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문제 정의
- 본 연구에서는 VOC 회수 시스템 개발을 위한 기초 연구로서 관내 유동에서 벤츄리 부분에서의 진공 현상을 이용하여 상대적으로 고압인 VOC 가스를 유입시켜 원유와 혼합시킬 수 있는 환형의 액체유동에 의해 Ejector 중심에서 기체가 흡입되는 Annular type ejector 설계하였다. 그리고 이젝터 내부의 유동 특성과 혼합 현상을 파악하고 성능을 예측하기 위해 전산해석을 수행하였으며, 넓은 유량 범위에 대한 실험을 수행하기 위한 물-공기 이상유동 Loop 설계 및 제작하여 이젝터 내부의 물-공기 이상 유동에 대한 기포의 그림자 영상과 PIV 기법을 이용한 기포 이동속도 외 정량적 측정을 병행하여 전산해석과 실험결과의 비교를 통해 이상 유동 Ejector의 설계 기법을 검증하고자 한다.
가설 설정
- 해석에 있어 공기방울(bubble)의 직경은 3 mm로 가정하였고, 난류모델은 유동의 박리를 정확하게 예측한다고 알려져있는 k-ω based SST(Shear stress transport) 난류모델을 사용하였다.
제안 방법
- 전체 유량 조건에 대해 전산해석이 일관성을 가지면서 다소 높은 유입유량을 예측하였으므로, 이상유동 모델의 수정으로 계산과 실험의 차이를 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 고속카메라를 이용한 유동가시화 실험으로 기포의 거동, 기포의 크기 및 이동속도를 정량적으로 구하였다. 기포의 최대 이동속도는 액체 유량이 증가할 때 1~3 m/s로 증가하였으나 유량 증가 비율보다는 현저히 낮음을 확인하였다.
- 6과 같은 측정부를 제작하여 유동가시화가 가능하게 하였다. 공기가 유입되는 배관의 입구에는 공기 유량계 (한국 아토셀(주), ALD1-S-2)를 별도로 설치하여 물의 유량을 변화시켜가면서 유입되는 공기의 유량을 측정하였다. 고유량 실험으로 용량이 확대된 물 펌프(한일, HVP-86115)를 설치하였다.
- 본 연구에서는 VOC 회수 시스템 개발을 위한 기초 연구로서 관내 유동에서 벤츄리 부분에서의 진공 현상을 이용하여 상대적으로 고압인 VOC 가스를 유입시켜 원유와 혼합시킬 수 있는 환형의 액체유동에 의해 Ejector 중심에서 기체가 흡입되는 Annular type ejector 설계하였다. 그리고 이젝터 내부의 유동 특성과 혼합 현상을 파악하고 성능을 예측하기 위해 전산해석을 수행하였으며, 넓은 유량 범위에 대한 실험을 수행하기 위한 물-공기 이상유동 Loop 설계 및 제작하여 이젝터 내부의 물-공기 이상 유동에 대한 기포의 그림자 영상과 PIV 기법을 이용한 기포 이동속도 외 정량적 측정을 병행하여 전산해석과 실험결과의 비교를 통해 이상 유동 Ejector의 설계 기법을 검증하고자 한다.
- 기체 흡입을 위한 환형 이젝터 Loop를 설계 및 제작하였고, 두 종류의 펌프를 사용하여 넓은 유량 범위에서 기체유입성능을 검증하기 위해 물-공기이상유동에 대한 전산해석과 유동가시화 실험을 수행하였다.
