[논문]미세먼지 포집장치 개발을 위한 관성충돌 프리필터 유동 전산해석

경대승; 황대성

doi:10.5804/lhij.2019.10.2.053

미세먼지 포집장치 개발을 위한 관성충돌 프리필터 유동 전산해석
CFD Analysis of the Inertial Impaction Pre-Filter for a Particulate Matter Collecting Device 원문보기

LHI journal of land, housing, and urban affairs, v.10 no.2, 2019년, pp.53 - 58

경대승 (토지주택연구원) , 황대성 ((주)에코이엔지)

Abstract ▼ AI-Helper

Particulate matter (PM) is designated as a group 1 carcinogen by the International Agency for Research on Cancer (IARC) of the World Health Organization (WHO). In South Korea, the health threat caused by PM is the most serious level internationally. Therefore, in order to solve the urban PM problem, it is important to develop the technology that can control PM efficiently. In this study, CFD(Computational Fluid Dynamics) simulation was performed for PM pre-filter (type 1-3 with different PM collecting room) to develop a high-efficiency PM collecting device. The complex flow field and the local flow phenomenon inside the PM collecting device were understood with CFD simulation by changing the shape and size of the pre-filter. The PM removal performance can be described with flow rate through the device and PM removal efficiency. The type-1 pre-filter with 5x5 size collecting room was confirmed to have the highest efficiency. Based on the analysis results, the optimal type of pre-filter could be developed and it would be applied as an element technology included in the PM collecting device.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Types of inertial impaction pre-filter
그림 Fig. 2. Velocity distribution of the pre-filter (Type 1-3)
그림 Fig. 3. Pressure distribution of the pre-filter (Type 1-3)
그림 Fig. 4. Particle distribution of the pre-filter (Type 1-3)
그림 Fig. 5. Changed shape of Type 1 pre-filter
그림 Fig. 6. Velocity distribution of the pre-filter (Type 1-2 and 1-2)
그림 Fig. 7. Pressure distribution of the pre-filter (Type 1-1 and 1-2)
그림 Fig. 8. Particle distribution of the pre-filter (Type 1-1 and 1-2)
표 Table 1. Comparison of PM collection efficiency

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 도시 내 생활공간에 적용할 수 있는 고효율의 미세먼지 포집장치를 개발하기 위하여 관성 충돌을 활용하는 미세먼지 프리필터의 유동 전산해석을 수행하였다. 이를 통해 미세먼지 포집장치 내부의 복잡한 유 동장과 국부적인 유동 현상을 이해하고, 고효율 미세먼지 포집장치의 설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 도시 내 생활공간에서 미세먼지를 효율적으로 포집할 수 있는 장치를 개발하고자 관성충돌 프리필터 형상 변화에 따른 미세먼지 유동분포에 관한 전산해석 결과를 제시하였다. 해석결과를 바탕으로 통과 유량과 미세먼지 포집 효율을 종합적으로 고려한 필터가 개발된다면 미세먼지 저감장치에 포함되는 요소기술로서 충분한 활용 가치가 있을 것으로 판단된다.
이를 통해 미세먼지 포집장치 내부의 복잡한 유 동장과 국부적인 유동 현상을 이해하고, 고효율 미세먼지 포집장치의 설계를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

가설 설정

각각의 미세먼지 포집장치의 입구와 출구는 압력이 100 Pa 차로 유지되고 있으며, 10㎛ 입경의 입자가 유입된다고 가정하고, 서로 다른 형태의 포집필터에서 유량과 포집 효율을 계산하였다.

제안 방법

따라서 Type 1의 유로 형상에 대해 포집룸의 크기를 바꿔가면서 최적의 설계를 위한 시뮬레이션 검토를 수행하였다. 최초에 모델링한 포집룸의 크기는 5x5 mm 였으나 유동 방향의 크기를 10mm로 설계한 Type 1-1 (5x10) 모델과 유동 방향과 유동 방향에 마주하는 면의 크기를 10 mm로 설계한 Type 1-2 (10x10) 모델에 대해 Fig.
범용 열유체해석 프로그램인 FLUENT를 사용하여 차분방정식 (6)의 해를 구하였다. FLUENT는 유동, 열전달, 상변화, 연소 등과 관련된 현상의 수치해석을 위해 개발된 프로그램으로 전처리장치인 GAMBIT, Solver와 후처리 장치인 FLUENT로 구성되어 있다.
4는 미세먼지 포집필터에서의 입자 유동분포를 보여준다. 입경 10㎛의 미세먼지를 유동 입구에서 분사하였으며, 분산된 입자는 미세먼지 포집룸에서만 제거되는 것으로 경계조건을 설정하였다. 유동 입구에서 유인된 미세먼지들이 유동 와류에 의해 포집룸에 부착되고 있는 것을 확인할 수 있으며, 포집룸을 통하지 않고 지나가는 유동에 의해서는 출구 쪽으로 빠져나가는 것을 볼 수 있다.
따라서 Type 1의 유로 형상에 대해 포집룸의 크기를 바꿔가면서 최적의 설계를 위한 시뮬레이션 검토를 수행하였다. 최초에 모델링한 포집룸의 크기는 5x5 mm 였으나 유동 방향의 크기를 10mm로 설계한 Type 1-1 (5x10) 모델과 유동 방향과 유동 방향에 마주하는 면의 크기를 10 mm로 설계한 Type 1-2 (10x10) 모델에 대해 Fig. 5와 같이 계산 격자를 만들어 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

수행하였다. 각각의 모델에 대한 수렴판정은 전 영역 잔류항의 총합이 10-6 이하가 되는 시점으로 하였으며, 미세먼지 포집 필터에 대한 계산 격자는 해석의 정확도를 위해 약 21만 개의 사각 격자를 사용하였다.

