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문제 정의
- 본 연구는 공기의 자가흡입으로 인해 마이크로 버블을 생성시키는 보텍스 노즐에 대하여 실험연 구를 수행하였다. 공기의 자가흡입 및 마이크로버 블의 발생 정도를 파악하기 위하여 노즐 내의 공기 흡입부의 치수, 노즐출구에서 마이크로버블을 발생시키는 노즐형상 및 직경을 변화시켜 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구의 목적은 보텍스 노즐(Vortex nozzle) 내부에서 물의 와류 유동에 의해 공기가 자가흡입(Self-suction)이 되도록 하여 노즐 출구를 통해 마이크로버블을 발생시키는 보텍스 노즐을 연구하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 노즐의 공기유 입부의 직경과 길이, 노즐 출구형상 그리고 공기 유입관의 길이를 변화시켜 노즐 내부로 공기가 자가 흡입이 되면서 노즐의 출구를 통해 마이크로버 블을 발생시키는 보텍스 노즐을 연구한다.
제안 방법
- 1. Sector nozzle에서 자가 흡입이 일어나면서 마이크로버블이 발생하는 실험조건 즉 dn =9.2mm 일 때 Dair,in, Lair,in, Lair,bar=15, 10, 20mm 및 12.3mm 경우에는 10, 20, 20mm와 15, 10, 20mm을 구하였다. 또한 이들 조건에서 노즐 시스템 내의 공기의 자가 흡입 및 마이크로버블의 유동을 가시화하였다.
- 보텍스 노즐은 와류유동을 발생시키는 선회유도부, 공기가 흡입되는 공기유 입부 그리고 마이크로버블을 발생시키는 노즐 출구부로 구성된다. Fig. 2에서 Dair,in은 공기유입부의 직경, Lair,in은 공기유입부의 길이, Lair,bar는 공기유 입관의 길이를 나타내며, 본 실험에서는 Table 1에 보여진 것처럼 Dair,in =10, 15, 20mm, Lair,in =10, 20mm, Lair,bar=10, 20, 30mm로 변화시켰다. Table 2에 보여진 것처럼 노즐 출구부의 형상과 직경(dn)은 Orifice nozzle의 경우에는 dn=5mm와 7mm로, Sector nozzle에서는 dn=9.
- 본 연구는 공기의 자가흡입으로 인해 마이크로 버블을 생성시키는 보텍스 노즐에 대하여 실험연 구를 수행하였다. 공기의 자가흡입 및 마이크로버 블의 발생 정도를 파악하기 위하여 노즐 내의 공기 흡입부의 치수, 노즐출구에서 마이크로버블을 발생시키는 노즐형상 및 직경을 변화시켜 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 수조 내의 용존산소량은 먼저 DO 측정기를 이용하여 수조 내의 물의 용존산소량을 측정한다. 그 다음에 보텍스 노즐 시스템으로 10분 동안 마이크로 버블을 발생시킨 이후에 버블 발생을 멈춘 직후부터 1분 간격으로 총 10분 동안에 마이크로버블에 의해 용해된 용존산소량을 측정한다.
- 보텍스 노즐 내부로 들어가는 공기량은 공기유입부에 설치된 공기유량계로 측정하였다. 노즐 출구에서 발생된 마이크로버블은 수조 내에 확산되며 입자 측정시스템을 이용하여 마이크로버블의 발생량 및 분포도를 측정하였다.
- 두 번째 실험에서는 첫 번째 실험에서 구한 실험조건을 기준으로 노즐 종류와 노즐 출구의 직경의 변화에 따른 공기의 자가흡입량과 마이크로버 블의 발생량 및 발생분포를 비교하는 것이다. 수조 내의 용존산소량은 먼저 DO 측정기를 이용하여 수조 내의 물의 용존산소량을 측정한다.
- 펌프를 가동시켜 물이 전체시스템을 순환시킨 후, 유량조절밸브를 조절하여 보텍스 노즐에 적정 유량을 공급하였다. 또한 노즐에 공급되는 물의 유량은 초음파 유량계를 사용하여 실시간으로 확인되도록 하였다. 보텍스 노즐 내부로 들어가는 공기량은 공기유입부에 설치된 공기유량계로 측정하였다.
- 이를 위해 본 연구에서는 노즐의 공기유 입부의 직경과 길이, 노즐 출구형상 그리고 공기 유입관의 길이를 변화시켜 노즐 내부로 공기가 자가 흡입이 되면서 노즐의 출구를 통해 마이크로버 블을 발생시키는 보텍스 노즐을 연구한다. 또한 실험 조건의 변화에 따라 노즐 출구를 통하여 발생되는 마이크로버블의 크기 및 분포를 확인한다.
- 3mm 경우에는 10, 20, 20mm와 15, 10, 20mm을 구하였다. 또한 이들 조건에서 노즐 시스템 내의 공기의 자가 흡입 및 마이크로버블의 유동을 가시화하였다.
