본 연구에서는 산(acid) 세척 개방조의 양 측면에 설치한 슬롯형 외부식 후드의 성능을 평가하였고, 산(acid) 증기의 포집능력을 향상시킬 수 있는 방안을 검토하였다. 현장조사와 전산유체역학 수행한 결과, 기존 후드의 흡인 성능이 매우 불량한 것으로 확인되었으며, 후드의 흡인 성능을 개선시켜야 할 것으로 판단되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 개방조 한쪽에서 밀어주고 반대편에서 당겨주는 방식의 Push-pull 후드로 개선할 것을 제시하였다. 개선 방안에 대한 효과를 예측한 결과, Push-pull 후드로 개선할 경우에는 push 기류에 의해 조 표면에 비교적 높은 제어 기류를 형성시키면서 산 가스를 후드 쪽으로 유인시킬 수 있는 것으로 예측되었다. 그러나 push 기류 유속이 너무 강할 경우에는 후드 쪽에서 오히려 범람하여 주변으로 확산될 가능성이 있는 것으로 확인되었다. 따라서 push 급기를 약 25 $m^3/min$(급기유속 10 m/s) 수준으로 설치할 경우 조 표면으로 적절한 제어 기류가 형성되는 것으로 확인되었다. 또한, 조 상부에 정체하던 산 가스가 후드 쪽으로 원활하게 유인 및 포집되어 흡인 성능이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 산(acid) 세척 개방조의 양 측면에 설치한 슬롯형 외부식 후드의 성능을 평가하였고, 산(acid) 증기의 포집능력을 향상시킬 수 있는 방안을 검토하였다. 현장조사와 전산유체역학 수행한 결과, 기존 후드의 흡인 성능이 매우 불량한 것으로 확인되었으며, 후드의 흡인 성능을 개선시켜야 할 것으로 판단되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 개방조 한쪽에서 밀어주고 반대편에서 당겨주는 방식의 Push-pull 후드로 개선할 것을 제시하였다. 개선 방안에 대한 효과를 예측한 결과, Push-pull 후드로 개선할 경우에는 push 기류에 의해 조 표면에 비교적 높은 제어 기류를 형성시키면서 산 가스를 후드 쪽으로 유인시킬 수 있는 것으로 예측되었다. 그러나 push 기류 유속이 너무 강할 경우에는 후드 쪽에서 오히려 범람하여 주변으로 확산될 가능성이 있는 것으로 확인되었다. 따라서 push 급기를 약 25 $m^3/min$(급기유속 10 m/s) 수준으로 설치할 경우 조 표면으로 적절한 제어 기류가 형성되는 것으로 확인되었다. 또한, 조 상부에 정체하던 산 가스가 후드 쪽으로 원활하게 유인 및 포집되어 흡인 성능이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다.
In this study, we investigated the methods of improving the capturing ability of acid fume by assessing the performance of slot-type external hood installed on both sides of an open surface tank for acid washing process. A field survey and the results of computational fluid dynamics revealed that ca...
In this study, we investigated the methods of improving the capturing ability of acid fume by assessing the performance of slot-type external hood installed on both sides of an open surface tank for acid washing process. A field survey and the results of computational fluid dynamics revealed that capturing performance of existing hoods is very poor. To solve such problem, 'push-pull hood' that pushes from one side of an open surface tank and pulls on the other side was suggested. The initial prediction was that if a push-pull hood is used, the acid fume of an acid-washing tank surface could be moved towards the hood through the push flow. However, this study has confirmed that if the push flow velocity becomes too high, it could spread to other areas due to flooding from the hood. Therefore, if the push air supply is maintained at around 25 $m^3/min$(push 10 m/s), proper control flow is formed on the surface of a tank and acid fume that stayed at the upper part of the tank is smoothly captured toward the hood, significantly enhancing the capturing performance.
