[논문]중앙구동 이젝터의 설계변수에 따른 유동특성

박상규; 양희천

doi:10.3795/ksme-b.2015.39.8.645

중앙구동 이젝터의 설계변수에 따른 유동특성
Flow Characteristics of Central-Driven Ejector with Design Parameters 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.39 no.8 = no.359, 2015년, pp.645 - 651

박상규 (전남대학교 기계설계공학부) , 양희천 (전남대학교 기계설계공학부)

초록
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본 논문은 중앙구동 이젝터의 유량비에 미치는 설계변수의 영향에 대한 연구를 목적으로 한다. 중앙구동 이젝터의 설계변수는 구동노즐 출구 단면적 및 거리비, 디퓨저 출구 단면적비로 설정하였다. 실험장치는 가변노즐 이젝터, 전동 모터-펌프, 구동유체 저장수조, 제어판넬 그리고 고속 카메라 시스템으로 구성하였다. 유량비는 실험변수에 따라 측정되는 유입 공기량과 구동유체인 물의 유량을 이용하여 도출하였다. 유량비는 구동노즐 거리비와 혼합관 길이비가 커지면 증가하는 반면에, 구동노즐 면적비와 디퓨저 출구 면적비가 커지면 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study is to experimentally investigate the effect of design parameter on the mass ratio of a central-driven ejector. The design parameters are the primary nozzle area and distance ratios, diffuser exit-area ratio and mixing-tube length ratio. The experimental setup was an open-loop continuous circulation system which has a movable nozzle ejector, an electric motor-pump, a water tank, a control panel and high-speed camera unit. We calculated the mass ratio using the measured primary and suction-flow rates with the experimental parameter of primary water-flow rate or pressure. The results showed that the mass ratio increased with the primary nozzle distance ratio and mixing tube length ratio, while the mass ratio decreased with the primary nozzle-area ratio and diffuser exit-area ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로 수중 용존산소 거동의 가장 중요한 변수가 공기의 유입 율 특성 임을 고려하여, 본 연구는 수평 방향으로의 수중용존산소 거동규명을 위한 1차적인 연구로 중앙구동형 물-공기 이젝터의 설계변수에 따른 유입율 특성 규명을 목표로 한다. 설계변수는 구동노즐 출구직경, 노즐출구와 혼합관 입구 사이의 거리, 디퓨저 확대각, 혼합관 길이이며, 실험변수는 구동유체의 유량 (또는 압력)으로 설정하였다.

가설 설정

7 은 이젝터의 디퓨저 출구 면적비 변화에 따른 유량비 특성을 나타낸다. 디퓨저의 출구 면적비가 증가하면 유량비는 감소한다. 이는 출구단면적이 넓어지면, 출구에서 유체의 운동량은 감소하는 반면에 압력 회복율은 증가하여 공기 유입량이 감소하기 때문이다.
이젝터의 부압부를 통해 유입되는 공기량은 오리피스 유량계(Kometer, DPE-S)를 이용하여 측정하였다. 전자제어 유량계와 오리피스 유량계의 정확도는 각각 ±1.0%와 ±2.0%이다. 제어부에 의해서 작동되는 5마력 용량의 3 상 유도전동기와 0.

제안 방법

일반적으로 수중 용존산소 거동의 가장 중요한 변수가 공기의 유입 율 특성 임을 고려하여, 본 연구는 수평 방향으로의 수중용존산소 거동규명을 위한 1차적인 연구로 중앙구동형 물-공기 이젝터의 설계변수에 따른 유입율 특성 규명을 목표로 한다. 설계변수는 구동노즐 출구직경, 노즐출구와 혼합관 입구 사이의 거리, 디퓨저 확대각, 혼합관 길이이며, 실험변수는 구동유체의 유량 (또는 압력)으로 설정하였다.
실험은 순환수조에 약 650리터의 수돗물을 채우고, 각각의 피치에서 펌프를 가동시킨 후 정상적인 유동상태에 도달하면 구동유체인 물의 압력 및 유량과 부유체인 공기의 유량을 일정한 간격으로 3회 측정하는 과정으로 이루어 지며, 각각의 피치에서 유량조절 밸브로 구동유체의 유량을 변화시키며 반복 실험을 수행하고, 이젝터의 설계변수에 따른 성능실험을 수행하였다.^(3,25)
이젝터의 주요 설계변수는 구동 노즐(primary nozzle) 출구직경, 흡입실(suction chamber) 축소각, 구동노즐 출구에서 혼합관 입구까지의 거리, 혼합관(mixing tube) 직경과 길이, 디퓨저 각도 및 길이 등이다. 이와 같은 설계변수를 고려한 이젝터의 성능검증을 위한 연구들은 구동노즐 면적비,^(12~15) 구동노즐 출구의 거리비,^(5,15~17)혼합관 길이비^(15,18,19)와 같은 무차원 변수 그리고 디퓨저의 사양^(15,18,20)에 따른 유량비와 효율 등에 대해 다양하게 수행되고 있다.

