[논문]기체-액체 이젝터의 디퓨저 형상에 대한 연구

장진우; 신원협; 박영철

doi:10.5762/kais.2014.15.11.6412

기체-액체 이젝터의 디퓨저 형상에 대한 연구
STUDY ON THE PERFORMANCE OF THE SHAPE OF THE AIR-LIQUID EJECTOR DIFFUSER 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.11, 2014년, pp.6412 - 6418

장진우 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 신원협 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 박영철 (동아대학교 기계공학과)

초록
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본 논문은 기체-액체 이젝터의 수치해석연구에 초점을 맞추고 있다. 이젝터는 구동유체가 노즐을 통해 고속으로 분출될 때, 구동노즐 출구 주변에 진공압이 형성되어 주변의 기체와 운동량 교환을 통하여 저압의 유체를 보다 높은 압력으로 압축하여 수송하는 장치이다. 기체-액체 이젝터는 상용 소프트웨어 ANSYS-CFX 14.0을 사용하여 다상의 CFD 분석을 통해 연구한다. 구동유체는 물을 사용하여 구동되며, 실제로는 공기가 아닌 오존을 사용하여 배출 된다. 기체-액체 이젝터의 디퓨저의 형상에 따라 성능 차이를 비교한다. 결과 기체-액체 이젝터의 성능에 미치는 다양한 요인을 제공 한다. 그리고 제안 된 수치 모델은 기체-액체 이젝터의의 최적 설계에 매우 도움이 될 것다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper performed a numerical study of an air-liquid ejector. An ejector is a fluid-transportation device that spouts high-pressure fluid from driving pipes using the kinetic energy of the spouted fluid and increases the pressure through the exchange of momentum with the surrounding gases of the lower pressure. The air-liquid ejector was investigated through steady three-dimensional multiphase CFD analysis using commercial software ANSYS-CFX 14.0. Water as the primary fluid is driven through the driving nozzle and air is ejected as the second gas instead of ozone in real applications. The difference in performance according to the shape of the diffuser of the ejector was examined. The results provide deep insight into the influence of various factors on the performance of the air-liquid ejector. The proposed numerical model will be very helpful for further design optimization of the air-liquid ejectors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 수치해석을 위해 상용 CFD프로그램인 CFX 14.0을 사용하여 이젝터의 구성요소 중에서 디퓨저의 위치와 형상이 air-liquid Ejector 성능에 미치는 영향을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 선박평형 수 처리장치용 기체-액체 이젝터 디퓨저의 형상에 대한 유동 특성 및 성능을 수치해석을 통하여 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
기체-액체 이젝터 디퓨저에 대한 해석 결과는 Table 2와 같다. 이 해석 결과를 바탕으로 이젝터의 성능을 예측 하고자 한다.

