본 논문은 수직 오리피스노즐의 유동 및 물질전달 특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 구동유체 및 부유체의 유량, 용존산소 농도 그리고 소비 전력을 측정하였으며, 고속 카메라를 이용한 직접 촬영 기법으로 수직 혼합유동의 가시화 이미지를 획득하였다. 측정자료를 이용하여 질량비, 총괄 산소전달 계수 그리고 물질전달 성능계수를 도출하였다. 구동압력이 증가하면 질량비는 약간 감소하는 반면에, 산소전달 계수와 소비전력은 증가하였다. 구동압력이 증가하고 질량비가 작아지면, 기포의 미세화가 촉진되고 확산도가 증대되기 때문에 산소 전달율이 증가하였다.
본 논문은 수직 오리피스 노즐의 유동 및 물질전달 특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 구동유체 및 부유체의 유량, 용존산소 농도 그리고 소비 전력을 측정하였으며, 고속 카메라를 이용한 직접 촬영 기법으로 수직 혼합유동의 가시화 이미지를 획득하였다. 측정자료를 이용하여 질량비, 총괄 산소전달 계수 그리고 물질전달 성능계수를 도출하였다. 구동압력이 증가하면 질량비는 약간 감소하는 반면에, 산소전달 계수와 소비전력은 증가하였다. 구동압력이 증가하고 질량비가 작아지면, 기포의 미세화가 촉진되고 확산도가 증대되기 때문에 산소 전달율이 증가하였다.
Experiments were carried out to investigate the flow and mass transfer characteristics of an orifice nozzle. Measurements of primary and suction flow rates, dissolved oxygen concentration, and electric power were obtained. Vertically injected mixed-jet images were captured by a direct visualization ...
Experiments were carried out to investigate the flow and mass transfer characteristics of an orifice nozzle. Measurements of primary and suction flow rates, dissolved oxygen concentration, and electric power were obtained. Vertically injected mixed-jet images were captured by a direct visualization technique with a high speed camera unit. The mass ratio, volumetric mass transfer coefficient, and mass transfer performance were calculated using the measured data. As the primary flow pressure increases, the mass ratio decreases slightly, while the volumetric mass transfer coefficient and electric power increase. As the primary flow pressure increases and the mass ratio decreases, the mass transfer rate increases because of the fine bubbles and wider distribution of the bubbles.
Experiments were carried out to investigate the flow and mass transfer characteristics of an orifice nozzle. Measurements of primary and suction flow rates, dissolved oxygen concentration, and electric power were obtained. Vertically injected mixed-jet images were captured by a direct visualization technique with a high speed camera unit. The mass ratio, volumetric mass transfer coefficient, and mass transfer performance were calculated using the measured data. As the primary flow pressure increases, the mass ratio decreases slightly, while the volumetric mass transfer coefficient and electric power increase. As the primary flow pressure increases and the mass ratio decreases, the mass transfer rate increases because of the fine bubbles and wider distribution of the bubbles.
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문제 정의
(12) 또한 수처리 과정에서 기포 생성을 위한 폭기공정의 에너지 소비량이 전체 공정의 약 60~80% 정도에 이른다는 연구결과가 발표된바 있지만,(13) 폭기공정의 에너지 소비율에 대한 정량적 연구는 많지 않은 실정이다.(11,14,15) 따라서 본 연구는 상대적으로 기포밀도가 큰 수직 혼합유동의 유체역학적 거동과 물질전달 특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 이와 같은 목적을 위해 오리피스 노즐의 설계사양과 유동변수에 따른 유동 및 가시화 거동과 산소전달 및 소비전력 특성을 규명하였다.
오리피스 노즐의 설계사양과 구동압력을 변수로 수직 혼합유동의 유동 및 가시화 거동과 물질전달 및 소비전력 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 실험변수인 구동압력이 증가하면, 구동 및 부유체의 유량은 증가하지만 비압축성 구동유체와 압축성 부유체의 유입특성 차이에 기인하여 질량비는 약간 감소하였다.
(11,14,15) 따라서 본 연구는 상대적으로 기포밀도가 큰 수직 혼합유동의 유체역학적 거동과 물질전달 특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 이와 같은 목적을 위해 오리피스 노즐의 설계사양과 유동변수에 따른 유동 및 가시화 거동과 산소전달 및 소비전력 특성을 규명하였다.
제안 방법
(2,16) 5.5kW 용량의 3 상 유동전동기(Wilo, H5504K1)와 일체화된 수직 다단펌프에 의해서 가압되는 구동유체인 물의 유량은 전동기의 회전수 제어를 통해 조절하며, 전자제어 유량계(Kometer, KTM-800)를 이용하여 측정하였다.