- 이상 유동의 가시화를 위한 광원으로는 12 W 용량의 LED 조명을 사용하였고 고속 카메라(PCO, 1200 hs)를 이용하여 900 fps의 속도로 기포의 그림자 이미지를 획득하였다. 또한 획득한 이미지를 이용하여 이미지 상호 상관기법을 통해 기포의 유량 변화에 따른 기포의 속도장을 추출하였다
- 1은 본 연구진이 제안한 이젝터 모델의 개략도를 보여주고 있다. 실제 선박에서 사용되고 있는 원유 펌프의 압력과 유량이 8 bar, 750 m3/h 의 수준인 점을 감안하여, 직경 200 mm의 배관에서 진공을 형성할 수 있도록 벤츄리부의 직경을 80 mm로 결정하였으며, 1/3 축소 모델을 택하여 전산해석 및 가시화 실험을 수행하였다. 축소 이젝터 모델에서 액상의 유체가 지나는 배관의 직경은 65 mm이며, 가스가 유입되는 배관의 직경은 16.
- 이 두 가지 형태의 능동형 VOC 회수 장치는 100%에 가까운 높은 회수 효율을 보장하지만, 과도한 초기 설치 및 유지/보수비용으로 인해 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 이에 대한 대안으로 개발된 수동형 VOC 회수 장치는 벤츄리 효과나 와류 등의 비교적 단순한 유체 역학적 원리를 이용하여 원유의 수송 배관에 저압부를 형성시켜 압력 차이에 의해 VOC 가스를 원유에 혼합되도록 하여 원유 탱크의 기저부로 보냄으로써 VOC 기포가 상승하는 과정에서 자연적으로 재액화 되도록 하는 원리를 이용하였다. 이러한 수동형 VOC 회수 장치는 경제성 뿐만 아니라 신뢰성, 유지/보수의 편의성 등의 여러 가지 장점을 가지고 있으므로 보다 간단하고 효율적인 방식의 VOC 회수 시스템을 개발하기 위한 연구들이 진행되고 있다(2~4).
- 저유량 실험으로 400 ℓ의 수조에 저장된 물을 순환시키기 위해 펌프(한일, PA 930)를 설치하였다. 펌프의 유량을 제어하기 위해 펌프 출구에 밸브를 설치하였고 밸브의 후류 부분에 면적 유량계(한국유량계공업, DAF 65A)를 설치하여 펌프에 의해 순환되는 물의 유량을 측정할 수 있도록 하였다.
- 전산 해석을 통해 확인된 이젝터에서의 공기 유입 현상을 비교 검증하기 위해 본 연구에서는 Fig. 4, Fig. 5와 같이 실험 장치를 구성하여 이젝터 내부에서의 이상 유동 현상을 가시화 하고 공기의 유입 유량을 정량적으로 측정하였다.
- 저유량 실험으로 400 ℓ의 수조에 저장된 물을 순환시키기 위해 펌프(한일, PA 930)를 설치하였다. 펌프의 유량을 제어하기 위해 펌프 출구에 밸브를 설치하였고 밸브의 후류 부분에 면적 유량계(한국유량계공업, DAF 65A)를 설치하여 펌프에 의해 순환되는 물의 유량을 측정할 수 있도록 하였다. 유량계의 후단부에는 관내 균일 유동을 형성하기 위해 strainer를 설치하였고, 벤츄리부와 벤츄리 후류 부분은 아크릴 가공하여 Fig.
- 고유량 실험으로 용량이 확대된 물 펌프(한일, HVP-86115)를 설치하였다. 펌프의 흡입은 입구직경 65 mm, 출구직경은 50 mm 로써 양정은 45 m, 15 마력의 펌프를 채택하였고, 유량을 제어하기 위해 Bypass 라인을 및 밸브 및 물 유량계의 전류 및 후류 부분에 물의 이송이 충분하도록 4D/6D으로 유량의 안정화를 고려하여 면적 유량계(Kobold,D-65179 ,Hofheim)를 설치하였다. 또한 이젝터의 성능 평가를 위하여 3군데의 압력도 같이 측정하도록 설치되었다.
