[논문]사이클론 내 유동특성 및 미세입자 집진효율에 대한 수치해석적 연구

용정권; 김창녕; 조영민

문제 정의

(1) 그러나 외통직경(Dc) 이 100 mm이하인 사이클론에서 유체의 흐름과 입자 집진효율에 대한 연구가 미진하다. 따라서 본연구에서는 외통직경이 60mm이고 내통직경이 30mm인 상대적으로 크기가 작은 사이클론에서, 많은 오염가스를 처리하도록 하기 위한 입구속도가 큰 경우에 대해 수치적 연구가 수행되었다. 본연구를 통해 유체와 입자의 거동특성이 해석되었고, 10㎛이하 입 자들의 집 진효율이 계 산되 었다.
진행되고 있다. 본 연구는 상대적으로 사이클론의 크기가 작고 입구속도가 큰 경우에 대한 유동특성과 미세입자들의 집진효율을 파악하고자 수치적 방법을 통해서 수행되었다.

가설 설정

유체의 유동에 대한 수치 계산은 3차원 정상상태로 가정하여 수행되었다. 유동장의 수치적 해를 얻기 위해 Reynolds Stress Model(RSM) 이 사용되었다.
압력에 대한 이산화방식은 강한 회전 유동을 해석할 때 적합한 PRESTO(Pressure staggered option)가 적용되었고 대류항의 처 리방법으로 QUICK(Quadratic Upwind Interpolation for Convective Kinetics)이 사용되었다.(6) 수렴판정은 모든 격자점에서 무차원 잔차(residual)가 10-4 이내이면 수렴한 것으로 가정하였다. 계산시간은 CPU가 듀얼코어 2.
52m/s경우에는 수치적으로 계산된 입자의 집진효율이 실험값보다 작게 나타났다. 수치해석에서 입자가 사이클론 벽면에 충돌할 때에 완전탄성충돌이 발생한다고 가정하였는데 이로 인하여 입자에 작용하는 관성력 이 실제의 경우보다 크게 작용하여 상대적으로 큰 유속을 갖는 유동이 1㎛ 입자를 휩쓸어 출구로 빠져나가 집진 효율을 감소시켰고, 반면에 실험의 경우 벽면에서 입자가 실제로 완전탄성충돌을 하지 않으. 므로 수치계산의 결과보다 큰 집진효율을 나타내는 것으로 사료된다.

제안 방법

본연구를 통해 유체와 입자의 거동특성이 해석되었고, 10㎛이하 입 자들의 집 진효율이 계 산되 었다. 또, 본 수치해석과 같은 조건 하에서 실험적으로 수행되었던 다른 연구의 집진효율과 수치적으로 얻어진 집진효율이 비교되었다.
사이클론 내에서, 먼저, 입자의 유입이 없는 경우에 대한 유체유동 특성을 검토한 후 계산된 유동장에 입자가 유입될 때에 입자의 거동특성 및 집진효율이 해석되었다.
52 m/s 가 되도록 조절되었다. 사이클론의 hopper와 출구로 배출된 분진들의 크기는 레이저를 이용한 입도분석 장치인 Master Sizer(Malvern, Master Sizer-S)으로 측정되고 이로서 사이클론에 공급된 입자들의 크기에 따른 집진효율이 얻어졌다. 입자의 크기와 밀도로부터 질량을 기준으로 한 집진효율은 식 (12)로부터 계산된다.
8). 서로 다른 4개의 입자크기에 대하여, 또 서로 다른 입구 속도에 대하여 각각 1000개의 투입위치에서 균일한 크기의 입자들이 투입되었고 이에 따른 집진 효율이 계산되었다.
사이클론 내에 유동특성이 RSM을 이용하여 수치적으로 파악되었다. 두 가지의 입구속도에 대한 수치해석 결과, 입구속도가 두 배로 커질 경우 입구와 출구의 정압 차이가 네 배 정도 증가했다.

대상 데이터

수치계산을 위해 격자는 사이클론의 입구통로와 원통이 접하는 부분을 제외한 모든 영역에서 정렬격자가 사용되었다. 입구통로와 원통이 접하는 부분에서는 격자의 비틀림이 심하므로 wedge 격자가 사용되었다(Fig.
사용되었다. 입구통로와 원통이 접하는 부분에서는 격자의 비틀림이 심하므로 wedge 격자가 사용되었다(Fig. 1).
수치적 해의 격자 의존성을 파악하기 위해서 격자 수가 90,650개, 117,600개, 140,000개, 190,000개일 때, 각각의 격자수에 따른 수치적 해를 비교하여 적절한 격자수가 결정되었으며 본 수치계산에 사용된 격자수는 140,000개이다.
(7) 실험용 장치는 스테인리스.재질과 아크릴 재질로 제작되었으며 실험에 사용된 분진시료는 보령화력발전소에서 발생하는 flyash가 사용되었다. 100 ℃ oven에서 2시간 동안 건조된 flyash가 노즐을 통하여 사이클론의 inlet pipe로 공급된 후에 pipe 내에서 공기와 완전히 혼합, 분산되어 사이클론으로 공기와 함께 유입된다.
같다. 입구의 하단으로부터의 높이가 등간격으로 서로 다른 10개의 각 위치선상에 등간격으로 100개의 투입위치가 선정되었다(Fig. 8). 서로 다른 4개의 입자크기에 대하여, 또 서로 다른 입구 속도에 대하여 각각 1000개의 투입위치에서 균일한 크기의 입자들이 투입되었고 이에 따른 집진 효율이 계산되었다.

