[논문]산업용 집진기 내부 유동분포에 관한 수치해석

진도훈

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.9.088

산업용 집진기 내부 유동분포에 관한 수치해석
Numerical Analysis of Flow Distribution in Dust Collector of Industrial Plant 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.18 no.9, 2019년, pp.88 - 93

진도훈 (부산가톨릭대학교 산업보건학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to analyze the flow of a system that collects fumes in the plasma cutting machine widely used in industrial sites. A plan for improving the fume collection facility of an industrial plant using a large plasma cutter was investigated through flow analysis. Results show that it is effective to capture and suck fumes from a nearby cutter. If more hoods were installed near the cutter, fumes that were scattered internally could be removed effectively. In addition, if suction inflow was increased, the fumes could be removed more effectively.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

등은 국소환기시스템에서 후드의 형상에 대한 수치해석을 통해 후드와 덕트를 연결하는 리듀서의 형상과 덕트 각도에 대한 연구를 수행하여 후드와 덕트의 설계에 따라 흡입유량과 압력에 영향을 미치는 것을 확인한 바 있다. 따라서 국소환기 시스템의 경우 후드의 형상과 덕트의 연결 방법에 따라 국소환기의 성능이 달라질 수 있는 것을 확인함에 따라 본 연구의 경우 기존 설비에서 설치된 후드에서 흡입되는 유량변화 및 배관위치변화에 따른 유동분포를 수치해석하고자 한다.
2과 같이 3D 모델링을 CATIA V5를 사용하여 모델링하여 3D 유동해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 집진기는 현재 산업현장에서 사용되고 있는 기존 집진기를 개조하여 성능을 향상시키기 위함이며, 이로 인해 기존 설치된 시스템에서 흡입후드를 추가하고 유량을 증가시켜 집진성능을 향상시키고자 하였다.

가설 설정

본 연구에서는 덕트 내부를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류유동으로 가정하여 유동해석을 수행하였다. 집진기 덕트에서 속도분포 및 압력을 산출하기 위해서 사용된 지배방정식은 아래의 식 (1)에서 (4)와 같이 연속 방정식과 운동량 방정식이며 난류모델은 이미 산업계에서 타당성을 검증받은 k-ε모델을 사용하였다^[8-10].

제안 방법

유동해석 대상 집진기모델은 Fig. 2과 같이 3D 모델링을 CATIA V5를 사용하여 모델링하여 3D 유동해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 집진기는 현재 산업현장에서 사용되고 있는 기존 집진기를 개조하여 성능을 향상시키기 위함이며, 이로 인해 기존 설치된 시스템에서 흡입후드를 추가하고 유량을 증가시켜 집진성능을 향상시키고자 하였다.
수치해석 기법으로는 지배방정식에서 압력과 속도의 연결은 SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)에 따른 Segregate Flow 알고리즘을 사용하였으며, 집진기 내부 유동해석을 해석하기 위해 다음과 같은 수치알고리즘으로 계산을 수행하게 된다. 해석결과를 취득하기 위한 수치해석의 환경은 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴 판정은 출구 유량이 변하지 않고 안정적인 값으로 고정된 계산결과가 나타날 때와 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴 판정은 잔차 값이 10^-3이하에 도달하면 수렴 판정의 기준으로 삼았다.

데이터처리

유동해석 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 해석 모델의 적절한 모델링과 해석에 적절한 난류모델의 선정, 계산 격자의 신뢰성 확보가 필요하다. 이와 더불어 Solver의 선택 또한 계산 정확도에 미치는 영향이 크기 때문에 상용 S/W는 CD-adapco사의 STAR-CCM+를 사용하여 해석을 수행하였다.

이론/모형

수치해석 기법으로는 지배방정식에서 압력과 속도의 연결은 SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)에 따른 Segregate Flow 알고리즘을 사용하였으며, 집진기 내부 유동해석을 해석하기 위해 다음과 같은 수치알고리즘으로 계산을 수행하게 된다. 해석결과를 취득하기 위한 수치해석의 환경은 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴 판정은 출구 유량이 변하지 않고 안정적인 값으로 고정된 계산결과가 나타날 때와 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴 판정은 잔차 값이 10^-3이하에 도달하면 수렴 판정의 기준으로 삼았다.
집진기 덕트에서 속도분포 및 압력을 산출하기 위해서 사용된 지배방정식은 아래의 식 (1)에서 (4)와 같이 연속 방정식과 운동량 방정식이며 난류모델은 이미 산업계에서 타당성을 검증받은 k-ε모델을 사용하였다[8-10].