대상 데이터
- 공기가 유입되는 배관의 입구에는 공기 유량계 (한국 아토셀(주), ALD1-S-2)를 별도로 설치하여 물의 유량을 변화시켜가면서 유입되는 공기의 유량을 측정하였다. 고유량 실험으로 용량이 확대된 물 펌프(한일, HVP-86115)를 설치하였다. 펌프의 흡입은 입구직경 65 mm, 출구직경은 50 mm 로써 양정은 45 m, 15 마력의 펌프를 채택하였고, 유량을 제어하기 위해 Bypass 라인을 및 밸브 및 물 유량계의 전류 및 후류 부분에 물의 이송이 충분하도록 4D/6D으로 유량의 안정화를 고려하여 면적 유량계(Kobold,D-65179 ,Hofheim)를 설치하였다.
- 측정위치로는 Strainer 바로 뒷부분과 공기가 흡입되는 부분, 가시화 구간 끝단에서 측정이 가능하게끔 설계되었다. 데이터의 로깅은 공기 유량계에서 추출한 전기신호를 National instument 사의 DAQ 보드에 연결하여 컴퓨터로 전송하였고, 사용된 인터페이스는 Labview signal express를 이용하여 공기와 물의 유입량 데이터를 수집하였다. 유동 가시화를 위한 벤츄리부의 후류에는 Fig.
- 7에서 보여지는 것과 같이 아크릴 원형 배관의 주위로 물이 채워진 부피 50×20×32cm의 사각 수조를 설치하여 이미지의 왜곡 현상을 최소화하였다. 이상 유동의 가시화를 위한 광원으로는 12 W 용량의 LED 조명을 사용하였고 고속 카메라(PCO, 1200 hs)를 이용하여 900 fps의 속도로 기포의 그림자 이미지를 획득하였다. 또한 획득한 이미지를 이용하여 이미지 상호 상관기법을 통해 기포의 유량 변화에 따른 기포의 속도장을 추출하였다
- 실제 선박에서 사용되고 있는 원유 펌프의 압력과 유량이 8 bar, 750 m3/h 의 수준인 점을 감안하여, 직경 200 mm의 배관에서 진공을 형성할 수 있도록 벤츄리부의 직경을 80 mm로 결정하였으며, 1/3 축소 모델을 택하여 전산해석 및 가시화 실험을 수행하였다. 축소 이젝터 모델에서 액상의 유체가 지나는 배관의 직경은 65 mm이며, 가스가 유입되는 배관의 직경은 16.5 mm, 벤츄리부에서의 직경은 32 mm이다.
- (10) ANSYS CFX에서 제공하는 공기/물 다상유동 모델에는 다양한 종류의 모델링 방법이 있으나 homogeneous particle model을 이용하여 실험과 가장 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 해석에 사용된 모델은 Fig. 1에 나타난 이젝터 형상을 바탕으로 하였으며, 공기가 유입되는 Inlet_IG, 물이 유입되는 Inlet, 버블/물이 공존하여 배출되는 Outlet에서의 경계조건으로는 실험과 동일하도록 각각의 경계면에 대해 대기압(Pstatic= 0 Pa), 15 cm 높이의 수두압에 해당하는 압력조건(Pstatic= 0.015 bar)를 부여하였다. 해석에 있어 공기방울(bubble)의 직경은 3 mm로 가정하였고, 난류모델은 유동의 박리를 정확하게 예측한다고 알려져있는 k-ω based SST(Shear stress transport) 난류모델을 사용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 제작하는 이젝터 루프의 공기/물 다상 유동을 해석하기 위해 범용 유동해석코드인 ANSYS CFX v12.1을 사용하였다.(10) ANSYS CFX에서 제공하는 공기/물 다상유동 모델에는 다양한 종류의 모델링 방법이 있으나 homogeneous particle model을 이용하여 실험과 가장 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
성능/효과
- 1을 사용하였다.(10) ANSYS CFX에서 제공하는 공기/물 다상유동 모델에는 다양한 종류의 모델링 방법이 있으나 homogeneous particle model을 이용하여 실험과 가장 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 해석에 사용된 모델은 Fig.
