[논문]초음파 미립화 노즐의 분무 특성에 미치는 주요 인자의 영향

정선용; 이계복

doi:10.5762/kais.2017.18.6.1

초음파 미립화 노즐의 분무 특성에 미치는 주요 인자의 영향
Effect of Major Factors on the Spray Characteristics of Ultrasonic Atomizing Nozzle 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.6, 2017년, pp.1 - 7

초록
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분무식 노즐(spray nozzle)은 액체의 표면을 증가시키기 위해 에너지를 공급하여 액체를 다수의 액적으로 미립화시키는 장치로 연소과정에서의 연료의 미립화 또는 표면이나 입자의 코팅 등 여러 산업분야에 다양한 목적으로 응용된다. 초음파 미립화 노즐은 진동 발생장치로부터 고진동수의 전기에너지를 받아 같은 진동수의 기계적 에너지로 변환시키는 변환기를 갖고 있다. 변환된 에너지를 액체에 부가하여 고주파 진동에 의해 미세한 액적을 생성하여 분사한다. 코팅작업에서 가압되지 않은 저속의 분무는 액적이 튕겨나가지 않고 표면에 달라붙어 과도하게 분사되는 양을 줄일 수 있다. 초음파 미립화 노즐은 초음파 진동부 외벽에 공기를 공급해 줄 수 있는 공간을 통해 생성된 보조 공기흐름을 이용하여 저속의 액적을 운반하여 분무특성이나 분무형상을 조절할 수 있다. 따라서 주위 공기의 흐름을 이용하여 원하는 분무특성을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 액적의 분사 운동을 모사하기 위해 라그랑지안 분산상 모델(DPM)을 적용한 상용코드 FLUENT를 사용하여 액적 주위의 공기흐름을 동반하는 초음파 미립화 노즐을 해석하였다. 노즐 수축부 형상, 액적의 크기 그리고 공기 측 압력차의 크기를 변화시키며 수치해석을 수행하여 코팅용 분무를 위한 최적 조건을 연구하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The atomization of a liquid into multiple droplets has many important industrial applications, including the atomization of fuels in combustion processes and coating of surfaces and particles. Ultrasonic atomizing nozzle has a transducer that receives electrical input in the form of a high frequency signal from a power generator and converts that into mechanical energy at the same frequency. Liquid is atomized into a fine mist spray using high frequency sound vibrations. In coating applications, the unpressurized, low-velocity spray reduces the amount of overspray significantly because the droplets tend to settle on the substrate, rather than bouncing off it. The spray can be controlled and shaped precisely by entraining the slow-moving spray in an ancillary air stream using specialized types of spray-shaping equipment. The desired patterns of spray can be obtained using an air stream. To simulate the water mist behavior of an ultrasonic atomizing nozzle using an air stream, the Lagrangian dispersed phase model was employed using the commercial code FLUENT. The effects of the nozzle contraction shape, water droplet size and the pneumatic pressure drop on the spray characteristics were investigated to obtain the optimal condition for coating applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 외부에서 진동장치에 의한 기계적 에너지를 코팅액에 부가하기 위해 초음파를 이용하여 μm 단위의 원하는 크기의 액적을 생성하고 노즐에 일체형으로 초음파 진동부 외벽에 공기 라인을 공급해 줄 수 있는 공간을 만들고 공기 라인의 수축부 설계에 따라 유로를 변경하여 분사시켜 원하는 분사 단면 면적을 구현하기 위한 주요 인자의 영향을 평가하여 설계 기본자료를 도출하려고 한다. 설계된 노즐이 원하는 코팅 균일도를 만족시키는지를 확인하기 위해 노즐에서의 이상 유동을 CFD 상용코드를 사용하여 해석하였다.

