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문제 정의
- 본 연구에서는 마이크로 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 금속 집진부로 구성된 저전력 소비형 2단형 전기집진기를 개발하였고 인체 위해성이 높은 0.3 ㎛급의 미세한 오일 미스트에 대한 인가전압 및 소비전력별 집진효율 특성을 살펴보았다. 하전부의 인가전압에 따른 단위 입자당 하전율과 입경별 집진효율을 측정하였고 Cochet 이론[14]에 근거한 계산값과 비교해 보았으며, 9 주 동안의 장시간 운전을 통해 지속적으로 포집된 오일 미스트에 의한 전기집진기의 성능 변화를 살펴보았다.
- 본 연구에서는 발생 입자의 차이에 따른 성능 변화를 살펴보기 위해 오일 미스트의 집진 효율을 공기청정기의 성능 시험의 시험 입자로 사용되는 KCl 입자의 집진효율과 비교해 보았다. Fig.
- 본 연구에서는 탄소 브러쉬 하전부와 평행형 금속 집진판으로 구성된 오일 미스트 포집용 2단형 전기집진기를 개발하여 하전부의 인가전압별 미스트 입자의 평균 하전율과 유속별 집진효율을 살펴보았고 9주 동안의 장시간 운전을 통해 집진효율 성능 저하 특성을 살펴보았다. 또한 Cochet의 이론 하전율을 이용하여 단위 입자당 평균 하전율과 하전부 인가전압별 집진효율을 계산하여 실험값과 비교해 보았다.
가설 설정
- 간단한 계산을 위해 상온에서 공기의 평균자유경로 λ = 0.0665 ㎛, 일반적인 절삭유나 윤활유의 유전상수 κ = 2.2로 하였고, 탄소 브러쉬 방전극과 접지극의 거리가 50 mm 이므로 5 kV 인가할 때 평균 전기장은 E = 1 x 105 V/m로 가정하였다.
제안 방법
- 시험입자로는 절삭유가 담겨진 의료용 네뷸라이저(nebulizer)에 필터링한 압축공기를 주입하여 미스트화 하여 발생시켰고 분무 과정에서 발생되는 초기의 하전 특성을 줄이기 위해 Kr-85 방사성물질 중화기와 20 kV의 고전압이 인가된 길이 300 mm, 폭 100 mm, 높이 20 mm의 평판형 콘덴서를 통과시켰다. 덕트로 주입된 오일 미스트는 헤파필터를 통과한 유입 공기와 혼합되어 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부로 이루어진 2단형 전기집진기를 통과하고 오리피스 유량계를 거쳐 밖으로 배출되도록 구성하였다. 탄소 브러쉬 하전부 후단에는 하전된 입자의 평균 하전량을 측정하기 위해 Aerosol Electrometer (Model 3068A, TSI)와 Condensation Particle Counter (Model 3776, TSI)을 연결하였고, 평판형 집진부 후단에는 오일 미스트의 전기집진기 작동 전후의 크기분포를 측정하기 위해 Aerosol Spectrometer (Model 1.
- 또한 2단형 전기집진기의 입자 특성에 따른 차이를 살펴보기 위해 일반적인 공기청정기 성능시험(SPS-KACA002-132, 2006)에 사용되는 시험입자인 KCl 입자를 0.1 % 수용액 상태로 네뷸라이저로 분무시키고[15] 중화기와 평판형 콘덴서를 통과시켜 발생시켜서 오일 미스트와의 집진효율을 비교해 보았다.
- 본 연구에서는 탄소 브러쉬 하전부와 평행형 금속 집진판으로 구성된 오일 미스트 포집용 2단형 전기집진기를 개발하여 하전부의 인가전압별 미스트 입자의 평균 하전율과 유속별 집진효율을 살펴보았고 9주 동안의 장시간 운전을 통해 집진효율 성능 저하 특성을 살펴보았다. 또한 Cochet의 이론 하전율을 이용하여 단위 입자당 평균 하전율과 하전부 인가전압별 집진효율을 계산하여 실험값과 비교해 보았다. 탄소 브러쉬 하전부의 인가전압을 증가시킬수록 단위 입자당 평균 하전율은 증가하였고, 입경별 집진효율도 측정 입경 범위 내에서 전체적으로 증가하는 특성을 나타내었으며, 이론적인 계산과도 거의 일치하였다.