제안 방법

수치해석에 필요한 3차원 구조 모델링을 하기 위해서 실제 실험에 사용한 실험용 air-liquid Ejector의 치수를 측정하였고, 측정된 값을 이용해 3차원 모델링을 구현하였다. 3차원 구조 모델은 크게 구동 노즐, 흡입부, 혼합실, 이젝터 목, 디퓨저, 이너 파이프, 그리고 메인파이프를 개별 모델링을 실시한 후 조립하는 형태로 완성하였다.
A. 혼합부에서 디퓨저가 시작되는 위치(0mm)에서 350mm까지 50mm 간격으로 변수 설정을 하였다.
고전적인 방법으로 유동해석을 위해 유동도메인 자체를 모델링하여 전산해석을 수행하는 방법이 널리 사용되어 왔으나, 컴퓨터 성능 및 모델링 도구의 끊임없는 발달로 본체 부분을 모델링 한 후 내부 유동이 이루어지는 유동 도메인을 안정적으로 얻을 수 있는 기법이 개발되었다. air-liquid Ejector의 내부 유동장을 형성하기 위하여 ANSYS-Workbench를 이용해서 이젝터 내부 유동도메인을 추출하였다. Fig.
구동노즐 유입구(Inlet 2)는 일정 유량 조건을 사용하여, 실험에서 측정한 압력 게이지의 데이터를 이용하였다. 공기 흡입구는 대기와 동일한 압력 상태가 되도록 압력 조건으로 설정하였다. CFD 모델을 이루는 격자는 tetrahderal & prizm 격자로 구성하였다.
이때 유입된 유체는 일정한 유량과 압력을 가지도록 조절한다. 구동노즐을 통해 유입되는 물에 의해 흡입되는 공기는 압력 게이지 P_s를 이용하여 흡입압력을 측정하고, 공기의 흡입 여부를 확인한다. 이젝터를 빠져나온 공기와 물이 혼합된 혼합유체는 메인 배관에 유입되게 되고, 메인 배관은 일정한 압력으로 배압을 관리하기 위해 압력 게이지 P_d를 이용해 조절한다.
기체-액체 이젝터 디퓨저의 형상변경을 통하여 성능을 파악하였다. 디퓨저의 길이에 따라 성능 및 효율이 2%씩 차이가 났고, 이것으로 보아 디퓨저의 길이가 길수록 성능 및 효율이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
3은 CFD 프로그램을 사용하여 전산수치해석을 수행하기 전 실험 장치와 같이 3차원 모델링을 하였고, 모델링 전용 소프트웨어인 ‘Solid Works’를 이용하여 조립도를 나타낸 것이다. 수치해석에 필요한 3차원 구조 모델링을 하기 위해서 실제 실험에 사용한 실험용 air-liquid Ejector의 치수를 측정하였고, 측정된 값을 이용해 3차원 모델링을 구현하였다. 3차원 구조 모델은 크게 구동 노즐, 흡입부, 혼합실, 이젝터 목, 디퓨저, 이너 파이프, 그리고 메인파이프를 개별 모델링을 실시한 후 조립하는 형태로 완성하였다.
이젝터를 빠져나온 공기와 물이 혼합된 혼합유체는 메인 배관에 유입되게 되고, 메인 배관은 일정한 압력으로 배압을 관리하기 위해 압력 게이지 P_d를 이용해 조절한다. 실험의 진행 과정은 메인 배관의 압력을 변화시켜, 이때 실험용 air-liquid Ejector의 작동이 안정화될 수 있는 충분한 시간을 가지도록 한다.
이젝터의 작동원리 및 성능 특성을 파악하기 위해서 물을 구동유체로 사용하며 대기 중의 공기를 흡입하여, 물과 공기가 혼합되어 메인배관으로 토출하는 시스템을 구상하여 실험을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

CFD 모델을 이루는 격자는 tetrahderal & prizm 격자로 구성하였다.
에서 보는 바와 같이 메인배관 입구(Inlet 1)와 메인배관 출구(Outlet)는 배 상태 유지를 위해 압력 조건을 사용하였고, 압력의 수치는 실험에서의 메인 배관 압력에 근거하였다. 구동노즐 유입구(Inlet 2)는 일정 유량 조건을 사용하여, 실험에서 측정한 압력 게이지의 데이터를 이용하였다. 공기 흡입구는 대기와 동일한 압력 상태가 되도록 압력 조건으로 설정하였다.
실험 장치의 구성은 펌프를 통해 물이 저장된 탱크, 탱크를 통해 구동노즐로 물을 공급하는 펌프, 실험대상 air-liquid Ejector, 메인 배관 및 각종 게이지들로 이루어져 있다.

성능/효과

기체-액체 이젝터 디퓨저의 형상변경을 통하여 성능을 파악하였다. 디퓨저의 길이에 따라 성능 및 효율이 2%씩 차이가 났고, 이것으로 보아 디퓨저의 길이가 길수록 성능 및 효율이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
이젝터의 성능을 좌우하는 설계변수는 여러 가지가 있으나, 이들을 모두 파악하기 위해서는 많은 시간과 노력이 따른다. 또한, 이젝터의 설계 변수들 가운데 하나인 이젝터 디퓨저의 위치 및 형상에 대한 유동 특성을 파악함으로써 이젝터의 성능 향상을 도모한다.