In this study, we investigated the methods of improving the capturing ability of acid fume by assessing the performance of slot-type external hood installed on both sides of an open surface tank for acid washing process. A field survey and the results of computational fluid dynamics revealed that capturing performance of existing hoods is very poor. To solve such problem, 'push-pull hood' that pushes from one side of an open surface tank and pulls on the other side was suggested. The initial prediction was that if a push-pull hood is used, the acid fume of an acid-washing tank surface could be moved towards the hood through the push flow. However, this study has confirmed that if the push flow velocity becomes too high, it could spread to other areas due to flooding from the hood. Therefore, if the push air supply is maintained at around 25 $m^3/min$(push 10 m/s), proper control flow is formed on the surface of a tank and acid fume that stayed at the upper part of the tank is smoothly captured toward the hood, significantly enhancing the capturing performance.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 연구에서는 인체에 많은 악영향을 미치는 유해한 산성 증기를 제어하기 위해 세척조 양 측면에 설치한 슬롯(Slot)형 외부식 후드의 성능을 평가하였으며, 산 증기 포집능력을 향상시킬 수 있는 방안을 검토하였다. 이를 검토하기 위해 수치해석기법(CFD, Computational Fluid Dynamics)을 이용하였다.
본 연구에서는 도금공정에 영향을 미칠 수 있는 피도금물 표면의 스케일이나 녹 등의 제거를 위해서 염산이나 황산을 이용한 세척 작업을 수행하는 산세 개방조(open surface tank) 공정에 대하여 현장조사와 수치해석기법을 이용한 연구를 수행하였으며, 인체에 유해한 산증기를 제어하기 위해 조의 양쪽 측면에 설치한 슬롯(slot)형 외부식 후드의 성능을 평가하였고, 산 증기의 포집능력을 향상시킬 수 있는 방안을 검토하였다. 이상의 연구로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
수치해석기법은 본 연구 대상 공정의 유동 특성을 분석하여 실제 실험의 한계성이 안고 있는 문제를 해결하여 기류 특성을 이해하는데 매우 경제적이고도 효과적인 방법을 제공할 수 있다[4,6-8,11]. 수치해석기법을 이용하여 후드의 현재 성능과 성능향상 방안에 대한 효과를 검토하여 작업환경을 개선함은 물론 이와 유사한 산업 현장에서도 실제 적용 가능한 최적화된 후드 시스템을 제안하고자 한다.
Case 2∼4는 개선 후드 상황으로 기존 배기량을 그대로 이용하고 Push용 급기 제원을 신설 및 조정한 조건이다. 이에 Pull 배기 후드는 기존 양쪽 흡인형을 후드 1개로 통합하여 배기량은 기존 후드의 2배가 되며, Push 유량 및 급기 유속 조건은 각 case별로 수치해석을 통해 오염물질의 포집 및 확산 정도를 확인하면서 최적의 조건을 찾고자 하였다. Case 5는 ACGIH 설계 권고치로 산정한 Push와 Pull의 유량 제원의 효과를 예측하기 위한 조건이다.
제안 방법
기존 후드의 흡인 성능을 평가하기 위해 제어유속과 배기량을 측정하였다. Fig. 3과 같이 열선풍속계(TSI 9545)를 이용하여 개방조 표면으로부터 약 20 cm 높이의 중앙을 기준으로 총 20 point에서 제어유속을 측정하였고, 연기발생기를 이용한 흡인 성능을 가시적으로 확인하였다.
기존 후드의 흡인 성능을 평가하기 위해 제어유속과 배기량을 측정하였다. Fig.
Push jet용 급기 덕트는 제트 기류가 조의 표면을 따라 흐를 수 있도록 분사 각도를 분사구 축 아래 방향으로 20° 하향시켰다. 또한 Pull 배기 후드에 설치된 배플을 좀 더 연장시켜 배기력을 집중시키고자 하였으며, 세부적인 공정구성은 Fig. 2와 같다.
또한 기존 배기량을 그대로 이용하면서 급기량을 증가시킨 Case 2∼4의 결과와도 비교 검증하였다.
산 증기의 발생현황과 주변으로의 확산 정도를 평가하고 수치해석기법의 경계 조건으로 활용하고자 염화수소농도를 대기오염공정시험법(싸이오시안산 제이수은법)에 따라 분석하였다. 산 증기의 발생 농도를 측정하기 위해 배기 장치의 가동을 중단한 상태에서 개방조 표면에서 농도를 측정하였으며, 주변으로의 확산 여부를 확인하기 위해 배기 장치를 가동한 상태에서 후드 배기구 위치 중앙을 기준으로 총 20 point에서 농도를 측정하였다[Fig. 3](a).
수치해석기법을 통해 기존 후드의 포집 성능을 규명하기 위한 경계 조건(Boundary condition)을 확보하기 위해 후드 성능 및 농도 평가를 수행하였다.
