[논문]담수화 설비 스프레이 노즐에 대한 실험적 연구

신현경; 주현태; 박민호; 박경민; 김진영; 임진영

담수화 설비 스프레이 노즐에 대한 실험적 연구
An Experimental Study of Spray Nozzle Desalination Facility 원문보기

신현경 (울산대학교 조선해양공학부) , 주현태 (울산대학교 조선해양공학부) , 박민호 (울산대학교 조선해양공학부) , 박경민 (울산대학교 조선해양공학부) , 김진영 (울산대학교 조선해양공학부) , 임진영 (울산대학교 조선해양공학부)

Experimental research was undertaken to develop a domestic spray nozzle used on equipment for desalination. First, we made a test set-up in order to confirm nozzle efficiency of spray and distribution under different pressure conditions. Then, we found a maximum spray condition after verifying reliability of this facility. An optimum arrangement of the nozzle, based on the test result, was made using CATIA V5 and EXCEL.

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문제 정의

한국 역시 증발법을 도입하여 응용하고 있지만 효율적으로 해수를 증발시키는 핵심 부품인 노즐은 수입에 의존하고 있는 실정이다. 본 실험은 어떤 조건들이 노즐의 성능을 극대화하는지를 또연구하고, 또 상용 노즐에 대한 기존의 실험 결과를 비교 확인하며, 구축된 실험장치의 신뢰성을 확인하는데 목적을 둔다. 그리고 노즐에서 분사되는 물의 양이 분사 면적 내에 일정하게 고루 분포되는지 여부와 만약 그 결과가 고르게 분포되었다면 균일함이 가장 극대화 되는 높이와 압력을 구하고, 또한 얻어진 자료를 이용하여 노즐의 효율적인 배열 위치를 찾고자 한다(김병덕 등, 1996; 한국기계연구원, 1998).

제안 방법

그래서 실험값의 오차를 우려하여 시판품인 노즐을 사용하였다. 먼저 실험 자료의 신뢰성을 확인하기위해 “기존 실험 자료(Table 1)"을 바탕으로 실험 장치를 만들었다.
본 실험은 어떤 조건들이 노즐의 성능을 극대화하는지를 또연구하고, 또 상용 노즐에 대한 기존의 실험 결과를 비교 확인하며, 구축된 실험장치의 신뢰성을 확인하는데 목적을 둔다. 그리고 노즐에서 분사되는 물의 양이 분사 면적 내에 일정하게 고루 분포되는지 여부와 만약 그 결과가 고르게 분포되었다면 균일함이 가장 극대화 되는 높이와 압력을 구하고, 또한 얻어진 자료를 이용하여 노즐의 효율적인 배열 위치를 찾고자 한다(김병덕 등, 1996; 한국기계연구원, 1998).
물론 시행착오 법을 이용하여 격자 모양의 최적의 데이터를 얻은배치도이다. 다음으로 노즐의 방향을 90도씩 회전하여 보았다. 3차원 그래프의 산과 산이 교차하여 높이의 급작스런 변화를줄임으로 비교적 고른 분포를 나타내었으나 여전히 타원들 간의 공간을 메우지 못하여 가장 이상적인 분포라 할 수 없었다.
마지막으로 노즐의 액막이 타원이기 때문에 생기는 공간을 메우기 위해 노즐의 배열을 지그재그 형식으로 나열하고 가로로인접된 노즐 방향은 90도씩 회전하고 가로의 배열을 그대로가져와 2행의 배열을 650mm 이동하여 공간을 모두 메웠다.
실험 과정을 반복하여 기존 실험보다 우세한 분포를 나타내는 실험 장치를 구축하고 압력을 달리하여 노즐의 최적 분포 조건을 찾았다. 그리고 자료는 개개 시험관의 수두(head) 함수로 표현되는 3 차원 그래프로 나타내었다.
실험 환경 조건은 주위 온도 21℃, 수온 18℃, 그리고 습도는 70%를 유지하였으며, 계측에 사용되는 시험관은 무게를 각각측정하여 각각의 오차를 최소화하였다. 기존 실험의 대조는 포집부의 크기를 650mm x 650皿1로 제한하였으며 최적 분포실험은 180皿1><180皿1로 포집 부를 적용하였다.
실험값으로 작성된 수두 3차원 그래프의 부피를 CATIA V5 를사용하여 계산하고 디지털 유량계에서 측정된 값과 비교하여 보면서 실험값의 정확성을 확인하였다 (Table 7).
실험에서 측정된 자료들을 기초로 노즐의 최적 배열상태를 찾는 작업을 시행하였다. 그 방법은 실험에서 얻은 자료를 EXCEL을 이용, 배열하여 노즐의 액막들이 겹칠 때 그 합이 가장 평균값들과 유사한 자료를 얻는 작업이다.
우선 가로배열의 노즐 간격이 결정되는 과정을 살펴보면 실험값이 50剛단위로 결정되어 있으므로 노즐의 간격을 501皿단위로 줄이 면서 노즐 간격을 결정하였다. Figs.

대상 데이터

본 실험은 액막형을 사용하였으며 실험에 앞서 쾌속 모형 조형(RIM Rapid Prototyping and Manufacturing)을 이용하여 제작된 노즐을 사용하였는데 내부표면의 거칠기가 균일하지 못하고, 적층 상태로 제작한 것이라서 불안전한 부분도 발견되었다. 그래서 실험값의 오차를 우려하여 시판품인 노즐을 사용하였다. 먼저 실험 자료의 신뢰성을 확인하기위해 “기존 실험 자료(Table 1)"을 바탕으로 실험 장치를 만들었다.
오차를 최소화하였다. 기존 실험의 대조는 포집부의 크기를 650mm x 650皿1로 제한하였으며 최적 분포실험은 180皿1><180皿1로 포집 부를 적용하였다. 또 시설의 크기에 기준을 두어 노즐과 포집 부의 높이는500師로 제한을 두었다.
Sheet Type)으로 나뉜다. 본 실험은 액막형을 사용하였으며 실험에 앞서 쾌속 모형 조형(RIM Rapid Prototyping and Manufacturing)을 이용하여 제작된 노즐을 사용하였는데 내부표면의 거칠기가 균일하지 못하고, 적층 상태로 제작한 것이라서 불안전한 부분도 발견되었다. 그래서 실험값의 오차를 우려하여 시판품인 노즐을 사용하였다.

성능/효과

그 결과, 3차원 그래프상이나 분산, 표준편차에서도 가장 균일한 자료를 얻을 수 있었다(Rg. 14). 이 배열은 실제 해수 담수화 시설의 설계에 있어 가장 효율적인 배열로 판명된다.
노즐을 같은 방향으로 격자 배열을 하였다. 그 결과는 노즐의 액막이 타원(EUipse)인 관계로 여러 개의 타원들이 격자형으로 겹쳐지므로 공간이 생겼고, 3차원 그래프의 산(Peak) 과 산들이 겹쳐 좋지 않은 분포상태를 나타내었다 (Fig. 10).

후속연구

앞으로본 실험에서 얻은 자료를 바탕으로 CFD (Computational Fluid Dynamics) 방법에 의한 노즐의 최적 형상을 구현하여야 한다.

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