제안 방법

2. 액적 주위로 공기를 분사시켜 코팅액에 공기를 일정각도로 충돌시켜 분사된 액적을 중앙부에 집중시켜 원하는 분사영역의 직경을 조절할 수 있는 것을 확인하였고 원하는 분사직경을 얻기 위한 공기측 압력차를 구하였다.
설계된 노즐이 원하는 코팅 균일도를 만족시키는지를 확인하기 위해 노즐에서의 이상 유동을 CFD 상용코드를 사용하여 해석하였다. 노즐에서의 유동을 해석하기 위해 축대칭 좌표계를 사용하여 제트 유동이 난류인 경우를 해석하였다. 이상 제트유동을 해석하기 위해 Dispersed Phase Method(DPM)을 사용하였다[8-10].
액적입자의 크기에 따른 노즐 분사영역의 특성을 해석하였다. Fig.
외부에서 진동장치에 의한 기계적 에너지를 코팅액에 부가하기 위해 초음파를 이용하여 액적을 생성하고 노즐에 일체형으로 초음파 진동부 외벽에 공기 라인을 공급해 줄 수 있는 공간을 만들어 공기 라인의 수축부 설계에 따라 유로를 변경하여 분사시켜 액적의 원하는 분사 단면 면적을 구현하기 위한 액적 입자의 크기, 노즐 수축부의 형상, 공기 측 분사압력의 크기 등 주요 인자의 영향을 이상유동 모델인 Dispersed Phase Method(DPM) 을 사용하여 수치적으로 해석하였다
외부에서 진동장치에 의한 기계적 에너지를 코팅액에 부가하기 위해 초음파를 이용하여 원하는 크기의 액적을 생성하고 노즐에 일체형으로 진동부 외벽에 공기 라인을 공급해 줄 수 있는 공간을 만들어 공기 라인의 수축부 설계에 따라 유로를 변경하여 분사시켜 액적의 원하는 분사 단면 면적을 얻기 위한 액적 입자의 크기, 노즐 수축부의 형상, 공기 측 분사압력의 크기 등의 영향을 수치적으로 해석하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
이상 노즐유동을 해석하기 위해서 노즐 내 공기 입출구의 압력, 코팅액의 유량조건을 그리고 노즐 벽에서 경계조건을 사용하였다. 노즐 내 공기의 출구 경계조건은 압력경계조건(대기압), 입구에서는 원하는 압력조건을 적용하였다.
1과 같이 초음파를 이용하여 작은 크기의 액적을 생성하여 분사하는 노즐로 초음파 발생기에 의해 발생된 초음파가 노즐 상단부의 동축케이블 선으로 들어가 진동자를 진동시켜서 용액을 쪼개어 액적(liquid drop)의 형태로 뿌려지는 원리이고 사이드 피딩(side feeding)방식으로 수십 마이크로의 코팅입자를 낮은 공압으로 액적 주위로 공기를 분사시켜 폭이 협소한 형태로 포커싱(focusing)시키며 분주범위가 노즐 출구로부터 협소하다. 초음파 노즐은 주파수가 높아질수록 분무 입자는 미세해지나 최대 유량이 적어짐으로 1000ul이상의 조건 대비 최소의 입자크기를 가지는 주파수를 이론식으로 구하여 노즐의 주파수를 지정하였다. 이러한 초음파 진동부 외벽에 공기 라인을 공급해 줄 수 있는 공간을 만들고 홀 아래 격자의 설계에 따라 공기의 유로를 변경시켜 노즐출구로부터 10 mm 까지 분주범위를 넓히고 단면의 직경이 2mm 이내의 분사 면적을 구현하고자 한다.
코팅액 노즐에 일체형으로 초음파 진동부 외벽에 공기 라인을 공급해 줄 수 있는 공간을 만들고 홀 아래 격자의 설계에 따라 공기의 유로를 변경시켜 공기 라인의 수축부를 따라 분사시켜 원하는 분사 단면 면적을 구현하기 위해 공기 측 분사압력을 변화시키며 이유체 노즐 유동의 특성과 노즐분사 영역을 비교하였다.

데이터처리

본 연구에서는 외부에서 진동장치에 의한 기계적 에너지를 코팅액에 부가하기 위해 초음파를 이용하여 μm 단위의 원하는 크기의 액적을 생성하고 노즐에 일체형으로 초음파 진동부 외벽에 공기 라인을 공급해 줄 수 있는 공간을 만들고 공기 라인의 수축부 설계에 따라 유로를 변경하여 분사시켜 원하는 분사 단면 면적을 구현하기 위한 주요 인자의 영향을 평가하여 설계 기본자료를 도출하려고 한다. 설계된 노즐이 원하는 코팅 균일도를 만족시키는지를 확인하기 위해 노즐에서의 이상 유동을 CFD 상용코드를 사용하여 해석하였다. 노즐에서의 유동을 해석하기 위해 축대칭 좌표계를 사용하여 제트 유동이 난류인 경우를 해석하였다.

