김인철
(Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Korea Marine and Ocean University)
,
김창구
(Creative Engineering Design Education Team of Offshore Plant Core Equipment, Korea Marine and Ocean University)
,
박성진
(Institute of Technology, NK Corp. Ltd.)
,
조동연
(Institute of Technology, NK Corp. Ltd.)
,
이영호
(Division of Mechanical & Energy Systems Engineering, Korea Maritime and Ocean University)
지구 환경오염문제가 대두되면서 세계 각국에서는 환경오염을 최소화하려는 움직임이 활발히 이루어지고 있다. 국제해사기구(IMO)에서는 해양 대기오염의 상당량이 선박에서 배출되는 배기가스에 의한 것으로 판단하고 있다. 이에 따라서 선진국을 중심으로 선박관련 환경규제 및 선박배기가스 배출기준이 점차적으로 강화되어 가고 있으며, 관련 기술개발이 급격하게 이뤄지고 있다. 본 연구에서는 연료유스크러버에 사용되는 노즐개발 및 분사노즐의 위치 선정을 위해 실험용 스크러버에서 PIV 실험을 통하여 노즐의 분사속도는 20.1 m/s, 분사각은 $66^{\circ}$을 확인을 하였다. 또한, CFD 해석을 통해 실험값과 비교 하였으며, 이 노즐을 실증 모델 스크러버 사이즈에 적용하여 스크러버에 고르게 분사시키기 위하여 여러 케이스를 적용하여 CFD해석을 진행하여 노즐의 위치를 선정 하였다.
지구 환경오염문제가 대두되면서 세계 각국에서는 환경오염을 최소화하려는 움직임이 활발히 이루어지고 있다. 국제해사기구(IMO)에서는 해양 대기오염의 상당량이 선박에서 배출되는 배기가스에 의한 것으로 판단하고 있다. 이에 따라서 선진국을 중심으로 선박관련 환경규제 및 선박배기가스 배출기준이 점차적으로 강화되어 가고 있으며, 관련 기술개발이 급격하게 이뤄지고 있다. 본 연구에서는 연료유 스크러버에 사용되는 노즐개발 및 분사노즐의 위치 선정을 위해 실험용 스크러버에서 PIV 실험을 통하여 노즐의 분사속도는 20.1 m/s, 분사각은 $66^{\circ}$을 확인을 하였다. 또한, CFD 해석을 통해 실험값과 비교 하였으며, 이 노즐을 실증 모델 스크러버 사이즈에 적용하여 스크러버에 고르게 분사시키기 위하여 여러 케이스를 적용하여 CFD해석을 진행하여 노즐의 위치를 선정 하였다.
Global warming has recently become an issue that has resulted in a growing trend to minimize environmental pollution. The International Maritime Organization (IMO) has shown that the majority of marine atmospheric pollution occurs as a result of emissions from marine vessels. Therefore, the environm...
Global warming has recently become an issue that has resulted in a growing trend to minimize environmental pollution. The International Maritime Organization (IMO) has shown that the majority of marine atmospheric pollution occurs as a result of emissions from marine vessels. Therefore, the environmental regulations and emission standards regarding marine vessels have gradually become stricter, and the research and development in this area is experiencing significant progress. In this study, a nozzle for a fuel oil scrubber was investigated using computational fluid dynamics (CFD) and particle imaging velocimetry (PIV). Experiments were conducted on scaled-down model of the scrubber to determine its performance, which was then compared with CFD results. Based on the experimental results, it was found that at a spray angle of $66^{\circ}$, the spray velocity at the nozzle was 20.1 m/s. From this comparison, a full-scale scrubber model was analyzed using CFD, and the effect of the positioning of the nozzle was studied.
