[논문]덕트 내 오염물질 퇴적 방지를 위한 벽면유동 제어에 관한 해석적 연구

이방욱; 이지근

doi:10.6110/kjacr.2013.25.5.261

덕트 내 오염물질 퇴적 방지를 위한 벽면유동 제어에 관한 해석적 연구
Numerical Investigation on Wall Flow Control for Preventing Contaminants Deposition inside a Duct 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.25 no.5, 2013년, pp.261 - 268

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Technologies for preventing contaminants deposition are a key issue in a modern duct system. When particulate matters deposit inside the exhaust pipes, which are widely used in the Urea-SCR system to reduce $NO_x$ emission from heavy duty diesel engines, many problems arise associated with increased flow resistance and corrosion. Therefore, the development of the urea deposition avoidance technologies is being treated as an important issue of the Urea-SCR system. An analytical study was carried out to investigate the effects of the wall flow around the mixer with the variation of the mixer housing surrounding and supporting the mixer, which is designed to increase the wall flow and then to reduce droplet deposition. The housing angles and the position of the mixer were changed：angles of $0^{\circ}$, $1^{\circ}$, $2^{\circ}$, and $3^{\circ}$, and mixer positions of 0 L, 0.5 L, and 1 L. The axial velocity distributions, maximum velocity, the half-width, and momentum distribution of the wall flow were investigated to examine the effect of the mixer-housing assembly geometry.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하우징 경사각(tilt angle) 변화가 벽면유동의 운동량 증가에 끼치는 영향을 조사하였으며, 하우징 내 설치되는 믹서위치 변화가 벽면유동 및 후류 유동장에 끼치는 영향을 조사하였다. 또한 조사된 범위 내에서 최적의 믹서-하우징 형상을 제시하고자 하였으며 궁극적으로 덕트 내 오염물질 퇴적 방지를 위한 새로운 방안을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 요소수 분무액적의 벽면 충돌 최소화를 통한 우레아염 생성 방지를 위해 믹서-하우징 조합체의 2차원 모델을 이용하여 해석적 연구를 수행하였다. 하우징 경사각(tilt angle) 변화가 벽면유동의 운동량 증가에 끼치는 영향을 조사하였으며, 하우징 내 설치되는 믹서위치 변화가 벽면유동 및 후류 유동장에 끼치는 영향을 조사하였다.
본 연구에서는 하우징을 통과한 요소수 분무 입자의 충돌가능성이 높은 x/L = 1～2 영역에서 벽면유동(wall flow)의 운동량 증가 여부를 중점적으로 조사하였다.
여기에 나타낸 축방향 속도분포를 이용하여 벽면 근처에 형성된 유동의 축방향 최대속도, 분류반폭 및 운동량을 계산하였으며 얻어진 결과를 이용하여 벽면유동의 운동량을 증가시킬 수 있는 믹서-하우징 조합을 찾고자 하였다.

제안 방법

각 모델에 대한 격자는 하우징과 배기관 벽면 근처의 영향을 조사하기 위해 조밀하게 형성된 경계층 영역을 추가하였으며 경계층 격자의 적절성을 고려하여 50∼60만개 사이로 구성되었다.
대형 디젤기관 배기가스 후처리에 사용되는 UreaSCR 시스템의 믹서-하우징을 2차원으로 단순화한 모델을 이용하여 믹서의 위치 및 하우징 경사각 변화에 따른 벽면유동장을 해석적으로 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
각 모델에 대한 격자는 하우징과 배기관 벽면 근처의 영향을 조사하기 위해 조밀하게 형성된 경계층 영역을 추가하였으며 경계층 격자의 적절성을 고려하여 50∼60만개 사이로 구성되었다. 또한 반복계산의 적절성을 확인 하기위해 50D 지점에서 유동의 변화를 확인하였으며 유동이 변화하지 않을 때 완전하게 발달한 지점으로 보고 해석을 수행하였다.
믹서-하우징은 배기관 내에 대칭구조를 갖고 설치되므로 2차원적으로 단순화하였다. 믹서의 길이는 배기관 직경과 같은 1D이며 믹서를 모사하기 위해 동일한 차단비를 갖는 격자를 설치하여 믹서 모사체(dummy mixer)로 활용하였다.
)으로 정의하였다. 배기관에서 믹서 하우징이 시작되는 지점을 원점으로 설정하였으며 축방향 거리는 믹서의 길이(L)를 그리고 y 방향은 배기관 반경(R)을 이용하여 무차원화 되었다.
벽면유동 증가를 위해 하우징 경사각을 0º, 1º, 2º, 3º로 변화시켰다.
벽면유동의 운동량은 벽면으로부터 분류반폭 지점까지의 값으로 정의 하였다.벽면유동의 형성은 하우징 입구(x/L = 0)로 유입된 공기의 가속에 의한 것으로 하우징 각도 변화에 따라 하우징 후단의 높이(b^_o)가 변화하므로 상호 비교를 위해 분류반폭 내의 운동량을 사용하였다.
0을 x/b 로 환산하면 17정도 위치로써 비교적 실험식과 유사한 분포를 나타내고 있다. 본 연구에서는 벽면분류의 거동을 뚜렷하게 나타내는 분류반폭(b) 내의 운동량을 계산하여 하우징 각도변화 및 믹서 위치에 따른 벽면 유동의 운동량 증감 효과를 조사하였다.
0일 때 축방향 속도의 등속도 분포를 나타낸 것이다. 축방향 속도는 입구속도(U_inlet), 축방향 거리는 믹서 길이(L) 그리고 반경방향 거리는 배기관 반경(R)으로 무차원화 하였다.
본 연구에서는 요소수 분무액적의 벽면 충돌 최소화를 통한 우레아염 생성 방지를 위해 믹서-하우징 조합체의 2차원 모델을 이용하여 해석적 연구를 수행하였다. 하우징 경사각(tilt angle) 변화가 벽면유동의 운동량 증가에 끼치는 영향을 조사하였으며, 하우징 내 설치되는 믹서위치 변화가 벽면유동 및 후류 유동장에 끼치는 영향을 조사하였다. 또한 조사된 범위 내에서 최적의 믹서-하우징 형상을 제시하고자 하였으며 궁극적으로 덕트 내 오염물질 퇴적 방지를 위한 새로운 방안을 제시하고자 하였다.

