[논문]루버 집진기의 성능특성

우상희; 김종범; 박통일; 육세진; 권순박; 배귀남

doi:10.11629/jpaar.2016.12.1.011

루버 집진기의 성능특성
Performance Characteristics of Louver Dust Collectors 원문보기

Particle and aerosol research = 한국입자에어로졸학회지, v.12 no.1, 2016년, pp.11 - 20

우상희 (한국과학기술연구원 환경복지연구단) , 김종범 (한국과학기술연구원 환경복지연구단) , 박통일 (한국과학기술연구원 환경복지연구단) , 육세진 (한양대학교 기계공학부) , 권순박 (한국철도기술연구원 교통환경연구팀) , 배귀남 (한국과학기술연구원 환경복지연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

A large amount of wear dust generated during train operation is a major dust source in urban railway tunnels. To check possibility of a louver dust collector for the removal of dust in the railway tunnel, five louver dust collector models were designed and their performance was tested in a wind tunnel. JIS Z 8901 Class 8 dust was used as a test dust. Pressure drop and particle collection efficiency were evaluated with the face velocity ranging from 1 m/s to 4 m/s. At this low velocity range, particle collection efficiency of the louver dust collector was found to be insensitive to air velocity and design parameters. Pressure drop was under 40 Pa, and $PM_{10}$ and $PM_{2.5}$ collection efficiencies were approximately 50% and 30%, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2015). 본 연구에서는 5가지 루버 집진기 모형을 제작하여 루버 집진기가 전동차 하부에 부착되어 열린 공간에서 주행풍만으로 작동될 때 생기는 유입유량, 유동 저항 및 집진효율을 풍동실험을 통해 조사하였다.
본 연구에서는 루버 집진기가 열린 공간에서 무동력으로 작동할 때 각 형상변수가 유동저항과 집진효율에 미치는 영향을 분석하기 위해 그림 1과 같이 5개의 모델을 설계하여 제작하였다. 실험에 사용된 형상변수는 루버의 각도, 길이 및 개수이다.
본 연구에서는 항공기 터빈에 많이 쓰이는 루버 집진기의 적은 유동저항과 큰 먼지에 대한 높은 집진효율에 착안하여, 도시철도 전동차의 주행풍으로 작동하는 경우 주행풍의 열린 유동에 놓인 루버 집진기를 모사하기 위해 단면적이 6배 큰 풍동 내부에 루버 집진기 모형을 설치하여 압력손실 및 집진효율 성능을 평가하였다. JIS Z 8901 Class 8을 시험먼지로 사용하였고, 루버의 각도, 길이 및 개수를 변화시켜 5가지 모델을 설계하였다.

