개의 단위 엘리먼트로 구성된 모델의 믹싱 튜브 측면에서의 유동방향 혼합상태와 믹싱 튜브의 출구단면에서의 혼합상태를 촬영한 결과이다. 혼합 상태를 촬영하기 위한 실험은 믹서에서 믹싱 튜브를 분리하여 각각의 엘리먼트 모델을 장착시키고 헤어 스타일링 겔의 중심부에 직경과 높이를 각각 10mm 정도로 붉은색 추적 색소를 넣고 가압하여 믹싱되게 한 후 튜브의 측면과 출구에서 디지털 카메라를 이용하여 촬영하였다. 본 실험결과로부터 정량적인 혼합율을 산출할 수는 없지만, PPM형의 경우에 비해서 Sulzer형과 SSM형은 거의 전 평면에 추적 색소가 분포하는 것을 알 수 있다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Fig. 3에 나타낸 것과 같은 Sulzer형, SSM(Sin Sung mixer)형 그리고 PPM (partitioned pipe mixer)형 엘리먼트 모델을 제작하였다. 제작된 엘리먼트 모델중에서 SSM형은 본 연구과정을 통해서 새롭게 개발된 모델이다.
- 측정부는 압력 게이지와 액주 마노미터로 구성된다. 측정 용 유체는 점도가 다른 글리세 린(95%, 강남산업)과 기어오일(LG caltex) 을 사용하였다. Table 1에는 믹싱 유체의 물성치를 나타낸다.
- 믹싱 튜브에는 상부 탱크에 연결된 기어 펌프에 의해서 유체가 펌핑된다. 측정은 믹싱 튜브의 상하류에 설치한 압력탭에 설치된 액주 마노미터를 이용하여 측정하였다. 기어 펌프는 3상 유도 전동기에 의해서 구동된다.
성능/효과
- 1) Sulzer형과 SSM형의 단위 엘리먼트 수가 2배로 증가하면 상대적으로 고점도인 글리세린의 경우에는 거의 선형적으로 압력손실이 증가하지만, 점도가 낮은 기어오일의 경우에는 엘리먼트 수의 증가비보다 압력손실의 증가율이 커진다.
- 2) 믹싱 유체에 상관없이 단위 엘리먼트 8개로 구 성된 Sulzer 형과 SSM형 이 PPM형 에 비해서 약 5배 이상, 4개의 단위 엘리먼트로 구성된 경우에는 믹싱 유체가 고점도인 글리세린일 때 Sulzer 형과 SSM형이 PPM형에 비해서 약 5배 이상 압력손실이 증가한다.
- 3) 믹싱 유체에 상관없이 본 연구과정에서 개발한 SSM형 의 압력손실 이 Sulzer형 에 비해 약 20%정도 감소하였다.
- 4) PPM형의 경우에 비해서 Sulzer형과 SSM형은 거의 전 평면에 추적 색소가 분포하였으며, SSM형 에 비해서 Sulzer형 의 믹싱 효율이 보다 좋은 것으로 나타났다.
- 이는 8 개 의 단위 엘리먼트로 구성된 경우에는 PPM형에 비해서 상대적으로 복잡한 엘리먼트 형상에 기인하고, 4개의 단위 엘리먼트 구성된 경우에는 상대적인 고점도에 기인한 부차적 손실의 증가 때문인 것으로 생각된다. 4개의 단위 엘리먼트 구성의 PPM형을 제외하고 모든 엘 리 먼트 형상에서 저 점도인 기 어오일보다 글리세린의 Z-인자가 2배 이상 커지는 것을 알 수 있다. 한편 믹싱 유체에 상관없이 본 연구과정에서 개발한 SSM형의 압력손실이 Sulzer형에 비해 약 20%정도 감소하였다.
- 한편 상대적으로 단순한 엘리먼트 구성의 PPM형은 일정한 경향을 나타내지 못하는데, 이러한 원인이 다른 특정 한 매카니즘에 의한 것인지, 측정오차에 기인한 것인지 명확하지 않아서 추후 추가적인 실험이 필요한 것으로 사료된다. 믹싱 유체에 상관없이 단위 엘리 먼트 8 개로 구성된 Sulzer형 과 SSM형 이 PPM형 에 비해서 약 5배 이상 압력손실이 커지며, 4개의 단위 엘리먼트로 구성된 경우에는 믹싱 유체가 고점도인 글리세린 일 때 Sulzer형과 SSM형 이 PPM형에 비해서 약 5배 이상 압력손실이 증가한다. 이는 8 개 의 단위 엘리먼트로 구성된 경우에는 PPM형에 비해서 상대적으로 복잡한 엘리먼트 형상에 기인하고, 4개의 단위 엘리먼트 구성된 경우에는 상대적인 고점도에 기인한 부차적 손실의 증가 때문인 것으로 생각된다.
