[논문]TPU 재질을 적용한 다목적 고액분리 모듈의 여과판 구조해석

정희숙; 오두영; 고동신; 송형운

doi:10.17137/korrae.2017.25.1.5

TPU 재질을 적용한 다목적 고액분리 모듈의 여과판 구조해석
Structural Analysis of TPU Membrane Plate in Multi-purpose Module for Solid-liquid Separation 원문보기

유기물자원화 = Journal of the Korea Organic Resources Recycling Association, v.25 no.1, 2017년, pp.5 - 13

정희숙 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링본부) , 오두영 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링본부) , 고동신 (고등기술연구원 산연협력센터) , 송형운 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링본부)

초록
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기존 국내 여과판의 재질은 주로 polypropylene 소재의 여과판을 사용하였으며 그 이유는 성형성이 좋고, 가격이 저렴하며 매우 보편적으로 보급된 소재이기 때문이다. 그러나 고압에 의해 한번 뒤틀려진 polypropylene 소재 여과판은 재사용이 어려우며 가압형 고액분리모듈의 연속 운전에 문제를 야기할 수 있다. 따라서 기존 polypropylene 소재보다 성능이 뛰어난 TPU(Thermoplastic Poly Urethane) 소재개발을 위해 새로운 소재에 대해 설계된 여과판의 구조적 안정성을 해석적 기법을 통해 예측하였다. 20 bar의 압력하중 하에서 TPU를 적용한 여과판은 최대 변형량이 27.85 MPa로 나타났으며 이 값은 TPU 응력-변형률(Stress-Strain) 한계치 이하 값으로 여과판 재질에 대한 구조적 안정성을 확보하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Polypropylene is the main existing material in the domestic market being used for the filter plate because of its moldability, low cost, and commercial availability. Polypropylene filter plate once distorted due to the high-pressure during operation may cause the problem in the continuous operation of the solid-liquid separation module. Thermoplastic Poly Urethane (TPU) can be a high-performance alternative material for the filter plate in the solid-liquid separation module of the dehydration process. Hence, to predict and evaluate the TPU for structural stability in the filter plate through analytical techniques designed and experimental verification is essential. As a result, TPU filter plate had maximum strain of 27.85 MPa at 20 bar pressure condition. This result is less than TPU stress-strain limit, which ensures the structural stability of the TPU material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 구조해석에 의해 최적화한 1000×1000 여과판의 설계모델에 대해 기존에 주로 사용했던 Polypropylene 재질과 새롭게 TPU 재질을 적용했을 때를 비교평가하고, 20 bar로 압력하중에서의 구조적 특성변화를 고찰하였다.
본 연구에서는 다목적 여포이동식 고액분리모듈에 사용되는 1000×1000 여과판을 재질에 따른 구조적 특성을 평가하기 위해 polypropylene와 TPU 각각의 재질을 적용한 여과판의 구조해석을 수행하였다.
그러나 고압에 의해 한번 뒤틀려진 polypropylene 소재의 여과판은 재사용이 어려우며 가압형 고액분리모듈의 연속운전에 문제를 야기할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 polypropylene 소재의 대체 소재로서 내구성이 강한 열가소성폴리우레탄(TPU)을 membrane의 소재로 적용하여 polypropylene을 적용하였을 경우와 구조적 특성을 비교 평가하고자 한다⁶⁾.

가설 설정

5]는 polypropylene과 TPU의 인장강도시험을 통해 얻은 데이터를 응력-변형률(StressStrain) 곡선으로 나타낸 그래프이다. Polypropylene은 plastic 재질이기 때문에 대변형이 없으므로 인장강도시험을 통해 얻은 데이터를 바로 적용하여 선형해석을 수행하였으며 TPU는 hyper elastic이기 때문에 대변형을 가정하여 Ogden모델을 적용하였다. 따라서 본 연구에서는 재료를 비선형으로 가정하고 비선형해석을 수행하였으며 구조해석을 위해 구조해석프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.
Polypropylene은 plastic 재질이기 때문에 대변형이 없으므로 인장강도시험을 통해 얻은 데이터를 바로 적용하여 선형해석을 수행하였으며 TPU는 hyper elastic이기 때문에 대변형을 가정하여 Ogden모델을 적용하였다. 따라서 본 연구에서는 재료를 비선형으로 가정하고 비선형해석을 수행하였으며 구조해석을 위해 구조해석프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.