- 고속카메라를 이용한 유동가시화 실험으로 기포의 거동, 기포의 크기 및 이동속도를 정량적으로 구하였다. 기포의 최대 이동속도는 액체 유량이 증가할 때 1~3 m/s로 증가하였으나 유량 증가 비율보다는 현저히 낮음을 확인하였다. 실험조건의 범위내에서 기포의 평균직경은 2~3 mm로 일정함을 발견하였다.
- 9는 고유량 운전조건에서 고속카메라로 기포의 그림자 이미지를 1000장의 이미지를 추출하여 기포의 평균 속도장을 보여주고 있다. 마찬가지로 물의 유량이 증가할수록 유입되는 공기 유량이 증가하여 공기 기포의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 기포의 이동속도는 약 2.
- 물의 유량이 증가할수록 벤츄리부에서의 정압이 낮아져 유입되는 공기의 유량이 증가하는 것을 볼 수 있다. 물의 유량이 280~340 ℓ/min 범위에서 유입된 공기의 유량은 110~170 ℓ/min의 범위로 선형적인 비례관계를 보였다. 전반적으로 전산해석 결과가 실험결과보다 공기측 유입량을 다소 높게 예측하였다.
- 전반적으로 전산해석 결과가 실험결과보다 공기측 유입량을 다소 높게 예측하였다. 물의 유량이 283 ℓ/min일 때 유입되는 공기의 유량은 실험 결과와 전산해석결과 사이에 3%정도의 차이를 나타나고 있으며, 유량이 333 ℓ/min로 증가하면 10% 정도의 차이를 보인다. 물의 유량이 670~1014 ℓ/min 범위에서 유입된 공기의 유량은 200 ~468 ℓ/min의 범위로 선형적인 비례관계를 보였다.
- 물의 유량이 283 ℓ/min일 때 유입되는 공기의 유량은 실험 결과와 전산해석결과 사이에 3%정도의 차이를 나타나고 있으며, 유량이 333 ℓ/min로 증가하면 10% 정도의 차이를 보인다. 물의 유량이 670~1014 ℓ/min 범위에서 유입된 공기의 유량은 200 ~468 ℓ/min의 범위로 선형적인 비례관계를 보였다. 물의 유량이 1014 ℓ/min일 때 유입되는 공기의 유량은 실험 결과와 전산해석결과 사이에 10%정도의 차이를 나타나고 있으며, 유량이 670 ℓ/min인 경우에는 오차의 범위가 커지는데 이는 고유량 펌프의 저속운전에서 오는 시스템의 불안정화에 기인한다고 생각된다.
- 전산유체해석 결과와 마찬가 지로 이젝터를 통해 유입된 기포는 부력으로 인해 위쪽으로 상승하는 현상이 관찰되었다. 물의 유량이 작을수록 파이프 하부의 void fraction이 낮게 나타났고, 유량이 증가할수록 액체 유동의 속도가 빨라져 큰 관성력에 의해 기포가 관 전체에 균일하게 퍼지는 경향을 보였다.
- 8는 고속 카메라를 이용해 획득한 아크릴 배관 내부의 기포의 그림자 이미지와 각각의 실험조건에 대해 1000장의 이미지를 이용하여 추출한 기포의 평균 속도장을 보여주고 있다. 물의 유량이 증가할수록 유입되는 공기 유량이 증가하여 공기 기포의 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이미지 처리 기법을 적용하여 구한 기포의 평균 직경은 유량 변화와 관계가 없이 2~3 mm 수준이었다.
- 하지만 물의 유량이 증가할수록 기포의 밀도가 증가하였고, 이동속도가 파이프 전체에 대해 균일하게 분포되었다. 밀도차에 의한 부력효과는 액상유동의 속도가 낮을 때 전산해석 및 실험에서 모두 현저하게 나타났다. 기포 거동에 대한 보다 엄밀한 해석을 위해서는 광섬유 프로우브에 의한 국소적 기포변화 및 거동 측정 등 추가 실험이 필요하다고 사료된다.
