[논문]유해물질 및 공업용 분진 제거를 위한 산업용 후드 개선에 관한 연구

김영선; 오율권

문제 정의

그러나 본 연구에서 확인하고자 하였던 가스유도장치의 장착 유.무에 따른 유속의 증감추세나 경향성은 수치해석과 실험을 통해 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있었고, 실측에 있어 주변의 소음, 진동, 외기의 영향 등에 의한 오차발생 요인을 최소화하고 수치해석 방법의 보완을 통해 다음 절의 가스 유도장치 최적 형상 도출 연구에서 결과를 확인해 보았다.
본 연구에서는 가스유도장치의 성능평가와 최적의 형상 도출을 위해 2가지 조건을 설정하여 연구를 수행하였다. 첫 번째는, 가스유도장치의 장착 유.
본 연구에서는 후드 내부에 국소배기장치를 설치하여 환기시스템의 전체적인 설계변경 없이 후드의 흡입효율을 향상시키고자 본 연구를 실시하였으며, 가스유도장치의 성능평가와 최적형상 도출을 위해 상용코드인 COMSOL Multiphysics™ 를 사용하여 수치해석을 수행하고, Hot-wire type 의 풍속계를 이용하여 유속을 측정하였으며, 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
⑶ 이 중 후드는 국소배기시스템으로 오염물질을 포집하여 배출하는 역할을 하므로, 후드에서 오염물질이 충분히 포집되지 않으면 후드 이후의 설비가 아무리 좋더라도 오염물질 제거가 비효율적이게 된다. 본연구에서는 국소배기장치를 구성하는 요소 중의 하나인 후드 내부에 가스유도장치(Gas-Guide-De- vice)라고 명칭한 별도의 장치를 설치하여 후드 입구 양쪽 끝단에서의 포착속도를 개선하고자 하였다. 이를 위해, 후드 내에 가스유도장치를 장착하지 않은 경우와 장착하였을 경우로 나누어 수치해석 및 실측을 통해 성 능평 가를 수행하고, 후드의 크기에 맞는 최적의 가스유도장치 형상을 도출하여 오염원 및 분진 등의 포착속도 증가를 통해 흡입효율을 향상시키고 국소배기장치 전체 시스템의 효율을 증가시키는데 중요한 기초연구자료를 제시하고자 한다.

