본 논문에서는 선박평형수 처리시스템의 핵심부품인 중압 자외선 램프와 자기식 안정기의 설계 및 제작에 대하여 기술하였다. 자외선 램프의 최적 방전조건을 확보하기 위하여 봉입되는 아르곤 가스와 수은량 변화에 따른 전기 광학적 특성변화를 분석하였다. 시제작 램프의 전압은 490 [V], 전류는 8.6 [A], 전력은 4.0 [kW]이며, 자외선 세기는 현재 사용되고 동등한 제품과 비교해 15 [%] 이상 향상되었다. 자기식 안정기는 이론적 해석과 시뮬레이션을 통해 UI 코어를 사용한 단상 내철형으로 설계하였으며, 무부하 전압은 920 [V]이고 정격출력은 8.5 [kVA]이다. 시제작 자외선 램프 및 안정기를 적용한 350 [$m^3/h$]급 선박평형수 처리시스템에서 해수에 포함된 플랑크톤 사멸률을 평가한 결과 99.99 [%] 이상으로 IMO에서 정한 규정을 만족하였다.
본 논문에서는 선박평형수 처리시스템의 핵심부품인 중압 자외선 램프와 자기식 안정기의 설계 및 제작에 대하여 기술하였다. 자외선 램프의 최적 방전조건을 확보하기 위하여 봉입되는 아르곤 가스와 수은량 변화에 따른 전기 광학적 특성변화를 분석하였다. 시제작 램프의 전압은 490 [V], 전류는 8.6 [A], 전력은 4.0 [kW]이며, 자외선 세기는 현재 사용되고 동등한 제품과 비교해 15 [%] 이상 향상되었다. 자기식 안정기는 이론적 해석과 시뮬레이션을 통해 UI 코어를 사용한 단상 내철형으로 설계하였으며, 무부하 전압은 920 [V]이고 정격출력은 8.5 [kVA]이다. 시제작 자외선 램프 및 안정기를 적용한 350 [$m^3/h$]급 선박평형수 처리시스템에서 해수에 포함된 플랑크톤 사멸률을 평가한 결과 99.99 [%] 이상으로 IMO에서 정한 규정을 만족하였다.
In this paper, we dealt with the design and fabrication of a medium pressure ultra-violet (UV) lamp and a magnetic ballast which are main components for ballast water treatment systems (BWTS). To acquire an optimal discharge condition of UV lamp, electrical and optical characteristics depending on t...
In this paper, we dealt with the design and fabrication of a medium pressure ultra-violet (UV) lamp and a magnetic ballast which are main components for ballast water treatment systems (BWTS). To acquire an optimal discharge condition of UV lamp, electrical and optical characteristics depending on the argon gas volume and the amount of mercury were experimentally analyzed. Rated voltage, current and power consumption of a prototype lamp were 490 [V], 8.6 [A] and 4.0 [kW], respectively. UV intensity of the lamp was 15 [%] higher than that of an equivalent lamp which is used in a BWTS. The magnetic ballast was designed in a UI core type through theoretical analysis and simulation. The open voltage and the rated power consumption of the ballast were 920 [V] and 8.5 [kVA] respectively. The disinfection efficacy which is carried out in a BWTS equipped with the UV lamp and magnetic ballast was over 99.99 [%], and this satisfy the IMO regulations.
In this paper, we dealt with the design and fabrication of a medium pressure ultra-violet (UV) lamp and a magnetic ballast which are main components for ballast water treatment systems (BWTS). To acquire an optimal discharge condition of UV lamp, electrical and optical characteristics depending on the argon gas volume and the amount of mercury were experimentally analyzed. Rated voltage, current and power consumption of a prototype lamp were 490 [V], 8.6 [A] and 4.0 [kW], respectively. UV intensity of the lamp was 15 [%] higher than that of an equivalent lamp which is used in a BWTS. The magnetic ballast was designed in a UI core type through theoretical analysis and simulation. The open voltage and the rated power consumption of the ballast were 920 [V] and 8.5 [kVA] respectively. The disinfection efficacy which is carried out in a BWTS equipped with the UV lamp and magnetic ballast was over 99.99 [%], and this satisfy the IMO regulations.
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문제 정의
본 논문에서는 IMO의 선박평형수 배출과 관련한 처리 기준에 대응할 수 있는 자외선 방식 선박평형수 처리시스템의 핵심 부품으로 중압 자외선 램프 및 안정기를 개발하였다. 350 [m3/h]급 선박평형수 처리시스템에 적용하고, IMO 규정에 따라 살균능력을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 자외선 방식 선박평형수 처리시스템의 핵심부품으로 전량 수입에 의존하고 있는 중압 자외선 램프와 안정기 개발에 대하여 연구하였다. 이론적·실험적 분석으로부터 자외선 램프와 안정기를 시제작하고, 램프의 관전압-관전류, 광스펙트럼, 왜형률 및 역률 등 전기 · 광학적 특성을 분석하고 이를 적용한 350 [m3/h]급 실규모 선박평형수 처리시스템에서 살균능력을 평가하였다.