이론/모형

난류모델은 난류 길이 척도의 임의 압력으로부터 기인하는 문제를 극복할 수 있는 k-E 모델을 사용하였으며 (박동우 외, 2014), 난류 운동에너지 k와 난류 운동에너지소멸율 8에 대한 방정식은 다음과 같다.
본 연구에서는 power-law scheme, k~s 난류모델 SIMPLE algorithm을 사용하여 전산해석을 수행하였다. 각각의 모델에 대한 수렴판정은 전 영역 잔류항의 총합이 10-6 이하가 되는 시점으로 하였으며, 미세먼지 포집 필터에 대한 계산 격자는 해석의 정확도를 위해 약 21만 개의 사각 격자를 사용하였다.

성능/효과

3은 미세먼지 포집필터의 압력분포를 나타낸다. 모든 필터의 가장 앞부분 포집룸에서 정압이 가장 크고유로를 통과함에 따라 정압이 감소하였다. 향후 미세먼지저감장치 제작 시 정압 손실에 따른 에너지 효율 감소를 완화하기 위해 추가적인 실험 수행을 통한 형상 최적화가 수반되어야 할 것으로 판단된다.
세 가지 유로 형상에 대한 결과에서 Type 1이 미세먼지 포집 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다. 따라서 Type 1의 유로 형상에 대해 포집룸의 크기를 바꿔가면서 최적의 설계를 위한 시뮬레이션 검토를 수행하였다.
포집효율이 가장 좋은 Type 1의 포집룸 크기를 변경시킨 경우, Type 1-1 (5x10) 의 포집효율은 0.818, Type 1-2 (10XL0)의 포집효율은 0.700으로 포집룸이 커질수록 포집 효율이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 포집룸이 큰 경우 기체 유동에 의한 저항이 크기 때문에 미세먼지가 유로 사이를 통과하지 못하고 양 옆으로 bypass 되기 때문으로 판단된다.

후속연구

궁극적으로 미세먼지 Free Zone을 구현할 수 있는 장치가 개발될 경우 도로변 방음벽, 버스정류장, 유동인구 밀집 지역, 주거 단지 내 쉼터 및 놀이터 등 실외 주요 생활공간에 다양한 형태로 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 이를 통해 사회적 이슈인 미세먼지 문제 해결에 효과적으로 대응함으로써 국민 삶의 질 향상과 사회적 비용 감소에 기여할 수 있음은 물론 국내 환경산업의 수준을 향상시키고 고부가 가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.
예상된다. 이를 통해 사회적 이슈인 미세먼지 문제 해결에 효과적으로 대응함으로써 국민 삶의 질 향상과 사회적 비용 감소에 기여할 수 있음은 물론 국내 환경산업의 수준을 향상시키고 고부가 가치를 창출할 수 있을 것으로 기대된다.
결과를 제시하였다. 해석결과를 바탕으로 통과 유량과 미세먼지 포집 효율을 종합적으로 고려한 필터가 개발된다면 미세먼지 저감장치에 포함되는 요소기술로서 충분한 활용 가치가 있을 것으로 판단된다.
모든 필터의 가장 앞부분 포집룸에서 정압이 가장 크고유로를 통과함에 따라 정압이 감소하였다. 향후 미세먼지저감장치 제작 시 정압 손실에 따른 에너지 효율 감소를 완화하기 위해 추가적인 실험 수행을 통한 형상 최적화가 수반되어야 할 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

United States Environmental Protection Agency, What is PM?, https://www3.epa.gov/region1/airquality/pmwhat-is.html, 2019.
환경부(2018), 미세먼지 현황 브로슈어
국립환경과학원(2016), 대기환경연보, p.5
김정곤？경대승？이성희(2019), "미세먼지 저감 도시 조성기법 및 사례 연구", LH 토지주택연구원.
경대승(2019), "미세먼지 발생에 따른 도시차원 대응방안", 대전세종연구원, 대전세종포럼 68호, pp.88 -99
경대승(2019), "미세먼지 처리기법 원리 및 기술 개발 동향", 국토연구원, 국토, pp.34 -41
여국현(2016), "미세먼지 관리 기술 동향", 국가환경정보센터, 2016-112호
박동우？윤현식(2014), "격자, 난류모형 및 이산화방법이 유동해석 결과에 미치는 영향", 해양환경안전학회지, 20(4): 419-425

원문보기 상세보기
배성원？장석규？조형규？정재준(2007), "상용 CFD 코드의 이상유동 모델 및 수치해법 개요", 한국원자력연구원.

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