대상 데이터

(15) 배기관 입구 유입속도와 입구 크기를 기준으로 한 레이놀드 수는 최소 5×104 이상이므로 난류모델을 사용하였다.
2는 믹서-하우징 조합체의 형상변화에 따른 벽면유동 특성을 조사하기 위해 믹서-하우징을 2차원으로 단순화 하여 나타낸 것이다. 배기관 직경(D)은 100 mm, 반경(R) 50 mm, 하우징 길이(L) 100 mm, 하우징 두께(t)는 1 mm, 하우징 반경(r)은 38 mm이다. 따라서 배기관 반경과 하우징 반경비(r/R)는 0.

이론/모형

믹서-하우징 조립체의 하우징 각도 및 믹서 위치변화에 따른 벽면유동특성을 해석하기 위하여 전산해석 상용프로그램 중 하나인 Fluent V6.3을 이용하였다. 믹서-하우징 후류 및 벽면에 형성되는 속도분포를 조사하기 위한 지배방정식은 기상인 공기의 연속상에 대한 오일러리언 연속방정식 및 운동량보존 식으로 이루어져 있으며 상세한 내용은 사용자 지침서를 참조하였다.
3을 이용하였다. 믹서-하우징 후류 및 벽면에 형성되는 속도분포를 조사하기 위한 지배방정식은 기상인 공기의 연속상에 대한 오일러리언 연속방정식 및 운동량보존 식으로 이루어져 있으며 상세한 내용은 사용자 지침서를 참조하였다.⁽¹⁵⁾배기관 입구 유입속도와 입구 크기를 기준으로 한 레이놀드 수는 최소 5×10⁴ 이상이므로 난류모델을 사용하였다.
와점성계수 계산을 위한 난류모델은 표준 k-ε 모델을 사용하였다.