제안 방법

본 연구에서는 항공기 터빈에 많이 쓰이는 루버 집진기의 적은 유동저항과 큰 먼지에 대한 높은 집진효율에 착안하여, 도시철도 전동차의 주행풍으로 작동하는 경우 주행풍의 열린 유동에 놓인 루버 집진기를 모사하기 위해 단면적이 6배 큰 풍동 내부에 루버 집진기 모형을 설치하여 압력손실 및 집진효율 성능을 평가하였다. JIS Z 8901 Class 8을 시험먼지로 사용하였고, 루버의 각도, 길이 및 개수를 변화시켜 5가지 모델을 설계하였다.
풍동의 출구에 Balometer(TSI)를 부착하여 유량을 측정하였다. 루버 집진기 모형은 상하 2단으로 구성하였으며, 입구에 설치한 풍속계(Velocimeter, TSI)와 입구와 출구 근처에 설치한 압력공에 연결된 디지털차압계(Micromanometer, Furness Controls Inc.)로 루버 집진기 모형으로 유입되는 유량과 압력손실(유동저항)을 측정하였다.
루버 집진기 모형의 2,900 mm 상류에 먼지 발생기(Solid Aerosol Generator, TOPAS SAG410)를 설치하고, 시험먼지를 공급하여 집진효율을 평가하였다. 풍동의 단면에서 Re가 33,000–168,000으로 난류 영역이기 때문에 시험먼지가 시험단면에서 비교적 균일하게 분포하였을 것으로 추정하였다.
시험먼지는 JIS Z 8901 Class 8이었다. 루버 집진기 모형의 상류와 하류에서 OPC로 동시에 측정한 개수농도의 10분 평균으로부터 집진효율을 구하였다. 그림 6을 보면, 루버 집진기의 집진효율은 대체로 입경이 커짐에 따라 증가하고, 50% 집진효율이 되는 입경은 약 3 μm이다.
모델 1, 2, 3은 루버의 개수를 8개로 유지하며, 루버 각도가 42°, 52°, 62° 순으로 커지도록 설계하였다.
모델 1, 2, 3은 루버의 개수를 8개로 유지하며, 루버 각도가 42°, 52°, 62° 순으로 커지도록 설계하였다. 모델 4, 2, 5는 루버의 길이가 24, 37.5, 46 mm 순으로 길어지고, 루버의 개수가 10개, 8개, 5개 순으로 적어지도록 설계하였다.
풍동의 단면에서 Re가 33,000–168,000으로 난류 영역이기 때문에 시험먼지가 시험단면에서 비교적 균일하게 분포하였을 것으로 추정하였다. 모형의 입구와 출구에 ㄱ자 샘플링관을 설치하여 먼지농도를 측정하였다. 입구에 분기관을 이용하여 Optical Particle Counter(OPC, Grimm 1.
그림 3(a)에서 보듯이 10 μm 이상인 먼지의 개수가 상대적으로 매우 적어 시간에 따른 먼지 발생량의 편차가 크기 때문에 무게농도의 계산에서 제외하였다. 밀도를 알고 있는 JIS Z 8901 Class 8의 공기역학적 입경과 광학적 입경의 크기를 맞추어 APS와 OPC의 측정자료에서 일정 크기 이상의 입자만 포함시켰다. APS는 0.
, 2015). 송풍기 모터의 주파수를 변경하여 풍동으로 공급되는 시험유량을 조절하였다. 풍동의 출구에 Balometer(TSI)를 부착하여 유량을 측정하였다.
본 연구에서는 루버 집진기가 열린 공간에서 무동력으로 작동할 때 각 형상변수가 유동저항과 집진효율에 미치는 영향을 분석하기 위해 그림 1과 같이 5개의 모델을 설계하여 제작하였다. 실험에 사용된 형상변수는 루버의 각도, 길이 및 개수이다. 모델2를 기준으로 형상변수의 값을 변화시켰다.
모형의 입구와 출구에 ㄱ자 샘플링관을 설치하여 먼지농도를 측정하였다. 입구에 분기관을 이용하여 Optical Particle Counter(OPC, Grimm 1.109)와 Aerodynamic Particle Sizer(APS, TSI 3321)를 사용하여 동시에 측정하였고, 출구에서 동일 모델의 OPC로 먼지농도를 측정하였다. OPC로 측정한 자료는 루버 집진기의 입경별 집진효율을 계산하는데 사용되었고, APS로 측정한 자료는 시험먼지의 공기역학적 입경분포와 광학적 입경분포의 차이를 비교하는데 사용하였다.
전동차의 하부에서 평균 유속이 4–5 m/s 이므로(Bae et al., 2015), 풍동 시험단면의 유속을 4가지(2, 3, 4, 5 m/s)로 설정하여 시험하였으며, 이때 루버 집진기 모형의 유입 유속은 유동저항의 차이에 따라 1.2–3.5 m/s로 분포하였고, Re는 12,000–35,000 범위에 해당하였다.
송풍기 모터의 주파수를 변경하여 풍동으로 공급되는 시험유량을 조절하였다. 풍동의 출구에 Balometer(TSI)를 부착하여 유량을 측정하였다. 루버 집진기 모형은 상하 2단으로 구성하였으며, 입구에 설치한 풍속계(Velocimeter, TSI)와 입구와 출구 근처에 설치한 압력공에 연결된 디지털차압계(Micromanometer, Furness Controls Inc.

대상 데이터

10 μm 이상인 경우 먼지의 개수가 적고 시간에 따른 변동도 크므로, 시험먼지의 개수농도가 1개/cm3 이상인 10 μm 이하인 먼지만 집진효율의 계산에 사용하였다.
109)와 Aerodynamic Particle Sizer(APS, TSI 3321)를 사용하여 동시에 측정하였고, 출구에서 동일 모델의 OPC로 먼지농도를 측정하였다. OPC로 측정한 자료는 루버 집진기의 입경별 집진효율을 계산하는데 사용되었고, APS로 측정한 자료는 시험먼지의 공기역학적 입경분포와 광학적 입경분포의 차이를 비교하는데 사용하였다.
이러한 연구들은 강제 유동에 놓인 루버 집진기의 성능에 대한 결과이며, 무동력 상태로 운전되는 루버 집진기가 열린 유동에 놓였을 때 집진기로 유입되는 유량 및 성능은 연구된 바가 없다. 본 연구팀에서는 서울도시철도 5호선 구간에서 운행하는 전동차의 하부에 풍속계와 입자측정기를 장착하여 운행 중 유속 및 먼지 농도를 측정한 바 있는데(Bae et al., 2015), 직선구간과 곡선구간에서 전동차의 평균 운행속도는 각각 18.8, 15.4 m/s이고, 전동차의 하부에서 유속은 각각 4.9, 4.1 m/s이었다. 즉, 전동차 하부에서 유속은 전동차 운행속도의 약 1/4 수준이었다.
시험유속 및 루버 집진기의 모델에 따른 입경별 집진효율 곡선을 그림 6에 나타내었다. 시험먼지는 JIS Z 8901 Class 8이었다. 루버 집진기 모형의 상류와 하류에서 OPC로 동시에 측정한 개수농도의 10분 평균으로부터 집진효율을 구하였다.
시험먼지로는 JIS Z 8901 Class 8을 사용하였다. 그림 3(a)를 보면, OPC와 APS로 측정한 시험먼지의 피크 개수농도는 각각 약 0.