이 때 개선 후드는 ACGIH에서 제시하는 위 설계 권고치를 기준으로 산정한 Push와 Pull의 유량을 적용하는 것과 기존의 배기량을 변동없이 최대한 이용하면서 Push노즐만 설치하여 급기 조건을 조정하여 최적의 유량 밸런스를 찾고자 한다. 후자의 경우, 배기량은 Fig.
본 연구 대상의 개방조와 같이 조의 폭이 비교적 넓은 경우에는 측방형 후드로 조 전체 구간에 충분한 제어유속을 유지시키기 위해서는 과대한 후드 유량이 필요하게 되므로 후드의 실용성이 떨어진다[3]. 이러한 측방형 후드의 단점을 보완하기 위해서 당겨만 주는 방식보다 밀어주고 당겨주는 방식의 Push-Pull 후드를 적용할 것을 제안하였다. 조 한쪽 변에 설치된 후드를 철거하여 다른 한쪽 변에 설치된 후드로 유량을 집중시키고, 철거한 후드 위치에 Push jet용 급기 덕트를 설치하면 유량은 적지만 운동량이 큰 제트 기류를 조 표면에 평행하게 밀어주고 제트 기류가 조의 표면을 통과하면서 조에서 발생되는 오염물질을 후드까지 유인시키고, 이를 Pull 후드에서 받아주는 방식이다.
후드에 연결된 덕트에서 배기량(Exhaust flow rate)을 평가하였다. 덕트 단면에서 피토관 횡단법(Pitot traverse)에 따라 총 20 point에서 유속을 측정하여 평균하고, 배기량은 식(3)과 같이 평가하였으며, Fig.
대상 데이터
본 연구 대상 공정의 상부에는 피세척물 함침을 위한 수평 이동형 호이스트가 설치되어 있고, 조 상부는 그대로 개방되어 있는 형태로 구성되어 있으며, 대상공정에서는 15% 염산 용액을 약 30분 정도 침지하여 사용하고 있다. 또한, 조 상부에서 발생하는 산 증기를 제어 및 포집하기 위해 개방조 양 측면에 슬롯형 후드를 설치하여 운용하고 있다.
5에서는 기존 후드의 수치해석을 위해 실제 후드형상과 똑같은 형상으로 3차원 모형을 구현하였으며, 격자 형상(Grid configuration) 모습 및 경계 조건도 함께 나타내었다. 수치 계산을 위한 제어체적 구성에 사용된 격자수는 563,200개이며, 후드 A와 후드 B의 배기량 조건은 실측값을 나타내었다.
이론/모형
유한체적법은 적분 후에 이산화하기 때문에 항상 그 미소 영역내의 운동량등의 출입을 고려하게 되어 보존 법칙을 확실하게 만족시키는 이산식을 얻을 수 있는 장점이 있다[1,2,4,8-11]. 그리고 압력장을 구하기 위해 연속 방정식과 운동량 방정식을 조합시키는 방법으로 SIMPLE (Semi-Implicit Method Pressure-Linked Equations) 알고리즘을 사용하였다[1,2,4,8-11].
후드에 연결된 덕트에서 배기량(Exhaust flow rate)을 평가하였다. 덕트 단면에서 피토관 횡단법(Pitot traverse)에 따라 총 20 point에서 유속을 측정하여 평균하고, 배기량은 식(3)과 같이 평가하였으며, Fig. 4에 자세히 나타내었다.
본 연구에서는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 사용하였고, 이는 난류 방정식들의 이산화 방법으로 유한체적법(finite-volume method)을 사용한다. 유한체적법은 적분 후에 이산화하기 때문에 항상 그 미소 영역내의 운동량등의 출입을 고려하게 되어 보존 법칙을 확실하게 만족시키는 이산식을 얻을 수 있는 장점이 있다[1,2,4,8-11].
산 증기의 발생현황과 주변으로의 확산 정도를 평가하고 수치해석기법의 경계 조건으로 활용하고자 염화수소농도를 대기오염공정시험법(싸이오시안산 제이수은법)에 따라 분석하였다. 산 증기의 발생 농도를 측정하기 위해 배기 장치의 가동을 중단한 상태에서 개방조 표면에서 농도를 측정하였으며, 주변으로의 확산 여부를 확인하기 위해 배기 장치를 가동한 상태에서 후드 배기구 위치 중앙을 기준으로 총 20 point에서 농도를 측정하였다[Fig.
