[논문]친환경 정밀농업을 위한 입제 변량살포기 개발 (III) -공기이송 시스템 분석과 입제 살포균등도 향상-

김영주; 김학진; 장태사; 이중용

doi:10.5307/jbe.2006.31.6.482

문제 정의

3%로서 만족스럽지 못하였다. 따라서 본 연구는 선행연구에서 개발된 송풍식 입제살포기의 주 구조를 변경하지 않고 분두의 개수를 증가시킬 수 있는지 여부를 검토하고 개선된 살포시스템의 살포 균등도를 평가하고 균등한 살포형을 얻는 분두의 수집판의 삽입길이를 결정하기 위하여 수행되었다.
본 연구는 입제변량살포기의 다른 부분은 변화시키지 않고분두의 개수를 증가시킬 수 있는지 공기이송 시스템의 능력을 분석하고, 분두의 개수를 증가시켰을 때 균등한 살포를 얻으면서 입제의 종류나 단위시간당 입제의 배출량에 변화가 적은 분두의 수집판의 삽입길이를 새롭게 정하는 것을 목표로 한다
제 2보에서 보고된 바와 달리 입제의 종류는 5% 유의수준에서 차이를 보였으며, 입제의 시간당 살포량은 여전히 고도의 통계적 유의 차이를 보였다. 이 결과에 근거하여 본 연구에서는 살포율에 따라 붐섹션내 분두의 수집판 삽입길이를 조절할필요가 있다고 판단하였다.
기술이다(Ryu 등, 2006). 이 연구는 우리나라 수도작에 정밀농업기술을 접목하기 위한 기획과제로 수행된 것이다. 우리 농업은 DDA협상을 비롯하여 한-미 FTA 등 쌀 재배에 커다란 위협이 되는 국제 협상을 앞두고 있다 고품질 친환경 벼재배 기술의 확립을 위하여 정밀농업기술의 실용화는 시급히 요청된다.

제안 방법

1차 시작기의 분두는 수집판의 삽입길이를 알기 어려운 점이 있어서 본 연구에서는 수집판의 재질을 스테인레스 판으로 바꾸어 삽입조절이 부드럽게 이루어지도록 하였으며 삽입 길이를 쉽게 알아보도록 눈금자를 분두 몸체에 설치하였다. 그림 4는 본 연구에 사용된 개선된 분두의 모습을 나타낸 것이다.
식 2와 같다. 공시비료의 평균입경과 물성자료(Kim 등, 2006)를 대입하여 신세대 비료와 슈퍼21의 부양속도와 약동속도를 구한 결과는 표 3과 같다 설계에 사용해야 할 기준되는 부양속도와 약동속도는 공시 비료의 평균입경에 대하여 구하고 그 중에서 큰 값을 설계기준으로 채택하였다.
기존의 송풍기를 그대로 이용하면서 분두의 개수를 늘릴 수 있는지를 확인하기 위하여 1차 시작기의 공기이송시스템에 대하여 풍속과 정압을 비교 분석하였다. 그림 6은 1차 시작기의 공기이송시스템 중 내측 붐관의 각 위치에서의 풍속과 정압변화를 나타낸 것이다.
단위시간당 입제 살포량에 따른 C.V. 값이 15%이하인 수집 판 삽입길이의 조합을 시행오차법으로 찾았다. 또한 살포 장치를 개선한 경우에도 균질형으로 살포되는지를 확인하기 위하여 공기이송시스템의 유동특성을 분석하고 비료를 살포하는 조건에서 고속카메라를 분두 근처에 설치하여 공기이송 유형을 확인하였다.
분두를 증가시킨 살포장치를 이용하여 입제의 종류, 입제 살포율, 분두의 수집판 삽입길이 조합이 살포균등도에 미치는 영향을 삼원분산분석한 결과, 모두 유의성 있는 차이를 나타내어 입제 살포율에 무관하게 분두의 수집 판 삽입길이를 정하는 것은 어렵다고 판단하였다. 따라서 시간당 입제 살포량의 범위(27.3~417.9 g/s)를 4개의 구간으로 나누어 C.V.값이 15% 이하의 살포균등도(9.4〜 14.6%)를 가진 수집판 삽입길이의 조합을 구하였다.
값이 15%이하인 수집 판 삽입길이의 조합을 시행오차법으로 찾았다. 또한 살포 장치를 개선한 경우에도 균질형으로 살포되는지를 확인하기 위하여 공기이송시스템의 유동특성을 분석하고 비료를 살포하는 조건에서 고속카메라를 분두 근처에 설치하여 공기이송 유형을 확인하였다. 실험에 사용한 고속카메라의 제원은 표 2와 같다.
흐름을 fully developed로 가정하기 힘들다. 본 연구에서는 하나의 붐관 단면에서 그림 2와 같이 13개 지점의 풍속을 3회 반복하여 측정하여 평균을 구하고 이를 주변의 면적에 곱하는 방식으로 풍량을 구하고 이를 이용하여 붐관 단면에서의 평균유속을 구하였다. 그림 3은 붐관에서 각 분두를 지나면서 분두를 통한 정압손실과 풍량 손실을 측정하기 위한 측정점을 나타낸 것이다.
붐관 하나에는 3개씩 분두가 배치되어 있었으나 이를 4개로 증가시킬 경우에도 입제의 이송형태가 균질형을 유지할 것인지 알기 위하여 먼저 1차 시작기의 공기이송시스템에 대한 정압과 풍속에 대한 시험을 실시하였다. 정압과 풍속 측정은 Digital Micromanometer(ZEPHYR DIGITAL MANOMETER, Solomat Co, USA)을 이용하여 정압과 풍속을 구하였다.
붐의 공기이송시스템은 대칭으로 구성되어 있으므로 좌측 붐만을 선정하여 내측과 외측을 이루는 두개의 붐 섹션에 대하여 풍속과 정압을 분석하였다. 이 때 붐관(내경 38 mm)과 공기혼합실을 이어주는 주름관의 길이는 내측과 외측 각각 180 cm와 280 cm였다.
1)을 이용하여 삼원변량분석(Three-way ANOVA)을 하였다. 실험방법은 살포높이 80 cm에서 30초간 하나의 붐 섹션에 살포된 비료를 30 cm 간격으로 수집하여 C.V.값을 계산하였으며 3반복으로 실험하였다. 살포높이에 따른 균등도의 변화는 제2보의 결과와 유사할 것으로 판단되어 수행하지 않았다.
조합을 시행오차법으로 결정하였다. 표 5에 나타내었듯이 살포율을 4개의 구간으로 나누고 각 살포율 범위에서 시간당 살포율 변화에 따른 분두의 수집판 삽입길이의 최적 조합을 구하였다. 그림 9는 살포율 전체 범위에 대하여 계산한 C.