대상 데이터

또한 아크릴로 제작된 혼합관과 디퓨저 내의 유동특성에 대한 정성적 거동을 조사하기 위하여 이젝터 출구에서 분출되는 2 상유동의 가시화 이미지를 획득하였다. 정성적 가시화 이미지 획득에는 고속 카메라(Phantom Miro eX2)와 조명장치(ARRI)를 이용하였으며, 초당 120 프레임 (20fps)의 속도로 촬영하였다.
실험에 사용된 가변노즐 구조의 중앙구동 이젝터는 헤드부의 스크류를 이용하여 피치당 1.5mm 씩 구동노즐의 위치를 역방향으로 이동시킬 수 있도록 제작하였다. 따라서 실험결과 그래프에 나타낸 0.
이젝터의 구동노즐은 직경을 8.7, 11.4, 15.2mm, 디퓨저의 출구직경을 36, 42, 47mm, 혼합관의 길이는 130, 185, 240mm 로 제작하였다. 따라서 혼합관 길이가 130mm 인 3 가지 디퓨저에 대해 식 (1)과 같이 디퓨저 출구 단면적에 대한 혼합관 단면적의 비로 정의되는 디퓨저 출구 면적비는 1.

성능/효과

구동노즐 거리비가 증가하면 흡입실에서의 충돌손실 및 유동저항 감소와 혼합관 내에서 유입공기에 전달되는 운동량 증가에 기인하여 유량비가 증가하였다.
디퓨저의 출구 면적비가 증가하면 출구에서 유체의 운동량은 감소하고 압력 회복율은 증가하며, 출구각의 확대로 인한 확대부에서의 와류손실 증가에 기인하여 유량비가 감소하였다.
혼합관 길이비가 커지면 구동 및 유입유체의 원활한 혼합과 디퓨저 확대부에서 발생하는 와류손실의 감소에 따른 견인력 증가로 유량비가 증가하였다.

후속연구

결론적으로 고찰하면, 이젝터는 활용범위가 확대되고 있지만 성능에 영향을 미치는 변수가 많기 때문에 활용목적을 고려하여 구동 및 유입 물질의 종류에 따라 이젝터의 주요 구성 요소인 구동노즐, 흡입실, 혼합관 및 디퓨저의 최적 설계조건 도출을 위한 보다 다양한 검증연구가 필요한 것으로 판단된다.
67 배 정도 증가하면 유량비가 약 45% 정도까지 증가하지만, 거리비가 더 증가하면 유량비는 감소한다는 결과를 발표하였다. 이러한 결과들을 고찰하면, 이젝터의 설계사양과 구동 및 유입 물질의 성상에 따라서 성능변수에 대한 정량적 편차가 발생하기 때문에 적용성 및 타당성 검증을 위한 성능특성연구가 반드시 필요한 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이젝터는 무엇인가?	이젝터는 고압으로 분사되는 유체의 운동에너지를 이용하여 저압의 유체를 유입시키는 장치로, 구조가 단순하고 별도의 구동부가 없기 때문에 설치 및유지보수비가 저렴하며 반영구적인 장점을 갖고 있다. 또한 우수한 혼합 및 물질전달 특성으로 인해 산업 전반에 다양하게 활용되고 있다.
	이젝터는 어떻게 구성되는가?	또한 우수한 혼합 및 물질전달 특성으로 인해 산업 전반에 다양하게 활용되고 있다. 고속유체 분사노즐, 저압 유체 흡입부, 혼합부 및 확산부로 구성된 이젝터를 이용하여 기체와 액체의 혼합 및기체를 용해시키기 위한 공정은 화학공업, 수처리 산업, 양식업 등으로 활용 범위가 지속적으로 확대되고 있으며, (1~4) 최근에 들어서는 첨단산업과 생명공학 및 미생물산업 분야에서도 활발하게 연구가 수행되고 있다. (5~7)

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표제어: PCR

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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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