제안 방법

Case 3과 4 는 현장에서 적용되는 최대변형 범위인 40 ㎜ contact 조건을 설정하여 해석하였다. 40㎜의 contact 조건에서 Polypropylene 재질과 TPU 재질을 각각 적용했을 때를 비교평가하고, 20bar로 압력하중에서의 구조적 특성변화를 고찰하였다[Fig.8].
Membrane을 제외한 부분은 모두 polypropylene 재질을 적용하고 membrane은 기존에 주로 사용하는 polypropylene과 TPU 재질을 각각 적용하여 구조해석을 수행하였다.
polypropylene 재질을 적용한 1000×1000 여과판 구조해석결과는 20 bar의 압력하중에 대한 구조적인 특성을 확인하였다11).
구조해석에서 사용된 기하모델에서는 inlet socket을 생략하고 구속조건으로 설정하였다. 설계된 여과판은 비선형 해석조건으로 구조적 변형특성을 평가하였다.
설계된 여과판은 비선형 해석조건으로 구조적 변형특성을 평가하였다. 또한 최대변형조건으로 membrane에서 40 ㎜거리에 있는 접촉면을 생성하여 최대변형조건을 주었을 때 변화추이를 확인하였다. 1000×1000사이즈 여과판의 구성된 기하모델은 여과판 geometry model로서 [Fig.
본 연구에서는 실제 현장에서 여과판을 고정시키는 범위인 40 ㎜ 조건의 contact wall을 생성하여 contact 조건의 유무와 membrane재질의 종류에 따라 4 case구조해석을 수행하였다. [Table 3]에 해석모델에 대한 design variable 조건을 나타내었다.
구조해석에서 사용된 기하모델에서는 inlet socket을 생략하고 구속조건으로 설정하였다. 설계된 여과판은 비선형 해석조건으로 구조적 변형특성을 평가하였다. 또한 최대변형조건으로 membrane에서 40 ㎜거리에 있는 접촉면을 생성하여 최대변형조건을 주었을 때 변화추이를 확인하였다.
수행하고자 하는 여과판의 구조 해석절차는 [Fig. 1]에 나타낸 바와 같이 기하모델을 생성하고, 생성된 기하모델을 토대로 유한요소모델을 구축해서 여과판이 받는 압력하중 및 경계조건을 부여하여 구조해석을 수행한다. 여과판이 받는 20 bar의 실제 압착압력조건을 적용하고 고정되어 있는 지지판의 가장자리를 경계조건으로 부여하여 구조해석을 수행함으로써 설계된 여과판의 구조적인 특성변화를 평가하였다.
이에 따라 여포이동식 고액분리모듈에 사용되는 1000×1000 여과판의 형상에 작용하는 20Bar의 압력에 의한 구조적 특성변화를 고찰하였다. 실제 현장에서 여과판의 양옆이 고정되는 조건인40 ㎜ contact 조건의 유무와 Polypropylene과 TPU 재질 조건을 적용한 모델에 대해 비교 평가하였으며 그 결과는 다음과 같다.
여과판의 구조해석을 수행하기 위해서 구조해석을 위한 하중조건 및 구속조건을 적용하였다. 여과판에 작용하는 20 bar의 압력하중조건을 적용하였고, 경계조건으로는 여과판의 구조가 대칭구조이기 때문에 symmetry 조건을 적용하였으며, 여과판을 지지하는 여과판의 base판 테두리부분과 여과판 중앙 socket 부분은 완전히 고정하였다.
여과판의 구조해석을 수행하기 위해서 구조해석을 위한 하중조건 및 구속조건을 적용하였다. 여과판에 작용하는 20 bar의 압력하중조건을 적용하였고, 경계조건으로는 여과판의 구조가 대칭구조이기 때문에 symmetry 조건을 적용하였으며, 여과판을 지지하는 여과판의 base판 테두리부분과 여과판 중앙 socket 부분은 완전히 고정하였다.
1]에 나타낸 바와 같이 기하모델을 생성하고, 생성된 기하모델을 토대로 유한요소모델을 구축해서 여과판이 받는 압력하중 및 경계조건을 부여하여 구조해석을 수행한다. 여과판이 받는 20 bar의 실제 압착압력조건을 적용하고 고정되어 있는 지지판의 가장자리를 경계조건으로 부여하여 구조해석을 수행함으로써 설계된 여과판의 구조적인 특성변화를 평가하였다.
이에 따라 여포이동식 고액분리모듈에 사용되는 1000×1000 여과판의 형상에 작용하는 20Bar의 압력에 의한 구조적 특성변화를 고찰하였다.