- 시험입자로는 절삭유가 담겨진 의료용 네뷸라이저(nebulizer)에 필터링한 압축공기를 주입하여 미스트화 하여 발생시켰고 분무 과정에서 발생되는 초기의 하전 특성을 줄이기 위해 Kr-85 방사성물질 중화기와 20 kV의 고전압이 인가된 길이 300 mm, 폭 100 mm, 높이 20 mm의 평판형 콘덴서를 통과시켰다. 덕트로 주입된 오일 미스트는 헤파필터를 통과한 유입 공기와 혼합되어 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부로 이루어진 2단형 전기집진기를 통과하고 오리피스 유량계를 거쳐 밖으로 배출되도록 구성하였다.
- 집진부에는 6 kV를 인가하였고, 하전부에도 오일 미스트의장시간 포집에 따른 성능 저하를 유도하기 위해 10 kV의 인가 전압으로 운전하였다. 오일 미스트를 주 5 일 8 시간 운전 조건으로 0.26-0.35㎛ 사이의 입자 크기에서 2 - 7 x 107 개/m3 범위의 수농도로 공급하였고, 2 시간 단위로 집진효율을 측정하였으며 9주 동안 진행하였다.
- 덕트로 주입된 오일 미스트는 헤파필터를 통과한 유입 공기와 혼합되어 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부로 이루어진 2단형 전기집진기를 통과하고 오리피스 유량계를 거쳐 밖으로 배출되도록 구성하였다. 탄소 브러쉬 하전부 후단에는 하전된 입자의 평균 하전량을 측정하기 위해 Aerosol Electrometer (Model 3068A, TSI)와 Condensation Particle Counter (Model 3776, TSI)을 연결하였고, 평판형 집진부 후단에는 오일 미스트의 전기집진기 작동 전후의 크기분포를 측정하기 위해 Aerosol Spectrometer (Model 1.109, Grimm)을 연결하였다.
- 2는 탄소 브러쉬 하전부의 인가전압에 따른 방전전류와 그에 따른 소비전력을 나타내고 있다. 하전부를 통과하는 공기의 유속은 1 m/s로 고정하였고 하전부의 인가전압을 본 연구의 작동 범위인 최대 10 kV 까지 인가해 보았다. 인가전압이 4 kV에서 전류값이 0.
- 3 ㎛급의 미세한 오일 미스트에 대한 인가전압 및 소비전력별 집진효율 특성을 살펴보았다. 하전부의 인가전압에 따른 단위 입자당 하전율과 입경별 집진효율을 측정하였고 Cochet 이론[14]에 근거한 계산값과 비교해 보았으며, 9 주 동안의 장시간 운전을 통해 지속적으로 포집된 오일 미스트에 의한 전기집진기의 성능 변화를 살펴보았다.
- 한편, 본 2단형 전기집진기의 오일 미스트에 대한 집진효율은 전기집진기의 하류측에서 집진기를 작동하지 않았을 때와 작동했을 때의 입자 농도를 Aerosol Spectrometer로 계측하고 다음 식으로 산출하였다.
대상 데이터
- 1은 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부로 이루어진 오일 미스트 포집용 전기집진기를 400 mm x 400 mm의 시험덕트에 연결하여 풍량과 입자 하전량 및 오일 미스트 집진효율을 측정하기 위한 실험장치 구성도를 나타내고 있다. Fig. 1의 상단에 확대된 그림과 같이 탄소 브러쉬는 직경이 5 - 10 ㎛ 크기의 탄소섬유 수백 개를 5 mm 길이로 수축 튜브를 이용하여 엮어서 다발로 만들어 사용하였다.
- 미스트 포집장치로는 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부의 2단형 전기집진기를 사용하였다. 탄소 브러쉬 하전부는 가로 400 mm, 세로 400 mm, 두께 100 mm의 크기이고, 16 개의 탄소 브러쉬 방전극이 4 x 4 채널로 이루어진 사각 덕트형 접지극의 중간에 배치되도록 구성하였다.
- 미스트 포집장치로는 탄소 브러쉬 하전부와 평판형 집진부의 2단형 전기집진기를 사용하였다. 탄소 브러쉬 하전부는 가로 400 mm, 세로 400 mm, 두께 100 mm의 크기이고, 16 개의 탄소 브러쉬 방전극이 4 x 4 채널로 이루어진 사각 덕트형 접지극의 중간에 배치되도록 구성하였다. 평판형 집진부는 가로 456 mm, 세로 467 mm, 두께 260 mm의 외형 크기로 이루어져 있고, 내부에 400 mm x 200 mm 크기 및 1 mm의 두께를 갖는 알루미늄 판이 다수개가 평행하게 판 간격 3 mm으로 배열되어 집진판의 유효면적은 약 8.