따라서 본 연구에서는 인체에 많은 악영향을 미치는 유해한 산성 증기를 제어하기 위해 세척조 양 측면에 설치한 슬롯(Slot)형 외부식 후드의 성능을 평가하였으며, 산 증기 포집능력을 향상시킬 수 있는 방안을 검토하였다. 이를 검토하기 위해 수치해석기법(CFD, Computational Fluid Dynamics)을 이용하였다. 수치해석기법은 본 연구 대상 공정의 유동 특성을 분석하여 실제 실험의 한계성이 안고 있는 문제를 해결하여 기류 특성을 이해하는데 매우 경제적이고도 효과적인 방법을 제공할 수 있다[4,6-8,11].
성능/효과
1. 본 연구 대상 후드는 조 상부 대부분에서 제어유속이 0.2 m/s 미만으로 평가되었고, 연기 발생기를 이용한 결과 대부분 외부로 확산되고 있어 후드의 흡인 성능이 매우 불량한 것으로 확인되었다. 따라서 산가스의 확산 방지를 위해 후드의 흡인 성능을 개선시키는 것이 필요할 것으로 판단되었다.
2. 이에 연구 대상 공정과 같이 조의 폭이 넓은 경우에는 기존 배기량을 그대로 이용하기 위해 양쪽에서 당겨만 주는 방식보다 한쪽에서 밀어주고 반대편에서 당겨주는 방식의 Push-Pull 후드로 개선할 것을 제시하였다.
3. 개선 효과를 검증한 결과, Case 5의 ACGIH 설계권고치를 기준으로 산정한 조건과 Case 3과 같이 배기량 변동 없이 Push 급기를 약 25 m3/min(급기유속 10 m/s) 수준으로 설치한 경우가 오염물질이 후드 쪽으로 원활하게 유인 및 포집되어 흡인 성능이 향상될 수 있음을 확인할 수 있었다. 단, Case 5는 배기량이 현재보다 약 2배 이상 증가되어야 하므로 덕트 및 집진용량도 함께 증설되어야 하는 문제점이 발생할 수 있는 바, Case 3과 같이 기존 배기량을 그대로 유지하면서 Push 급기량을 조정하여 조표면에 비교적 높은 제어 기류를 형성시키면서 산가스를 후드 쪽으로 유인시키는 것이 더욱 바람직할 것으로 판단된다.
Fig. 8에서 확인한 바와 같이 현장에서 직접 측정한 제어유속의 선형 분포와 예측치가 매우 잘 일치하고 있는 것으로 확인되었다. 측정치와 예측치 모두 대부분 지점에서 평균 0.
7 m/s 이상 유지할 것을 권장하고 있다(ACGIH, 2001). 권고치를 기준으로 모든 지점의 제어유속이 0.2 m/s 미만으로 매우 약한 것으로 평가되었고, 후드로부터 멀어질수록 유속은 더 낮아지는 경향을 나타내었다.
7과 같이 후드 근처 연기만 일부 포집될 뿐 대부분 외부로 확산되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 후드 흡인 성능은 매우 불량한 것으로 확인되었다.
이는 후드 근처의 산 증기만 일부 포집되고, 대부분 구간에서는 후드의 배기력이 전혀 영향을 미치지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 측정치와 예측치가 비교적 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 연기 발생기를 이용하여 개방조 후드의 배기 흐름을 확인한 결과, Fig. 7과 같이 후드 근처 연기만 일부 포집될 뿐 대부분 외부로 확산되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 후드 흡인 성능은 매우 불량한 것으로 확인되었다.
산 증기의 발생 농도를 측정하기 위해 배기 장치의 가동을 중단한 상태에서 개방조 표면에서 염화수소(HCl)의 농도를 측정한 결과, 평균 약 1.2 ppm 수준으로 확인되었다. 이는 수치해석을 위한 발생원 경계 조건으로 활용하였다.
8에서 확인한 바와 같이 현장에서 직접 측정한 제어유속의 선형 분포와 예측치가 매우 잘 일치하고 있는 것으로 확인되었다. 측정치와 예측치 모두 대부분 지점에서 평균 0.2 m/s 미만의 수준을 보이고 있으며, 후드의 배기효율이 매우 낮은 상태임을 예상할 수 있었다.
이는 수치해석을 위한 발생원 경계 조건으로 활용하였다. 후드 배기구 위치 중앙을 기준으로 총 20 point에서측정한 결과, 평균 약 0.26 ppm 수준이었다.
