[논문]용해공정의 캐노피 후드 성능 개선에 관한 수치 해석적 연구

정유진; 손병현; 이상만; 정종현

doi:10.5762/kais.2013.14.3.1519

용해공정의 캐노피 후드 성능 개선에 관한 수치 해석적 연구
A Numerical Study on Performance Improvement of Canopy Hood in Melting Process 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.3, 2013년, pp.1519 - 1526

정유진 (씨이테크(주) 연구개발센터) , 손병현 (한서대학교 환경공학과) , 이상만 (차의과학대학교 부속 구미차병원) , 정종현 (대구한의대학교 보건학부)

초록
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본 연구에서는 현장조사를 통해 주물 제조 사업장의 일부 용해공정에 적용되고 있는 캐노피 후드(canopy hood)의 흡인 성능을 검토하였다. 또한, CFD model을 이용하여 유해대기오염물질 포집 능력을 향상시킬 수 있는 방안들을 대한 유동장 및 압력장을 비교 및 평가하였다. Case-2(플랜지 부착+이중 후드)의 경우 포집 성능 측면에서는 개선이 가능하지만 후드 정압이 기존 구조보다 약 70% 이상 증가할 것으로 예측되어 현장 적용성이 좋지 않을 것으로 나타났다. 흡인효율을 개선하기 위해서는 case-3(플랜지 부착+이중 콘 부착)의 형상이 가장 적합할 것으로 판단된다. 이는 개구부 중앙에 이중 콘(cone)이 설치되어 후드 가장자리로 유량을 집중시킬 수 있으며, 또한 후드 중앙으로 상승되는 흄(hume)은 콘의 기울기에 의해 정압 상승의 요인 없이 제어할 수 있기 때문이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study reviewed the capturing performance of a canopy hood used in some melting processes of a casting manufacturing factory through a site survey. In addition, this study compared and evaluated the flow field and pressure field for the plans to enhance the hazardous air pollutants collection capacity by using CFD model. The case-2(flange attached + double hood) can be improved in terms of collection performance, but is expected to increase in hood static pressure by about 70% more than the existing structure, so it was shown that its site applicability is not good. It is judged that the shape of case-3(flange attached + double cone attached) is most suitable to improve the suction efficiency. This is because a double cone is installed at the center of the opening to concentrate the flow rate on the edge of the hood and control the hume rising to the center of the hood without a static pressure rise via the slope of the cone.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Case-3은 Case-1의 조건에서 후드 개구부에 배플(baffle)을 설치하였으며, 이러한 이유는 후드 가장자리의 제어유속을 증가시키기 위하여 설치하였다. 또한 배플에 의해 사영역(dead-zone)이 발생되지 않도록 배플을 이중 콘(dual cone) 형상으로 구성하여 기류가 원활하게 후드 내부로 유입되어 와류(vortex) 형성을 최소화시키고자 하였다. 또한, 배기량 경계 조건(boundary condition)은 기존 캐노피 후드와 동일한 송풍량 실측값을 적용하였다.
본 연구에서는 수치해석 기법을 활용하여 주물 제조 사업장의 용해공정에 일부 적용되고 있는 캐노피 후드의 흡인 성능을 검토하였으며, 유해대기오염물질 포집 능력을 향상시킬 수 있는 방법에 대해서 각 방안별 후드의 유동장 및 압력장을 비교 및 평가하였다. 이를 바탕으로 포집 효율이 우수한 후드 구조 개선안을 도출하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 이러한 수치해석 기법을 이용하여 주물 제조 사업장의 용해공정에 일부 적용되고 있는 캐노피 후드(canopy hood)의 흡인 성능을 검토하였고, 오염물질 포집 능력을 향상시킬 수 있는 다양한 방안에 대해서 각 방안별 후드의 유동장(velocity field), 압력장(pressure field)을 비교 및 평가하여 포집 효율(capture efficiency)이 우수한 후드의 구조 개선안을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는 수치해석 기법을 활용하여 주물 제조 사업장의 용해공정에 일부 적용되고 있는 캐노피 후드의 흡인 성능을 검토하였으며, 유해대기오염물질 포집 능력을 향상시킬 수 있는 방법에 대해서 각 방안별 후드의 유동장 및 압력장을 비교 및 평가하였다. 이를 바탕으로 포집 효율이 우수한 후드 구조 개선안을 도출하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