대상 데이터

또한 여과판 유한요소모델은 모두 3차원요소를 이용하여 구성하였다. 구성된 유한요소모델의 node 수는 142,608개, element수는 130,825개로 구성하였다. [Fig.

이론/모형

. 따라서 본 연구에서는 Ogden 모델식을 여과판의 구조해석에 적용하였으며 Ogden모델은 식 (6)과 같다.
비선형재료 물성 값으로는 Ogden모델을 이용하였고, 유한요소해석의 비선형재질상수를 이용하기 위하여 인장시험 등을 통해 얻은 데이터를 비선형 재질상수에 적용하였다. [Table 2]에 Ogden함수의 비선형재료상수를 나타내었다.

성능/효과

1. Polypropylene재질을 적용한 1000×1000 여과판의 구조해석 결과, 경계조건에 대한 민감도 분석을 통한 구조적 특성을 검토하였을 때 전반적으로 최대응력이 높게 나타나기 때문에 재질강성에 대한 보강이 필요하다.
2. TPU 재질을 적용한 1000×1000 여과판구조해석결과, contact 조건을 주었을 때 최대응력이 27.85 MPa로 기존 Polypropylene 재질에 비해 약 8배 이상 감소한 결과를 나타내었으며 TPU 재질을 적용하면 재질에 대한 강성을 높이는데 유리할 것으로 판단된다.
3. 또한 TPU 재질을 적용하였을 때 최대 변형량을 갖는 부분이 TPU 응력-변형률(Stress-Strain) 한계치인 348.84 MPa에 도달하지 못하였으며 이결과는 TPU 재질이 갖는 한계변형률보다 낮은 값으로서 20 bar의 압력하중을 적용하였을 때 설계된 여과판의 TPU 재질에 대한 구조적 안정성을 확보하였음을 의미한다.
4. 실제 필터프레스의 조건과 동일하게 여과판양사이드의 최대변위를 40 ㎜로 제약하여 적용하였을 때, Membrane의 압력분포가 고르게 분포되었으며, 이는 실제현장에서 탈수에 적용하였을 때 고른 압력분포를 갖게 하여 여과 효율적인 측면에서 긍정적일 것으로 판단된다.
Polypropylene재질을 적용한 40 ㎜ contact 조건에서 여과판의 최대응력은 여과판중앙부와 여과막 테두리부분에서 230 MPa을 나타났다. 그 결과, 20 bar 압력을 받을 때 여과판중앙부와 membrane 테두리부분이 응력이 집중되는 것을 확인하였다.
Polypropylene재질을 적용한 40 ㎜ contact 조건에서 여과판의 최대응력은 여과판중앙부와 여과막 테두리부분에서 230 MPa을 나타났다. 그 결과, 20 bar 압력을 받을 때 여과판중앙부와 membrane 테두리부분이 응력이 집중되는 것을 확인하였다. 또한 membrane 테두리 부분의 응력이 여과판의 중심을 기준으로 대각선 방향과 수직방향이 다르게 분포하는 것을 알 수 있다.
따라서 구조해석을 통해 최적화된 여과판은 중앙부의 구조를 변형하였을 경우, 굴곡을 줄여주고 소켓과 맞닫는 부분에 여유공간을 줌으로써 최대응력을 줄여줄 수 있었다. 중심부의 구조에서 굴곡을 최대한 줄여주고 20 bar의 압력을 받았을 때 중앙소켓에 의한 edge를 감소시킬 수 있게 해주었기 때문으로 판단된다.
