[논문]여과집진기의 탈진 성능 향상을 위한 충격 기류 분사 시스템 최적화 설계에 관한 연구

홍성길; 정유진; 박기우; 정문헌; 임기혁; 서혜민; 손병현

doi:10.5762/kais.2012.13.8.3792

초록
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본 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 산업체에 널리 적용되고 있는 충격기류형 탈진시스템의 탈진 특성을 규명하고, 그 성능을 향상시키기 위해 탈진부 유니트(unit) 형상을 개조한 경우의 탈진 성능을 비교하였다. 탈진부 각 형상별로 탈진 공기량과 기류 분포, 유입속도 분포 등을 검토한 결과, 블로우 튜브에 노즐을 설치한 경우(Case 3)와 벤츄리에 이중 유입관을 설치한 경우(Case4, 5)가 현재 현장에서 널리 적용되고 있는 구조(Case 1)에 비해 탈진 공기량의 증폭 효과 및 기류 폭의 확장 현상이 우수한 것으로 예측되었다. 선정된 Case-5를 상용 백필터의 사양(직경 150 mm)에 적용하기 위해 벤츄리 제원을 결정한 결과, 내측 유입관의 직경 50 mm, 외측 유입관의 직경 90 mm의 제원을 적용하면 탈진 공기량을 최대로 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The dedusting characteristics of pulse air jet type dedusting system which is widely applied in the industries were identified by utilizing the computational fluid dynamics (CFD) and the dedusting performance in modified shape of dedusting unit was compared in this study. The review on the dedusting...

The dedusting characteristics of pulse air jet type dedusting system which is widely applied in the industries were identified by utilizing the computational fluid dynamics (CFD) and the dedusting performance in modified shape of dedusting unit was compared in this study. The review on the dedusting air volume, air stream distribution and inflow velocity distribution on each shape of dedusting part showed that the case of installing the nozzle on the blow tube (Case-3) and the case of installing the double intaking tube to the venturi (Case-4 and Case-5) were more excellent than the structure (Case-1) which is widely applied in the field in its amplification effect on the air volume and extension of stream width. The specification of venturi was decided to apply the selected Case-5 for the option of the commercial back filter. It is considered that the dedusting air volume will be maintained in maximum in the case of 50 mm and 90 mm for the diameter of internal and external intaking pipe respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 전산유체역학(CFD : computational fluid dynamics)을 이용하여 충격기류식 탈진 방식의 탈진 특성을 규명하고 또한 탈진부 유니트(unit)의 형상을 개조한 경우의 탈진 성능을 비교하였다. 본 연구를 통해 탈진부 각 형상별로 탈진 공기량과 기류 분포, 여과포 유입속도 분포 등을 검토하여 탈진 성능을 공학적으로 규명하고자 하며, 이를 이용하여 탈진 성능을 극대화시킬 수 있는 탈진 기류 분사 시스템의 최적화 설계에 관한 기초 자료로 활용하고자 한다.

가설 설정

필터백은 porous jump model을 이용하여 다공성 물질로 가정하고 국부 유속에 대한 단위 면적당 압력강하로 계산하였다[6].

제안 방법

본 연구는 탈진 기류 분사 시스템의 최적화 설계에 관한 기초 연구의 일환으로 전산유체역학을 이용하여 일반 블로우 튜브와 단순 벤츄리 조합의 충격기류방식의 탈진장치에 대한 탈진 성능과 블로우 튜브 및 벤츄리 입구에 기류 유도용 구조물을 설치한 경우의 탈진 성능을 비교한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
블로우 튜브와 벤츄리간의 거리는 100 mm, 백필터는 1500 mm H × 125 mm L 규격을 사용하였으며, 블로우 튜브의 분사압은 3 kg/cm2으로 고정하여 동일한 탈진 조건에 대해 각각의 case에 대한 탈진 공기량, 필터백 표면의 탈진 기류 분포를 비교하였다.
이에 본 연구에서는 전산유체역학(CFD : computational fluid dynamics)을 이용하여 충격기류식 탈진 방식의 탈진 특성을 규명하고 또한 탈진부 유니트(unit)의 형상을 개조한 경우의 탈진 성능을 비교하였다. 본 연구를 통해 탈진부 각 형상별로 탈진 공기량과 기류 분포, 여과포 유입속도 분포 등을 검토하여 탈진 성능을 공학적으로 규명하고자 하며, 이를 이용하여 탈진 성능을 극대화시킬 수 있는 탈진 기류 분사 시스템의 최적화 설계에 관한 기초 자료로 활용하고자 한다.
표 1과 같이 총 5개 Case에 대하여 탈진 성능을 비교하였다.