후속연구
4. 본 연구 결과를 바탕으로 해당분야 유해공정을 보유한 사업장이 보다 안전하고 쾌적한 사업장으로 개선되어 근로자의 건강 보호는 물론 작업환경 개선에 따른 생산성 향상에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
2 m/s 미만으로 평가되었고, 연기 발생기를 이용한 결과 대부분 외부로 확산되고 있어 후드의 흡인 성능이 매우 불량한 것으로 확인되었다. 따라서 산가스의 확산 방지를 위해 후드의 흡인 성능을 개선시키는 것이 필요할 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
후드란 어떤 부분인가?
후드(Hood)는 국소배기장치의 시작점으로 유해한 오염물질이 포함된 공기를 끌어들여 포집하는 부분이다. 유해오염물질이 들어오는 입구인 개구부는 그 모양에 관계없이 후드라고 볼 수 있으며, 작업자의 작업 활동 및 공정 흐름에 지장을 주지 않으면서 오염된 공기가 모두 포집되도록 적절한 제어유속(Capture velocity), 크기, 모양등의 조건을 갖추어야 한다[1-4,7].
개구부는 어떤 조건을 갖추어야 하는가?
후드(Hood)는 국소배기장치의 시작점으로 유해한 오염물질이 포함된 공기를 끌어들여 포집하는 부분이다. 유해오염물질이 들어오는 입구인 개구부는 그 모양에 관계없이 후드라고 볼 수 있으며, 작업자의 작업 활동 및 공정 흐름에 지장을 주지 않으면서 오염된 공기가 모두 포집되도록 적절한 제어유속(Capture velocity), 크기, 모양등의 조건을 갖추어야 한다[1-4,7]. 후드에서 유해오염물질이 충분히 포집되지 않는다면 후드 이후의 설비(공기정화장치, 송풍기)가 아무리 우수한 조건을 갖추고 있는경우에도 유해한 오염물질 제거에 효율적이지 못하게 된다.
후드는 국소배기장치에서 가장 중요한 부분인 이유는 무엇인가?
유해오염물질이 들어오는 입구인 개구부는 그 모양에 관계없이 후드라고 볼 수 있으며, 작업자의 작업 활동 및 공정 흐름에 지장을 주지 않으면서 오염된 공기가 모두 포집되도록 적절한 제어유속(Capture velocity), 크기, 모양등의 조건을 갖추어야 한다[1-4,7]. 후드에서 유해오염물질이 충분히 포집되지 않는다면 후드 이후의 설비(공기정화장치, 송풍기)가 아무리 우수한 조건을 갖추고 있는경우에도 유해한 오염물질 제거에 효율적이지 못하게 된다. 따라서 후드는 국소배기장치에서 가장 중요한 부분이라 할 수 있다.
참고문헌 (11)
Jong-Hyeon Jung, Sang-Woon Lee, Sang-Man Lee, Byung-Hyun Shon, Jung-Hee Lee, Yu-Jin Jung. Improvement of capturing velocity in the fume hood using Computational Fluid Dynamics(I) - uniform flow, The Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.14(2), pp.9621-969, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.2.962
Yu-Jin Jung, Byung-Hyun Shon, Sang-Man Lee, Jong-Hyeon Jung. A Numerical Study on Performance Improvement of Canopy Hood in Melting Process, The Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol.14(3), pp.1519-1526, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2013.14.3.1519
American Conference of Governmental Industrial Hygienists (ACGIH). Industrial Ventilation Manual of Recommended Practice, 24th Edition, 2001.
Kulmala, I. Advanced Design of Local Ventilation Systems, Finland, VTT Publications, 1997.
Robinson, M et al. Recommendations for the Design of Push-pull Ventilation Systems for Open Surface Tanks, Ann. occup. Hyg., Vol.40, pp.693-704, 1996. DOI: http://dx.doi.org/10.1093/annhyg/40.6.693
Riffat, S. B et al. CFD Prediction of k-factors of Duct Elbows, International Journal of Energy Research, Vol.21, pp.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.
Kumala, I, The Effect of Contaminant Source Location on Worker Exposure in the Near-wake Region, Finland, VTT Publications, 1995.
Hyun-Guk Myung. Computational Fluid Dynamics for Engineering, Han Mi publishing company, pp. 124-138, 1997.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.