- 탄소 브러쉬 하전부는 가로 400 mm, 세로 400 mm, 두께 100 mm의 크기이고, 16 개의 탄소 브러쉬 방전극이 4 x 4 채널로 이루어진 사각 덕트형 접지극의 중간에 배치되도록 구성하였다. 평판형 집진부는 가로 456 mm, 세로 467 mm, 두께 260 mm의 외형 크기로 이루어져 있고, 내부에 400 mm x 200 mm 크기 및 1 mm의 두께를 갖는 알루미늄 판이 다수개가 평행하게 판 간격 3 mm으로 배열되어 집진판의 유효면적은 약 8.0 m2가 되는 집진부를 사용하였다. Fig.
이론/모형
- 5에서 점선은 이론적으로 계산하여 추정한 집진효율을 나타내고 있다. 이론값은 다음의 Deutsch-Anderson 식을 사용하였다[16].
성능/효과
- 3 ㎛ 크기의 오일 미스트의 집진효율을 나타내고 있다. 0.6 m/s의 유속 조건에서는 집진부에 3 kV만 인가하더라도 0.24 W의 소비전력에서도 99 % 이상의 높은 집진효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 한편, 1 m/s의 유속 조건에서는 소비전력을 증가시킬수록, 집 진부의 인가전압을 3 kV에서 6 kV로 상승시킬수록 오일 미스트의 집진효율이 상승하는 것을 확인할 수 있다.
- 9 W의 사용에도 99 % 이상의 높은 집진효율을 1 m/s의 유속 조건에서도 얻을 수 있었다. 1 m/s의 유속 조건은 약 576 m3/h의 유량 조건이므로 본 탄소섬유 전기집진기는 0.0033 W/(m3/h)의 단위 유량당 소비전력에서 높은 집진효율을 나타내어 기존의 1,000 m3/h의 유량에서 50 - 300W를 사용하는 전기집진기의 운전조건인[18] 0.05 - 0.3 W/(m3/h) 보다 훨씬 낮은 소비전력에도 우수한 집진효율을 나타내고 있음을 알 수 있다.
- 그림에서 보는 것과 같이 9 주 동안 집진효율이 98 - 99 % 이상 수준으로 꾸준히 유지되는 것을 확인 할 수 있다. 5 주 이상 부터는 일부 측정 시점에서 97 %로 다소 낮아지는 순간들이 존재하였으나 이는 측정날 아침에 집진기를 가동하고 측정한 첫 번째 결과 값에서만 나타난 현상이었고 그 후 2시간 이후의 측정부터는 다시 집진효율이 99% 이상으로 회복되는 것으로 보아 집진기에 포집되어 있던 일부 오일이 집진기를 가동할 때 일부가 후단으로 재비산되어 1 - 2% 정도 감소하는 영향을 준 것으로 보인다.
- KCl 입자의 경우 보다 작은 영역을 측정할 수 있는 Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS; Model 3936, TSI)로 추가적으로 분석해본 결과, 기하학적 평균직경은 약 0.09 ㎛이고 기하학적 표준편차는 약 1.70 정도로 측정되어 오일 미스트 보다는 미세한 크기로 훨씬 넓은 (polydisperse) 분포의 상태로 발생되는 것을 알 수 있었다.
- 3 ㎛ 미스트의 집진효율을 94 %에서 99% 까지 추가적으로 상승시킬 수 있었다. 따라서 집진부에 6 kV를 인가할 경우 아주 적은 하 전부의 소비전력인 1.9 W의 사용에도 99 % 이상의 높은 집진효율을 1 m/s의 유속 조건에서도 얻을 수 있었다. 1 m/s의 유속 조건은 약 576 m3/h의 유량 조건이므로 본 탄소섬유 전기집진기는 0.
- 따라서, 본 연구에서는 0.3 ㎛ 근처의 미세한 오일 미스트를 발생시켜 집진효율을 99 % 이상 확보하는 조건을 얻었으므로 다양한 작업 조건에서 1 ㎛ 이상의 오일 미스트가 발생하는 조건에서는 보다 쉽게 높은 성능의 집진효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
- 실험적으로 구한 오일 미스트의 집진효율은하전부 6 kV에서는 이론값과 거의 유사한 특성을 나타내었으나 하전부 8 kV 및 10 kV에서는 실험값이 이론값보다 다소 높게 나타났다. 이는 이론적으로 계산할 때에는 하전부에서 입자 손실이 거의 없이 집진부에서만 포집되는 것으로 가정하였으나 하전부의 인가전압이 높아질수록 하전부에서도 일부 하전된 입자가 하전부의 접지판에 포집되어 실험적인 집진효율이 이론값보다 높게 형성된 것으로 보인다.
