압력수 확산공정은 정수공정에서 응집제나 염소용해수를 고압의 압력수로 분사하여 혼합하는 공정이다. 본 연구의 목적은 압력수 확산공정에 대한 전산유체역학적(Computational Fluid Dynamics) 진단을 통해 투입한 약품의 완전 혼합거리 및 혼합 거리를 줄이기 위한 확산판의 크기와 설치거리를 도출하는 것이다. 진단결과 2,200 mm 대형관에 $5kg/cm^2$ 압력수를 50mm, 100 mm 분사관으로 분사할 경우 혼합이 완료되는 혼합거리는 4D였다. 혼합거리를 줄이기 위해 분사관 전방에 확산판을 설치할 경우 분사관이 50 mm일 때 0.1D 직경의 확산판을 분사관 전방 0.2D 거리에 설치하면 혼합거리를 3D로 줄일 수있다. 그러나 분사관이 100 mm인 경우는 확산판의 크기와 설치 거리와는 상관없이 확산판이 없는 4D보다 확산거리를 줄일 수 없는 것으로 진단되었다. 따라서 2,200 mm 관에 압력수를 분사하는 경우는 50 mm 분사관을 설치하는 것이 100 mm보다 훨씬 효율적인 것으로 나타났다.
압력수 확산공정은 정수공정에서 응집제나 염소용해수를 고압의 압력수로 분사하여 혼합하는 공정이다. 본 연구의 목적은 압력수 확산공정에 대한 전산유체역학적(Computational Fluid Dynamics) 진단을 통해 투입한 약품의 완전 혼합거리 및 혼합 거리를 줄이기 위한 확산판의 크기와 설치거리를 도출하는 것이다. 진단결과 2,200 mm 대형관에 $5kg/cm^2$ 압력수를 50mm, 100 mm 분사관으로 분사할 경우 혼합이 완료되는 혼합거리는 4D였다. 혼합거리를 줄이기 위해 분사관 전방에 확산판을 설치할 경우 분사관이 50 mm일 때 0.1D 직경의 확산판을 분사관 전방 0.2D 거리에 설치하면 혼합거리를 3D로 줄일 수있다. 그러나 분사관이 100 mm인 경우는 확산판의 크기와 설치 거리와는 상관없이 확산판이 없는 4D보다 확산거리를 줄일 수 없는 것으로 진단되었다. 따라서 2,200 mm 관에 압력수를 분사하는 경우는 50 mm 분사관을 설치하는 것이 100 mm보다 훨씬 효율적인 것으로 나타났다.
The Process of Pressurized water diffusion is mixing process by pressurized water injection with coagulate and chlorine water in the water treatment system. The objectives of this research were to evaluate the mixing length and diameter of diffusion plate and distance from injection pipe for complet...
The Process of Pressurized water diffusion is mixing process by pressurized water injection with coagulate and chlorine water in the water treatment system. The objectives of this research were to evaluate the mixing length and diameter of diffusion plate and distance from injection pipe for complete mixing by using computational fluid dynamics. From the results of CFD simulation, when diameter of injection pipe is 50 mm, 100 mm and injection pressure is $5kg/cm^2$ and the diameter of inlet pipe is 2,200 mm, the complete mixing length is 4D (D: Length as diameter of inlet pipe). When diameter of injection pipe is 50 mm, the diameter of the diffusion plate in o.1D and distance from injection pipe is 0.2D, the complete mixing length is 3D that is the most short mixing length. But when diameter of injection pipe is 100 mm and mutually related the diameter, distance of diffusion plate, the complete mixing length is 4D over. Therefore, as the diameter of inlet pipe is 2,200 mm, the injection pipe 50 mm is more efficient than 100 mm.
The Process of Pressurized water diffusion is mixing process by pressurized water injection with coagulate and chlorine water in the water treatment system. The objectives of this research were to evaluate the mixing length and diameter of diffusion plate and distance from injection pipe for complete mixing by using computational fluid dynamics. From the results of CFD simulation, when diameter of injection pipe is 50 mm, 100 mm and injection pressure is $5kg/cm^2$ and the diameter of inlet pipe is 2,200 mm, the complete mixing length is 4D (D: Length as diameter of inlet pipe). When diameter of injection pipe is 50 mm, the diameter of the diffusion plate in o.1D and distance from injection pipe is 0.2D, the complete mixing length is 3D that is the most short mixing length. But when diameter of injection pipe is 100 mm and mutually related the diameter, distance of diffusion plate, the complete mixing length is 4D over. Therefore, as the diameter of inlet pipe is 2,200 mm, the injection pipe 50 mm is more efficient than 100 mm.
