본 연구에서는 전산유체역학(CFD)를 이용하여 흄후드(fume hood)의 기류 유입특성 및 유속 분포를 평가하였다. 또한, 후드개구면을 균일류 형성에 필요한 구조로 개선하였을 경우의 유동 특성을 예측하여 개선 효과를 검증하였다. 기존의 흄후드의 제어유속을 평가한 결과, 제곱평균(RMS)값과 비교했을 때 최대 23~30%의 편차가 있음을 확인하였다. 또한, 후드의 상부 유속이 하부 유속보다 58~68% 정도 빠른 것으로 나타나 후드 개구면에서의 유속 불균형이 매우 심한 것으로 평가되었다. 이에 후드 개구면에서의 균일한 배기흐름을 유지하기 위해 후드를 개선(안쪽벽에 배플 설치 및 슬롯 타입의 개구부 설계)한 결과, RMS값 대비 최대 7%의 편차를 보였으며 구간별 유속 편차는 최대 12% 정도로 예측되어 기존 구조에 비해 제어유속의 불균형이 많이 해소되는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 전산유체역학(CFD)를 이용하여 흄후드(fume hood)의 기류 유입특성 및 유속 분포를 평가하였다. 또한, 후드 개구면을 균일류 형성에 필요한 구조로 개선하였을 경우의 유동 특성을 예측하여 개선 효과를 검증하였다. 기존의 흄후드의 제어유속을 평가한 결과, 제곱평균(RMS)값과 비교했을 때 최대 23~30%의 편차가 있음을 확인하였다. 또한, 후드의 상부 유속이 하부 유속보다 58~68% 정도 빠른 것으로 나타나 후드 개구면에서의 유속 불균형이 매우 심한 것으로 평가되었다. 이에 후드 개구면에서의 균일한 배기흐름을 유지하기 위해 후드를 개선(안쪽벽에 배플 설치 및 슬롯 타입의 개구부 설계)한 결과, RMS값 대비 최대 7%의 편차를 보였으며 구간별 유속 편차는 최대 12% 정도로 예측되어 기존 구조에 비해 제어유속의 불균형이 많이 해소되는 것을 확인할 수 있었다.
This study used Computational Fluid Dynamics(CFD) to assess the properties of the air current inflow and the flow velocity distribution in the fume hood. In order to verify the effect of improvement, it was also predicted the characteristics of the flow pattern in case the hood face is structurally ...
This study used Computational Fluid Dynamics(CFD) to assess the properties of the air current inflow and the flow velocity distribution in the fume hood. In order to verify the effect of improvement, it was also predicted the characteristics of the flow pattern in case the hood face is structurally improved. The assessment of the capture velocity with the existing fume hood confirmed maximum 23 to 30% difference as compared to the root mean square (RMS). And the hood face showed great difference in flow velocity, with the flow velocity in the upper part is 58 to 68% faster than that in the lower part of the hood. So, as a result of the improvement of the hood designed to maintain a steady exhaust at the hood face (that is, installing a baffle on the inner wall and designing the slot type face), a difference of maximum 7% as compared to RMS appeared while maximum 12% differentiation in flow velocity through sections was predicted, showing mitigation of much of the difference in control velocity as compared to the previous structure.
This study used Computational Fluid Dynamics(CFD) to assess the properties of the air current inflow and the flow velocity distribution in the fume hood. In order to verify the effect of improvement, it was also predicted the characteristics of the flow pattern in case the hood face is structurally improved. The assessment of the capture velocity with the existing fume hood confirmed maximum 23 to 30% difference as compared to the root mean square (RMS). And the hood face showed great difference in flow velocity, with the flow velocity in the upper part is 58 to 68% faster than that in the lower part of the hood. So, as a result of the improvement of the hood designed to maintain a steady exhaust at the hood face (that is, installing a baffle on the inner wall and designing the slot type face), a difference of maximum 7% as compared to RMS appeared while maximum 12% differentiation in flow velocity through sections was predicted, showing mitigation of much of the difference in control velocity as compared to the previous structure.
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문제 정의
전체환기는 작업장의 온열 환경이나 공기질을 개선하여 쾌적한 작업환경을 구현하는 것이 목적이고 국소배기는 유해물질로부터 작업자의 건강 장해를 방지하는데 원천적인 제어 수단으로서 그 목적이 있다. 따라서 국소 배기는 유해물질 발생원에 최대한 근접시켜 유해물질이 확산되기 전에 포집하여 제거함을 목적으로 한다[1].