Global warming has recently become an issue that has resulted in a growing trend to minimize environmental pollution. The International Maritime Organization (IMO) has shown that the majority of marine atmospheric pollution occurs as a result of emissions from marine vessels. Therefore, the environmental regulations and emission standards regarding marine vessels have gradually become stricter, and the research and development in this area is experiencing significant progress. In this study, a nozzle for a fuel oil scrubber was investigated using computational fluid dynamics (CFD) and particle imaging velocimetry (PIV). Experiments were conducted on scaled-down model of the scrubber to determine its performance, which was then compared with CFD results. Based on the experimental results, it was found that at a spray angle of $66^{\circ}$, the spray velocity at the nozzle was 20.1 m/s. From this comparison, a full-scale scrubber model was analyzed using CFD, and the effect of the positioning of the nozzle was studied.
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문제 정의
본 연구에서는 연료유 스크러버에 사용되는 노즐개발및 분사노즐의 위치 선정을 위한 CFD 해석 및 PIV실험을 진행하였다.
본 연구에서는 연료유 스크러버의 노즐개발을 위해 스크러버 내부의 분사 노즐의 위치선정을 위한 PIV 실험 및 CFD 해석을 진행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
4) 실증 모델 스크러버는 넓은 면적과 높은 높이를 가지므로 내부에 효과적으로 분사하기 위해서는 2단 멀티 노즐로 구성하여야 하며, 1단에 4개, 2단에 3개를 구성하였을 때에 대한 CFD해석을 수행하였다.
본 연구에서는 스크러버 내부의 노즐 배치에 따른 유동해석을 위해 상용코드인 ANSYS-CFX VER.13을 사용하여 수치해석을 수행하였다.
[6]은 형상비에 대한 연구를 진행 하였다. 이렇게 스크러버에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 본 연구에 앞서 선행 연구로 노즐의 스월각 및 노즐의 종류에 대한 CFD 해석을 진행하였다[7][8].
대상 데이터
Figure 10 (b)는 single stage multi nozzle을 적용한 스크러버의 계산격자를 보여 주고 있으며, tetra-prism mesh를 사용하여 약 5,000,000 노드로 구성하였다. Figure 10 (c)에서 보이고 있는 double stage multi nozzle을 적용한 스크러버의 계산격자 또한 tetra-prism mesh를 사용하였으며 격자의 수는 약 5,500,000노드로 각 단의 도메인을 구성하였다.
13을 사용하였으며, Figure 10 (a)에서는 PIV 실험과 비교·검토를 위해 Full cone type의 싱글 노즐을 적용한 스크러버의 계산격자를 보여주고 있다. Hexahedral mesh를 사용하여 전체 도메인을 약 530,000 노드로 구성하였다. Figure 10 (b)는 single stage multi nozzle을 적용한 스크러버의 계산격자를 보여 주고 있으며, tetra-prism mesh를 사용하여 약 5,000,000 노드로 구성하였다.
일반적으로 추적 입자는 산란성이 좋아야 하고 입자와 작동유체와의 밀도차가 될 수 있으면 작아서 추종성(traceability)이 우수하여야 한다. 본 실험에서는 이를 위하여 조명장치는 4W 출력의 레이저를 이용하였고, 직경 50~60 ㎛의 직경을 가지는 송화 가루를 추적 입자로 사용하였다. 영상입력장치는 1280(H) × 1024(V)의 고해상도를 가지는 디지털 고속도 카메라(Photron PCI)를 사용하였으며, 각종 전처리 및 후처리 조작은 전용 소프트웨어인 CACTUS 3.
또한, 스크러버는 기액의 흐름에 따라 향류(Counter flow), 병류(CO-Counter flow), 횡류(Cross flow)로 구분되며, 본 실험에 사용된 스크러버 내부 유증기의 흐름은 상단 방향으로 흐르며, 흡수액은 하단 방향으로 흐르는 향류 방식이다. 스크러버 내부상단에 설치되는 노즐은 선행연구를 통하여 Full cone 타입의 노즐을 선정하였으며, 이 노즐의 swirl angle은 23.7도, 출구에서의 분사 속도는 21.07m/s, k-factor값은 1.984이다[9]. 하단에서 유입되는 유증기는 이 실험 장치의 경우, 실제 유증기 대신 송풍기를 이용하여 공기로 대체하였으며, 하단부에 유증기와 흡수액의 접촉면적을 넓히기 위한 충전물이 배치되어 있다.
