도시철도터널은 전동차 운행으로 바닥 먼지가 비산되거나 새로 발생된 마모 먼지로 오염되고 있다. 전동차가 운행하면서 이러한 부유 먼지를 제거하기 위해서 관성집진기인 배플과 전기집진기로 구성된 하이브리드형집진장치를 개발하였다. 하이브리드형 집진장치의 유량과 집진효율은 서로 반비례하므로, 유량과 집진효율의 관계를 파악하기 위해 2가지 배플 모델을 제작하여 성능을 평가하였다. 유속이 3.4 m/s인 A1 모델을 장착한 집진장치의 $0.5{\mu}m$ 이상인 입자의 집진효율은 30% 이상이었고, 유속이 4.7 m/s인 A2 모델의 경우 20% 이상이었다. 인가전압이 13 kV일 때 1시간 동안 A1 모델 집진장치의 $PM_{10}$ 집진량은 253 mg, A2 모델의 경우 242 mg으로 추정되었다.
도시철도터널은 전동차 운행으로 바닥 먼지가 비산되거나 새로 발생된 마모 먼지로 오염되고 있다. 전동차가 운행하면서 이러한 부유 먼지를 제거하기 위해서 관성집진기인 배플과 전기집진기로 구성된 하이브리드형 집진장치를 개발하였다. 하이브리드형 집진장치의 유량과 집진효율은 서로 반비례하므로, 유량과 집진효율의 관계를 파악하기 위해 2가지 배플 모델을 제작하여 성능을 평가하였다. 유속이 3.4 m/s인 A1 모델을 장착한 집진장치의 $0.5{\mu}m$ 이상인 입자의 집진효율은 30% 이상이었고, 유속이 4.7 m/s인 A2 모델의 경우 20% 이상이었다. 인가전압이 13 kV일 때 1시간 동안 A1 모델 집진장치의 $PM_{10}$ 집진량은 253 mg, A2 모델의 경우 242 mg으로 추정되었다.
Urban railway tunnels are polluted by resuspension of deposited bottom dust or newly generated wear dust. A hybrid type dust collector consisting of a baffle and an electrostatic precipitator was developed to remove these types of airborne dust when trains are running in the tunnel. Since dust colle...
Urban railway tunnels are polluted by resuspension of deposited bottom dust or newly generated wear dust. A hybrid type dust collector consisting of a baffle and an electrostatic precipitator was developed to remove these types of airborne dust when trains are running in the tunnel. Since dust collection efficiency of the hybrid dust collector is inversely proportional to the airflow rate, the relationship between airflow rate and dust collection efficiency was experimentally investigated for two baffle models. Collection efficiencies for dust larger than $0.5{\mu}m$ for the hybrid dust collector model A1, operated at 3.4 m/s, were greater than 30%; those for the hybrid dust collector model A2, operated at 4.7 m/s, were higher than 20%. When the applied voltage was 13 kV, the amounts of $PM_{10}$ collected with model A1 and model A2 dust collectors were estimated at $253{\mu}g$ and $242{\mu}g$ per hour, respectively.
Urban railway tunnels are polluted by resuspension of deposited bottom dust or newly generated wear dust. A hybrid type dust collector consisting of a baffle and an electrostatic precipitator was developed to remove these types of airborne dust when trains are running in the tunnel. Since dust collection efficiency of the hybrid dust collector is inversely proportional to the airflow rate, the relationship between airflow rate and dust collection efficiency was experimentally investigated for two baffle models. Collection efficiencies for dust larger than $0.5{\mu}m$ for the hybrid dust collector model A1, operated at 3.4 m/s, were greater than 30%; those for the hybrid dust collector model A2, operated at 4.7 m/s, were higher than 20%. When the applied voltage was 13 kV, the amounts of $PM_{10}$ collected with model A1 and model A2 dust collectors were estimated at $253{\mu}g$ and $242{\mu}g$ per hour, respectively.