Fig. 5에서 나타낸 바와 같이 기존 캐노피 후드에서 고온의 흄 일부가 후드 가장자리(edge)로 범람(overload)하면서 비산되고 있는 것으로 확인되어 후드 가장자리의 제어유속을 증가시킬 수 있는 구조로 변경한 조건들에 대해 수치해석 결과를 비교하였다.
Fig. 6과 같이 기존 후드와 각 변경안의 후드 개구부 전면 중앙 구간부터 2.5 m 떨어진 구간까지의 제어유속을 50 point 샘플링하여 구간별 유속 프로파일(profile)을 비교하였으며, 그 결과를 Fig. 7에 나타내었다.
Table 4에서는 각 변경안의 제어유속 변화를 보다 명확하게 비교하였으며, 이를 위하여 후드를 1/4 형상으로 절개하여 거리별 유속 분포를 비교하였다. 분석결과 배기량 200 m³/min에 대하여 모든 변경안이 기존 후드와 비교하여 제어거리가 최소 10 cm에서 최대 30 cm 정도 증가되는 것으로 예측되었다.
연구대상 후드는 전기로 1대에 단독으로 송풍기가 설치되어 있어서 송풍량을 측정하여 후드 배기량(exhaust flow rate)을 평가하였다. [Fig. 2]와 같이 송풍기 후단 덕트 단면에서 피토관(pitot tube)과 경사 마노미터(manometer)를 이용하여 피토관 횡단법(pitot traverse)에 따라 총 10 point에서 동압(velocity pressure)을 측정하였으며, 덕트 내에서의 유동은 덕트 벽면과의 마찰 때문에 포물선(parabolic) 형태로 유동하므로 측정값이 과대평가 되지 않도록 등간격 측정이 아닌 덕트 직경을 기준으로 피토관 횡단법에 의해 측정하였다[1].
기존 캐노피 후드의 흡인 성능을 개선시키기 위해 3가지 형태로 후드 구조를 변경하였다. Table 1에 후드의 구조변경 조건 3가지를 나타내었다.
또한 배플에 의해 사영역(dead-zone)이 발생되지 않도록 배플을 이중 콘(dual cone) 형상으로 구성하여 기류가 원활하게 후드 내부로 유입되어 와류(vortex) 형성을 최소화시키고자 하였다. 또한, 배기량 경계 조건(boundary condition)은 기존 캐노피 후드와 동일한 송풍량 실측값을 적용하였다.
송풍기 성능의 정확한 평가를 위해 Fig. 3과 같이 송풍기의 전/후단에 설치되어 있는 캔버스(cnvas)에 정압구를 뚫어 압력계를 이용하여 송풍기 정압(satic pressure)을 측정하였다[1].
연구대상 후드는 전기로 1대에 단독으로 송풍기가 설치되어 있어서 송풍량을 측정하여 후드 배기량(exhaust flow rate)을 평가하였다. [Fig.
후드 형상 변경 후 동일한 배기량에 대해 후드 정압의 증감폭을 비교하기 위해 Fig. 8과 같이 후드 목(neck, 후드와 덕트의 접속 구간) 구간에서 정압을 샘플링하였다.

대상 데이터

본 연구 대상 사업장은 부산에 소재하고 있는 ○○주물 제조 사업장으로 주로 자동차 부품 관련 소형 주물품을 제조하고 있으며, 전기로를 이용하여 용해작업을 수행 하고 있었다. 또한 전기로에는 스윙(swing)식 캐노피 후드가 설치되어 있어 용해 작업시에는 후드를 전기로 상부에 위치시키고, 그 외 장입 및 출탕 작업시 크레인의 간섭을 피하기 위해 후드를 스윙시켜 사용하고 있었다.
본 연구대상의 후드는 용해 작업시에는 전기로 상부에 후드를 위치시켜 용해 과정에서 발생되는 흄을 제어하는 구조이다. Fig.

이론/모형

유한체적법은 적분 후에 이산화하기 때문에 항상 그 미소 영역내의 운동량 등의 출입을 고려하며, 보존 법칙을 확실하게 만족시키는 이산식을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그리고 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(Semi-Implicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였다[8]. 또한 수렴성을 효율적으로 하기 위해 하향 이완법(under relaxation)을 사용하였다.
그리고 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE(Semi-Implicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였다[8]. 또한 수렴성을 효율적으로 하기 위해 하향 이완법(under relaxation)을 사용하였다. 수치해석에 필요한 기본 방정식이 비선형이므로 반복에 의한 해의 수렴이 필요하다.
본 연구에서는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 사용하였으며, 이는 난류 방정식들의 이산화 방법으로 유한체적법(finite-volume method)을 사용하였다. 유한체적법은 적분 후에 이산화하기 때문에 항상 그 미소 영역내의 운동량 등의 출입을 고려하며, 보존 법칙을 확실하게 만족시키는 이산식을 얻을 수 있는 장점이 있다.