오리피스 목의 면적비는 유량비에 영향을 미치는 중요한 설계변수이며, 디퓨저의 확대각은 2상 유동의 물질전달 특성에 대한 중요한 영향변수이다. 따라서 본 연구에서는 무차원 면적비와 디퓨저 출구각의 크기에 따른 유량비 차이를 고려하여 노즐 사양을 선정하였다.
5kW 용량의 3 상 유동전동기(Wilo, H5504K1)와 일체화된 수직 다단펌프에 의해서 가압되는 구동유체인 물의 유량은 전동기의 회전수 제어를 통해 조절하며, 전자제어 유량계(Kometer, KTM-800)를 이용하여 측정하였다. 또한 대기중에 노출되어 부압부에서 발생하는 부압의 크기에 따라 자연 유입되는 공기량은 오리피스 공기유량계(Kometer, PPE-S)로 측정하였다. 전자제어 및 오리피스 유량계 정확도는 각각 ±1.
수직 혼합유동의 산소전달 특성의 검증을 위해 수조 밑면으로부터 30cm, 측벽 중앙으로부터 20cm 떨어진 지점에 위치한 용존산소 측정기를 이용하여 10 초 간격으로 용존산소 농도를 측정하였다. 실험에서는 수조에 순수한 수돗물을 채우고, 이론적인 반응식으로 계산된 아황산나트륨과 촉매를 첨가하여 탈산소화시키는 비정상 재폭기 방법을 이용하였으며,(2,16,19,20) 산소 전달율은 총괄 산소 전달 계수와 산소 부족량의 함수로 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.
수직 혼합유동의 산소전달 특성의 검증을 위해 수조 밑면으로부터 30cm, 측벽 중앙으로부터 20cm 떨어진 지점에 위치한 용존산소 측정기를 이용하여 10 초 간격으로 용존산소 농도를 측정하였다. 실험에서는 수조에 순수한 수돗물을 채우고, 이론적인 반응식으로 계산된 아황산나트륨과 촉매를 첨가하여 탈산소화시키는 비정상 재폭기 방법을 이용하였으며,(2,16,19,20) 산소 전달율은 총괄 산소 전달 계수와 산소 부족량의 함수로 식 (4)와 같이 나타낼 수 있다.
유동실험은 전동기와 일체화된 펌프를 가동하여 정상상태의 유동조건에 도달한 후에 실험변수에 따라 구동유체인 물과 부유체인 공기의 유량을 측정하는 과정으로 진행하였다.(2,16) 측정된 구동유체와 부유체의 유량을 이용하여 이젝터의 중요한 성능변수로 식 (2)와 같이 정의되는 질량비(mass ratio)를 도출하였다.
9 는 측정한 전압 및 전류값을 이용하여 식 (3)에 의해 도출한 소비전력 변화를 나타낸다. 폭기 공정의 소비 에너지를 산출하기 위해 기존의 연구들(14, 15)에서는 베르누이 정리를 응용하는 간접적인 방법을 적용하였지만, 본 연구에서는 전동기 효율과 구동유체 유입에 소요되는 전압 및 전류를 직접 측정하여 산출하였다. 질량비는 상대적으로 낮지만 레이놀드 수가 가장 큰 OE5 노즐의 소비전력이 평균적으로 약 2.
대상 데이터
Fig. 1 의 개략도에 나타낸 실험장치는 전동모터-펌프, 오리피스 노즐, 고속 카메라, 폭기 수조, 유량계 등으로 구성하였다.(2,16) 5.
아크릴로 제작된 수조에 분출된 혼합유동의 정성적 거동을 조사하기 위하여 수조의 밑면 중앙부에 위치한 오리피스 노즐 출구에서 분출되는 혼합유동의 가시화 이미지를 획득하였다. 정성적 가시화 이미지는 고속 카메라(Phantom Miro eX2)와 조명장치(ARRI)를 이용하여 초당 120프레임 (120fps)의 속도로 촬영하였으며,(2,16) 이미지 분석시스템(17)의 영상 이원화(binarization)기법(18)을 적용하여 분석하였다.
이론/모형
정성적 가시화 이미지는 고속 카메라(Phantom Miro eX2)와 조명장치(ARRI)를 이용하여 초당 120프레임 (120fps)의 속도로 촬영하였으며,(2,16) 이미지 분석시스템(17)의 영상 이원화(binarization)기법(18)을 적용하여 분석하였다.
성능/효과
3(b)는 구동압력 변화에 따른 구동유체인 물과 부유체인 공기의 체적유량 변화를 나타낸다.(2) 구동압력이 증가하면, 구동유체에 전달되는 에너지가 커지기 때문에 구동유체의 유량은 증가하며, 동일한 압력에서 구동유체 유입부 직경과 오리피스 목의 직경이 커지면, 유동저항 감소로 구동유체의 유량은 증가하게 된다. 또한 구동유체의 유량이 증가하면 오리피스 목에서 유속은 커지지만, 베르누이 원리에 의해 압력은 감소하게 된다.