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문제 정의
본 연구에서는 도시철도가 운행하면서 발생되는 미세먼지를 신속하게 제거할 수 있는 전동차 하부 부착형 하이브리드형 집진장치를 개발하였다. 이 집진장치는 배플과 전기집진기로 구성하였고, 2가지 모델의 배플을 비교하였다.
본 연구에서는 터널 비산먼지 문제를 해결할 수 있는 방안을 마련하기 위하여 운행하는 전동차에 부착하여 터널 전 구간에서 상시 미세먼지를 집진할 수 있는 하이브리드형 집진장치를 개발하였다. 즉, 도시철도 터널 환경을 고려하여 큰 먼지 제거에 사용되는 관성집진기와 작은 먼지 제거에 사용되는 전기집진기(electrostatic precipitator, ESP)를 결합하였다.
가설 설정
이때 터널 내 PM10 및 PM2.5 농도를 각각 200, 120 µg/m3 으로 가정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 집진효율과 처리유량을 함께 고려하기 위하여 처리유량이 다른 2가지 배플 형상을 제작하였다. A1 및 A2 모델은 유동저항이 달라 각각 유입 유속이 약 3.5, 5 m/s가 되도록 설계하였다. Lee et al.
입자발생기(SAG 410, TOPAS, Germany)로 시험입자를 풍동 내부로 공급하였고, 입자측정기의 측정범위를 고려하여 입자발생기의 공급량을 조절하였다. APS (aerodynamic particle sizer, 3321, TSI, USA)로 시험입자의 크기분포를 측정하였다. APS는 실제 개별 입자를 밀도가 1 g/cm3인 입자로 가정하여 공기역학적 크기별 개수농도를 측정하므로, 쉽게 무게농도로 환산할 수 있다.
본 논문에서는 집진효율이 높으나 처리유량이 적은 모델과 집진효율이 낮지만 처리유량이 많은 모델의 2가지 집진장치를 설계하여 총 집진량을 비교하였다. 그리하여 하이브리드 집진장치의 설계 시 처리유량, 집진효율과 총 집진량의 관계를 고찰하였다.
도시철도 전동차의 하부에는 전장품, 기계부품 등이 설치되어 있어 집진장치를 설치할 공간이 제한되므로, 집진장치의 단면적을 40 cm × 40 cm로 설계하였다.
배플 앞 10 cm 지점에서 단면을 9등분하여 각 중심점에서 유속을 측정하여 평균값을 대푯값으로 사용하였다. 배플 전단과 전기집진기 후단에서 정압을 측정하여 압력강하를 평가하였다.
1에 나타낸 바와 같이 하이브리드형 집진장치는 크게 입자의 관성을 이용하여 집진하는 배플집진기, 전기적 이동도를 이용하여 집진하는 전기집진기, 그리고 공기를 유입하는 팬으로 구성되어 있다. 배플집진기는 입자의 관성을 크게 만들기 위하여 공기를 가속시키는 슬릿형 노즐과 입자가 관성에 의해 기류로부터 이탈하여 충돌하는 원통형 충돌판으로 이루어졌다. 일반적으로 관성집진기는 유속이 빠를수록 집진효율이 높지만, 전기집진기는 유속이 느릴수록 집진이 증가한다.
보통 전기집진기는 1 m/s 근처의 유속에서 사용되지만, 본 연구에서는 처리유량이 많도록 빠른 유속(3-5 m/s)에서 집진장치가 작동되므로, 빠른 유속에서도 집진효율이 우수한 톱날 형태의 하전부를 갖는 2단 전기집진기를 설계하였다[15].
일반적으로 전기집진기는 유속이 빠를수록 집진효율이 낮아지는 단점이 있는데, 집진효율을 증가시키기 위하여 유속을 낮추면 처리유량이 줄어들어 총 집진량이 감소한다. 본 논문에서는 집진효율이 높으나 처리유량이 적은 모델과 집진효율이 낮지만 처리유량이 많은 모델의 2가지 집진장치를 설계하여 총 집진량을 비교하였다. 그리하여 하이브리드 집진장치의 설계 시 처리유량, 집진효율과 총 집진량의 관계를 고찰하였다.