- 7(a)와 7(b)는 각각 하전부에 6 kV와 8 kV를 인가했을 때 집진부 3 kV, 6 kV에서의 오일 미스트와 KCl 입자의 입경별 집진효율 변화를 나타내고 있다. 오일 미스트와 KCl 입자의 집진효율이 같은 전기집진기 운전 조건에서 거의 유사한 값을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 입자 하전수는 입자의 유전상수의 차이에 따라 다소 차이가 발생할 수 있으나 그 영향은 매우 미미하므로 결국 입자의 집진효율은 입자의 성분보다는 입자의 크기에 좌우되는 것을 확인할 수 있다.
- 3는 네뷸라이저로 발생시킨 오일 미스트와 KCl 입자의 크기분포를 나타내고 있다. 오일 미스트의 경우는 기하학적 평균직경이 약 0.38 ㎛를 나타내었고, 기하학적 표준편차는 약 1.28을 나타내어 상당히 균일한(monodisperse) 크기의 입자들이 발생되었음을 확인할 수 있었다. 한편 KCl 입자의 경우는 너무 작은 입자가 형성되어 0.
- 또한 Cochet의 이론 하전율을 이용하여 단위 입자당 평균 하전율과 하전부 인가전압별 집진효율을 계산하여 실험값과 비교해 보았다. 탄소 브러쉬 하전부의 인가전압을 증가시킬수록 단위 입자당 평균 하전율은 증가하였고, 입경별 집진효율도 측정 입경 범위 내에서 전체적으로 증가하는 특성을 나타내었으며, 이론적인 계산과도 거의 일치하였다.
- 한편, 1 m/s의 유속 조건에서는 소비전력을 증가시킬수록, 집 진부의 인가전압을 3 kV에서 6 kV로 상승시킬수록 오일 미스트의 집진효율이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 하전부에 10 kV를 인가할 때 집진부의 인가전압을 3 kV에서 6 kV로 증가시키면 0.3 ㎛ 미스트의 집진효율을 94 %에서 99% 까지 추가적으로 상승시킬 수 있었다. 따라서 집진부에 6 kV를 인가할 경우 아주 적은 하 전부의 소비전력인 1.
- 5는 1 m/s의 유속에서 평판형 집진부를 3 kV의 인가전압으로 고정하였을 때 하전부의 인가전압에 따른 입경별 집진효율 변화를 나타내고 있다. 하전부의 인가전압을 6 kV에서 10 kV로 증가시킬 때 0.25 - 3 ㎛ 범위에서 전체적으로 집진효율이 상승하였고, 집진효율이 가장 낮은 0.27 ㎛ 크기에서는 약 70 %에서 94 %까지 집진효율이 상승하였다. Fig.
- 3㎛ 미스트 기준으로 99 % 수준의 높은 집진효율을 얻을 수 있었다. 한편 9 주 동안의 운전에도 초기 성능인 98 - 99 % 수준의 집진효율을 지속적으로 유지하여 장기 연속 운전에 따른 성능저하가 크지 않은 것을 확인할 수 있었다.
- 한편 전기집진기의 압력손실은 5 Pa 미만에서 장기 운전 시간에 관계없이 꾸준히 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 필터 방식의 경우는 4주만 지나도 집진효율이 20 % 이상 감소되거나 압력손실이 지속적으로 증가하므로(Boundy et al.
- 24 W의 소비전력에서도 99 % 이상의 높은 집진효율을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 한편, 1 m/s의 유속 조건에서는 소비전력을 증가시킬수록, 집 진부의 인가전압을 3 kV에서 6 kV로 상승시킬수록 오일 미스트의 집진효율이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 하전부에 10 kV를 인가할 때 집진부의 인가전압을 3 kV에서 6 kV로 증가시키면 0.
- 한편, 탄소 브러쉬 하전부의 1.9 W 수준의 낮은 소비전력에도 유량 576 m3/h 조건에서 0.3㎛ 미스트 기준으로 99 % 수준의 높은 집진효율을 얻을 수 있었다. 한편 9 주 동안의 운전에도 초기 성능인 98 - 99 % 수준의 집진효율을 지속적으로 유지하여 장기 연속 운전에 따른 성능저하가 크지 않은 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 하지만 향후 추가적인 연구를 통해 고농도의 미스트 농도 분위기에서 20-50 주 이상의 장기간 운전 과정에서의 집진 내구성 시험을 통해 하전부와 집진부의 교체 또는 세정 주기를 파악해야 할 것이고, 오일 미스트 발생 작업장 또는 직화구이 현장에서의 실증 연구를 수행하여 개발된 탄소 브러쉬 전기집진기의 최적의 작동 운전 조건과 유지 관리 방안을 마련할 필요가 있다.
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