- 혼합 상태를 촬영하기 위한 실험은 믹서에서 믹싱 튜브를 분리하여 각각의 엘리먼트 모델을 장착시키고 헤어 스타일링 겔의 중심부에 직경과 높이를 각각 10mm 정도로 붉은색 추적 색소를 넣고 가압하여 믹싱되게 한 후 튜브의 측면과 출구에서 디지털 카메라를 이용하여 촬영하였다. 본 실험결과로부터 정량적인 혼합율을 산출할 수는 없지만, PPM형의 경우에 비해서 Sulzer형과 SSM형은 거의 전 평면에 추적 색소가 분포하는 것을 알 수 있다. 기존의 수치해석 결과(10 11)에서 나타난 바와 같이 PPM형 믹서내의 유동상태는 혼돈적 인 특성이 약흐!.
- 4개의 단위 엘리먼트 구성의 PPM형을 제외하고 모든 엘 리 먼트 형상에서 저 점도인 기 어오일보다 글리세린의 Z-인자가 2배 이상 커지는 것을 알 수 있다. 한편 믹싱 유체에 상관없이 본 연구과정에서 개발한 SSM형의 압력손실이 Sulzer형에 비해 약 20%정도 감소하였다.
후속연구
- 5) 압력 손실량은 SSM형 이 Sulzer형 에 비해 약 20% 정도 감소하였지만 혼합상태를 고려하면 어떤 엘리먼트 형상이 우수하다고 단정적으로 판단하기는 곤란하고 보다 다양한 성능 실험이 필요하며, 엘리먼트의 가공 및 제작비용, 내구성 그리고 클리 닝 문제 등에 대한 종합적인 고려가 필요할 것으로 판단된다.
- Sulzer형과 SSM형을 비교하면 Sulzer형이 보다 고르게 확산된 결과를 보여주고 있다. 따라서 압력 손실량은 SSM형이 약 20% 정도 적지만 혼합상태를 고려하면 어떤 엘리먼트 형상이 우수하다고 단정적으로 설명하기는 곤란하고 보다 다양한 성능 실험이 필요할 것으로 사료된다. 또한 엘리먼트의 가공 및 제작비용, 내구성 그리고 클리닝 문제 등에 대한 종합적인 고려가 필요할 것으로 생각된다.
- 따라서 압력 손실량은 SSM형이 약 20% 정도 적지만 혼합상태를 고려하면 어떤 엘리먼트 형상이 우수하다고 단정적으로 설명하기는 곤란하고 보다 다양한 성능 실험이 필요할 것으로 사료된다. 또한 엘리먼트의 가공 및 제작비용, 내구성 그리고 클리닝 문제 등에 대한 종합적인 고려가 필요할 것으로 생각된다.
- PPM형은 믹싱 튜브의 직경과 동일한 폭의 평판을 직교시킨 형상으로 매우 단순한 엘리먼트 구조를 갖고 있어서 Kenics형과 함께 대부분의 이론적, 수치해석 연구(10~13)의 모델로 이용되고 있다. 본 저자의 연구팀에서도 정적 믹서에 대한 수치해석의 타당성 검증을 위한 예비계산을 PPM형 모델을 이용하여 수행한 바 있으며(9), 이후에 진행되는 실험 결과와의 비교를 위한 수치계 산에 서도 상대적으로 단순한 모델인 PPM형을 이용하여 수행할 예정이다.
- 즉, 믹서의 단면 방향으로 발생하는 2차 유동은 형상항력의 증가를 수반하기 때문에 압력손실이 커지게 된다. 한편 상대적으로 단순한 엘리먼트 구성의 PPM형은 일정한 경향을 나타내지 못하는데, 이러한 원인이 다른 특정 한 매카니즘에 의한 것인지, 측정오차에 기인한 것인지 명확하지 않아서 추후 추가적인 실험이 필요한 것으로 사료된다. 믹싱 유체에 상관없이 단위 엘리 먼트 8 개로 구성된 Sulzer형 과 SSM형 이 PPM형 에 비해서 약 5배 이상 압력손실이 커지며, 4개의 단위 엘리먼트로 구성된 경우에는 믹싱 유체가 고점도인 글리세린 일 때 Sulzer형과 SSM형 이 PPM형에 비해서 약 5배 이상 압력손실이 증가한다.
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