[논문]사이클론 전처리부를 지닌 터널집진차량의 집진효율 최적화

정우태

doi:10.5762/kais.2018.19.3.679

사이클론 전처리부를 지닌 터널집진차량의 집진효율 최적화
Dust collection optimization of tunnel cleaning vehicle with cyclone-based prefilter 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.3, 2018년, pp.679 - 686

초록
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지하철 터널 내에 축적된 미세먼지와 초미세먼지를 제거하기 위해서는 새로운 형식의 분진흡입차량이 필요하다. 따라서 최근 개발된 분진흡입차는 초미세먼지 제거를 위한 흡입시스템과 사이클론형식의 전처리부 및 전기집진기를 장착하고 있다. 본 논문에서는 집진차량의 하부에 설치된 먼지 흡입시스템이 다양한 크기의 먼지입자를 효과적으로 흡입하고 처리하기 위해 사이클론형식의 전처리부가 포함된 집진시스템을 설계하고 집진효율을 ANSYS FLUENT의 전산유체해석을 통해 확인하였다. 흡입구와 사이클론형 프리필터가 연결된 격자모델을 기반으로 공기유동과 상차분모델(Discrete Phase Model)을 이용하여 다양한 입자의 크기와 종류 및 흡입팬의 용량에 따른 입자의 거동을 해석하였다. 다양한 입자의 크기와 종류, 흡입팬의 용량에 대해서 해석결과 집진차량의 운영속도 5km/h에서 미세먼지처리를 위해서는 흡입팬의 용량 $1500m^3/min$에서 흡입구가 궤도면으로부터 약 100mm이내일 때 $100{\mu}m$ 이하 크기의 먼지를 모두 처리할 수 있음을 확인하였다. 이러한 흡입구와 사이클론형식의 프리필터를 탑재한 터널집진차량은 후단에 설치된 전기집진기의 부하를 줄이고, 지하 터널내의 미세먼지와 초미세먼지의 제거에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new dust cleaning vehicle is needed to remove fine and ultra-fine particulate matter in subway tunnels. Therefore, the recently developed tunnel cleaning vehicle is equipped with an efficient suction system and cyclone-based prefilter to handle ultra-fine particles. To treat various sizes of particulate matter with an underbody suction system, this paper proposes a cyclone-based prefilter in the suction system and validates the dust removal efficiency through Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis using ANSYS FLUENT. Using the created surface and volume mesh, various particle sizes, materials, and fan flow rates, the particles were tracked in the flow with a discrete phase model. As a result, the dust cleaning vehicle at a normal operational speed of 5km/h requires at least a fan flow rate of $1500m^3/min$ and 100mm of suction inlet height from the tunnel track floor. Those suction modules and cyclone-based prefilters in the dust cleaning vehicle reduces the dust accumulation load of the electric precipitator and helps remove the accumulated fine and ultra-fine dust in the subway tunnel.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

먼지입자들의 추적을 위한 상차분모델(DPM)은 기본적으로 연속체(공기)를 먼저 계산한 후에 그 값을 바탕으로 입자들의 거동을 계산한다. 따라서 입자들의 거동을 계산하기 위해 필요한 연속체의 값을 얼마의 주기로 적용할 것인지를 정의해야 하는데 본 연구에서는 일정한 시간 간격마다 확인하기 위해서 매 시간격당 50회의 반복 결과값을 상차분모델에 적용하도록 설정하였다.
마이크로단위 이하의 입자를 추적하기 위해서는 입자의 좌표회전, 열 영동력(Thermophoretic force), 브라운 힘(Brownian force)등을 모두 고려할 필요가 있지만, 본 연구에서는 마이크로단위 이상의 입자의 거동을 분석하기 때문에 생략되었다.
본 논문에서는 지하철도 터널내의 미세먼지와 초미세먼지를 효과적으로 포집할 수 있는 분진흡입차량 설계와 개발에 있어서 효율을 결정할 수 있는 핵심요소인 흡입부와 사이클론형식의 프리필터의 성능효과를 수치해석을 통해서 입증하였다. 해석 결과를 바탕으로 한 주요 결론은 다음과 같다.
본 논문에서는 터널청소를 위한 분진흡입차량의 초미세먼지 집진효율을 높이기 위해서 설계된 흡입팬의 용량에 따른 흡입구의 설계인자와 사이클론형식의 프리필터 성능향상을 위한 최적화 해석을 수행하였다. 설계의 주요 요소는 Fig.
본 연구의 터널집진차량에 설치된 먼지흡입시스템과 사이클론형식의 프리필터의 먼지흡입 및 집진성능을 계산하기 위해서 입자가 포함된 터널내의 공기를 흡입팬의 용량에 따라 ANSYS FLUENT을 이용한 전산유체해석을 통하여 계산하였다.
본 논문에서는 터널청소를 위한 분진흡입차량의 초미세먼지 집진효율을 높이기 위해서 설계된 흡입팬의 용량에 따른 흡입구의 설계인자와 사이클론형식의 프리필터 성능향상을 위한 최적화 해석을 수행하였다. 설계의 주요 요소는 Fig. 1의 두 번째 차량 하부에 설치된 흡입시스템과 듀얼 사이클론형 프리필터의 집진효율을 확인하기 위해 전산유체역학을 사용하여 요구되는 흡입시스템의 먼지흡입성능을 확인하고자 한다.