제안 방법
본 논문에서는 IMO의 선박평형수 배출과 관련한 처리 기준에 대응할 수 있는 자외선 방식 선박평형수 처리시스템의 핵심 부품으로 중압 자외선 램프 및 안정기를 개발하였다. 350 [m3/h]급 선박평형수 처리시스템에 적용하고, IMO 규정에 따라 살균능력을 평가한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 중압 자외선 램프와 자기식 안정기를 제작하였으며, 특성 평가를 위해 Figure 4와 같이 실험 장치를 구성하였다.
봉입되는 아르곤 가스의 양을 결정하기 위하여 A(α-5 [Torr]), B(α[Torr]), C(α+5 [Torr])의 세 가지 조건으로 자외선 램프를 제작하였다.
모든 시료의 분석은 IMO 규정에 따라 시료 채취 후 6시간 내에 수행하였다[5]. 선박평형수 처리시스템의 살균효율 실험은 전처리 전과 UV 램프 조사 후 시료를 채취/분석하여 살아있는 생물을 계수하여 총 5회에 걸쳐 살균효율을 평가하였으며, 결과는 Figure 11과 같다.
설계 이론을 바탕으로 Figure 8과 같이 CWA형 안정기를 제작하였으며, Table 3에 세부사양을 나타내었다.
설비가동 후 시험수가 줄어드는 시점의 처음(20[%]), 중간(50 [%]), 끝(80 [%])으로 나누어 샘플을 채취하였으며, 당일 처리되어 5일 동안 저장되는 시험수는 공기에 노출되고 빛은 차단된 상태로 보관하였다.
아르곤 가스를 동일하게 봉입한 상태에서 수은량을 달리하여 a(β-1 [mg]), b(β [mg]), c(β+1[mg])로 자외선 램프를 제작하였다.
이론적·실험적 분석으로부터 자외선 램프와 안정기를 시제작하고, 램프의 관전압-관전류, 광스펙트럼, 왜형률 및 역률 등 전기 · 광학적 특성을 분석하고 이를 적용한 350 [m3/h]급 실규모 선박평형수 처리시스템에서 살균능력을 평가하였다.
자외선 램프 4.0 [kW] 두 개를 직렬로 구동할 수 있도록 8.5 [kVA]급 자동정전력형 안정기(Constant Wattage Autotransformer, CWA)를 설계하였다. CWA는 압력전압의 변동에도 관전류의 부(-)특성을 이용하여 관전력을 일정하게 유지시켜 안정적인 특성을 가질 뿐만 아니라, 출력 가변이 용이하다는 장점이 있어, 현재 육상의 수처리 장치에 가장 보편화되어 사용되고 있다.
자외선 램프에 봉입되는 수은의 양을 결정하기 위하여 주입량에 따른 전기·광학적 특성을 분석하였다.
전력 분석기와 스펙트로미터를 사용하여 시제작 램프 및 안정기의 전기· 광학적 특성을 분석하였다.
해수처리 유량을 350 [m3/h]로 유지하면서 전처리 장치인 50 [㎛] 필터와 자외선 반응기를 거쳐 처리수 탱크에 5일 동안 보관하고, 전처리장치와 자외선 반응기를 거치지 않은 시험수는 대조군 탱크로 이송시켜 5일 동안 저장하였다. 유입수와 처리수의 샘플링 지점은 전처리장치를 거치기 전과자외선 반응기를 거친 후이고, 채수량은 Table 4의 유입수 및 처리수 기준에 맞추어 샘플링하였다.
대상 데이터
/h]급 선박평형수처리시스템에서 IMO 규정에 따라 실험하였다. 50 [㎛] 이상 생물로서 알테미아 종(Artemia sp.)과 로티퍼 종(Rotifer sp.), 10~50 [㎛]사이의 테트라셀미즈 종(Tetraselmis sp.)을 살균 대상으로 하였다.
대용량 해수의 살균처리를 위하여 고출력 중압 자외선 램프를 설계 대상으로 선정하였으며, 350[m3/h]의 해수처리를 목표로 4.0 [kW]급 램프를 제작하였다.
안정기의 철심은 G-6 재질, 두께는 0.3 [mm]의 규소 강판을 사용하였으며, 코일은 폴리아미드이미드(AIW)계 피복절연을 채용하여 내열 온도를 C종(220 [℃])으로 하였다.
이론/모형
실험 당일 시료는 샘플당 최소 3회 이상 분석하여 결과값을 도출하였고, 5일 경과 후에는 농축한 시료를 모두 전수 검사하여 개체수의 오차를 줄였다. 모든 시료의 분석은 IMO 규정에 따라 시료 채취 후 6시간 내에 수행하였다[5]. 선박평형수 처리시스템의 살균효율 실험은 전처리 전과 UV 램프 조사 후 시료를 채취/분석하여 살아있는 생물을 계수하여 총 5회에 걸쳐 살균효율을 평가하였으며, 결과는 Figure 11과 같다.