또한 OE2 와 OE3 노즐은 OE4 노즐의 약 9% 이하로 성능계수가 매우 작다는 것을 알 수 있다. 결론적으로 고찰하면, 구동유량에 의해 산출된 레이놀드수가 크고 오리피스 목의 면적비와 디퓨저 출구각이 상대적으로 작은 사양의 물질전달 성능계수가 높게 나타났다. 이는 레이놀드수 증대에 따른 소비전력 증가율에 비해서 전단작용과 난류혼합 효과에 기인한 물질전달 증가율이 더 커지기 때문인 것으로 판단된다.
실험변수인 구동압력이 증가하면, 구동 및 부유체의 유량은 증가하지만 비압축성 구동유체와 압축성 부유체의 유입특성 차이에 기인하여 질량비는 약간 감소하였다. 구동유체 유입부와 오리피스 목의 직경이 커지면, 구동유체와 부유체의 유입량은 증가하지만 질량비는 오리피스 목의 면적비와 디퓨저 출구각의 크기에 따라 변하는데, 면적비와 출구각이 작은 설계사양에서 질량비가 커지는 것을 알 수 있다. 구동압력 증가로 레이놀드 수는 커지고 질량비가 작아지면, 2상 사이의 전단작용과 난류혼합 효과가 커져서 기포의 미세화가 촉진되고 확산도가 증대되기 때문에 산소 전달율이 증가하였다.
오리피스 목의 면적비가 작아지면, 오리피스 목에서 구동유체의 출구속도 증가로 부압이 커지고, 디퓨저 출구각이 작아지면, 디퓨저 출구의 압력 회복율 감소로 부유체에 대한 견인력이 커지기 때문에 부유체의 유입량이 증가하게 된다. 따라서 본 연구결과에서는 면적비와 출구각이 두번째로 작은 OE4 노즐의 질량비가 평균적으로 약 0.5 정도로 가장 크게 나타났다. 이러한 결과는 Fig.
그러나 구동압력 증가에 따른 소비전력 증가율이 산소 전달율 증가량보다 커지면 물질전달 성능계수는 감소하는 것을 알 수 있다. 또한 레이놀드수가 크고 오리피스 목의 면적비와 디퓨저 출구각이 상대적으로 작은 사양의 물질전달 성능계수가 높게 나타났다.
본 연구의 구동압력 범위에서 평균적인 레이놀드 수가 2.31×105으로 가장 크고, 평균적인 질량비는 약 0.33 정도로 상대적으로 낮은 OE5 노즐의 산소전달 계수가 평균적으로 약 15.1h-1로 가장 크게 나타났다.
3kW로 가장 크고, 질량비가 가장 낮고 레이놀드수가 상대적으로 낮은 OE3 노즐의 소비전력이 가장 낮게 나타났다. 산소 전달계수와 소비되는 전력을 정량적으로 비교하면 , O E5 노즐의 산소전달계수는 OE4 노즐에 비해서 약 44% 정도 높지만 소비전력은 약 96% 정도 커서 소비전력 증가율이 상대적으로 크게 나타났다. 반면에 OE2 노즐의 산소 전달계수는 OE4 노즐에 비해 약 92% 정도 낮지만 소비전력은 약 14% 정도 작아서 소비전력 감소율이 상대적으로 적다는 것을 알 수 있다.
오리피스 노즐의 설계사양과 구동압력을 변수로 수직 혼합유동의 유동 및 가시화 거동과 물질전달 및 소비전력 특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 실험변수인 구동압력이 증가하면, 구동 및 부유체의 유량은 증가하지만 비압축성 구동유체와 압축성 부유체의 유입특성 차이에 기인하여 질량비는 약간 감소하였다. 구동유체 유입부와 오리피스 목의 직경이 커지면, 구동유체와 부유체의 유입량은 증가하지만 질량비는 오리피스 목의 면적비와 디퓨저 출구각의 크기에 따라 변하는데, 면적비와 출구각이 작은 설계사양에서 질량비가 커지는 것을 알 수 있다.
3(b)의 OE4와 OE5 노즐의 구동유체유량에 대한 부유체의 유입율 비교를 통해서 확인할 수 있다. 즉, 면적비와 출구각이 상대적으로 큰 OE5 노즐의 구동유체 유입량은 OE4 노즐에 비해서 평균적으로 약 2.1배 정도 많지만 부유체인 공기의 유입량은 평균적으로 약 1.4배 정도 많아서 상대적으로 OE4 노즐의 공기 유입율이 크다는 것을 알 수 있다. 한편 확대각은 가장 작지만 면적비가 가장 큰 OE3 노즐의 질량비가 평균적으로 약 0.