가설 설정

흡입구에서 터널궤도 바닥면까지의 거리는 최소간격인 100mm에서 200mm까지 변화시키면서 흡입구와 에어 블로어를 통해 사이클론까지 이동하는 입자의 개수와 흡입효율을 측정하였다. 흡입구의 흡입유량은 집진차량의 최대 팬 용량(2000CMM)에서 유동손실을 가정하여 최대 1500CMM까지 설정하여 해석을 수행하였다. 흡입구에 설치된 에어 나이프형 공기 블로어에는 최대 풍량 6 CMM(m³/min)의 3.

제안 방법

기존의 분진흡입차에 사용되고 있는 단순 진공 흡입구를 직렬로 배치한 구조이다. 그러나 장시간 궤도터널 바닥에 누적된 초미세먼지를 효과적으로 집진하기 위해 Fig. 1의 2호차에 먼지흡입 시스템을 궤도 하부의 먼지 흡입부와 사이클론방식의 프리필터를 결합하여 적용하였다(Fig. 2). 터널 바닥의 먼지 흡입부는 고압의 공기 블로어와 흡입구가 일체화된 구조를 적용하여 진공 흡입구에 의해서 흡입되지 못하는 누적 먼지를 블로어를 통해 비산시키고, 이 비산된 먼지를 흡입구를 통해 흡입할 수 있다[4].
본 연구에서 제시된 미세먼지 흡입모듈은 터널궤도에 침하되어 누적된 미세먼지를 링 블로어와 에어 나이프(air knife)를 이용해 고속의 공기를 분사하여 비산시킨 후 흡입하는 방식을 사용하고 있다. 이 때 흡입되는 먼지의 양과 공기유동의 속도는 차량에 장착된 대용량 흡입팬의 용량과 비례하지만, 고정된 용량의 흡입팬이 차량에 장착된 후에는 흡입구가 바닥으로부터 위치한 높이가 가장 중요한 설계변수가 된다.
분진흡입차의 하부와 프리필터로 설치되는 사이클론 모듈의 흡입팬의 유량에 따른 미세먼지 입자거동을 살펴보기 위하여 Fig. 6과 같이 표면격자와 공간격자를 구성하였다. 해석의 정확성을 높이고 계산에 필요한 시간과 자원을 최소화하기 위해 관심영역을 더 조밀한 격자로 설정하였다.
2에 도시된 사이클론을 포함한 흡입시스템 전체에서 공기 블로어와 에어커튼의 기능을 하나의 모듈로 설계하여 터널 바닥먼지를 효율적으로 흡입할 수 있는 흡입부 구조 설계를 나타낸다. 설계된 흡입시스템은 4개의 모듈로 구성되어 있으며, 공기 블로어는 링 블로어와 에어 나이프 형식의 구조를 적용하였다. 터널 및 궤도의 다양한 형상에 대응하기 위해 상하 높이의 조절이 가능하고, 에어 나이프의 블로어는 Fig.
하지만 이러한 혼합형 흡입구조만으로 이루어진 흡입부는 터널 바닥에 존재하는 흙 또는 모래 등의 상대적으로 큰 입자들을 모두 공기와 같이 흡입하여 중앙의 전기집진부로 이동시킬 수 있으며, 크기가 큰 먼지 입자는 지속 사용 시에 전기집진기의 초미세먼지 집진효율을 급속도로 저하시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 사이클론방식의 프리필터를 설치하여 상대적으로 큰 먼지입자는 사이클론내부에서 원심력과 중력에 의해 수거함으로 분리되도록 설계하였다.
4는 흡입부에 연결된 사이클론형식의 프리필터 구조를 나타낸다. 적용된 사이클론은 처리용량과 설계공간을 고려하여 두 개의 쌍으로 설계하였다. 흡입부로 올라온 먼지와 공기는 자체의 흡입력에 의해서 사이클론 원통 내부에서 회전하게 되다.
6과 같이 표면격자와 공간격자를 구성하였다. 해석의 정확성을 높이고 계산에 필요한 시간과 자원을 최소화하기 위해 관심영역을 더 조밀한 격자로 설정하였다.
흡입구에서 터널궤도 바닥면까지의 거리는 최소간격인 100mm에서 200mm까지 변화시키면서 흡입구와 에어 블로어를 통해 사이클론까지 이동하는 입자의 개수와 흡입효율을 측정하였다. 흡입구의 흡입유량은 집진차량의 최대 팬 용량(2000CMM)에서 유동손실을 가정하여 최대 1500CMM까지 설정하여 해석을 수행하였다.
흡입구와 사이클론형 프리필터가 연결된 Fig. 6의 격자모델을 기반으로 공기유동과 상차분모델(DPM)을 이용하여 입자의 거동을 해석하였다. Fig.

