[논문]2 상 유동 및 물질전달 특성에 미치는 오리피스 노즐형상과 소요동력의 영향

양희천

doi:10.3795/ksme-b.2016.40.4.237

2 상 유동 및 물질전달 특성에 미치는 오리피스 노즐형상과 소요동력의 영향
Effect of Orifice Nozzle Design and Input Power on Two-Phase Flow and Mass Transfer Characteristics 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.40 no.4 = no.367, 2016년, pp.237 - 243

초록
AI-Helper

호기성 수처리 과정의 폭기에 소요되는 에너지의 이용효율을 높이기 위해서는 물질전달 특성뿐만 아니라 소요동력에 대한 연구가 필요하다. 본 논문은 수직 2 상 유동 및 물질전달 특성에 미치는 오리피스 노즐형상과 소요동력의 영향에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 측정 변수들을 이용하여 유량비, 소요동력, 물질전달 계수 그리고 물질전달 효율을 산출하였다. 소요동력이 커지면 물질전달 계수는 증가하는 반면에 유량비와 물질전달 효율은 감소하였다. 무차원 면적비가 작은 오리피스 노즐의 유량비, 물질전달 계수 및 효율이 높게 나타났다. 물질전달 특성에 미치는 유량비, 소요동력 그리고 프라우드 수의 영향을 평가하기 위한 실험식을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is necessary to investigate the input power as well as the mass transfer characteristics of the aeration process in order to improve the energy efficiency of an aerobic water treatment. The objective of this study is to experimentally investigate the effect of orifice nozzle design and input power on the flow and mass transfer characteristics of a vertical two-phase flow. The mass ratio, input power, volumetric mass transfer coefficient, and mass transfer efficiency were calculated using the measured data. It was found that as the input power increases the volumetric mass transfer coefficient increases, while the mass ratio and mass transfer efficiency decrease. The mass ratio, volumetric mass transfer coefficient, and mass transfer efficiency were higher for the orifice configuration with a smaller orifice nozzle area ratio. An empirical correlation was proposed to estimate the effect of mass ratio, input power, and Froude number on the volumetric mass transfer coefficient.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나 본 연구에서는 전동 모터-펌프의 구동에 필요한 전압과 전류를 직접 측정하여 수직 오리피스 노즐에서 구동유체의 압송에 소요되는 동력을 산출하였으며, 노즐의 설계형상과 소요동력이 2상 유동 및 물질전달 특성에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였다.

제안 방법

1 의 개략도에 나타낸 실험장치는 순환 수조, 전동 모터-펌프, 오리피스 노즐, 가시화 시스템, 제어 및 측정장치로 구성하였다.^(1,10,11) 전동 모터-펌프에 의해서 압송되는 구동유체인 물의 유량과 노즐 출구부에 형성된 부압에 의해 유입되는 부유체인 공기량은 각각 전자제어 유량계(Kometer, KTM-800)와 오리피스 공기유량계(Kometer, PPE-S)를 이용하여 측정하였다. 전자제어 유량계와 오리피스 공기유량계 정확도는 ±1.
^(1,11) 여기서 식 (1)과 같이 정의되는 오리피스 목의 무차원 면적비는 구동유체의 분사속도를 결정하는 변수로 유량비와 디퓨저부에서의 난류혼합에 영향을 미치는 중요한 설계변수이다. 따라서 본 연구에서는 무차원 면적비에 따른 유량비 차이를 고려하여 노즐 사양을 선정하였다.⁽¹¹⁾
물질전달 특성 실험에서는 0.96 m³ 용량의 순환 수조에 약 0.45 m³의 순수한 수돗물을 채우고, 이론적인 반응식으로 계산된 아황산나트륨과 촉매인 염화코발트를 주입하여 탈산소화시키는 비정상 재폭기 방법을 이용하였다. ^{(1,2,10,11,13)} 비정상 재폭기는 탈산소화시킨 실험수에 공기나 순수산소를 주입하여 용존산소가 포화상태에 이르도록 폭기하는 공정이다.
아크릴로 제작된 수조에 분출된 2상 유동의 정성적 가시화 이미지는 후면 조명조건에서 고속 카메라(Phantom Miro eX2)를 이용하여 초당 120 프레임 (120fps)의 속도로 촬영하였으며, 이미지 분석 시스템의 영상 이원화 기법을 이용하여 분석하였다. ^(1,10,11)
유동실험은 모터-펌프가 정상상태에 도달한 후에 실험변수에 따라 구동 및 부유체의 유량을 측정하는 과정으로 진행하였다.^(1,10,11) 측정된 구동 및 부유체의 유량과 오리피스 목에서의 물성치를 이용하여 식 (2)와 식 (3)으로 정의되는 유량비 및 프라우드(Froude) 수를 도출하였다.