이론/모형

기체 유동장 내 노즐에서 분사된 액적의 거동 및 연속체인 기체 유동장과의 상호 작용에 대한 모사를 위하여 Lagrange 기법을 바탕으로 한 DPM을 적용하였다. DPM은 Euler-Lagrange 접근 방법을 따른다.
난류유동의 해석을 위해 현재까지 가장 범용적인 난류모델인 k-ε 모델을 사용하였다. 난류 운동에너지(k)와난류 소멸률(ε) 방정식은 다음과 같다.
노즐에서의 유동을 해석하기 위해 축대칭 좌표계를 사용하여 제트 유동이 난류인 경우를 해석하였다. 이상 제트유동을 해석하기 위해 Dispersed Phase Method(DPM)을 사용하였다[8-10].
하지만 컴퓨터를 이용한 전산유체역학 해석적 방법을 이용하면 내부의 유동특성인 압력분포, 속도 벡터 등을 쉽게 계산할 수 있고 최근 들어 컴퓨터의 성능의 급속한 발전으로 전산유체역학의 사용이 확대되는 추세이다. 이에 따라 본 연구에서는 수치 해석적 기법을 이용하여 CFD 상용코드인 ANSYS FLUENT 17.1과 내부 유동장의 격자구조는 ANSYS Meshing을 사용하였다[10].

성능/효과

1. 액적이 입경이 작을수록 노즐 출구로부터 일정거리에서 더 넓게 분포하는 것을 알 수 있다.
3. 분사되는 액체의 비대칭분포를 개선하기 위해 수축노즐의 형태를 포물선 형태인 Batchelor -Shaw 방법을 사용한 노즐을 사용한 경우에 직선형 수축 노즐을 사용하는 경우에 대해 대칭분포가 개선되는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분무식 노즐이란 무엇인가?	분무식 노즐(spray nozzle)은 액체의 표면을 증가시키기 위해 에너지를 공급하여 액체를 다수의 액적으로 미립화시키는 장치로 연소과정에서의 연료의 미립화 또는 표면이나 입자의 코팅 등 여러 산업분야에 다양한 목적으로 응용된다. 초음파 미립화 노즐은 진동 발생장치로부터 고진동수의 전기에너지를 받아 같은 진동수의 기계적 에너지로 변환시키는 변환기를 갖고 있다.
	이유체 노즐의 장점은?	여러 산업분야에 다양한 목적으로 응용되는 분무식 노즐(spray nozzle)은 액체를 미립화 하여 액체의 표면을 증가시키기 위해 에너지를 공급하는 방법으로 압력형, 회전형, 이유체 미립 화기를 사용한다. 이유체 노즐(two fluid nozzle)은 액체의 흐름에 기체를 충돌시키거나 빠른 기체의 흐름에 액체를 분사시켜 액체를 미립화 시키는 노즐로서 비교적 작은 압력으로 우수한 미립화 성능을 기대할 수 있다. 또한 이유체 노즐은 분사지연 기간에 공기를 연속적으로 공급하여 노즐 내부에 잔존하는 액체를 모두 외부로 배출시킴으로써 염의 발생 가능성이 있는 액체로 인한 노즐 막힘 현상을 해결할 수 있다.
	이유체 노즐에서 기체의 분사압력 증가는 어떠한 영향을 미치는가?	코팅을 위한 이유체 노즐의 특성은 노즐형상(internal mixing, external mixing), 두 유체의 속도차, 코팅액 물성치(밀도, 표면장력)의 영향을 받는다. 기체의 분사압력이 증가할수록 코팅액에 대한 기체의 질량비가 커지고 코팅액의 액적크기는 작아지게 된다. 코팅액의 토출량은 토출압력 및 노즐의 종류에 의해 조정될 수 있다.

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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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