시제작 자외선 램프와 안정기를 적용한 선박평형수 처리시스템의 살균능력을 평가하기 위하여 Figure 11과 같이 실험계를 구성하고, 350 [m3/h]급 선박평형수처리시스템에서 IMO 규정에 따라 실험하였다. 50 [㎛] 이상 생물로서 알테미아 종(Artemia sp.
자외선 램프는 페닝 효과(Penning Effect)에 의한 방전개시전압(Vi)을 낮추기 위해 수은(Hg)에 소량의 아르곤(Ar) 가스를 봉입하였고, 방전개시전압이 관내 압력(P )과 전극간 거리(d )에 비례(Vi ≃ P × d )한다는 파센의 법칙(Paschen’s Law)에 따라 봉입 가스의 압력을 조정하여 램프의 길이와 압력을 결정하였다[12].
성능/효과
0 [kW]이다. 관전압 및 전류의 왜형률은 각각 36.9 [%], 24.5 [%] 이하로, 안정기의 역률은 0.9 이상이며, 기존 제품과 비교해 유효 살균파장(UV-C)을 15 [%] 이상 향상시켰다.
Figure 9와 Figure 10에 시제작 안정기와 램프의 입력전압 및 전류, 관전압 및 관전류 파형을 나타내었다. 관전압은 419.9 [V], 관전류는 8.6 [A]이며, 방전 고유 특성으로 파형이 크게 일그러져 왜형률은 관전압 36.9 [%], 관전류 24.5 [%]로 나타났으며 기존 상용 램프와 비교하여 5~7 [%] 개선된 수준이다.
5[kVA]이다. 기존 제품과 비교해 왜형률을 개선함으로써 관전력을 약 10 [%] 증가시켰다.
수은량이 많아지면 관전압은 증가하고 관전류는 감소하지만 전체적으로 관전력이 상승하는 결과를 보였다. 또한 수은의 고유 파장으로 살균에 유효한 255 [nm]의 발생량은 수은량에 따라 크게 변화하였다.
시제작 자외선 램프 및 안정기를 적용한 선박평형수 처리시스템으로 해수에 포함된 플랑크톤 살균 성능을 평가한 결과, 살균 처리 5 일 후의 생존 생물은 거의 존재하지 않았으며, 99.99 [%] 이상의 생물 살균효율을 나타내었다. 최종적으로 본 논문에서 개발한 자외선 램프와 안정기를 350 [m3/h]급 선박평형수 처리시스템에 적용한 결과, IMO 규정에 부합하는 살균능력이 있는 것으로 평가되었다.
샘플링한 시험수 중 50 [㎛] 이상의 생물은 대각선 32 [㎛]인 그물망으로 여과하여 시료를 농축시켰으며, 10~50 [㎛] 미만의 생물은 대각선 5 [㎛]로 여과하여 시료를 농축시켰다. 실험 당일 시료는 샘플당 최소 3회 이상 분석하여 결과값을 도출하였고, 5일 경과 후에는 농축한 시료를 모두 전수 검사하여 개체수의 오차를 줄였다. 모든 시료의 분석은 IMO 규정에 따라 시료 채취 후 6시간 내에 수행하였다[5].
아르곤 가스의 주입량은 페닝 효과에 의한 방전 개시전압에, 수은량은 자외선 방사량과 관전압 및 관전류에 영향을 주었다.
99 [%] 이상의 생물 살균효율을 나타내었다. 최종적으로 본 논문에서 개발한 자외선 램프와 안정기를 350 [m3/h]급 선박평형수 처리시스템에 적용한 결과, IMO 규정에 부합하는 살균능력이 있는 것으로 평가되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폐쇄형 자외선 반응기는 무엇으로 구성되는가?
폐쇄형 자외선 반응기는 중압 자외선 램프, 석영관, 자외선 강도 측정장치, 세척장치 등으로 구성된다[8]. 중압 자외선 램프는 반응기내에서 석영관 중앙에 방사상 모양으로 설치되고, 반응기를 통과하는 해수와 직접적인 접촉이 일어나지 않도록 해야 하며, 석영관과 살균장치 사이에 가스패킹을 이용하여 완벽한 방수처리가 되도록 하여야 한다.
선박평형수에 의해 운반되는 해양생물의 예로는 무엇이 있는가?
이 과정에서 배출되는 생물은 박테리아, 병원균, 소형 무척추동물과 다양한 종류의 난과 포자, 유생 등이 있으며, 저서생물의 경우는 유생 상태로 유입되어 새로운 환경에 정착하게 된다. 전 세계적으로 선박평형수에 의해 운반되는 해양생물은 하루에 최소 3,000 종이 넘을 것으로 추정된다[4].
선박평형수 처리시스템은 무엇을 처리하기 위한 것인가?
선박평형수 처리시스템은 해수에 포함된 세균, 플랑크톤과 같은 미생물들을 처리하기 위한 것이다. 처리시스템에 사용되는 자외선 반응기는 일반적으로 폐쇄형과 개방형으로 분류되는데, 선박에서는 Figure 2와 같은 폐쇄형 자외선 반응기를 사용하고 있다.
참고문헌 (14)
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