대상 데이터

공기 블로어로 사용되는 에어 나이프의 공기 출구에는 0.3mm의 조밀한 격자로 구성하고 먼지입자들이 놓여지는 바닥, 덕트, 사이클론 등의 흡입장치들의 표면격자는 40mm로 구성하였다. 공간격자도 관심영역을 보다 조밀하게 구성하고 모든 영역을 사면체 격자모델을 적용하고 흡입부의 내부는 팽창비(Growth rate)를 1.

이론/모형

유동해석에서 터널내부와 흡입시스템의 공기유동은 연속상(Continuous phase) 모델과 k-ε 난류모델을 적용하지만, 공기중에 부유하거나 궤도 바닥면에 누적된 먼지입자의 추적을 위해서는 Fig. 5(a)에 간략하게 표시한 것과 같이 ANSYS Fluent에서 제공하는 상차분모델(Discrete Phase Model)을 사용하였으며 입자추적을 위한 간략한 프로세서를 함께 나타내었다[8]. 라그랑지안 방법(Lagrangian Method)이라 불리는 상차분모델을 이용한 입자추적에서 입자간의 상호 작용력은 무시할 수 있다고 가정하여 해석 시 필요한 설계변수인 먼지입자의 무게 및 크기에 따른 입자의 유동을 효과적으로 분석할 수 있었다.
지하터널에 존재하는 미세먼지는 다양한 크기와 성분으로 구성되어 있으나 일반적으로 직경이 10 μm이하의 미세먼지(PM10), 직경이 2.5 μm이하인 초미세먼지(PM2.5)로 구분되며, 수치해석에서는 대표적인 세 가지 크기의 미세먼지를 대상으로 해석을 수행하고 구성성분은 터널 내부 금속성 미세먼지의 대부분을 구성하는 철(Fe)입자와 비금속계인 모래의 물리량을 수치해석 모델에 적용하였으며, 유동해석에는 ANSYS Fluent에서 제공하는 k-ε 난류모델과 입자추적을 위한 상차분모델(Discrete Phase Model)을 사용하였다.