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문제 정의
13~15) 본 연구에서는 전산유체역학적 진단과 해석을 통해 압력수의 분사에 따른 완전혼합거리, 확산판의 크기 및 설치 위치 등을 제시하고자 하였다. 진단은 상용 CFD 프로그램인 Fluent 6.
즉 염소를 투입하기 위해 염소 용해수를 송수펌프장 송수를 많이 활용하고 있으며 또한 응집제를 희석하여 사용하는 경우도 정수라인의 압력수를 사용하는 경우가 많다.9~11) 본 연구에서는 응집제 투입관과 후염소 투입관의 압력수 모두 정수라인의 압력수를 활용하는 경우이며 이 공정에 대한 진단을 통해 공정을 개선 하고자 하였다.
2)은 2,200 mm 관로에 설치된 노즐을 통해 응집제가 투입되고 응집제가 투입된 원수가 혼화조에서 교반기에 의해 혼합되는 구조로 되어 있다. 따라서 2,200 mm 관로에 노즐 대신 50 mm관을 통해 물과 응집제가 혼합된 압력수를 5 kg/cm2 압력으로 투입하여 완전 혼합을 유도함으로써 교반기를 운전하지 않도록 공정을 개선하고자 하였다. D정수장 후염소 투입공정은 2,200 mm 관로에 100 mm관을 통해 5 kg/cm2 압력으로 염소 용해수를 투입하는 할 경우 완전혼합이 가능한 혼합거리를 파악하여 압력수 분사방식으로 개선 가능성을 평가하였다.
최근 들어 정수처리공정의 진단과 개선에도 매우 적극적으로 활용되고 있어 향후 정수공정 효율 증진에 크게 이바지 할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 정수공정에서 활용되고 있는 압력수 확산공정에 대해 혼합거리, 확산판의 크기, 위치 등을 전산유체역학적 기법을 활용하여 제시하고자 하였다.
이를 위해 2,200 mm 직관에 대해 투입관 직경이 50 mm, 100 mm 인 경우의 완전 혼합을 위한 혼합거리를 진단하여 공정을 개선하고자 하였다. 또한 M정수장 실제 혼화공정의 혼합도를 평가하여 압력수 확산 공정개선 가능성을 평가하였다. 이 때 원수의 유속은 0.
본 연구는 부산시 M정수장 급속혼화공정과 D정수장의 후염소 투입공정에 대한 전산유체역학적 진단을 통해 기존 공정을 개선하고자 하였다. M정수장의 급속혼화공정(Fig.
본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)적 기법을 활용하여 압력수가 모관에서 확산되는 정도를 평가하였다. 확산판의 크기별 혼합도와 확산판이 없는 경우 등을 비교하여 확산판의 크기, 설치 위치를 정확히 평가하고자 하였으며 실제 응집제 혼화공정 등을 진단 평가하였다.
제안 방법
2,200 mm 모관에 50 mm 분사관에서 5 kg/cm2 압력으로 분사할 경우 모관 내에서 확산 경향을 진단하였다. Fig.
D정수장 후염소 투입공정에 대해 CFD 진단결과에 따라 공정을 설계 개선하고 후염소 농도를 측정하여 혼합도를 확인하였다. 활성탄여과수가 모이는 집수정에서 정수지로 이어지는 2,200 mm 관에 100 mm 투입관으로 확산판 없이 염소용해수를 투입하였다.
따라서 2,200 mm 관로에 노즐 대신 50 mm관을 통해 물과 응집제가 혼합된 압력수를 5 kg/cm2 압력으로 투입하여 완전 혼합을 유도함으로써 교반기를 운전하지 않도록 공정을 개선하고자 하였다. D정수장 후염소 투입공정은 2,200 mm 관로에 100 mm관을 통해 5 kg/cm2 압력으로 염소 용해수를 투입하는 할 경우 완전혼합이 가능한 혼합거리를 파악하여 압력수 분사방식으로 개선 가능성을 평가하였다.
12, 13에서는 확산판이 클수록 혼합도가 나타진다는 사실을 확인할 수 있다. 따라서 확산판 직경이 0.1D와 0.2D인 경우에 한하여 거리를 0.1~0.9D까지 변화시키면서 거리별로 동심원 농도를 그리고 그 표준편차를 확인하였다.
5 m/sec이었다. 압력수 투입은 투입관을 모관의 수류 방향과 같은 방향으로 아무런 확산판 없이 바로 투입하는 방식과 Table 1 및 Fig. 1과 같이 일정 직경의 확산판을 설치하여 빠른 난류확산을 유도하는 두 가지 방법으로 하였으며, 같이 투입된 약품의 혼합도를 평가하기 위해 Table 1, Fig. 1의 혼합도 평가거리와 같이 모관 직경(D)에 해당하는 거리에서 동심원 별로 농도를 측정하여 혼합여부를 진단하였다.