- 물의 유량이 1014 ℓ/min일 때 유입되는 공기의 유량은 실험 결과와 전산해석결과 사이에 10%정도의 차이를 나타나고 있으며, 유량이 670 ℓ/min인 경우에는 오차의 범위가 커지는데 이는 고유량 펌프의 저속운전에서 오는 시스템의 불안정화에 기인한다고 생각된다. 전반적으로 기체의 흡입유량에 대한 전산해석 결과와 실험결과를 비교한 결과 10% 오차 범위에서 일치하였고, 이러한 오차는 실제 시스템을 설계할 경우 용인될 수준이라고 판단된다.
- 물의 유량이 280~340 ℓ/min 범위에서 유입된 공기의 유량은 110~170 ℓ/min의 범위로 선형적인 비례관계를 보였다. 전반적으로 전산해석 결과가 실험결과보다 공기측 유입량을 다소 높게 예측하였다. 물의 유량이 283 ℓ/min일 때 유입되는 공기의 유량은 실험 결과와 전산해석결과 사이에 3%정도의 차이를 나타나고 있으며, 유량이 333 ℓ/min로 증가하면 10% 정도의 차이를 보인다.
- 이미지 처리 기법을 적용하여 구한 기포의 평균 직경은 유량 변화와 관계가 없이 2~3 mm 수준이었다. 전산유체해석 결과와 마찬가 지로 이젝터를 통해 유입된 기포는 부력으로 인해 위쪽으로 상승하는 현상이 관찰되었다. 물의 유량이 작을수록 파이프 하부의 void fraction이 낮게 나타났고, 유량이 증가할수록 액체 유동의 속도가 빨라져 큰 관성력에 의해 기포가 관 전체에 균일하게 퍼지는 경향을 보였다.
- 전산해석 및 실험에서 액체의 유량증가에 따른 기체 유입 유량은 선형적 관계를 보였으며, 최대 10% 이내에서 전산해석과 실험 결과가 일치하였다. 전체 유량 조건에 대해 전산해석이 일관성을 가지면서 다소 높은 유입유량을 예측하였으므로, 이상유동 모델의 수정으로 계산과 실험의 차이를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 실험조건의 범위내에서 기포의 평균직경은 2~3 mm로 일정함을 발견하였다. 하지만 물의 유량이 증가할수록 기포의 밀도가 증가하였고, 이동속도가 파이프 전체에 대해 균일하게 분포되었다. 밀도차에 의한 부력효과는 액상유동의 속도가 낮을 때 전산해석 및 실험에서 모두 현저하게 나타났다.
후속연구
- 밀도차에 의한 부력효과는 액상유동의 속도가 낮을 때 전산해석 및 실험에서 모두 현저하게 나타났다. 기포 거동에 대한 보다 엄밀한 해석을 위해서는 광섬유 프로우브에 의한 국소적 기포변화 및 거동 측정 등 추가 실험이 필요하다고 사료된다.
- 이 외에도 수치해석상의 공기와 물의 경계면에서 같은 속도를 공유한다고 가정하는 homogeneous model의 자체적 특성에 기인할 수도 있다. 본 연구에서 얻어진 기포이동 속도는 기포의 개괄적인 거동을 파악하는데 충분히 유용한 데이터를 제공하며, 이상 유동에 대한 전산해석 수행 시 기체, 액체 계면조건 등 다상유동 모델을 검증하기 위한 기초자료로 활용될 수 있다.
- 전산해석 및 실험에서 액체의 유량증가에 따른 기체 유입 유량은 선형적 관계를 보였으며, 최대 10% 이내에서 전산해석과 실험 결과가 일치하였다. 전체 유량 조건에 대해 전산해석이 일관성을 가지면서 다소 높은 유입유량을 예측하였으므로, 이상유동 모델의 수정으로 계산과 실험의 차이를 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 고속카메라를 이용한 유동가시화 실험으로 기포의 거동, 기포의 크기 및 이동속도를 정량적으로 구하였다.
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