성능/효과

1) 흡입팬의 적정 유량선정을 위해서 유량이 1500CMM 이상일 때에, 운영속도 5km/h의 집진차량이 약 1.4초 이내에 500μm크기까지의 먼지를 모두 흡입할 수 있음을 확인하였다.
2) 먼지입자의 최대 허용 크기는 사이클론 흡입덕트의 궤도면으로부터의 높이가 100mm이하 일 경우에 500μm까지의 모든 크기의 먼지입자가 모두 흡입될 수 있음을 확인하였다.
3) 본 연구에서 설계된 사이클론형식의 프리필터를 적용할 경우 흡입구의 높이 100mm와 팬유량 1500CMM의 조건에서 1.4초 이내에서 10μm(Fe)와 100μm(Sand)까지의 먼지입자 집진이 가능한 것을 확인하였다.
4) 터널 초미세먼지의 제거를 위해 차상용 전기집진기를 탑재한 분진흡입차량의 설계는 고효율 흡입 시스템과 사이클론 방식의 프리필터 탑재를 통하여 바닥의 초미세먼지와 미세먼지 등이 효과적으로 처리가 가능함을 확인하였으며, 도시철도 터널 등의 미세먼지 저감에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 500μm의 입자는 0.22초부터 유입되기 시작하지만 전체 해석시간동안 적은양이 지속적으로 유입됨을 알 수 있다.
따라서 최대 운영속도가 5km/h인 분진흡입차량이 효과적으로 동작하기 위해서는 1.4초 이내에 먼지입자의 흡입이 가능해야 하며, 본 결과에서와 같이 100μm이하의 초미세먼지를 포함한 먼지입자의 흡입을 위해서는 1500CMM의 흡입팬유량이 요구됨을 알 수 있다.
22초부터 유입되기 시작하지만 전체 해석시간동안 적은양이 지속적으로 유입됨을 알 수 있다. 따라서 흡입구에 유입되는 입자의 크기가 크다면 흡입되는 데 일정한 시간이 소모될 것으로 예상되며, 움직이는 차량에 탑재 시에는 경우에 따라 운행속도를 줄일 필요가 있다고 분석되었다.
5(a)에 간략하게 표시한 것과 같이 ANSYS Fluent에서 제공하는 상차분모델(Discrete Phase Model)을 사용하였으며 입자추적을 위한 간략한 프로세서를 함께 나타내었다[8]. 라그랑지안 방법(Lagrangian Method)이라 불리는 상차분모델을 이용한 입자추적에서 입자간의 상호 작용력은 무시할 수 있다고 가정하여 해석 시 필요한 설계변수인 먼지입자의 무게 및 크기에 따른 입자의 유동을 효과적으로 분석할 수 있었다. 먼지입자의 움직임에 따른 벽면과의 상호작용은 Fig.
입자의 크기를 점차 증가하였을 때에 100μm까지는 1.4초 이내에 바닥에 존재하는 먼지입자가 흡입시스템으로 모두 유입되지만, 200μm이상의 입자의 경우에는 1.4초까지 상당수의 입자가 궤도바닥에 잔류함을 알 수 있었다.
흡입 덕트 높이의 변화에 따른 유입 입자는 덕트와 지면과의 거리가 낮을수록 흡입되는 입자의 수가 많아지는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터널의 미세먼지 제거를 위해 실시되고 있는 청소 방법은?	따라서 터널 내에 축적된 미세먼지나 초미세먼지는 분진흡입차나 살수차량 등의 특수한 터널청소차량을 사용하여 주기적으로 청소하여 터널 내 공기질을 일정한 수준 값 이하로 관리할 필요가 있다. 터널의 미세먼지 제거를 위해서 지자체의 도시철도 운영기관들은 고압살수차에 의한 습식청소방법과 분진흡입차를 이용한 건식청소방법의 두 가지를 병행하여 청소를 실시하고 있다. 고압살수차에 의한 청소는 공기 중에 부유하는 먼지가 살수차에 의해 분사된 물방울에 세척되어 침하되는 방식이지만 침하된 먼지가 수거되지 못하고 건조되면 지하철 운행 시에 터널내 공기 중으로 재 비산을 일으킬 수 있다는 단점을 가진다.
	분진흡입차량의 특징은?	1에 나타나 있는 것과 같이 최근 도시철도 터널 내의 미세먼지와 초미세먼지를 동시에 포집할 수 있는 새로운 집진차량이 개발되고 있다[4].새롭게 개발되고 있는 분진흡입차량은 기존의 청소차량에 비해 입자의 크기가 매우 작은 초미세먼지 제거에 효과적으로 대응하기 위해서 배터리 구동방식을 채택하고, 전기집진장치를 최초로 차상용으로 제작하였으며 하부먼지의 흡입뿐 아니라 측면 흡입구를 통하여 터널 부유먼지까지 처리할 수 있도록 설계된 것이 특징이다.
	사이클론방식의 프리필터 설치가 필요한 이유는?	터널 바닥의 먼지 흡입부는 고압의 공기 블로어와 흡입구가 일체화된 구조를 적용하여 진공 흡입구에 의해서 흡입되지 못하는 누적 먼지를 블로어를 통해 비산시키고, 이 비산된 먼지를 흡입구를 통해 흡입할 수 있다[4]. 하지만 이러한 혼합형 흡입구조만으로 이루어진 흡입부는 터널 바닥에 존재하는 흙 또는 모래 등의 상대적으로 큰 입자들을 모두 공기와 같이 흡입하여 중앙의 전기집진부로 이동시킬 수 있으며, 크기가 큰 먼지 입자는 지속 사용 시에 전기집진기의 초미세먼지 집진효율을 급속도로 저하시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 사이클론방식의 프리필터를 설치하여 상대적으로 큰 먼지입자는 사이클론내부에서 원심력과 중력에 의해 수거함으로 분리되도록 설계하였다.

참고문헌 (9)

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원문보기 상세보기
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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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