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문제 정의
- 본 연구에서는 진공청소기에 적용하기 위한 최적의 멀티 사이클론을 개발하고자 하였으며 1차 사이클론의 다공성 필터 형상에 따른 성능평가 및 2차 사이클론의 입구와 출구의 형상에 따른 성능평가를 수행하여 최적의 설계조건을 도출하였고 주요 연구 결과를 요약하면 아래와 같다.
제안 방법
- (5) 본 연구에서는 진공청소기에 적용하기 위해 낮은 압력손실과 높은 먼지포집효율을 가지는 1차 사이클론과 다수의 2차 사이클론 조합으로 이루어진 멀티 사이클론을 개발하였고, 1차 사이클론의 다공성 필터의 형상에 따른 성능평가 및 2차 사이클론의 입구와 출구의 형상에 따른 성능평가를 수행하여 최적의 설계조건을 도출하였다.
- 5에는 전형적인 형상을 갖는 2차 사이클론의 개략도를 나타내었다. 고정된 사이클론의 직경과 높이에서 유입구의 폭과 높이, 보텍스 파인더(Vortex Finder)의 직경에 따른 먼지포집효율과 흡입일률을 평가하였다. 실험조건은 Table 2와 같다.
- 1에 보이는 바와 같은 멀티사이클론을 적용하게 되었다. 그림과 같이 기존 시스템과 유사하게 1차 사이클론을 채용하고, 1차 사이클론과 흡입 모터 사이에 다수의 2차 사이클론을 적용하여 1차 사이클론에서 걸러지지 못한 먼지들을 고효율로 포집할 수 있는 멀티사이클론을 디자인하였다.
- 다공성 필터의 최대 직경과 콘의 각도에 따른 청소성능을 알아보기 위해서, 최대직경과 콘의 각도를 각 3가지 수준으로 조합하여 실험설계를 하였다.
- 성능평가에 사용된 표준 분진은 유입 파이프의 분진 투입구를 통해 공급된다. 먼지포집효율 실험방법은 청소기의 실제 사용 조건을 맞추기 위해 오리피스 직경을 19 mm로 맞추고 50 g/min의 유량으로 표준 분진을 투입한다. 오리피스 직경 19 mm는 실제 청소기의 흡입구로 청소할 때의 압력 손실과 동일한 조건이다.
- 본 연구에서는 1차 사이클론의 직경과 높이, 먼지 유입구 형상은 고정하고, 내부의 다공성 필터의 형상에 따른 먼지포집효율과 흡입일률의 2가지 청소 관련 특성인자에 대해 실험 및 평가를 실시하였고, 2차 사이클론의 직경과 높이를 고정하고, 유입구의 폭과 높이, vortex finder의 직경에 따른 먼지포집효율과 흡입일률에 대한 평가를 실시하였다.
- 원통형 사이클론 본체에 사각의 공기 유입구가 설치되어 있으며, 상부 중앙에 다공성 필터(Porous filter)가 있고 후단에 원형의 공기 배출구가 있다. 본 연구에서는 본체의 직경과 높이, 유입구와 출구의 형상을 고정하고, 다공성 필터의 형상을 Table 1과 같은 조건으로 변화시켜가며 청소성능을 분석하였다.
- 흡입 일률의 측정은 실온 20±5℃, 상대습도 60±20% 및 대기압 760±20 mmHg에서 수행한다. 청소기를 표준 측정 상태로 하여 일정한 운전상태가 되도록 30분 간 연속 운전 후, 측정 장치 공기의 밀도를 일정하게 유지하도록 접속한 다음 풍량 제어 밸브를 여는 방향과 닫는 방향으로 순차적으로 0.5도의 각 피치로 돌리고, 각 밸브각도에서 정지하고 3초 후에 풍량과 진공도를 측정한다. 측정은 각 밸브각도마다 5초 간 50회로 하고, 각각의 평균치를 구하여 측정치를 만든다.