성능/효과

관성력에 대한 중력의 비로 정의되는 프라우드 수는 폭기 공정에서 난류혼합과 기포의 체류시간에 영향을 미치는 중요한 변수이다.(12) 구동유량이 많아지거나 소요 동력이 증가하면 오리피스 목에서의 유속증가에 기인하여 프라우드 수가 커지게 된다. 소요동력이 동일한 조건에서는 오리피스 목의 직경이 작은 경우의 프라우드 수가 커지는 것을 알 수 있다.
소요동력이 커지면 노즐 목에서의 구동유체 유속증가에 기인하여 전단력과 난류혼합 효과가 증대되어 물질전달 저항이 감소하기 때문에 물질 전달 계수가 증가하였다. 또한 소요동력이 커지고 유량비가 감소하면 기포의 미세화 촉진과 확산도 증가에 기인하여 물질전달 계수가 증가하였다. 소요동력이 커지면 물질전달 계수의 증가율에 비해서 소요동력의 증가율이 크기 때문에 물질전달 효율은 감소하였다.
오리피스 목의 무차원 면적비가 작은 설계사양을 갖는 노즐의 유량비, 물질전달 계수 그리고 물질전달 효율이 높게 나타났다. 물질전달 특성에 미치는 유량비, 소요동력 그리고 프라우드 수의 영향을 평가하기 위한 실험식은 평균적으로 ±9%의 오차 범위에서 실험결과와 일치하였다.
구동압력이 증가하면 구동유체에 부가되는 에너지가 커지기 때문에 구동유체의 유량은 증가하며, 구동유체의 유량이 증가하면 오리피스 목에서 구동유체의 유속이 증가하여 부압이 커지기 때문에 유입되는 공기량도 증가하게 된다. 본 연구의 실험범위에서 3 종류의 노즐에 대해 비압축성 구동 유체의 유량은 평균적으로 약 1.88, 2.29, 2.18 배 정도 증가하는 반면에, 압축성 부유체인 공기의 유입량은 평균적으로 약 1.49, 1.63, 1.55 배 정도 증가하였다.
즉, 프라우드 수 증가로 소요동력이 커지면 구동 및 부유체의 유입량도 많아지지만 공기중 산소의 낮은 용해성으로 인해 소요동력의 증가율에 비해 물질전달 계수의 증가율이 낮기 때문이다. 본 연구의 실험범위에서 3종류 노즐의 평균적인 물질전달 효율은 각각 1.24, 3.47, 3.16 정도로 나타났으며, 동일한 프라우드 수 범위에서는 ON2노즐의 물질전달 효율이 ON1과 ON3노즐에 비해서 약 3배 및 1.5배 정도 높게 나타났다.
그러나 선단 도달거리 증대에 따른 물질전달율 감소효과보다 미립화 및 확산도 증대에 따른 물질전달율 증대효과가 더 크기 때문에 소요동력이 커지면 물질전달 계수가 증가하는 것으로 사료된다. 비소요 동력이 1.8 ~ 6 kW/m³인 조건에서 ON2 노즐의 평균적인 물질전달 계수는 약 13.6 h^-1이며, 이는 ON1과 ON3 노즐에 비해서 약 280%와 10% 정도 높은 결과임을 알 수 있다. 그러나 Fig.
소요동력이 커지면 물질전달 계수의 증가율에 비해서 소요동력의 증가율이 크기 때문에 물질전달 효율은 감소하였다. 오리피스 목의 무차원 면적비가 작은 설계사양을 갖는 노즐의 유량비, 물질전달 계수 그리고 물질전달 효율이 높게 나타났다. 물질전달 특성에 미치는 유량비, 소요동력 그리고 프라우드 수의 영향을 평가하기 위한 실험식은 평균적으로 ±9%의 오차 범위에서 실험결과와 일치하였다.