본 연구에서는 유해물질을 취급하고 있는 실험실용 흄후드에 대해 현장 실측을 통해 문제점을 도출하고, 수치 해석기법을 이용하여 기류 유입 특성 및 유속 분포를 예측하고 실측치와 비교하여 수치해석기법의 성능을 검증하였다. 또한 검증된 성능을 바탕으로 후드 개구면에서의 균일류(uniform flow) 형성에 필요한 구조로 개선하였을 경우의 유동 특성을 예측하여 개선 효과를 검증하고자 한다.
산업환기(industrial ventilation)는 산업 현장의 각종 생산 공정에서 발생되는 유기용제, 특정 화학물질, 중금속, 분진 등에 작업자가 노출되지 않도록 하기 위한 공학적인 제어 수단이라 할 수 있으며, 전체환기(generalventilation)와 국소배기(local exhaust) 분야로 구분할 수있다. 전체환기는 작업장의 온열 환경이나 공기질을 개선하여 쾌적한 작업환경을 구현하는 것이 목적이고 국소배기는 유해물질로부터 작업자의 건강 장해를 방지하는데 원천적인 제어 수단으로서 그 목적이 있다. 따라서 국소 배기는 유해물질 발생원에 최대한 근접시켜 유해물질이 확산되기 전에 포집하여 제거함을 목적으로 한다[1].
제안 방법
또한, 부스식 후드이므로 개구면 유속과 제어유속(capture velocity)이 동일한 개념이라 볼 수 있으나 기존 구조의 측정치와 예측치 및 개선 구조의 예측치를 좀 더 용이하게 비교하기 위해 Fig. 3과 같이 후드 개구면의 중앙을 기준으로 길이 방향으로 총 25 point(개구면 최상부 P1 ~ 개구면 최하부 P25)에서 제어유속을 측정하여 각각 비교하였다.
본 연구에서는 실험실용 흄후드에 대해 실측을 통해 문제점을 도출하고, 수치해석 기법을 이용하여 기류 유입 특성 및 유속 분포를 예측하였다. 후드 개구면에서의 균일류(uniform flow) 형성에 필요한 구조로 개선하였을 경우의 유동 특성을 예측하여 개선 효과를 검증하였다.
본 연구에서는 유해물질을 취급하고 있는 실험실용 흄후드에 대해 현장 실측을 통해 문제점을 도출하고, 수치 해석기법을 이용하여 기류 유입 특성 및 유속 분포를 예측하고 실측치와 비교하여 수치해석기법의 성능을 검증하였다. 또한 검증된 성능을 바탕으로 후드 개구면에서의 균일류(uniform flow) 형성에 필요한 구조로 개선하였을 경우의 유동 특성을 예측하여 개선 효과를 검증하고자 한다.
흄후드의 배기량(Exhaust flow rate)은 배기덕트에서 유속을 측정하고 식(1)과 같이 평가하였다. 유속은 열선풍속계(hot wire anemometer, TSI Co., model 9565P)로 피토관 횡단법(pitot traverse)에 의거하여 덕트 단면에서 총 10 point를 측정하여 평균하였다[1].
그러므로 개구면 전체에 걸쳐 균일한 배기 흐름을 형성시켜 유해물질 발생원의 위치에 제약받지 않도록 구조 개선이 필요하다. 측정치와 예측치가 매우 잘 일치함에 따라 수치해석기법을 이용하여 구조 개선에 대한 유속의 불균형 해소 효과를 예측하였다.
후드 개구면에서 균일한 배기흐름을 얻기 위해 Fig. 5와 같이 후드 안쪽 뒷벽에 배플을 설치하여 압력 충만용 플레넘(plenum) 역할을 할 수 있도록 하고, 슬롯 타입의 개구부를 만들어 상부 외에도 전방에서 배기가 가능토록 하였다. 슬롯 타입의 개구부는 2개(2-slot type, case-1)와 3개(3-slot type, case-2)로 구성하였다.
본 연구에서는 실험실용 흄후드에 대해 실측을 통해 문제점을 도출하고, 수치해석 기법을 이용하여 기류 유입 특성 및 유속 분포를 예측하였다. 후드 개구면에서의 균일류(uniform flow) 형성에 필요한 구조로 개선하였을 경우의 유동 특성을 예측하여 개선 효과를 검증하였다. 그결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
흄후드의 개구면 유속(face velocity)은 Fig. 2와 같이 도어를 모두 개방한 상태에서 후드 개구면(hood face)을 등간격으로 총 40개로 등분하여 각 분할 면적의 중앙 지점에서 유속을 측정한 후 평균하였다[1]. 도어를 완전히 개방하여 측정한 이유는 산업안전보건법의 국소배기 검사 기준에 도어를 모두 개방한 상태에서 검사토록 규정하고 있기 때문이다.
대상 데이터
4는 흄후드의 수치해석을 위해 실제 후드와 동일한 형상으로 3차원 모형을 구현한 것이며 격자 형상(grid configuration)도 함께 나타내었다. 본 연구에 사용된 총격자수는 413,587개이다. 경계 조건으로는 Fig.