성능/효과

1. 연구대상 캐노피 후드는 흄의 비산을 방지하기 위해서는 배기량을 증가시켜야 하나, 현재송풍기 운전조건에서 초기설계 사양만큼 배기량을 회복시키는 것은 어려울 것으로 조사되어 흄의 비산 경로에 따라 후드 구조를 변경시켜 흡인 성능을 개선시키는 것이 바람직할 것으로 판단되었다.
2. 이에 후드 가장자리의 제어유속을 증가시킬 수 있는 구조로서 3가지 변경안을 마련하여 개선 효과를 검토한 결과, 모든 변경안이 최대 30cm까지 제어거리 증가가 가능하였으며, 이 중 Case-2와 Case-3의형상이 후드 가장자리의 제어유속이 높은 것으로 나타났다. 그러나 Case-2는 후드 정압이 기존 구조보다 약 70% 이상 증가함에 따라 현재의 시스템 운전조건에서는 현실적으로 불가능할 것으로 판단된다.
3. 따라서 연구대상 후드의 흡인효율 개선을 위해서는 Case-3의 형상이 가장 적합할 것으로 판단되며, 이 연구결과를 토대로 기존 후드 시스템의 포집 효율을 향상시키면 근로자들의 작업환경 개선에 도움이 될 것으로 판단된다.
Fig. 7에서 확인된 바와 같이 Case-1의 제어유속은 기존 후드와 비교하여 후드 개구면 중앙 구간에서 최대 10% 이상 증가되었고, 후드 가장자리 구간에서는 거의 유사한 분포를 나타내었으며, 유량이 후드 중앙으로 집중되고 있음을 알 수 있다. Case-2는 후드 중앙과 가장자리 구간에서 여타 형상에 비해 평균치 수준으로 확인되었으며, 유량이 다소 분배되고 있음을 알 수 있다.
Table 5에서 확인된 바와 같이 배기량 200 m3/min가 후드로 흡인될 때 Case-1과 Case-3의 후드 정압은 기존 후드에 비해 약 1∼4% 정도 증가되는 반면, Case-2는 약 70% 수준으로 정압이 크게 증가되는 것으로 예측되었다.
기존 후드와 변경된 Case-1은 유속이 후드 중앙 부위로 집중되는 반면, Case-2와 Case-3은 유속이 후드 가장 자리로 분산되어 집중되는 것으로 확인되었다.
/min가 후드로 흡인될 때 Case-1과 Case-3의 후드 정압은 기존 후드에 비해 약 1∼4% 정도 증가되는 반면, Case-2는 약 70% 수준으로 정압이 크게 증가되는 것으로 예측되었다. 따라서 Case-2는 후드 정압이 기존 구조보다 약 70% 이상 증가함에 따라 현재의 시스템 운전조건(송풍기 정압비 90%)에서는 현실적으로 적용 불가능할 것으로 판단된다. 또한, Case-2의 예측 결과로 확인된 바와 같이 실제 현장에서 열원 공정에 설치되어 있는 일반 캐노피 후드의 흡인 성능을 향상시키기 위해 다단 배플 장착형이나 이중 후드 형태로 개선하는 경우가 빈번하나, 이 때 반드시 후드 정압의 증감폭을 검토하여 후드 배기량에 영향을 미칠 수 있는지에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.
따라서 현재 캐노피 후드의 포집효율을 향상시키기 위해서는 흄의 비산 경로에 따라 후드 구조를 변경시키는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 또한, 캐노피 후드 가장자리로 흄의 일부가 범람되면서 비산되고 있는 것으로 확인됨에 따라 후드 중앙 구간보다는 가장자리의 제어유속을 증가시키는 방법이 흡인 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
Table 4에서는 각 변경안의 제어유속 변화를 보다 명확하게 비교하였으며, 이를 위하여 후드를 1/4 형상으로 절개하여 거리별 유속 분포를 비교하였다. 분석결과 배기량 200 m³/min에 대하여 모든 변경안이 기존 후드와 비교하여 제어거리가 최소 10 cm에서 최대 30 cm 정도 증가되는 것으로 예측되었다.
송풍기 유량(후드 배기량)은 정격 사양과 대비하여 약 67%의 유량비 효율을 나타내었으며, 초기 설계 사양보다 효율이 다소 저하된 것으로 평가되었다. 따라서 배기량 저하로 인해 후드의 포집 효율도 저하됨에 따라 흄의 일부가 후드 외부로 비산되고 있는 것으로 판단된다.
따라서 배기량 저하로 인해 후드의 포집 효율도 저하됨에 따라 흄의 일부가 후드 외부로 비산되고 있는 것으로 판단된다. 이 때송풍기 정압은 정격 사양 대비 약 90%의 효율을 나타내고 있으며, 시스템 내에 압력손실(pressure loss)이 과도하게 발생하거나, 설비의 관리 소홀 및 노후 정도에 따른 효율 저하 등의 문제점은 없는 것으로 확인되었다. 현재의 운전 조건에서는 기존 캐노피 후드의 배기량을 초기 설계 수준으로 회복시키는 것은 어려울 것으로 판단되었다.