후속연구

한편 최근에 들어서 환경규제가 강화되고 에너지 가격의 상승으로 수처리 비용이 증가하는 추세이기 때문에 환경규제를 만족시키고 수처리 설비의 운전 비용을 절감할 수 있는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 에너지 소비량이 많은 폭기 공정의 에너지 이용효율을 높이기 위해서는 물질전달 특성뿐만 아니라 소요동력에 대한 보다 구체적인 연구가 필요하다. 그러나 소요동력에 대한 기존의 거의 대부분의 연구들은 베르누이 원리를 이용한 간접적인 방법으로 구동유체의 압송 또는 부유체의 압축에 필요한 수력학적 동력을 산출하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생물학적 처리기술의 특징은 무엇인가?	인구의 도시집중과 산업화로 인해 발생량이 증가하는 하∙ 폐수의 물리∙ 화학적 처리방법은 설비투자비가 적고 처리속도가 빠르다는 장점이 있지만, 처리약품 비용 등으로 인해 운전비용이 증가하고 재처리 과정에서 발생하는 슬러지 등과 관련하여 2차적인 환경오염을 유발하는 단점이 있다. 반면에 생물학적 처리기술은 미생물을 이용하여 오염물질을 환경에 무해한 성분으로 전환시키므로 2차 오염의 우려가 적어 생활하수의 2차 처리, 유기물을 함유한 산업폐수의 처리공정 등에 다양하게 활용되고 있다.(1)
	하∙ 폐수의 물리∙ 화학적 처리방법의 장점과 단점은 무엇인가?	인구의 도시집중과 산업화로 인해 발생량이 증가하는 하∙ 폐수의 물리∙ 화학적 처리방법은 설비투자비가 적고 처리속도가 빠르다는 장점이 있지만, 처리약품 비용 등으로 인해 운전비용이 증가하고 재처리 과정에서 발생하는 슬러지 등과 관련하여 2차적인 환경오염을 유발하는 단점이 있다. 반면에 생물학적 처리기술은 미생물을 이용하여 오염물질을 환경에 무해한 성분으로 전환시키므로 2차 오염의 우려가 적어 생활하수의 2차 처리, 유기물을 함유한 산업폐수의 처리공정 등에 다양하게 활용되고 있다.
	본 논문에서 수행한 수직 2 상 유동 및 물질전달 특성에 미치는 오리피스 노즐형상과 소요동력의 영향에 관한 실험의 결과는 어떠한가?	측정 변수들을 이용하여 유량비, 소요동력, 물질전달 계수 그리고 물질전달 효율을 산출하였다. 소요동력이 커지면 물질전달 계수는 증가하는 반면에 유량비와 물질전달 효율은 감소하였다. 무차원 면적비가 작은 오리피스 노즐의 유량비, 물질전달 계수 및 효율이 높게 나타났다. 물질전달 특성에 미치는 유량비, 소요동력 그리고 프라우드 수의 영향을 평가하기 위한 실험식을 제시하였다.

참고문헌 (13)

Kim, D. J., Peng, L. and Yang, H. C., 2015, "Effect of Input Power on Mass Transfer of Vertical Mixed Flow," Proceedings of the KSME 2015 Fall Annual Meeting, pp. 4059-4063
Park, S. K. and Yang, H. C., 2013, "Flow and Oxygen Transfer Characteristics in an Aeration System Using an Annular Nozzle Ejectors," Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 52, pp. 1756-1763.

상세보기
Yoon, A. H., Bae, J. H., Lim, H. W., Jun, H. B. and Huh, T. Y., 2011, "Effects of Energy Input and Air Flow Rate on Oxygen Transfer Rate at Different MLVSS in a Jet Loop Reactor (JLR)," J. Korean Soc. Environ. Eng., Vol. 33, No. 12, pp. 868-873.

원문보기 상세보기
Thakre, S. B., Bhuyar, L. B. and Deshmukh, S. J., 2008, "Effect of Different Configurations of Mechanical Aerators on Oxygen Transfer and Aeration Efficiency with respect to Power Consumption," I. J. Aero. Mech. Eng., Vol. 2, No. 2, pp. 100-108.
Levitsky, S. P., Grinis, L. N., Haddad, J. and Levitsky, M. P., 2005, "Water Oxygenation in an Experimental Aerator with Different Air/Water Interaction Patterns," HAIT J. Sci. Eng., Vol. B2, No. 1-2, pp. 242-253.
Garcia-Ochoa, F. and Gomez, E., 2009, "Bioreactor Scale-up and Oxygen Transfer Rate in Microbial Processes: An Overview," Biotechnol. Adv., Vol. 27, No. 2, pp. 153-176.

상세보기
Gourich, B., El Azher, N., Vial, C., Belhaj Soulami, M., Ziyad, M. and Zoulalian, A., 2008, "Influence of Operating Conditions and Design Parameters on Hydrodynamics and Mass Transfer in an Emulsion Loop-Venturi Reactor," Chem. Eng. Process., Vol. 46, No. 2, pp. 139-149.
Fadavi, A. and Chisti, Y., 2005, "Gas-Liquid Mass Transfer in a Novel Forced Circulation Loop Reactor," Chem. Eng. J., Vol. 112, No. 1, pp. 73-80.

상세보기
Cramers, P. H. M. R. and Beenackers, A. A. C. M., 2001, "Influence of the Ejector Configuration, Scale and the Gas Density on the Mass Transfer Characteristics of Gas-Liquid Ejectors," Chem. Eng. J., Vol. 82, No. 1-3, pp. 131-141.

상세보기
Kim, D. J., Park, S. K. and Yang, H. C., 2015, "Mixed Flow and Oxygen Transfer Characteristics of Vertical Orifice Ejector," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 1, pp. 61-69.

원문보기 상세보기
Kim, D. J. and Yang, H. C., 2015, "Mass Transfer Characteristics of Vertical Two-Phase Flows with Orifice Ejector," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 10, pp. 817-824.

원문보기 상세보기
Lima Neto, I. E., Zhu, D. Z. and Rajaratnam, N., 2008, "Horizontal Injection of Gas-Liquid Mixtures in a Tank," J. Hydraulic Research, Vol. 134, No. 12, pp. 1722-1731.

상세보기
Chern, J. M. and Yang, S. P., 2003, "Oxygen Transfer Rate in a Coarse-Bubble Diffused Aeration System," Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 42, pp. 6653-6660.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증