후속연구

본 연구는 수치해석을 이용하여 기체-액체 이젝터 디퓨저의 형상에 대한 유동 특성 및 성능을 수치해석을 통하여 수행하였고, 이 결과는 기체-액체 이젝터에 대한 기초설계 자료에 도움이 될 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이젝터를 구동유체에 따라 구분하면?	이젝터(Ejector)는 벤트리 효과를 이용하는 펌프의 일종으로서 제트 펌프라고 부르기도 하며 구동유체로 물을 이용하여 진공을 형성시키는 장치로서, 고압의 유체(motive fluid)가 지닌 압력 에너지를 이용하여 흡입 유체 를 빨아들여 이송하는 기계장치이다. 구동유체에 따라 증기 이젝터(steam ejector), 수 이젝터(Water ejector), 공기 이젝터(Air ejector)등 으로 분류 하며, 그 구성은 흡입되는 흡입부(Suction port), 구동노즐과 흡입부에서 흡입된 유체들이 혼합되는 혼합실(Mixing section), 구동 유체와 흡입된 유체가 완전히 혼합이 되는 이젝터 목(Throat), 구동노즐을 통과하면서 저압이 된 구동유체의 압력을 회복시켜주는 디퓨저(Diffuser)로 구성 되어 있으며, 이젝터 목을 포함하지 않은 형태도 있다.
	이젝터란?	이젝터(Ejector)는 벤트리 효과를 이용하는 펌프의 일종으로서 제트 펌프라고 부르기도 하며 구동유체로 물을 이용하여 진공을 형성시키는 장치로서, 고압의 유체(motive fluid)가 지닌 압력 에너지를 이용하여 흡입 유체 를 빨아들여 이송하는 기계장치이다. 구동유체에 따라 증기 이젝터(steam ejector), 수 이젝터(Water ejector), 공기 이젝터(Air ejector)등 으로 분류 하며, 그 구성은 흡입되는 흡입부(Suction port), 구동노즐과 흡입부에서 흡입된 유체들이 혼합되는 혼합실(Mixing section), 구동 유체와 흡입된 유체가 완전히 혼합이 되는 이젝터 목(Throat), 구동노즐을 통과하면서 저압이 된 구동유체의 압력을 회복시켜주는 디퓨저(Diffuser)로 구성 되어 있으며, 이젝터 목을 포함하지 않은 형태도 있다.
	이젝터의 작동원리는?	작동원리는 다음과 같다. 이젝터에 공급된 고압(구동압력)의 액체는 구동노즐에서 액체가 가지고 있는 압력에너지를 속도에너지로 변환시켜 고속으로 분사되며, 이때 혼합부는 고속으로 분사되는 액체에 의하여 매우 낮은 압력(흡입압력)으로 형성되고, 흡입부 주위에 있는 공기를 흡입 배관을 통하여 고속으로 분사된 액체가 디퓨저로 유출될 때 빨려 들어오게 된다. 고속으로 분사된 액체와 흡입 유체는 디퓨저 입구에서 구동 액체와 혼합이 시작되어 이젝터 목에서 혼합이 완료된다. 고속 유동의 혼합유체는 디퓨저 출구에서 베르누이의 원리에 따라 배출구 까지 압력이 회복되어 외부로 배출하게 된다.

참고문헌 (11)

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Myoung Kuk Ji, A Parametric study on the Performance Characteristics of Air and Liquid Ejector, A doctor's thesis, Gyeongsang National University (2008)
Ji-Hoon Jung, A Study of Flow Characteristics inside of ejector, A master's thesis, Dong-A University (2010)

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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