대상 데이터

Case-1에 비해 탈진 공기량의 증폭 효과 및 기류 폭의 확장 형상이 우수한 Case-3, Case-4, 및 Case-5 중에서 현장 적용의 용이성을 고려한 결과, Case-3의 경우에는 제품 가공 및 시공방법(기존 탈진부에 고정하는 방법)이 어려워 최종적으로 Case-5를 선정하였다. Case-5는 기존 상용 벤츄리를 2단 벤츄리로 변형가공이 가능하고 대량 양산이 가능하며 또한 블로우 튜브와 벤츄리 높이 조절이 용이하기 때문이다.
각 Case별로 여과포로 유입되는 탈진 기류의 유입속도를 예측하여 비교한 결과, Case-4와 Case-5의 경우가 유속의 균일분포 측면에서는 가장 우수한 결과를 보였다. 본 연구를 통해서 현장에서 널리 적용되고 있는 탈진부 구조(Case 1)에 비해 탈진 공기량의 증폭 효과 및 기류 폭의 확장 및 현장 적용의 용이성 등을 고려하여 Case-5를 최적의 형상으로 선정하였다. 선정된 Case-5에 대하여 가장 일반적으로 사용되고 있는 상용 백필터의 사양(직경 150 mm)에 적용하기 위한 벤츄리는 내측 유입관의 직경 50 mm, 외측 유입관의 직경 90 mm의 제원을 적용하면 탈진 공기량을 최대로 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

이론/모형

이는 대류항에 대해 인공적인 확산 즉, 수치확산(numerical diffusion)을 도입한 것으로서 안정된 해를 구할 수 있다. 그리고 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(SemiImpicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였다[4]. 또한 수렴성을 좋게 하기 위해 하향 이완법 (under relaxation)을 사용하였다.
그리고 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(SemiImpicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였다[4]. 또한 수렴성을 좋게 하기 위해 하향 이완법 (under relaxation)을 사용하였다. 수치해석에 필요한 기본 방정식이 비선형이므로 반복에 의한 해의 수렴이 필요하다.
본 연구에서는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 사용하였고, 이는 난류 방정식들의 이산화 방법으로 유한체적법(finite-volume method)을 사용한다. 모든 수치 해석은 상류 차분 도식(upwind differencing scheme)을 이용하여 수행하였다. 이는 대류항에 대해 인공적인 확산 즉, 수치확산(numerical diffusion)을 도입한 것으로서 안정된 해를 구할 수 있다.
본 연구에서는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 사용하였고, 이는 난류 방정식들의 이산화 방법으로 유한체적법(finite-volume method)을 사용한다. 모든 수치 해석은 상류 차분 도식(upwind differencing scheme)을 이용하여 수행하였다.