대상 데이터

공기이송시스템은 시로코팬 형식의 송풍기와 공기를 4개의 흐름으로 나누는 분지관, 입제가 고속의 공기 기류에 투입되는 혼합실(Mixing chamber), 혼합실과 4개의 붐관을 연결하는 주름관(내경 38 mm, 길이 1.8 m와 2.8 m), 분두가 설치된 붐관(내경 54 mm, 길이 2 m)으로 구성된다. 그림 1은 송풍기의 성능곡선이다.
시험에 사용한 공시기는 분두의 배치와 개수를 제외하고는 제 1보(Ryu 등, 2006)와 제 2보(Kim 등, 2006)에 보고된 것과 동일하며 공시비료 역시 슈퍼21과 신세대 복합비료로서 제 2보와 동일하였다.

데이터처리

종류와 단위시간당 입제 배출량이 있다. 입제 두 종류 (신세대, 슈퍼21)와 시간당 살포율 두 수준(30 g/s, 50 g/s) 및수집판 삽입길이 조합 4조건(표 1 참고)에 대하여 살포형을 구하고 C.V.값(변이계수)을 계산하였다 실험에서 얻은 C.V. 값들은 MINITAB(MINITAB Inc., V14.1)을 이용하여 삼원변량분석(Three-way ANOVA)을 하였다. 실험방법은 살포높이 80 cm에서 30초간 하나의 붐 섹션에 살포된 비료를 30 cm 간격으로 수집하여 C.

이론/모형

정압이 감소함을 볼 수 있다. 분두간의 거리가 60 cm로 짧으므로 관마찰이 정압변화에 미치는 영향을 무시하고, 분두의 손실계수(Loss coefficient)를 식 (3)을 이용하여 구하였다. 계산 결과 분두 1번에서 2번 사이는 1.
시작기의 공기 이송시스템은 분두가 3개 이므로 주름관을 포함하여 모두 4개 지점에서 풍속과 정압이 측정되지만 개선된 공기이송시스템에는 분두가 4개이므로 모두 5지점에서 측정되었다. 분두의 개수를 늘리는 판단기준은 Lee 등(1998)이 제시한 부양속도와 약동속도를 기준으로 하였다.
입제의 살포율 수준별로 균등도가 우수한 분두의 수집 판 삽입길이의 조합을 시행오차법으로 결정하였다. 표 5에 나타내었듯이 살포율을 4개의 구간으로 나누고 각 살포율 범위에서 시간당 살포율 변화에 따른 분두의 수집판 삽입길이의 최적 조합을 구하였다.
풍속에 대한 시험을 실시하였다. 정압과 풍속 측정은 Digital Micromanometer(ZEPHYR DIGITAL MANOMETER, Solomat Co, USA)을 이용하여 정압과 풍속을 구하였다. 붐관에는 공기와 입제비료가 함께 이동하고 있으나 측정기는 유체흐름일 경우에만 정상적으로 작동하는 문제가 있어 공기이송시스템분석에서는 비료를 살포하지 않고 송풍기만 작동시켰다 살포율이 가장 큰 경우인 327.