후속연구

따라서 Case-2는 후드 정압이 기존 구조보다 약 70% 이상 증가함에 따라 현재의 시스템 운전조건(송풍기 정압비 90%)에서는 현실적으로 적용 불가능할 것으로 판단된다. 또한, Case-2의 예측 결과로 확인된 바와 같이 실제 현장에서 열원 공정에 설치되어 있는 일반 캐노피 후드의 흡인 성능을 향상시키기 위해 다단 배플 장착형이나 이중 후드 형태로 개선하는 경우가 빈번하나, 이 때 반드시 후드 정압의 증감폭을 검토하여 후드 배기량에 영향을 미칠 수 있는지에 대한 고려가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	후드의 기하학적 형상 변화에 따른 흡인 성능의 변화를 고찰하는 방법으로 수치해석 기법을 사용하면 어떠한 이점이 있는가	이러한 경우 기본적인 성능은 만족할 수 있으나, 후드의 기하학적 형상 변화에 대해서는 예상치 못한 오류 등으로 인하여 그 성능과 효율을 예측할 수 없다. 이에 후드의 기하학적 형상 변화에 따른 흡인 성능의 변화를 고찰할 수 있는 방법으로 수치해석 기법(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용하면 유체의 거동과 유동 특성을 미리 예측할 수 있어 시간과 비용면에서 실험적 고찰을 수행한 것 보다 훨씬 경제적인 이점을 가질 수 있다[3-7].
	국소배기 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가	산업공정에서 발생되는 유해대기오염물질(Hazardous Air Pollutants, HAPs)을 배기시키기 위해 다양한 형태의 국소배기 시스템이 설치 및 운영되고 되고 있다. 국소배기 시스템은 후드(hood), 덕트(duct), 공기정화장치(air cleaner), 송풍기(fan), 굴뚝(stack)으로 구성되며, 특히 후드는 작업 공정상에서 발생되는 오염물질이 근로자 및 작업공정 주변으로 확산되는 것을 방지하기 위해 영향권역 내의 오염물질을 발생원에서 직접 포집하기 위한 국소배기 시스템의 입구라고 할 수 있다. 후드는 비교적 적은 유량으로 효율적인 유해대기오염물질을 포집하는 것이 제일 중요하며, 송풍기 용량과도 밀접한 관련이 있고, 동력비 절감을 위해 필요 배기량을 최대한 저감하여 설치하여야 한다.
	국소배기 시스템 중 후드의 특징은 무엇인가	국소배기 시스템은 후드(hood), 덕트(duct), 공기정화장치(air cleaner), 송풍기(fan), 굴뚝(stack)으로 구성되며, 특히 후드는 작업 공정상에서 발생되는 오염물질이 근로자 및 작업공정 주변으로 확산되는 것을 방지하기 위해 영향권역 내의 오염물질을 발생원에서 직접 포집하기 위한 국소배기 시스템의 입구라고 할 수 있다. 후드는 비교적 적은 유량으로 효율적인 유해대기오염물질을 포집하는 것이 제일 중요하며, 송풍기 용량과도 밀접한 관련이 있고, 동력비 절감을 위해 필요 배기량을 최대한 저감하여 설치하여야 한다. 또한 후드 설계시에는 공정의 물류 이동, 제품 제원 및 작업 특성이 고려되어야 하며, 공기역학적 유입특성 등도 반드시 고려되어야 한다[1].

참고문헌 (9)

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L. Kjadlman, Numerical flow simulation of dust deflagrations., Power Technology, pp.163-169, 1992 DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0032-5910(92)80005-H

상세보기
Witt, P.J., Solnorda, C.G., Mittoni, L.J., Finn, S. and Pluta, J., Optimising the design of fume extraction hoods using a combination od engineering and CFD modeling, Applied Mathematical Modeling, Vol.30, pp3 1167-1179., 2006

상세보기
Hood, T.J.A., Thorpe, G.R., The effects of anisotropic resisteance to air flow on the design od aeration systems for bulk stored grains, Agricultural Engineering Austrailia 21, pp.18-23., 1992
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
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.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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