- 또한 노즐에 공급되는 물의 유량은 초음파 유량계를 사용하여 실시간으로 확인되도록 하였다. 보텍스 노즐 내부로 들어가는 공기량은 공기유입부에 설치된 공기유량계로 측정하였다. 노즐 출구에서 발생된 마이크로버블은 수조 내에 확산되며 입자 측정시스템을 이용하여 마이크로버블의 발생량 및 분포도를 측정하였다.
- 본 연구에서는 먼저 Sector nozzle에서 Table 1과 2에서 나타낸 변수(Dair,in, Lair,in, Lair,bar, dn)를 서로 조합시킨 총 36개의 실험조건을 이용하여 보텍스 노즐 내부로 공기의 자가흡입 및 마이크로버블의 생성이 일어나는 실험을 수행하였다. 이들 실험에서 공기의 자가흡입이 일어나면서 마이크로버 블이 발생하는 경우는 다음의 3가지 실험조건에서만 나타났다.
- 첫 번째 실험은 보텍스 노즐 내로 공기가 자가흡입이 되는 조건을 구하는 것이다. 이 실험에서는 Sector nozzle을 이용하여 공기유입부의 Dair,in , Lair,in , Lair,bar 를 변화시켜 공기의 자가흡입이 일어나면서 마이크로버블이 발생하는 조건을 구하는 것이다.
- 본 연구의 목적은 보텍스 노즐(Vortex nozzle) 내부에서 물의 와류 유동에 의해 공기가 자가흡입(Self-suction)이 되도록 하여 노즐 출구를 통해 마이크로버블을 발생시키는 보텍스 노즐을 연구하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 노즐의 공기유 입부의 직경과 길이, 노즐 출구형상 그리고 공기 유입관의 길이를 변화시켜 노즐 내부로 공기가 자가 흡입이 되면서 노즐의 출구를 통해 마이크로버 블을 발생시키는 보텍스 노즐을 연구한다. 또한 실험 조건의 변화에 따라 노즐 출구를 통하여 발생되는 마이크로버블의 크기 및 분포를 확인한다.
- 본 연구에서는 두 가지의 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험은 보텍스 노즐 내로 공기가 자가흡입이 되는 조건을 구하는 것이다. 이 실험에서는 Sector nozzle을 이용하여 공기유입부의 Dair,in , Lair,in , Lair,bar 를 변화시켜 공기의 자가흡입이 일어나면서 마이크로버블이 발생하는 조건을 구하는 것이다.
대상 데이터
- 2에서 Dair,in은 공기유입부의 직경, Lair,in은 공기유입부의 길이, Lair,bar는 공기유 입관의 길이를 나타내며, 본 실험에서는 Table 1에 보여진 것처럼 Dair,in =10, 15, 20mm, Lair,in =10, 20mm, Lair,bar=10, 20, 30mm로 변화시켰다. Table 2에 보여진 것처럼 노즐 출구부의 형상과 직경(dn)은 Orifice nozzle의 경우에는 dn=5mm와 7mm로, Sector nozzle에서는 dn=9.2mm와 12.3mm로 변화시켜 실험을 수행하였다.
- Type II(7mm, Orifice nozzle)의 실험에서 측정된 마이크로버블의 총 개수는 6,505개, Type III(9.2mm, Sector nozzle)에서는 2,975개, Type IV(12.3mm, Sector nozzle)에서는 4,387개이다. 이중에서 직경이 50μm 이하의 버블은 약 1,500개 (Type II), 700개((Type III), 1,100개(Type IV) 정도로 되었다.
- 그림에서 Outlet Type I은 dn =5mm의 Orifice nozzle을, Type II는 dn =7mm의 Orifice nozzle을 사용하여 수행한 실험을 나타낸다. 또한 Type III와 IV는 9.
- =7mm의 Orifice nozzle을 사용하여 수행한 실험을 나타낸다. 또한 Type III와 IV는 9.2mm의 Sector nozzle과 12.3mm의 Sector nozzle을 사용하여 수행한 실험을 나타낸다.
- 물유량은 초음파유량계(Dynasonics사의 UFX)를 사용하였고 측정 범위는 0∼9m3/s이다.
- 보텍스 노즐 시스템의 크기는 직경 96mm, 길이 106mm, 내부체적이 약 250mL이며, 노즐 내부에서 물의 와류유동을 가시화하기 위해 두께 8mm의투명아크릴로 제작하였다. 수조는 마이크로버블수와 일반수를 비교하기 위해 2개의 공간으로 분리 하였고 크기는 570×600×600mm3이다.
- 1은 본 연구에 사용된 마이크로버블을 발생시키는 실험장치의 개략도를 나타낸다. 본 실험 장치는 크게 보텍스 노즐 시스템, 수조, 유체 순환부, 측정부로 구분된다.
- 수조 내의 용존산소량은 DO 측정기(DKK TOA사의 DO-31P모델)를 사용하였고 측정 범위는 0∼20mg/L이다.
- 수조는 마이크로버블수와 일반수를 비교하기 위해 2개의 공간으로 분리 하였고 크기는 570×600×600mm3이다.