제안 방법

또한, 가스유도장치의 폭(b)은 현장 경험치와 선행된 수치해석 결과를 토대로 후드 입구 선단 길이의 약 25%, 30%, 35%인 b = 125mm, 150mm, 175mm로 선정하고 X, Y의 길이를 길이비로 정리하여 Table 2와 같은 조건하에서 충분한 수치해석 과정을 거친 후 가스유도장치의 최적형상을 결정하고자 하였다. 그리고 수치해석 결과를 바탕으로 결정된 최적형상을 토대로 제작 중인 후드에 장착하고, Hot-wire type의 풍속계를 이용하여 가스유도장치 장착 유.무로 나누어 실험을 수행하였다.
두 번째는, 제조현장의 여건에 따라 다양한 크기의 후드가 제작됨을 고려하여 가스 유도 장치의 최적 형상을 도출하기 위해, 실제 제조현장에 공급하려고 준비 중인 덕트를 선정하고 덕트의 유속, 관경 그리고 후드 입구 선단의 길이가 각각 12m/sec, 0240mm, 500mm인 경우를 적용하였다. 또한, 가스유도장치의 폭(b)은 현장 경험치와 선행된 수치해석 결과를 토대로 후드 입구 선단 길이의 약 25%, 30%, 35%인 b = 125mm, 150mm, 175mm로 선정하고 X, Y의 길이를 길이비로 정리하여 Table 2와 같은 조건하에서 충분한 수치해석 과정을 거친 후 가스유도장치의 최적형상을 결정하고자 하였다.
또한 가스유도장치의 X, Y의 길이 비가 4:6 일 경우, 폭의 길이를 얼마로 하였을 때 가장 효과적인지 알아보기 위해 수치해석 결과를 분석하였다. Fig.
또한, 가스유도장치의 폭(b)은 현장 경험치와 선행된 수치해석 결과를 토대로 후드 입구 선단 길이의 약 25%, 30%, 35%인 b = 125mm, 150mm, 175mm로 선정하고 X, Y의 길이를 길이비로 정리하여 Table 2와 같은 조건하에서 충분한 수치해석 과정을 거친 후 가스유도장치의 최적형상을 결정하고자 하였다. 그리고 수치해석 결과를 바탕으로 결정된 최적형상을 토대로 제작 중인 후드에 장착하고, Hot-wire type의 풍속계를 이용하여 가스유도장치 장착 유.
하부측 길이를 X, Y로 표현하였다. 또한, 노동부에서 권장하는 포착속도 범위내에서 유속을 측정하기 위해 후드 끝단으로 부 터 50mm 떨어진 곳을 유속측정지점으로 설정하였다.
무에 따른 후드 입구 및 후드 주변에서 발생하는 유동 현상을 해석하기 위해 다중 물리현상 해석이 가능한 상용코드 “COMSOL Multiphysicsw”을 사용하였다. 또한, 수치해석과 동일한 조건하에서 각 위치별 발생하는 유속을 확인해 보기 위해서 Hot wire type의 풍속계⑷를 이용하여 실측을 하고 수치해석 결과와 실측 결과를 비교해 보았다.
그리고 수치해석 결과를 바탕으로 결정된 최적형상을 토대로 제작 중인 후드에 장착하고, Hot-wire type의 풍속계를 이용하여 가스유도장치 장착 유.무로 나누어 실험을 수행하였다.
첫 번째는, 가스유도장치의 장착 유.무에 따른 성능평가를 실시하기 위해, 실제 제조 현장에서 사용 중인 후드를 대상으로 후드 내에 가스유도장치 (GGD)를 장착했을 경우와 장착하지 않았을 경우로 나누어 Table 1과 같은 조건에서 수치해석 및 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 앞 3.2절에서 수행한 연구 결과를 토대로 최적의 가스유도장치 형상을 결정하고 시제품을 제작하여 풍속계를 이용한 실측을 실시하였고, 수치해석과 실험 결과를 각각 비교.분석하였다.
선행된 3.1 절의 성능평가 결과를 바탕으로 제조 현장에서의 공간적, 제반적 여건에 맞는 크기와 설계 인자들을 고려하여 후드 내에 가스유도장치 의 최적 형상 도출을 위해 Table 2에 제시한 조건을 토대로 수치해석을 수행하였으며, 그 결과를 정리하여 Table 4에 나타내었다. 수치해석 결과를 살펴보면, 가스유도장치의 각각의 폭에 대한 X, Y의 비 에 대 해서 측정 지 점별로 유속을 측정한 결과, 가스유도장치의 폭이 125mm일 경우 X, Y의 비가 4:6일 때 다른 길이 비의 경우보다 유속이 비교적 높게 나타났고, 또한, 가스유도장치 의 폭이 150 mm와 175 mm일 때도 폭이 125 mm인 경우 때와 유사하게 X, Y의 비가 4: 6일 때 전반적으로 유속이 높게 나타났다.
수치해석을 위한 경계조건으로는 후드 출구면 (덕트 연결부)을 Outflow Velocity로 설정하였고, 후드 Surface는 대기상태로 설정하였다. 또한, 벽면에서는 유체유동이 발생하지 않으므로 No Slip B.
본연구에서는 국소배기장치를 구성하는 요소 중의 하나인 후드 내부에 가스유도장치(Gas-Guide-De- vice)라고 명칭한 별도의 장치를 설치하여 후드 입구 양쪽 끝단에서의 포착속도를 개선하고자 하였다. 이를 위해, 후드 내에 가스유도장치를 장착하지 않은 경우와 장착하였을 경우로 나누어 수치해석 및 실측을 통해 성 능평 가를 수행하고, 후드의 크기에 맞는 최적의 가스유도장치 형상을 도출하여 오염원 및 분진 등의 포착속도 증가를 통해 흡입효율을 향상시키고 국소배기장치 전체 시스템의 효율을 증가시키는데 중요한 기초연구자료를 제시하고자 한다.

대상 데이터

본 연구에서는 수치해석 및 실험을 위해 현재 제조업 현장에 설치되어 사용하고 있는 후드를 해석모델로 선정하였다. Fig.

이론/모형

프로그램이다. 또한 COMSOL Multiphysics™^ 비압축성 유체유동을 해석하기위해 유체역학적 운동방정식을 기술한 나비어-스톡스 방정식 (Navier-Stokes Equa- tion)을 사용하고 있다.⑸
본 연구에서는 가스유도장치의 장착 유.무에 따른 후드 입구 및 후드 주변에서 발생하는 유동 현상을 해석하기 위해 다중 물리현상 해석이 가능한 상용코드 “COMSOL Multiphysicsw”을 사용하였다. 또한, 수치해석과 동일한 조건하에서 각 위치별 발생하는 유속을 확인해 보기 위해서 Hot wire type의 풍속계⑷를 이용하여 실측을 하고 수치해석 결과와 실측 결과를 비교해 보았다.