성능/효과

5 및 PM₁₀의 집진효율을 비교하여 그림 7에 나타내었다. 모델 2에 대해서 풍동의 유속을 2, 3, 4, 5 m/s로 변화시켰을 때 집진효율을 나타낸 그림 7(a)를 보면, 유속이 빨라질수록 PM₁₀의 집진효율은 50% 근처에서 소폭 감소하지만, PM_2.5의 집진효율은 약 30%로 거의 차이가 없다. 풍동의 유속이 4 m/s일 때 5가지 모델의 집진효율을 비교한 그림 7(b)를 보면, 모델별 차이는 크지 않고 PM₁₀의 집진효율은 47–54% 범위이고, PM_2.
풍동에서 루버 집진기의 모형으로 유입되는 유속은 주행풍 유속의 약 70–75%이고, 압력손실은 풍동의 유속이 2–5 m/s로 변할 때 8–40 Pa 범위이었다. OPC로 측정한 입경별 집진효율은 대체로 유속이 빨라질수록 증가하고, 루버 집진기 모형의 형상에 따른 차이는 크지 않았다. PM₁₀과 PM_2.
OPC로 측정한 입경별 집진효율은 대체로 유속이 빨라질수록 증가하고, 루버 집진기 모형의 형상에 따른 차이는 크지 않았다. PM₁₀과 PM_2.5의 집진효율은 유속 및 모델에 거의 무관하게 각각 50% 및 30% 근처이었다. 루버 집진기를 전동차의 하부에 장착하여 주행풍으로 미세먼지를 집진하고자 하면, 전동차 하부의 유속이 2 m/s 이상인 조건에서 50% 이상의 PM₁₀의 집진효율을 기대할 수 있을 것으로 예상된다.
그러므로 전동차 부착용 루버 집진기를 개발할 경우 루버의 각도는 52° 내외, 루버의 길이는 37.5 mm 내외, 루버의 개수는 8개 내외로 설정하여 형상을 설계하면, 집진효율이 50%가 되는 입경이 약 3 μm이고, PM10의 집진효율이 50% 이상인 성능을 얻을 수 있을 것으로 생각된다.
유속에 따른 집진효율은 3 μm 전후로 경향이 바뀌는데, 3 μm 이하에서는 미세한 차이이지만 유속이 빠를수록 집진효율이 증가하고, 3 μm 이상에서는 유속이 느릴수록 집진효율이 증가한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시철도 터널 내 먼지는 무엇으로 구성되어 잇는가?	, 2011). 도시철도 터널 내 먼지의 대부분은 철(철산화물)이고, 이 외에 망간, 크롬, 구리, 아연, 티타늄, 니켈, 크롬, 주석, 은, 안티몬 등도 일부 포함되어 있는 것으로 알려져 있다(Furuya et al., 2001; Johansson et al.
	도시철도에서 철 성분이 많이 포함된 먼지는 어떤 문제를 일으키는가?	전동차가 철로를 운행하면서 휠과 선로의 마찰에 의해 다량의 먼지가 발생되고, 터널 바닥에 퇴적되어 있는 먼지는 전동차에 의해 유도되는 바람에 의해 재비산되어 터널 내부의 공기오염을 악화시키는 것으로 알려져 있다. 철 성분이 많이 포함된 먼지는 터널에서 전동차 객실로 유입되어 승객의 건강에 나쁜 영향을 미칠 뿐만 아니라 전동차 운행 장비의 고장을 일으키는 원인이 된다.
	필터보다 관성 집진기가 터널 내 먼지 제거에 더 적절한 이유는?	먼지를 제거하는데 필터가 많이 사용되어 왔다. 고성능 필터는 100 nm 이하의 작은 입자에 대해서도 높은 집진효율을 나타내지만, 유동저항이 커서 유량을 처리하는데 많은 동력이 필요한 단점이 있다. 터널 내 먼지의 개수농도는 3.3 μm와 8 μm에서 피크를 나타내고, 무게농도는 더 큰 입경에서 피크를 나타낸다(Midander et al., 2012).

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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].

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