Figure 1은 Paticle Image Velocimetry(PIV) 실험을 위한 장치 구성 모델링이다. 스크러버와, 압력센서 및 유량계 등 각종 센서로 구성 되어있으며, PIV 계측이 가능하도록스크러버는 아크릴로 제작되었다. 또한, 스크러버는 기액의 흐름에 따라 향류(Counter flow), 병류(CO-Counter flow), 횡류(Cross flow)로 구분되며, 본 실험에 사용된 스크러버 내부 유증기의 흐름은 상단 방향으로 흐르며, 흡수액은 하단 방향으로 흐르는 향류 방식이다.
그리고 1m 높이 차이로 각 단이 스크러버 내부에 배치되어 있다. 해석 대상이 되는 스크러버는 실증 모델 크기와 동일한 직경 약 1m, 높이 2m 크기의 원통형이다.
Figure 7에서는 스크러버 내부의 유동해석을 위한 해석 대상으로 노즐부를 포함한 유체 영역의 3차원 형상을 보이고 있다. 해석 대상이 되는 스크러버의 크기는 실제 실험장치와 동일한 사이즈인 직경 500mm, 높이 550mm의 원통형이다.
이론/모형
Table 3에서 보이듯이 모든 계산은 정상상태 계산을 수행 하였으며, 계산수행에 이용한 난류모델로서는 SST 모델을 적용하였다. 계산 경계조건은 노즐의 입구에 10bar의전압력조건을 부여하였으며, 출구에는 압력조건으로 대기압의 압력값을 부여하였다.
영상입력장치는 1280(H) × 1024(V)의 고해상도를 가지는 디지털 고속도 카메라(Photron PCI)를 사용하였으며, 각종 전처리 및 후처리 조작은 전용 소프트웨어인 CACTUS 3.3을 이용하였다.
성능/효과
1) 노즐 분사 압력이 10bar일 때, 분사 유량값은 PIV 계측 및 CFD 해석에서 각각 7.5ℓ/min와 6.3ℓ/min의 결과를 보인다.
2) 노즐의 분사각은 PIV 실험 결과 66°임을 확인 할 수 있다.
3) 실험용 스크러버의 멀티 노즐 배치는 case1과 같이 4개의 노즐로 구성되어 배치하였을 때 가장 효과적으로 스크러버 내부에 분사됨을 보인다.
Figure 13은 PIV와 CFD를 통한 노즐 입구 압력값에 따른 분사 유량 값을 비교한 그래프이다. 분사 유량 값은 CFD 해석에서 노즐 설계 분사 유량인6.7ℓ/m와 비슷한 6.3ℓ/min의 결과를 보이나, PIV 실험에서는 보다 높은 값인 7.5ℓ/m임을 보인다. Figure 14에서는 single stage multi nozzle이 적용된 스크러버의 CFD 해석을 수행한 결과로 water volume fraction을 이용한 케이스에 따른 분사 형태를 보인다.
(b)는 노즐만 단독으로 구동되어 상단(물)에서만 유체가 분사되는 상태의 평균속도 벡터장이며, (c)는 송풍기만 단독으로 구동되어 하단(공기)에서만 유체가 분사되는 상태의 평균속도 벡터장이다. 최고 속도는 노즐의 출구단에서 가장 속도가 빠르며, 점점 속도가 느려짐을 확인할 수가 있었다. 그리고 노즐의 분사각은 스크러버의 모든 면적에 분사가 되는 것을 확인 하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
세계 각국에서는 환경오염을 최소화하려는 움직임이 활발히 이루어지고 있는 이유는?