이론/모형
유한체적법은 적분 후에 이산화하기 때문에 항상 그 미소 영역내의 운동량 등의 출입을 고려하게 되어 보존 법칙을 확실하게 만족시키는 이산식을 얻을 수있는 장점이 있다. 그리고 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE (Semi Impicit Method Pressure Linked Equations) 알고리즘을 사용하였다[10].
본 연구에서는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 사용하 였고, 이는 난류 방정식들의 이산화 방법으로 유한체적법을 사용한다. 유한체적법은 적분 후에 이산화하기 때문에 항상 그 미소 영역내의 운동량 등의 출입을 고려하게 되어 보존 법칙을 확실하게 만족시키는 이산식을 얻을 수있는 장점이 있다.
성능/효과
(b) 모두 RMS는 최대 7%의 편차를 보였고 구간별 유속 편차는 최대 12% 차이가 나는 것으로 예측되어 기존 구조에 비해 제어유속의 불균형이 상당히 해소되었음을 확인할 수있다.
1. 기존 구조의 흄후드 제어유속을 측정한 결과, 개구면 상부 유속이 하부 유속보다 최대 68%까지 차이가 남에 따라 후드 개구면에서의 유속 불균형이 매우 심한 것으로 평가되었다.
9(b)에 나타내었다. 2-slot 및 3-slot형 배플 부착 흄후드 유속 분포는 모두 0.37~0.42 m/s 수준으로 예측되어 구조에 비해 제어유속의 불균형이 상당히 해소되었음을 확인할 수 있다.
2. 기존 구조의 흄후드 제어유속을 예측한 결과, 구간별 유속 편차는 최대 58%까지 차이가 나는 것으로 예측됨에 따라 측정 결과와 유사한 패턴을 보였다.
3. 후드 개구면에서의 균일한 배기흐름을 얻기 위해 후드 안쪽 뒷벽에 배플을 설치하고 슬롯 타입의 개구부를 추가한 결과, RMS는 최대 7%의 편차를 그리고 구간별 유속 편차는 최대 12% 차이가 나는 것으로 예측됨에 따라 제어유속의 불균형이 상당히 해소되었음을 알 수 있다. 또한, 2-slot형과 3-slot형의 영향은 유사하게 예측됨에 따라 슬롯 개수가 균일류에 미치는 영향은 그다지 크지 않음을 짐작할수 있었다.
Fig. 8과 Fig. 10에서 비교해 볼 수 있듯이, 흄후드의 구조를 개선하였을 경우 후드 입구에서의 제어유속이 많이 개선되는 것을 확인할 수 있다. 이에 기존 구조 대비 개선 구조의 효과를 비교하여 Table 1에 나타내었다.
Fig. 8에서 볼 수 있듯이, 기존 흄후드에 대한 제어유속의 측정치와 예측치를 각각 비교한 결과 대부분 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 단, 개구면 상부 및 일부 구간 에서 다소 차이가 발생한 것은 측정장비의 정확도 한계 등에 기인한 결과라 판단된다.
이에 기존 구조 대비 개선 구조의 효과를 비교하여 Table 1에 나타내었다. 기존 구조의 유속 편차는 RMS 기준 약 23% 수준으로 예측 되었고, 구조 개선 시 RMS 기준 약 7% 수준으로 예측됨에 따라 기존 형상에 비해 제어유속의 불균형이 크게 해소되는 것으로 평가되었다. 또한, case-1(2-slot)과 case-2 (3-slot)의 유속 분포는 거의 유사한 것으로 예측되어 slot 의 수가 균일류에 미치는 영향은 그다지 크지 않음을 짐작할 수 있다.
후드 개구면에서의 균일한 배기흐름을 얻기 위해 후드 안쪽 뒷벽에 배플을 설치하고 슬롯 타입의 개구부를 추가한 결과, RMS는 최대 7%의 편차를 그리고 구간별 유속 편차는 최대 12% 차이가 나는 것으로 예측됨에 따라 제어유속의 불균형이 상당히 해소되었음을 알 수 있다. 또한, 2-slot형과 3-slot형의 영향은 유사하게 예측됨에 따라 슬롯 개수가 균일류에 미치는 영향은 그다지 크지 않음을 짐작할수 있었다.
8(b)는 흄후드 개구면의 중앙을 기준으로 길이 방향으로 제어유속을 예측한 결과를 나타내었다. 예측 결과의 RMS는 최대 23%의 편차를 보였고, 구간별 유속 편차는 최대 58%까지 차이가 나는 것으로 예측되었다.