성능/효과

(1) 믹서-하우징 조합체에서 하우징 각도가 증가함에 따라 벽면 분유의 최대속도는 증가하는 반면 분유의 반폭은 감소하는 경향을 보였다.
(2) 믹서의 위치가 하우징 선단에서 후단으로 변화할 경우 축방향 최대속도는 감소하는 반면 분류의 반폭은 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있었다.
(3) 하우징 경사각 증가에 따른 최대속도 증가와 믹서 위치 변화에 따른 분류반폭 변화 효과를 동시에 적용할 경우 벽면유동의 운동량을 증가시킬 수 있으며, 조사된 범위에서 하우징 경사각 20 그리고 믹서위치 x/L = 1.0일 때 벽면유동의 운동량 증가효과가 뚜렷한 최적의 조합임을 확인하였다.
믹서가 하우징 입구에 위치한 (a) x/L = 0의 결과를 살펴보면 하우징 경사각이 증가함에 따라 y/R = 0～0.24 및 x/L = 0의 하우징 입구와 벽면 사이의 비교적 작은 속도가 경사진 하우징 부분을 통과하면서 가속되어 하우징 출구 영역인 x/L = 1～2 근처에서 비교적 높은 속도분포를 나타내고 있다. 이것은 하우징 경사각 변화를 통해 하우징 출구(x/L = 1.
조사된 범위에서 믹서가 하우징 후단(x/L = 1)에 설치될 때 가장 높은 운동량 분포를 보여 주고 있다. Fig. 12와 Fig. 13의 결과로부터 조사된 하우징 경사각 및 믹서위치 범위에서 하우징 경사각이20 그리고 믹서위치 x/L = 1.0일 때 가장 높은 운동량 분포를 갖는 최적 조합임을 알 수 있다.
Fig. 7 및 Fig. 8의 축방향 최대속도 분포와 Fig. 9 및 Fig. 10의 분류반폭 결과로부터 하우징 각도가 증가하면 분류의 최대속도는 증가하는 반면 분류반폭은 감소하고, 믹서의 위치가 하우징 후단으로 갈수록 최대속도는 감소하고 분류반폭은 증가함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 축방향 최대속도의 증가와 분류반폭의 증가 효과를 동시에 적용하면 벽면유동의 운동량을 증가시킬 수 있는 조합을 얻을 수 있음을 유추할 수 있다.
이러한 결과로부터 믹서-하우징 조합체의 형상변화는 덕트 내 오염물질 퇴적방지를 위한 벽면유동 제어 설계 변수로 활용될 수 있는 가능성을 확인 할 수 있었다.
10의 분류반폭 결과로부터 하우징 각도가 증가하면 분류의 최대속도는 증가하는 반면 분류반폭은 감소하고, 믹서의 위치가 하우징 후단으로 갈수록 최대속도는 감소하고 분류반폭은 증가함을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 축방향 최대속도의 증가와 분류반폭의 증가 효과를 동시에 적용하면 벽면유동의 운동량을 증가시킬 수 있는 조합을 얻을 수 있음을 유추할 수 있다.

후속연구

1에 나타낸 것과 같이 하우징과 배기관 벽면사이에 요소수 분무가 도달하지 않는 유동 통로가 형성되어 배기관 벽면에 벽면유동(wall flow)을 형성하게 된다. 만약 벽면유동을 증가시킬 수 있는 방안이 고려된다면 요소수 분무의 벽면 부착을 억제하여 배기관 내 우레아염의 퇴적방지 가능성을 높이게 될 것이다.
분류반폭은 하우징 경사각이 증가함에 따라 감소하고 있으며 경사각 3^º에서 가장 작은 분류반폭을 나타내고 있다. 하우징 경사각 증가에 따른 분류반폭의 감소경향은 Fig. 7의 하우징 경사각 증가에 따라 축방향 최대속도가 증가하는 것과 상반된 것으로 최대속도와 분류반폭의 변화 경향이 벽면유동의 운동량 변화에 끼치는 영향에 대한 추가적인 조사가 필요함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산업설비에 사용되는 덕트 내부에 퇴적되는 각종 입자상물질은 어떠한 문제를 일으키는가?	산업설비에 사용되는 덕트 내부에 퇴적되는 각종 입자상물질(particulate matter)은 유동저항을 증가시키고 부식 등과 같은 많은 문제를 일으킨다. 또한 대형 건물의 환기시스템, 항공기 및 차량의 공조시스템 등과 같은 공기조화 덕트 내부에 퇴적되는 오염물질은 건강을 위협하는 존재로 인식되고 있어 오염물질 퇴적 방지와 관련된 많은 연구가 수행되고 있다.
	Urea-SCR 시스템은 무엇을 분사장치를 통해 배기관 내에 정밀하게 분사하는가?	오염물질 퇴적이 문제가 되는 덕트 시스템 중 하나는 대형 디젤기관 배기가스 후처리 용 Urea-SCR(UreaSelective Catalytic Reduction) 시스템에 사용되는 배기관이다. Urea-SCR 시스템은 요소수(urea-water solution)를 분사장치를 통해 배기관 내에 정밀하게 분사한다. 이렇게 분사된 요소수는 배기가스 열에 의해 열분해 되어 암모니아(NH3)로 변환되며 생성된 암모니아는 후단에 장착된 SCR 촉매에서 질소산화물(NOx)과 반응하여 인체에 무해한 물과 질소로 분해하는 원리를 갖고 있다.
	Urea-SCR 시스템에 사용되는 믹서-하우징 조합체(mixer-housing assembly)의 한계는 무엇인가?	1은 Urea-SCR 시스템에 사용되는 믹서-하우징 조합체(mixer-housing assembly)를 나타낸 것이다. 요소수 분사장치가 배기가스 유동방향에 경사각을 갖고 설치되므로 요소수 분무와 배기가스의 원활한 혼합을 기대 하기가 어렵다. 따라서 분사장치 후단에 믹서를 설치 하여 배기가스와 분무의 혼합을 유도하여 공간 균일도를 향상시킨다.

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저자의 다른 논문 :

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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