- 5도의 각 피치로 돌리고, 각 밸브각도에서 정지하고 3초 후에 풍량과 진공도를 측정한다. 측정은 각 밸브각도마다 5초 간 50회로 하고, 각각의 평균치를 구하여 측정치를 만든다.
- 그러나 필터에 먼지가 쌓여 갈수록 청소기의 흡입일률이 떨어지는 이른바 Clogging 현상이 발생하여 고객의 불만 대상이 되고 있다. 특히, 청소기 시장 중 주요 시장인 유럽시장을 공략하기 위해서는 싱글 사이클론의 성능으로는 무리가 있어, 이를 개선하기 위해 Fig. 1에 보이는 바와 같은 멀티사이클론을 적용하게 되었다. 그림과 같이 기존 시스템과 유사하게 1차 사이클론을 채용하고, 1차 사이클론과 흡입 모터 사이에 다수의 2차 사이클론을 적용하여 1차 사이클론에서 걸러지지 못한 먼지들을 고효율로 포집할 수 있는 멀티사이클론을 디자인하였다.
성능/효과
- (2) 2차 사이클론에서는 유입구의 폭이 작을수록 보텍스 파인더의 지름이 작을수록 높은 먼지포집효율을 나타냈다.
- (3) 1차 사이클론만을 설치하였을 경우 약 96%의 분진 포집효율과 390 W의 흡입일률을 보인 반면 2차 사이클론을 설치한 멀티 사이클론은 포집효율이 99.5%로 매우 향상되었으나 흡입일률은 345 W정도로 다소 감소한 것으로 나타났다.
- Fig. 7(a)는 유입구 폭에 따른 먼지포집효율과 흡입일률을 나타낸 것으로, 0.2D의 경우가 먼지포집효율이 가장 우수하고 흡입일률에 있어서도 0.25D와 비슷한 수준으로 분석되어, 먼지포집효율과 흡입일률을 모두 고려했을 때 0.2D가 가장 우수한 것으로 판단된다. Fig.
- Fig. 7(b)의 유입구 높이에 따른 먼지포집효율과 흡입일률을 보면 0.5D와 0.6D의 먼지포집효율은 약간의 차이를 보이는 반면, 흡입일률의 경우 0.6D가 훨씬 우수한 것으로 분석되었다. Fig.
- Fig. 7(c)의 보텍스 파인더(Vortex Finder) 지름에 따른 먼지포집효율과 흡입일률은 지름이 커질수록 먼지포집효율은 떨어지고 흡입일률은 커지게 되므로 지름 0.48D가 먼지포집효율과 흡입일률 모두 고려했을 때 가장 효과적인 것으로 분석되었다.
- 그리고 1차 사이클론의 먼지포집효율과 흡입일률을 모두 고려했을 때, 직경이 0.6D이고 콘의 각도가 20°의 원추형 다공성 필터가 가장 효과적이다.
- (1) 1차 사이클론에서는 다공성 필터의 직경의 먼지포집효율에 대한 영향도가 콘의 각도보다 영향도가 크며, 직경과 콘의 각도가 서로 교효작용을 한다. 그리고 먼지포집효율과 흡입일률을 모두 고려했을 때, 직경 0.6D이고 기울기 20°의 원추형 다공성 필터가 가장 효과적이다.
- 6(b)는 콘의 각도에 따른 1차 사이클론의 청소성능을 나타내었다. 다공성 필터의 직경이 클수록 흡입일률이 향상되나, 먼지포집효율이 감소함을 확인할 수 있다. 콘의 각도가 클수록 흡입일률은 감소하지만, 먼지포집효율이 우수해짐을 알 수 있다.
- 다공성 필터의 직경이 클수록 흡입일률이 향상되나, 먼지포집효율이 감소함을 확인할 수 있다. 콘의 각도가 클수록 흡입일률은 감소하지만, 먼지포집효율이 우수해짐을 알 수 있다.
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