성능/효과

1. 각 Case별로 벤츄리 내부로 유입되는 탈진 공기량을 예측한 결과, Case-3, Case-4 및 Case-5와 같이 노즐 부착 및 벤츄리 형상 개조시 Case-1 보다 벤츄리로 유입되는 탈진 공기량이 약 14.9-39.2% 증폭되는 것으로 예측되었다. Case-2는 오히려 탈진 공기량이 저감되었으며, 이는 블로우 튜브에 설치된 노즐 형상이 탈진 기류의 직진성을 방해하기 때문으로 판단된다.
2. 각 Case별로 벤츄리 내부로 유입되는 탈진 기류 분포를 예측하여 비교한 결과, Case-3의 노즐 형상은 압축공기 초기 분사 순간부터 탈진 기류를 집중시키는데 매우 효과적인 것으로 예측되었다. 또한 집중된 탈진용 충격 기류가 여과포 내부로 진행되는데 크게 방해를 받지 않는 형상인 것으로 판단된다.
3. 각 Case별로 탈진 기류의 유속 분포를 예측한 결과, Case-1과 Case-2는 모두 균일한 탈진 기류 전달은 어려울 것으로 예측되었다. Case-3은 탈진 기류의 도달폭이 좀 더 확장되는 것으로 나타났다.
4. 각 Case별로 여과포로 유입되는 탈진 기류의 유입속도를 예측하여 비교한 결과, Case-4와 Case-5의 경우가 유속의 균일분포 측면에서는 가장 우수한 결과를 보였다. 본 연구를 통해서 현장에서 널리 적용되고 있는 탈진부 구조(Case 1)에 비해 탈진 공기량의 증폭 효과 및 기류 폭의 확장 및 현장 적용의 용이성 등을 고려하여 Case-5를 최적의 형상으로 선정하였다.
또한 집중된 탈진용 충격 기류가 여과포 내부로 진행되는데 크게 방해를 받지 않는 형상인 것으로 판단된다. Case-4와 Case-5는 벤츄리로 유입되는 2차 충격파가 원만하게 유입됨에 따라 2차 충격파의 집중도가 매우 향상되고 있음을 확인할 수 있었다.
각 Case별로 벤츄리 내부로 유입되는 탈진 공기량을 예측한 결과, 그림 1과 같이 Case-2의 벤츄리 형상을 개조할 경우 Case-1보다 백필터 내부로 유입되는 탈진 공기량이 약 6.7% 감소되는 것으로 예측되었다. 그러나 Case-3, Case-4 및 Case-5의 경우에는 큰 폭으로 백필터 내부로 유입되는 탈진 공기량이 각각 39.
그림 3은 탈진 모사 실험 결과 유입량이 타 형상에 비해 우수하고 현장 적용성이 뛰어날 것으로 예측된 Case-5에 대해 가장 일반적으로 사용되고 있는 상용 백필터의 사양(직경 150 mm)에 적용하기 위한 벤츄리 제원을 결정하기 위하여 전산모사를 수행한 결과이다. 모사 결과 내측 유입관의 직경 50 mm, 외측 유입관의 직경 90 mm 일 때 범용 백필터 사이즈에 대해서는 Case-5(2)의 벤츄리 제원을 적용하면 탈진 공기량을 최대로 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	여과집진기의 장점은?	이를 방지하기 위한 장치로는 전기집진기와 여과집진기가 산업분야에서 많이 적용되고 있다. 여과집진기는 초기투자비용이 적고 운전이 편리하며 또한 집진효율이 높아 매년 증가하는 추세를 나타내고 있다. 그러나 국내에서는 아직까지 여과집진기의 설계 및 운전에서 가장 중요한 인자인 여과속도와 유입 분진농도와의 관계는 어느 정도 연구가 이루어져 있지만 집진 후 여과포에 부착된 먼지의 탈진과 관련된 분사시스템에 관한 연구는 부족한 실정이다.
	여과집진기의 성능과 여과포의 수명을 좌우하는 가장 중요한 인자는?	그러나 국내에서는 아직까지 여과집진기의 설계 및 운전에서 가장 중요한 인자인 여과속도와 유입 분진농도와의 관계는 어느 정도 연구가 이루어져 있지만 집진 후 여과포에 부착된 먼지의 탈진과 관련된 분사시스템에 관한 연구는 부족한 실정이다. 여과포의 탈진 특성은 여과집진기의 성능과 여과포의 수명을 좌우하는 가장 중요한 인자이다.
	여과집진기의 탈진 방법을 구분하여 비교하시오.	여과집진기의 탈진은 진동식, 역기류식, 충격기류식(pulse air jet) 등으로 구분된다. 진동 및 역기류 탈진 방식은 집진과 탈진을 별도로 수행하기 때문에 별도의 집진실을 필요로 한다. 그러나 충격기류식 탈진은 탈진효율이 우수할 뿐만 아니라 집진과 탈진을 동시에 수행할 수 있어 산업체에서 널리 사용되고 있다. 충격기류식 탈진은 여과포 중심부에 설치된 압축공기 노즐을 통해 고압의 압축공기를 분사하고 이 때 형성된 기류와 충격파에 의해 여과포 표면에 부착된 분진을 탈리시키는 방식이다. 그러므로 설계 시 탈진에 투입되는 에너지의 양과 세기 및 분포를 결정할 수 있는 다양한 변수들을 고려해야 한다.

참고문헌 (6)

Jung-Min Seo, Develpoment of pulse air jet bag filter cleaning assistant equipment, pp.1-10, 2004.
Won-Hee Lee, Characteristics of electrostatic cyclone/bag Filter with upper inlet, Pukyong National University, master thesis, 2000
Byung-Hyun Park, Effect of jet nozzle on the reverse pulse jet cleaning in bag-filter system, Kyung Hee University, master thesis, 2004.
Hyun-Guk Myung, Computational Fluid Dynamics for Engineering, Han Mi publishing company, pp. 124-138, 1997.
Patankar SV, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corp., 1980.
Byung-Rok Shin, Computational Fluid Dynamics, Dae Young publishing company, pp. 264-277, 1997.

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