8(a)에 흄후드 개구면의 중앙을 기준으로 길이 방향으로 제어유속을 측정한 결과를 나타내었다. 제곱 평균(RMS, Root Mean Square)을 기준으로 평가한 결과, 평균 유속 대비 최대 30% 수준으로 편차가 매우 큰 것으로 나타났으며, 상부 유속이 하부 유속보다 최대 68%까지 차이가 나는 것으로 평가되었다. Fig.
0314 m2 (직경 φ200 mm)로 흄후드의 배기량은 총 24 m3 /min으로 평가되었다. 흄후드 개구면을 40등분하여 측정한 유속 분포 결과를 Fig. 6에서볼 수 있듯이, 유속 분포는 0.31~0.52 m/s 수준으로 평균 0.4 m/s로 측정되었다. Fig.
흄후드의 배기덕트에서 측정한 평균 유속은 약 12.7 m/s였고, 측정 단면적은 약 0.0314 m2 (직경 φ200 mm)로 흄후드의 배기량은 총 24 m3 /min으로 평가되었다.
후속연구
4. 본 연구 결과를 통해 균일한 개구면 유속을 유지시킬 수 있는 방법을 검증 및 제시함으로서 작업자의 호흡영역 보호는 물론, 작업환경 개선에 도움이 될수 있을 것이라 기대한다. 그러나 도어를 닫아 개구 면적을 줄인 상태에 대한 와류 현상, 작업자의 손및 신체 움직임에 따른 오염물질의 거동 현상에 대해서도 추가적인 연구가 필요하다.
본 연구 결과를 통해 균일한 개구면 유속을 유지시킬 수 있는 방법을 검증 및 제시함으로서 작업자의 호흡영역 보호는 물론, 작업환경 개선에 도움이 될수 있을 것이라 기대한다. 그러나 도어를 닫아 개구 면적을 줄인 상태에 대한 와류 현상, 작업자의 손및 신체 움직임에 따른 오염물질의 거동 현상에 대해서도 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산업환기는 어떻게 구분하는가?
산업환기(industrial ventilation)는 산업 현장의 각종 생산 공정에서 발생되는 유기용제, 특정 화학물질, 중금속, 분진 등에 작업자가 노출되지 않도록 하기 위한 공학적인 제어 수단이라 할 수 있으며, 전체환기(generalventilation)와 국소배기(local exhaust) 분야로 구분할 수있다. 전체환기는 작업장의 온열 환경이나 공기질을 개선 하여 쾌적한 작업환경을 구현하는 것이 목적이고 국소배기는 유해물질로부터 작업자의 건강 장해를 방지하는데 원천적인 제어 수단으로서 그 목적이 있다.
최적의 흄후드 형상 설계를 위해 어떤 방법을 쓰는것이 좋은가?
이러한 기류 특성을 고려한 최적의 후드 형상 설계에 대한 실험적 고찰은 다수 있으나, 실험은 다양한 의존 변수를 다루는데 있어서 시간 및 비용적인 측면에서의 어려움과 측정장비의 정확성 등의 문제로 연구 활용도와 범위가 매우 정적이라 할 수 있다. 이에 유동 분포를 예측할 수 있는 수치해석기법(CFD : Computational Fluid Dynamics)은 이러한 실험적 한계성을 해결하여 기류 특성을 이해하는데 매우 경제적이고도 효과적인 방법을 제공할 수 있다[3-9].
산업환기는 무엇인가?
산업환기(industrial ventilation)는 산업 현장의 각종 생산 공정에서 발생되는 유기용제, 특정 화학물질, 중금속, 분진 등에 작업자가 노출되지 않도록 하기 위한 공학적인 제어 수단이라 할 수 있으며, 전체환기(generalventilation)와 국소배기(local exhaust) 분야로 구분할 수있다. 전체환기는 작업장의 온열 환경이나 공기질을 개선 하여 쾌적한 작업환경을 구현하는 것이 목적이고 국소배기는 유해물질로부터 작업자의 건강 장해를 방지하는데 원천적인 제어 수단으로서 그 목적이 있다.
참고문헌 (11)
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Riffat, S. B et al., CFD Prediction of k-factors of Duct Elbows, International Journal of Energy Research, 21:675-681, 1997. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/(SICI)1099-114X(19970610) 21:7 3.0.CO;2-Z
Varley, J. O., The Effect of Turbulent Structures on Hood Design - A Review of CFD and Flow Visualization Studies, HVAC & R RESEARCH, vol. 3., 1997.
Patankar, S. V., Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Hemisphere Publishing Corp, 1980
J.M. Berkoe, D.M.M.Lane, and B.M.Rosendall, Computerized fluid Dynamic(CFD) modeling, an important new engineering tool for design of smelting furnaces, 4th International Conference COPPER 99-COBRE 99, vol. 4, pp.53-66, 1999.
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