성능/효과

(2) 가스유도장치의 최적 형상 도출을 위해 다양한 조건에서 수치해석을 수행한 결과, 가스 유도장치를 장착하였을 경우 형성되는 와류를 고려하여 가스유도장치의 폭이 125mm이고, X, Y의 길이 비가 4: 6일 때의 최적의 흡입효율을 나타내는 것으로 확인하였다.
(3) 또한, 가스유도장치의 폭과 X, Y의 길이 비를 정량적으로 표현할 경우, 후드 입구 선단 길이의 약 25%를 가스유도장치 폭으로 결정하고, X, Y의 길이비를 4:6으로 선정하여 후드의 크기에 맞게 제작하여 장착하는 것이 효율적이라고 판단된다.
(4) 가스유도장치의 최적 형상을 결정하여 실제 후드에 적용하여 수치해석과 실험을 수행한 결과, 가스유도장치를 장착한 경우가 장착하지 않은 경우보다 상대적으로 후드 입구 양쪽 끝단에서 유속이 증가하였고, 수치해석과 실험결과의 오차범위 또한 신뢰성 측면에서 충분히 개선되었음을 확인할 수 있었다.
(5) 결국, 후드 내에 가스유도장치를 장착하였을 경우가 장착하지 않은 경우 보다 후드 양쪽 끝단에서의 포착속도가 향상되어 흡입성능이 개선됨 올 확인하였다.
5(b)와 Fig. 5(c)에서 보는 바와 같이, 폭이 150mm나 175mm일 경우에는 후드 입구 양쪽 끝단 및 가스유도장치와 후드 벽면사이에서 유속이 빠르게 형성되지만, 가스유도장치의 상부 끝단에서 발생되는 와류의 형성이 Fig. 5(a)의 경우보다 크게 나타났고 이러한 와류의 영향을 고려하였을 때 가스유도장치의 폭이 125 mm일 경우가 보다 효율적이라 판단된다. 따라서 가스유도장치의 폭이 125mm이고, X, Y의 길이 비가 4 : 6일 때의 가스 유도장치를 최적의 형상이라 결정하였다.
4에 정리한 수치해석 및 실험 결과를 살펴보면, 수치해석 및 실험 결과 모두 후드 입구 양쪽 끝단 부분에서 가스유도장치를 장착한 경우가 장착하지 않은 경우보다 유속이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이에 대한 결과값을 Table 3에 정리하여 나타내었다. Table 3의 결과를 토대로, 수치해석값과 실측값은 측정 지점별로 약 10%〜20%까지의 오차가 나는 것을 확인할 수 있었고, 수치해석과 실험결과에 대한 신 뢰성은 결과의 오차범위가 +5% 이내일 경우이어야 하는 일반적인 사실에 비추어 볼 때 신뢰성 검증에는 다소 부족한 점이 있다. 그러나 본 연구에서 확인하고자 하였던 가스유도장치의 장착 유.
5(a)의 경우보다 크게 나타났고 이러한 와류의 영향을 고려하였을 때 가스유도장치의 폭이 125 mm일 경우가 보다 효율적이라 판단된다. 따라서 가스유도장치의 폭이 125mm이고, X, Y의 길이 비가 4 : 6일 때의 가스 유도장치를 최적의 형상이라 결정하였다. 또한, 가스유도장치의 폭과 X, Y의 길이비를 정량적으로 표현할 경우, 후드 입구 선단 길이의 약 25% 를 가스유도장치 폭으로 결정하고, X, Y의 길이 비를 4: 6으로 선정하여 후드의 크기에 맞게 제작하여 장착하는 것이 효율적이라고 판단된다.
따라서 가스유도장치의 폭이 125mm이고, X, Y의 길이 비가 4 : 6일 때의 가스 유도장치를 최적의 형상이라 결정하였다. 또한, 가스유도장치의 폭과 X, Y의 길이비를 정량적으로 표현할 경우, 후드 입구 선단 길이의 약 25% 를 가스유도장치 폭으로 결정하고, X, Y의 길이 비를 4: 6으로 선정하여 후드의 크기에 맞게 제작하여 장착하는 것이 효율적이라고 판단된다.
(1) 가스유도장치 의 장착 유. 무에 따른 성능평가를 위해 수치해석 및 실험을 수행한 결과, 후드 내에 가스유도장치를 장착한 경우가 장착하지 않은 경우에 비해 후드 입구 양쪽 끝단에서 유속이 상대적으로 상승되는 것을 확인하였다.
속분포가 가스유도장치를 장착한 경우에는 상대적으로 후드 입구 양쪽 끝단에서 유속이 증가하며 개선되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 수치해석 및 실험을 통해 얻은 결과값을 Table 5에 정리하여 나타내었다.
1 절의 성능평가 결과를 바탕으로 제조 현장에서의 공간적, 제반적 여건에 맞는 크기와 설계 인자들을 고려하여 후드 내에 가스유도장치 의 최적 형상 도출을 위해 Table 2에 제시한 조건을 토대로 수치해석을 수행하였으며, 그 결과를 정리하여 Table 4에 나타내었다. 수치해석 결과를 살펴보면, 가스유도장치의 각각의 폭에 대한 X, Y의 비 에 대 해서 측정 지 점별로 유속을 측정한 결과, 가스유도장치의 폭이 125mm일 경우 X, Y의 비가 4:6일 때 다른 길이 비의 경우보다 유속이 비교적 높게 나타났고, 또한, 가스유도장치 의 폭이 150 mm와 175 mm일 때도 폭이 125 mm인 경우 때와 유사하게 X, Y의 비가 4: 6일 때 전반적으로 유속이 높게 나타났다. 이러한 수치해석 결과를 토대로 가스유도장치의 폭의 변화에 대해 X, Y의 비가 4: 6일 경우 후드 입구 양쪽 끝단에서의 흡입효율이 가장 효과적이라고 볼 수 있다.

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