10 은 식 (6)과 같이 소비전력에 대한 선소전달 계수의 비로 정의되는 물질전달 성능계수를 나타낸다. 질량비가 가장 크고 레이놀드 수는 두 번째로 큰 OE4 노즐의 물질전달 성능계수가 평균적으로 약 9kW-1h-1 로 가장 높게 나타났다. 반면에 평균적인 성능계수가 약 6.
질량비는 상대적으로 낮지만 레이놀드 수가 가장 큰 OE5 노즐의 소비전력이 평균적으로 약 2.3kW로 가장 크고, 질량비가 가장 낮고 레이놀드수가 상대적으로 낮은 OE3 노즐의 소비전력이 가장 낮게 나타났다.
4배 정도 많아서 상대적으로 OE4 노즐의 공기 유입율이 크다는 것을 알 수 있다. 한편 확대각은 가장 작지만 면적비가 가장 큰 OE3 노즐의 질량비가 평균적으로 약 0.25 정도로 가장 낮고, 면적비 및 확대각의 증감비가 OE2 노즐과 거의 동일한 OE5 노즐의 질량비가 OE2 노즐에 비해 약 6% 정도 낮게 나타났다.
후속연구
(5) 따라서 미세기포 활용 공정의 핵심기술인 미세기포 발생기술의 진보뿐만 아니라 미세기포 혼합유동의 유체역학적 특성 및 현상학적 거동에 대한 연구도 필요하다. 특히 수처리와 관련된 환경분야에서 용존산소의 제어를 위해 공기를 물속에 주입하는 폭기(aeration) 장치의 설계 및 운용에 지대한 영향을 미칠 수 있는 변수의 최적화를 위해서는 미세기포 혼합유동의 수력학적 특성과 물질전달 현상에 대한 연구가 필요하다.
(5) 따라서 미세기포 활용 공정의 핵심기술인 미세기포 발생기술의 진보뿐만 아니라 미세기포 혼합유동의 유체역학적 특성 및 현상학적 거동에 대한 연구도 필요하다. 특히 수처리와 관련된 환경분야에서 용존산소의 제어를 위해 공기를 물속에 주입하는 폭기(aeration) 장치의 설계 및 운용에 지대한 영향을 미칠 수 있는 변수의 최적화를 위해서는 미세기포 혼합유동의 수력학적 특성과 물질전달 현상에 대한 연구가 필요하다.(2,6)
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미세기포 혼합유동의 활용기술은 어디에 사용되는가?
미세기포 혼합유동의 활용기술은 수중 용존 농도를 높이기 위한 공정뿐만 아니라 부유 입자 형태의 이물질을 부상시켜 제거하는 탁도제거 및 수질정화 공정에 이용된다. 수중 용존 산소율 향상은 각종 수생 동식물의 생존율 극대화 및 성장율 촉진에 따른 생산기간 단축으로 양식 및 수산업의 생산성을 높이는데 기여할 수 있다.
미세기포 혼합유동 기술을 활용하여 수중 용존 농도를 향상시키면 어떠한 효과를 볼 수 있는가 ?
미세기포 혼합유동의 활용기술은 수중 용존 농도를 높이기 위한 공정뿐만 아니라 부유 입자 형태의 이물질을 부상시켜 제거하는 탁도제거 및 수질정화 공정에 이용된다. 수중 용존 산소율 향상은 각종 수생 동식물의 생존율 극대화 및 성장율 촉진에 따른 생산기간 단축으로 양식 및 수산업의 생산성을 높이는데 기여할 수 있다. 또한 수질정화에 따른 수자원 이용효율 향상과 수처리 공정의 비용 절감이 가능하므로 미세기포 혼합유동 활용기술은 수환경 정화뿐만 아니라 건강 및 각종 세정분야까지 적용범위가 확대되고 있다.
부상분리는 어디에서 사용되는가?
미세기포을 이용한 수질정화 기술인 부상분리는 침전이 어렵거나 침전 시 2차 오염을 유발할 수 있는 물질을 분리하여 폐수를 정화하기 위한 공정에 사용되며, 해수담수화 공정과 같은 분야에서는 다양한 부유물질의 제거를 통해 후속 공정의 운전효율 향상과 운전시간 증대를 통해 전체 설비의 효율증대를 목적으로 이용된다(1,2).기포의 생성과 적용원리에 따라 다양하게 분류되는 부상분리 공정은 수처리 목적으로 가장 많이 응용되고 있으며, 2000 년대 이후에는 건강 및 의약분야 등으로 활용범위가 다양해지고 있다.
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