또한 [Fig. 10]에서 보듯이 Contact 조건의 설정하였을 때 최대 변형량을 확인해보면, 기존 polypropylene 재질을 적용한 구조해석 결과에서 보다 최대 변형범위 설정 시 변형량이 고르게 분포하는 것으로 나타났다. 붉은색으로 표현된 부분이 여과판이 변형을 일으킨 부분이며 변형한계 조건인 벽과 맞닿는 부분으로 붉은색은 최대 변형된 부분을 나타낸다.
붉은색으로 표현된 부분이 여과판이 변형을 일으킨 부분이며 변형한계 조건인 벽과 맞닿는 부분으로 붉은색은 최대 변형된 부분을 나타낸다. 여과판 재질을 TPU로 변경하면서 여과판중앙부의 응력은 감소하면서 중앙부까지 고르게 압력분포를 갖는 것을 알 수 있었다. 이것은 실제 현장에서 탈수에 적용하였을 경우 여과판의 압력분포가 고르게 분포되어 여과효율측면에서 긍정적인 결과이다.
84 MPa에 도달하지 못한 값임을 알 수 있다. 이 결과는 TPU 재질이 갖는 한계변형률보다 작은 값으로서 20 bar의 압력하중을 적용하였을 때 설계된 여과판의 TPU 재질에 대한 구조적 안정성을 확보하였음을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬러지란?	그러므로 현시점에서는 슬러지 처리를 위한 탈수, 건조, 소각, 용융, 퇴비화 등과 같은 환경 친화적인 고효율 처리공정들이 절대적으로 요구된다. 슬러지는 다양한 하⋅폐수처리 단계에서 침강되어 생성되는 수분을 다량 함유한 고형물질이다4). 이러한 슬러지 발생량은 단계별 처리공정의 강화로 인해 지속적으로 증가하고 있는 추세이다.
	탈수공정에서 사용되는 여과판이 탈수효율적인 측면에서 매우 중요한 부품인 이유는?	국내에서 발생하는 슬러지는 다량의 수분에 유기물 함량이 낮으므로 직접 소각과 같은 열적 처리는 어려운 실정이다. 탈수공정에 의해서 슬러지의 함수율을 최대한 낮출 경우 파생되는 장점은 부피 감량으로 인해 운반 및 처리 비용의 절감과 건조⋅소각 시 에너지절약 그리고 매립에 의한 침출수 발생의 감소 효과 등을 기대 할 수 있다. 이러한 탈수공정에서 사용되는 여과판은 탈수효율적인 측면에서 매우 중요한 부품이다.
	슬러지 처리를 위한 환경 친화적인 고효율 처리공정에는 어떤것들이 있는가?	2012년부터 하수슬러지, 가축분뇨의 해양배출이 금지되고 2013년부터 음식물류 폐기물 폐수의 해양배출처리가 전면 금지됨에 따라 안전하고 적절한 육상처리방안의 모색이 필요하다1,2,3). 그러므로 현시점에서는 슬러지 처리를 위한 탈수, 건조, 소각, 용융, 퇴비화 등과 같은 환경 친화적인 고효율 처리공정들이 절대적으로 요구된다. 슬러지는 다양한 하⋅폐수처리 단계에서 침강되어 생성되는 수분을 다량 함유한 고형물질이다4).

참고문헌 (12)

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표제어: PCR

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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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