집진효율이 높은 집진장치라도 처리유량이 적으면 총 집진량이 적어 특정공간의 먼지를 효과적으로 제거하지 못한다. 본 연구에서는 집진효율과 처리유량을 함께 고려하기 위하여 처리유량이 다른 2가지 배플 형상을 제작하였다. A1 및 A2 모델은 유동저항이 달라 각각 유입 유속이 약 3.
본 연구에서는 도시철도가 운행하면서 발생되는 미세먼지를 신속하게 제거할 수 있는 전동차 하부 부착형 하이브리드형 집진장치를 개발하였다. 이 집진장치는 배플과 전기집진기로 구성하였고, 2가지 모델의 배플을 비교하였다. 집진장치의 대표적 성능인 압력강하, 집진효율 및 집진량을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
시험입자로 Arizona dust 중 가장 큰 입경분포를 갖는 A4 모델을 사용하였다. 입자발생기(SAG 410, TOPAS, Germany)로 시험입자를 풍동 내부로 공급하였고, 입자측정기의 측정범위를 고려하여 입자발생기의 공급량을 조절하였다. APS (aerodynamic particle sizer, 3321, TSI, USA)로 시험입자의 크기분포를 측정하였다.
[14]에 따르면, 전동차가 최대 70 km/h로 운행할 때 하부 유속은 10 m/s 이하였으며, 중심부는 5 m/s 정도이었다. 전동차 하부에 장착할 집진장치가 연구대상이므로, 전동차 하부 유속을 고려하여 2가지 다른 유속을 구현할 수 있는 배플을 설계하였다. A1 모델은 노즐이 12개이고, 노즐 폭은 5 mm이며, 노즐 출구에서 평균 유속이 3.
본 연구에서는 터널 비산먼지 문제를 해결할 수 있는 방안을 마련하기 위하여 운행하는 전동차에 부착하여 터널 전 구간에서 상시 미세먼지를 집진할 수 있는 하이브리드형 집진장치를 개발하였다. 즉, 도시철도 터널 환경을 고려하여 큰 먼지 제거에 사용되는 관성집진기와 작은 먼지 제거에 사용되는 전기집진기(electrostatic precipitator, ESP)를 결합하였다. 전기집진기는 일반적으로 수백 나노미터 크기에서 집진효율이 가장 낮으나, 수 나노미터 입자나 수 마이크로 입자의 집진 효율은 높다.
이 집진장치는 배플과 전기집진기로 구성하였고, 2가지 모델의 배플을 비교하였다. 집진장치의 대표적 성능인 압력강하, 집진효율 및 집진량을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
APS는 실제 개별 입자를 밀도가 1 g/cm3인 입자로 가정하여 공기역학적 크기별 개수농도를 측정하므로, 쉽게 무게농도로 환산할 수 있다. 하나의 APS를 사용하여 집진장치의 상류와 하류를 번갈아가면서 측정하여 집진효율을 평가하였다. 이때 각 위치에서 1분씩 측정하였다.
대상 데이터
집진효율을 평가하는데 시험입자가 필요하므로, 집진장치의 상류에 단면이 60 cm × 60 cm인 풍동을 연결하였다. 시험입자로 Arizona dust 중 가장 큰 입경분포를 갖는 A4 모델을 사용하였다. 입자발생기(SAG 410, TOPAS, Germany)로 시험입자를 풍동 내부로 공급하였고, 입자측정기의 측정범위를 고려하여 입자발생기의 공급량을 조절하였다.
1 (a) 및 (b)와 같이 실험장치를 구성하였다. 유속과 압력강하를 측정하기 위하여 각각 velocimeter (TSI, USA)와 차압계(MP210, MPR2500, KIMO, France)를 사용하였다. 실험 시 외부 교란을 최소화시키기 위하여 집진장치의 앞에 60 cm 길이의 덕트를 연결하였다.