지구 환경오염문제가 대두되면서 세계 각국에서는 환경오염을 최소화하려는 움직임이 활발히 이루어지고 있다. 국제해사기구(IMO)에서는 해양 대기오염의 상당량이 선박에서 배출되는 배기가스에 의한 것으로 판단하고 있으며, 이에 따라 선진국을 중심으로 선박관련 환경규제 및 선박배기가스 배출기준을 점차적으로 강화해 가고 있다[1].
스크러버의 노즐 선택에 있어서 분사각이 가장 중요한 요소인 이유는?
스크러버는 노즐의 분사면적이 스크러버 내의 모든 면적에 고르게 분사되어야 하기 때문에 노즐 선택에 있어서 분사각은 가장 중요한 요소 중의 하나이다.
Paticle Image Velocimetry(PIV) 실험을 위한 장치는 무엇으로 구성되는가?
Figure 1은 Paticle Image Velocimetry(PIV) 실험을 위한 장치 구성 모델링이다. 스크러버와, 압력센서 및 유량계 등 각종 센서로 구성 되어있으며, PIV 계측이 가능하도록스크러버는 아크릴로 제작되었다. 또한, 스크러버는 기액의 흐름에 따라 향류(Counter flow), 병류(CO-Counter flow), 횡류(Cross flow)로 구분되며, 본 실험에 사용된 스크러버 내부 유증기의 흐름은 상단 방향으로 흐르며, 흡수액은 하단 방향으로 흐르는 향류 방식이다.
참고문헌 (10)
G. Y. Jeong, C. D. Park , B. J. IM, and J. U. Bae, "The development and market trends of marine SCR," Machinery and materials, Korea institute of Materials Science, vol. 24, no. 2, pp. 18-26, 2012.
J. N. Armor, "Catalytic reduction of nitrogen oxides with methane in the presence of excess oxygen: a review," Catalysis Today, vol. 26, no. 2, pp. 147-158, 1995.
K. A. Bethke, H. C. Kung, M. Yang, M. Shah, D. Alt, C. Li, and H. H. Kung, "Metal oxide catalysts for lean $NO_X$ reduction," Catalysis Today, vol. 26, no. 2, pp. 169-183, 1995.
J. Y. Kim, C. G. Kim, K. W. Jang, K. W. Lee, K. W. Lee, and Y. H. Lee, "A study on the performance analysis and flow characteristics of the nozzle for fuel oil scrubber," Proceedings of the KOSME fall Conference, pp. 113, 2011.
K. Brown, W. Kalata, and R. Schick, "Optimization of $SO_2$ Scrubber Using CFD Modeling," Procedia Engineering, vol. 83, pp. 170-180, 2014.
K. Son, J. Y. Lee, and K. H. Park, "The effect of spray flow rate, aspect ratio, and filling rate of wet scrubber on smoke reduction," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 39, no. 3, pp. 217-222, 2015.
I. C. Kim, K. W. Lee, and Y. H. Lee, "Numerical analysis of spray characteristics with hollow cone type nozzle at varied swirl vane angle for fuel oil scrubber," Proceedings of the KOSME fall Conference, pp. 305, 2012.
I. C. Kim, K. W. Lee, and Y. H. Lee, "Flow analysis using CFD for the selection of Nozzle position of the Spray Distributor," Proceedings of the KOSME spring Conference, pp. 265, 2013.
I. C. Kim, K. W. Lee, and Y. H. Lee, "Flow analysis using CFD for the selection of Nozzle position of the Spray Distributor," Proceedings of the Korean Society of Marine Engineering Spring Conference, pp. 265, 2013.
J. Y. Kim, A Study on the Flow Characteristics of the Marine Ship Fuel Oil Scrubber by CFD and Experiment, M.S Thesis, Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Korea Maritime and Ocean University, Korea, 2012.
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