이를 위해 2,200 mm 직관에 대해 투입관 직경이 50 mm, 100 mm 인 경우의 완전 혼합을 위한 혼합거리를 진단하여 공정을 개선하고자 하였다. 또한 M정수장 실제 혼화공정의 혼합도를 평가하여 압력수 확산 공정개선 가능성을 평가하였다.
본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)적 기법을 활용하여 압력수가 모관에서 확산되는 정도를 평가하였다. 확산판의 크기별 혼합도와 확산판이 없는 경우 등을 비교하여 확산판의 크기, 설치 위치를 정확히 평가하고자 하였으며 실제 응집제 혼화공정 등을 진단 평가하였다.
D정수장 후염소 투입공정에 대해 CFD 진단결과에 따라 공정을 설계 개선하고 후염소 농도를 측정하여 혼합도를 확인하였다. 활성탄여과수가 모이는 집수정에서 정수지로 이어지는 2,200 mm 관에 100 mm 투입관으로 확산판 없이 염소용해수를 투입하였다. CFD 진단결과에 따라 100 mm 투입관의 혼합거리 4D인 8.
이론/모형
난류 거동을 모사하기 위해서는 Standard k-ε 모델을 사용하였으며, 정상상태로 해석하였다.
4를 사용하였다. 유공관의 Geometry는 tetra형 격자 550,380개로 해석하였으며 유공관에서 유출되는 유체의 유동 특성과 유체의 물리적 성질의 변화는 기본적으로 연속방정식, 모멘텀 방정식(Navier-Stokes Equation) 등을 사용하였다. 난류 거동을 모사하기 위해서는 Standard k-ε 모델을 사용하였으며, 정상상태로 해석하였다.
13~15) 본 연구에서는 전산유체역학적 진단과 해석을 통해 압력수의 분사에 따른 완전혼합거리, 확산판의 크기 및 설치 위치 등을 제시하고자 하였다. 진단은 상용 CFD 프로그램인 Fluent 6.3와 Gambit 2.4를 사용하였다. 유공관의 Geometry는 tetra형 격자 550,380개로 해석하였으며 유공관에서 유출되는 유체의 유동 특성과 유체의 물리적 성질의 변화는 기본적으로 연속방정식, 모멘텀 방정식(Navier-Stokes Equation) 등을 사용하였다.
성능/효과
1) 2,200 mm 관로에 5 kg/cm2 압력수를 50 mm 관으로 분사할 경우 압력수는 4D에서 혼합이 완료되며 혼합거리를 줄이기 위해서는 0.1D 원형 확산판을 분사관 전방 0.2D거리에 설치하면 혼합거리를 3D로 줄일 수 있다.
2) 2,200 mm 관로에 5 kg/cm2 압력수를 100 mm 관으로 분사할 경우 압력수는 4D에서 혼합이 완료되며 원형의 확산판은 직경과 설치거리에 상관없이 혼합거리를 줄이지 못한다.
3) 교반기가 설치되어 있는 급속혼화조에서 관로에 압력 수를 분사할 경우 관로 직관이 3D거리에서도 교반기 운전 없이 충분히 혼합이 가능하다.
4) 100 mm 염소 용해수를 5 kg/cm2 압력으로 분사할 경우 CFD 진단결과 완전혼합 거리는 4D이었으며, 실공정 혼합거리 역시 4D에서 충분히 혼합이 이루어지는 것으로 확인되었다.
활성탄여과수가 모이는 집수정에서 정수지로 이어지는 2,200 mm 관에 100 mm 투입관으로 확산판 없이 염소용해수를 투입하였다. CFD 진단결과에 따라 100 mm 투입관의 혼합거리 4D인 8.8 m 지점에서 잔류염소 농도를 측정한 결과 1.1 ppm이였고 정수지에 도착한 잔류염소 농도도 1.1 ppm으로 일치하여 실제 4D 지점에서 혼합이 완료된 것을 확인할 수 있었다.
1D 거리 앞에 설치한 경우의 농도 그래프이다. 대체로 6D에서 동심원 농도 그래프가 일치하는 것을 알 수 있는데 이를 통해 확산판이 없는 경우보다 혼합거리가 길어졌다는 것을 알 수 있다. Fig.
2D 거리에 설치되는 경우보다 혼합도가 떨어지는 것을 알 수 있다. 따라서 50 mm 압력수를 2,200 mm 모관에 분사하여 난류 혼합을 유도하는데 있어 확산판이 없는 경우는 4D 거리에서 혼합이 완료되며 확산판을 설치할 경우에는 0.1D 직경의 확산판을 0.2D 거리에 설치하였을 때 3D거리에서 혼합을 완료할 수 있는 것으로 진단되었다.