도시철도 전동차의 하부에는 전장품, 기계부품 등이 설치되어 있어 집진장치를 설치할 공간이 제한되므로, 집진장치의 단면적을 40 cm × 40 cm로 설계하였다. 집진장치로 유입되는 공기의 유속이 3-5 m/s가 되도록 팬(F29FSA/FTA(LGT))을 선정하였다.
데이터처리
실험 시 외부 교란을 최소화시키기 위하여 집진장치의 앞에 60 cm 길이의 덕트를 연결하였다. 배플 앞 10 cm 지점에서 단면을 9등분하여 각 중심점에서 유속을 측정하여 평균값을 대푯값으로 사용하였다. 배플 전단과 전기집진기 후단에서 정압을 측정하여 압력강하를 평가하였다.
성능/효과
둘째, 배플에 전기집진기를 결합시킴에 따라 모든 입경에서 집진효율이 뚜렷하게 증가하고, 특히 배플이 제거하지 못하는 2 µm 이하인 입자도 제거된다.
또한, 구성요소인 baffle model A2와 전기집진기 (ESP)에 대한 유속과 압력강하의 관계를 함께 나타냈다. 설계 최고 유속인 5 m/s에서 약 400 Pa의 압력강하가 생기고, 배플과 전기집진기가 각각 전체 집진장치 압력강하의 3/4과 1/4을 차지하는 것으로 나타났다.
5 µm 이상인 모든 입경에서 집진효율이 30% 이상이었다. 셋째, 본 실험조건에서 집진장치의 집진효율과 유량을 함께 고려하여 집진량을 구하면 유량은 적지만 집진효율이 높은 A1 모델의 배플을 장착한 집진장치의 집진량이 A2 모델의 집진장치에 비해 더 많았다. 도시철도 터널의 미세먼지 제거를 위한 집진장치의 성능은 집진효율과 처리유량이 함께 고려된 집진량을 비교하여 평가될 필요가 있다.
전기집진기를 추가함에 따라 배플에 비해 집진효율이 크게 향상되었고, 특히 2 µm 이하의 작은 입자가 제거됨을 알 수 있다.
첫째, 유속이 증가함에 따라 압력강하가 급격하게 증가하는데, 이러한 증가는 주로 배플에 기인된다. 둘째, 배플에 전기집진기를 결합시킴에 따라 모든 입경에서 집진효율이 뚜렷하게 증가하고, 특히 배플이 제거하지 못하는 2 µm 이하인 입자도 제거된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도시철도의 장점은 무엇인가?
대도시에는 많은 사람들이 편리하게 이동할 수 있도록 도시철도, 버스, 택시 등의 대중교통수단이 있다. 도시철도는 많은 람들이 일시에 이용할 수 있고, 이동시간을 정확하게 예측할 수 있는 장점이 있어 대도시의 필수적인 대중교통수단으로 자리매김하고 있다. 서울의 경우 연간 26억명 이상의 사람들이 도시철도를 이용하는데, 이것은 대중교통 이용객의 절반에 가깝다[1,2].
대중교통수단에는 무엇이 있는가?
대도시에는 많은 사람들이 편리하게 이동할 수 있도록 도시철도, 버스, 택시 등의 대중교통수단이 있다. 도시철도는 많은 람들이 일시에 이용할 수 있고, 이동시간을 정확하게 예측할 수 있는 장점이 있어 대도시의 필수적인 대중교통수단으로 자리매김하고 있다.
하이브리드형 집진장치는 무엇과 무엇을 결합한 것인가?
본 연구에서는 터널 비산먼지 문제를 해결할 수 있는 방안을 마련하기 위하여 운행하는 전동차에 부착하여 터널 전 구간에서 상시 미세먼지를 집진할 수 있는 하이브리드형 집진장치를 개발하였다. 즉, 도시철도 터널 환경을 고려하여 큰 먼지 제거에 사용되는 관성집진기와 작은 먼지 제거에 사용되는 전기집진기(electrostatic precipitator, ESP)를 결합하였다. 전기집진기는 일반적으로 수백 나노미터 크기에서 집진효율이 가장 낮으나, 수 나노미터 입자나 수 마이크로 입자의 집진 효율은 높다.
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