성능/효과

1차 시작기의 공기이송시스템을 분석한 결과 모든 분두에서 설계 기준이 되는 약동속도보다 크고, 입제가 관성을 가지고 이송되므로 분두를 총 16개로 증가시키는 것이 가능하다고 판단하였다. 분두를 증가시킨 살포장치를 이용하여 입제의 종류, 입제 살포율, 분두의 수집판 삽입길이 조합이 살포균등도에 미치는 영향을 삼원분산분석한 결과, 모두 유의성 있는 차이를 나타내어 입제 살포율에 무관하게 분두의 수집 판 삽입길이를 정하는 것은 어렵다고 판단하였다.
확인하였다. 개선된 공기이송시스템을 분석한 결과 분두의 개수가 늘어나는 경우에 마지막 분두에서 풍속이 약동속도보다 작았지만 입자의 관성이 있어 입자들이 균질형으로 이송되는 것으로 판단된다.
분두간의 거리가 60 cm로 짧으므로 관마찰이 정압변화에 미치는 영향을 무시하고, 분두의 손실계수(Loss coefficient)를 식 (3)을 이용하여 구하였다. 계산 결과 분두 1번에서 2번 사이는 1.645, 분두 2번에서 3번사이는 1.275로 나타났다.
3 m/s 였다. 따라서 붐섹션 1개당 분두의 개수를 3개에서 4개로 설계할 때 마지막 분두에서 풍속이 약동 속도보다 작을 것으로 예상되지만 입자의 운동은 관성력이 있으므로 4개로 증가시켜도 살포에는 지장이 없을 것으로 판단하였다.
값과 제2보에서의 값을 비교한 것이다. 분두 3조에서는 수집판 삽입길이를 조절하더라도 시간당 살포율에 따라 C.V.값이 대부분이 30% 이상의 값을 보였으나, 개선된 살포장치는 전체적으로 C.V.값이 15%이하로 양호하였다. 입제살포작업의 작업속도와 비료의 처방량이 정해지면 살포율이 계산되는데, 살포율에 따라서 최적의 수집판 삽입길이를 표 5를 보고 정할 수 있다.
판단하였다. 분두를 증가시킨 살포장치를 이용하여 입제의 종류, 입제 살포율, 분두의 수집판 삽입길이 조합이 살포균등도에 미치는 영향을 삼원분산분석한 결과, 모두 유의성 있는 차이를 나타내어 입제 살포율에 무관하게 분두의 수집 판 삽입길이를 정하는 것은 어렵다고 판단하였다. 따라서 시간당 입제 살포량의 범위(27.
그림 11 은 분두와 붐관에서 입제의 이송형태를 고속카메라로 촬영한것으로서 두 경우 모두 균질한 형태를 보였다 마지막 분두에서 풍속이 약동속도보다 작아도 균질형을 나타낸 이유는 주름관을 통하여 입제가 이송되는 동안에 가속이 되어 균질형을 이룬 이후에 입제가 관성을 가지게 되므로 주변의 유속이느려져도 곧 바로 침전되지 않았기 때문으로 판단된다. 비디오 분석에서 구한 입제의 평균 이동속도는 1번 분두에서 7.3 m/s, 4번 분두에서 3.5 m/s로서 공기의 속도보다는 작지만 충분히 관성을 가지고 있음을 알 수 있다.
그림에서 A지점은 주름관을 B지점부터는 아크릴로 제작된 붐관에서 각각의 분두 중심으로 부터 10 cm 앞의 지점을 나타낸다. 시작기의 공기 이송시스템은 분두가 3개 이므로 주름관을 포함하여 모두 4개 지점에서 풍속과 정압이 측정되지만 개선된 공기이송시스템에는 분두가 4개이므로 모두 5지점에서 측정되었다. 분두의 개수를 늘리는 판단기준은 Lee 등(1998)이 제시한 부양속도와 약동속도를 기준으로 하였다.
풍량과 정압변화를 나타낸 것이다. 외측 붐관의 각 위치에서의 풍속과 정압변화도 내측 붐관과 같은 유사한 형태로 나타났다 1번 분두(B지점)에서 풍속은 설계기준인 부양속도보다 충분히 컸으며 4번 분두(E지점)에서 풍속은 설계기준 풍속인 약동속도 6.8 m/s보다 작은 5.9 m/s였다 분두의개수가 하나 더 증가하였지만 마지막 분두에서 풍속은 비례하여 줄지 않았는데 이에 대해서는 유체역학적인 해석이 필요한 것으로 판단된다. 분두별 손실계수를 식 (3)을 이용하여 구한 결과 1번 분두, 2번 분두, 3번 분두의 손실계수가 각 1.
입자의 이송상태를 고속카메라를 이용하여 확인한 결과 붐섹션의 마직막 분두에서도 균질형으로 이송됨을 확인하였다. 개선된 공기이송시스템을 분석한 결과 분두의 개수가 늘어나는 경우에 마지막 분두에서 풍속이 약동속도보다 작았지만 입자의 관성이 있어 입자들이 균질형으로 이송되는 것으로 판단된다.
제 2보에서 보고된 바와 달리 입제의 종류는 5% 유의수준에서 차이를 보였으며, 입제의 시간당 살포량은 여전히 고도의 통계적 유의 차이를 보였다. 이 결과에 근거하여 본 연구에서는 살포율에 따라 붐섹션내 분두의 수집판 삽입길이를 조절할필요가 있다고 판단하였다.

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