5D로 증가할수록 표준편차가 증가하는 것으로 나타나 확산판이 클수록 혼합도는 불량한 것을 알 수 있다. 또한 확산판이 있는 경우 3D거리까지는 확산판이 없는 경우보다 혼합도가 양호하지만 4D부터는 확산판이 없는 경우가 오히려 혼합도가 양호하고 확산판이 있는 경우 완전혼합은 6D에서 완료되는 것으로 나타났다.
진단 결과, 분사관 50 mm, 100 mm에서 혼합거리와 확산판 규격 등을 Table 2와 같이 정리할 수 있는데 2,200 mm 직관 내에 어떤 약품을 투입할 경우에 분사압력이 5 kg/cm2라면 분사관 직경은 50 mm이면 충분하고 혼합거리는 4D이며 0.1D 직경의 확산판을 0.2D 거리에 설치할 경우에는 혼합거리를 3D로 단축할 수 있다.
9D까지 변화시켜며 설치 위치에 따른 농도별 표준편차를 구한 그래프이다. 진단결과 Fig. 15와 같이 0.1D 직경의 확산판에서는 0.1D 거리에 설치한 경우가 1D, 2D 거리에서는 혼합도가 높은 것으로 나타났으나 3D, 4D 거리에서는 확산판이 없는 경우보다 혼합도가 떨어지는 것으로 나타났다.
3D거리에 확산판을 설치하고 직경별로 거리에 따른 농도 표준편차를 나타낸 그래프이다. 혼합도는 확산판이 0.1D인 경우가 가장 좋지 않았고, 대체로 7D 거리에서 혼합이 완료되는 것으로 나타나 확산판 0.1D, 0.2D 거리에 설치되는 경우보다 혼합도가 떨어지는 것을 알 수 있다. 따라서 50 mm 압력수를 2,200 mm 모관에 분사하여 난류 혼합을 유도하는데 있어 확산판이 없는 경우는 4D 거리에서 혼합이 완료되며 확산판을 설치할 경우에는 0.
1D거리에 확산판 직경별로 각 거리별 표준편차를 나타낸 것이다. 확산판이 없는 경우는 대체로 4D거리에서 혼합이 완료되며, 확산판이 0.1D에서 0.5D로 증가할수록 표준편차가 증가하는 것으로 나타나 확산판이 클수록 혼합도는 불량한 것을 알 수 있다. 또한 확산판이 있는 경우 3D거리까지는 확산판이 없는 경우보다 혼합도가 양호하지만 4D부터는 확산판이 없는 경우가 오히려 혼합도가 양호하고 확산판이 있는 경우 완전혼합은 6D에서 완료되는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
압력수 확산공정이란?
압력수 확산공정은 정수공정에서 응집제나 염소용해수를 고압의 압력수로 분사하여 혼합하는 공정이다. 본 연구의 목적은 압력수 확산공정에 대한 전산유체역학적(Computational Fluid Dynamics) 진단을 통해 투입한 약품의 완전 혼합거리 및 혼합 거리를 줄이기 위한 확산판의 크기와 설치거리를 도출하는 것이다.
펌프 디퓨전 혼화장치가 해결할 수 있는 문제는?
최근 정수약품을 원수에 투입하고 가능한 빠르게 수중에 확산시킬 수 있는 장치로서 펌프 디퓨전 혼화장치(Pump Diffusion Flash Mixer)의 적용성이 증가하는 추세이다.1~3) 펌프 디퓨전의 경우 여러 면에서 기존의 기계식 혼화장치의 단점을 해결할 대안으로 자리매김하고 있는데 특히 기존 기계식 혼화공정이 필요로 하는 긴 체류시간, 소음, 과다한 에너지 소비 및 높은 유지관리비용 등의 문제를 해결할 수 있는 대안으로 제시되고 있다.4~6)
전산유체역학 기법이란?
전산유체역학 기법은 컴퓨터 하드웨어 기술의 비약적인 발전과 더불어 정수처리공정 뿐만 아니라 거의 모든 산업 분야에서 활용되고 있으며 날이 갈수록 그 중요성과 응용 범위가 확대되고 있는 매우 유용한 수치해석 기법이며12) 최근 들어 정수처리공정의 진단과 개선에도 매우 적극적으로 활용되고 있어 향후 정수공정 효율 증진에 크게 이바지 할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 정수공정에서 활용되고 있는 압력수 확산공정에 대해 혼합거리, 확산판의 크기, 위치 등을 전산유체역학적 기법을 활용하여 제시하고자 하였다.
정철우, 강민수, 최시환, 정수일, 손인식, 강임석, "응집공정에 적합한 In-Line 정적혼화기를 이용한 혼화공정의 개선," 상하수도학회지, 17(3), 451-459(2003).
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