데이터처리

13 GHz인 PC를 사용하여 2시간 정도 소요되었다. 위의 계산은 상용 CFD 코드인 FLUENT 6.2를 이용하여 수행되었다.
크기가 다양한 입자들의 집진효율이 수치적 방법으로 얻어졌고 실험결과와 비교되었다. 실제로는 입자의 관성력과 확산효과가 포집 메카니즘을 지배하는데 수치계산에서는 입자와 사이클론 벽면 사이의 충돌이 완전탄성충돌이라고 가정하였으므로 수치계산에서 입자의 관성력이 과대평가되어 낮은 집진율이 나타난 경우도 있었다.

이론/모형

가정하여 수행되었다. 유동장의 수치적 해를 얻기 위해 Reynolds Stress Model(RSM) 이 사용되었다. RSMe 최근 연구에서 다른 난류 모델보다 더 정확한 수치적 해를 얻을 수 있다고 제안되었다.
연속방정식과 운동량방정식을 결합시켜 압력- 속도해를 구하는 SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations)0] 수치계산을 위해 사용되었다. 압력에 대한 이산화방식은 강한 회전 유동을 해석할 때 적합한 PRESTO(Pressure staggered option)가 적용되었고 대류항의 처 리방법으로 QUICK(Quadratic Upwind Interpolation for Convective Kinetics)이 사용되었다.
Pressure-Linked Equations)0] 수치계산을 위해 사용되었다. 압력에 대한 이산화방식은 강한 회전 유동을 해석할 때 적합한 PRESTO(Pressure staggered option)가 적용되었고 대류항의 처 리방법으로 QUICK(Quadratic Upwind Interpolation for Convective Kinetics)이 사용되었다.(6) 수렴판정은 모든 격자점에서 무차원 잔차(residual)가 10-4 이내이면 수렴한 것으로 가정하였다.
미세입자의 거동이 입자운동방정식으로부터 계산되었다. 입자들의 궤적은 투입되는 입구 단면에서의 위치에 따라 달라졌다.
(3-5)이는 사이클론 내에 유체의 유동에서 Reynolds stress들이 이방성을 갖기 때문에 ed-dy viscosity가 이방성 이라고 가정하여 난류 유동의 해를 풀기 때문이다. 유체와 입자의 운동량교환에 의한 입자의 거동을 해석하기 위해서 입자 운동방정식 (Lagrangian 기법)을 고려하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

따라서 본연구에서는 외통직경이 60mm이고 내통직경이 30mm인 상대적으로 크기가 작은 사이클론에서, 많은 오염가스를 처리하도록 하기 위한 입구속도가 큰 경우에 대해 수치적 연구가 수행되었다. 본연구를 통해 유체와 입자의 거동특성이 해석되었고, 10㎛이하 입 자들의 집 진효율이 계 산되 었다. 또, 본 수치해석과 같은 조건 하에서 실험적으로 수행되었던 다른 연구의 집진효율과 수치적으로 얻어진 집진효율이 비교되었다.
반경방향에 대한 압력의 구배 (gradient)는 원형단면의 중심에서 음의 값의 압력이 나타나는 A-A' 단면에서 가장 컸고 E-E' 단면에서는 반경방향에 대한 압력의 변화가 작았다. 또한 radial-tangential 속도의 크기는 중심에서 멀어질수록 커졌으나 원통의 벽면 근처에서는 벽면에 가까이 갈수록 점착조건으로 속도가 작아졌다.
해석결과, 사이클론에서 입구와 출구에서의 정압 차이는 두 개의 입구속도에 대하여 각각 72 Pa, 299 Pa 정도로 평가되었다. 유체가 유입되어 흐르다가 사이클론의 형상에 의해 선회유동이 시작되는 사이클론 상단 우측의 내벽 가까이에서 압력이 가장 컸다(Fig.
10에 제시되었다. 실험을 통하여 얻어진 집진효율은 두 가지 입구 속도에 대하여 입자의 크기가 2.5㎛일 때 가장 작았다. 입자 포집에 있어서 주요 메카니즘은 관성력 (inertia)과 확산(diffusion) 효과인데, 관성력은 입자의 크기가 클수록 증가하고, 확산효과는 반대로 감소한다.
(3) 그러므로 1 이하 입자들은 확산 효과로 벽면에 부딪히는 빈도가 증가되어 결국 입자의 집진효율이 상승한 것으로 판단된다. 수치 적 으로 계산된 이하 입자들은 관성력이 작아서 사이클론 벽면과 충돌한 후에 되 튀어나올 때의 운동량이 작아서 벽면 근처에서 체류하게 되므로 결과적으로 집진효율이 증가되었다.
파악되었다. 두 가지의 입구속도에 대한 수치해석 결과, 입구속도가 두 배로 커질 경우 입구와 출구의 정압 차이가 네 배 정도 증가했다. 입구에서 유입된 유체는 사이클론의 외벽을 따라 회전유동하며 하강하여 하부에서 사이클론의 중심축을 따라 상승했다.
입자들의 궤적은 투입되는 입구 단면에서의 위치에 따라 달라졌다. 입구 단면에서 상단 우측으로 투입되는 입자들은 궤적의 길이가 짧고 체류시간이 짧았으며 하단 좌측으로 투입되는 입자들은 궤적의 길이가 길고 체류시간이 길었다.

후속연구

하지만 집진효율에 대한 수치값이 실험값과 대체로 유사하였고 각각의 입자들에 대한 집진효율이 60% 이상이었다. 본 연구는 미세입자들을 효과적으로 포집하기 위한 사이클론 설계에 큰 도움이 될 것이다.

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