성능/효과
- 2. Outlet Type I의 Case 1과 Case 2 그리고 Type Ⅲ의 Case 1은 공기의 자가흡입이 없어도 유관의 직경이 0.5mm 이하로 형성되었으나 공기의 흡입량이 가장 많은 Type Ⅱ의 Case 1, 2는 0.5 ∼2.5mm 범위로 가장 크게 형성되었다.
- 3. 보텍스 노즐에서 발생한 마이크로버블의 총개수는 Type II(7mm, Orifice nozzle)에서 가장 많이 측정되었으나 이 중에서 50μm 이하의 버블은 Type IV에서 71%로 가장 많이 존재하였다.
- 4. Orifice nozzle과 Sector nozzle에서 수조 내의 용존산소량은 Case 2의 경우가 Case 1보다 더 많이 오랫동안 유지되었으며 노즐 출구직경에는 크게 의존하지 않음을 보였다. 또한, Sector nozzle의경우가 Orifice nozzle에 비해 용존산소량의 감소율이 더 적게 나타남을 보였다.
- 0mm 범위로 형성되었다. 그리고 Type Ⅳ의 Case 1에서 형성된 유관은 Type Ⅲ의 Case 2와 공기의 자가 흡입량이 100cc/min으로 거의 동일하여 유관의 직경도 거의 일치함을 보였다. 이 결과에서 유관의 직경과 공기의 자가 흡입량은 서로 의존함을 볼 수 있었다.
- 첫 번째, 마이크로버블은 수중에서 상승시간이 느려서 수중에서 오랫동안 지속할 수 있다. 두 번째, 마이크로버블은 프리-라디칼(Free-radical)로 인해 음전하의 성격을 띠어 흡착력을 가진다. 세 번째, 마이크로버블은 일반 기포에 비해 기체와 액체가 맞닿는 면적이 커서 질량 및 에너지 전달력이 크다.
- 따라서 Orifice nozzle을 사용할 때 수조 내에서 유지되는 용존산소량은 Case 2의 경우가 Case 1보다 더 많게 유지되었으나 노즐 출구직경에는 크게 의존하지 않음을 보였다.
- Orifice nozzle과 Sector nozzle에서 수조 내의 용존산소량은 Case 2의 경우가 Case 1보다 더 많이 오랫동안 유지되었으며 노즐 출구직경에는 크게 의존하지 않음을 보였다. 또한, Sector nozzle의경우가 Orifice nozzle에 비해 용존산소량의 감소율이 더 적게 나타남을 보였다.
- 또한, 마이크로버블의 개수는 자가흡입이 일어날 경우가 자가흡입이 없을 때보다 1.4∼2.2배 더 증가함을 보였다.
- 두 번째, 마이크로버블은 프리-라디칼(Free-radical)로 인해 음전하의 성격을 띠어 흡착력을 가진다. 세 번째, 마이크로버블은 일반 기포에 비해 기체와 액체가 맞닿는 면적이 커서 질량 및 에너지 전달력이 크다. 이러한 특성으로 인해 마이크로버블을 이용한 세정은 미세 패턴 내의 이물질을 제거하는데 우수하다는 것으로 알려져 있다.
- Type II의 실험에서는 공기의 자가 흡입량이 많아서 발생되는 마이크로버블의 개수도 가장 많이 발생되나 측정 범위인 100μm 이상을 초과하는 기포의 발생량 또한 역시 많았다. 용존산소량 측정 실험에서 큰 기포의 발생은 마이크로버블의 효과를 저해하는 것으로 확인되었다. Type III에서는 공기의 자가 흡입이 없이 공동현상으로 인해 발생되는 기체로 마이크로버블이 발생하므로 입자 수가 가장 적게 측정되었다.
- 위의 3가지 실험결과에서 보텍스 노즐을 통해 발생되는 입자 수는 자가흡입이 일어날 경우가 자가흡입이 없을 때보다 1.4∼2.2배 더 많았으며, 측정된 총 버블 개수에 대해 50μm 이하의 마이크 로버블의 발생량은 Type IV에서는 약 71%, Type III는 약 64% 그리고 Type II는 약 60% 정도이다.
- 위의 결과에서 Sector nozzle의 경우가 Orifice nozzle에 비해 용존산소량의 감소율이 더 적게 나타났다. 이것은 Orifice nozzle(5mm)의 경우 발생되 마이크로버블의 양이 많지 않고, 7mm의 경우는 발생되는 큰 기포에 마이크로버블들이 흡착되 거나 합쳐지면서 전체적인 마이크로버블의 상승 속도 및 소멸되는 양이 증가하여 유지되는 시간이 감소하기 때문인 것으로 예측된다.
- 일반 기포에 비해 마이크로버블의 특성은 다음과 같다. 첫 번째, 마이크로버블은 수중에서 상승시간이 느려서 수중에서 오랫동안 지속할 수 있다. 두 번째, 마이크로버블은 프리-라디칼(Free-radical)로 인해 음전하의 성격을 띠어 흡착력을 가진다.
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