성능/효과

Fig. 3은 기존모델에 대한 유동해석 결과이며, 흄의 농도를 집진기 가동 시 발생하는 유동장의 해석결과로 입자추적한 것이다 기존모델의 경우 집진기에 설치된 송풍기의 유량이 300CMM이며, 이 때 플라즈마 절단기에서 소지를 절단할 때 발생되는 흄이 충분히 절단기 근처에 설치된 후드를 통해 제거되지 못하고 일부 비산하여 상부에 설치된 후드를 통해 빠져나가고 있음을 확인할 수 있었다. 이러한 경우 작업장 내부에 확산되기 때문에 작업자의 환경보건에 악영향을 미칠 것으로 판단된다.
7에 비해 작업장 내부의 흄 확산이 상대적으로 잘 억제되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 절단기 인근에 흡입후드를 추가 설치하고, 이에 따른 흡입유량을 증가시켰을 경우 흄의 집진성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
본 연구는 대형 플라즈마 절단기를 사용하는 작업장 내부의 흄 집진시설에 대한 개선방안을 유동해석을 통해 예측한 결과 절단기에서 발생되는 흄을 인근에서 바로 포착하여 흡입하는 것이 효과적임을 확인할 수 있었고, 후드의 개수가 절단기 인근에 증가 배치시킬 경우 작업장 내부에 비산되어 확산되는 흄을 효과적으로 제거할 수 있었다. 또한 흡입유량이 증가될 경우 흄의 제거는 더욱 효과적임을 확인할 수 있었다.
본 연구는 대형 플라즈마 절단기를 사용하는 작업장 내부의 흄 집진시설에 대한 개선방안을 유동해석을 통해 예측한 결과 절단기에서 발생되는 흄을 인근에서 바로 포착하여 흡입하는 것이 효과적임을 확인할 수 있었고, 후드의 개수가 절단기 인근에 증가 배치시킬 경우 작업장 내부에 비산되어 확산되는 흄을 효과적으로 제거할 수 있었다. 또한 흡입유량이 증가될 경우 흄의 제거는 더욱 효과적임을 확인할 수 있었다.
10은 중앙단면에서의 흄 농도를 나타낸 것이다. 앞서 전술한 Fig. 7에 비해 작업장 내부의 흄 확산이 상대적으로 잘 억제되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 절단기 인근에 흡입후드를 추가 설치하고, 이에 따른 흡입유량을 증가시켰을 경우 흄의 집진성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
그림에서 보는 것과 같이 절단기에서 발생하는 흄의 대부분은 인근 후드를 통해 빠져나가는 것을 확인할 수 있었고, 일부 비산되어 작업장에 확산되어 분포되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 후드 입구에서 속도분포를 각각 Fig. 5와 같이 비교한 결과 3번 후드의 경우 중앙에서 속도가 약 6m/s 이상으로 높게 나타남을 확인할 수 있었고, 양 끝단으로 이동하면서 대칭적으로 속도가 감소함을 확인할 수 있었다. 반면 1번과 2번 후드의 경우 상대적으로 어느 한 지점에 집중되지는 않고 있었다.
11은 각 후드 입구에서의 흡입속도분포를 나타내고 있다. 흡입유량 300CMM일 경우에 비해 유량이 100CMM 증가하였기 때문에 후드에서의 속도분포는 다소 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 상대적으로 흄이 작업장 내부에 비산 및 확산이 억제되어 후드로 잘 집진된 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국소환기의 방법은 어떤것인가?	현재 산업현장에서 적용되고 있는 국소환기의 경우 유해물질의 발생원으로부터 배출된 유해물질이 작업장으로 환산되기 전에 포집하여 배출하는 환기방법을 많이 채택하고 있다. 개략적인 개념은 유해물질을 포집하는 후드(Hood)를 발생원 근처에 설치하고 덕트(Duct)를 통해 기계적인 힘으로 유해물질을 흡입하여 외부로 배출하여 작업환경을 개선하는 것을 말한다.
	국소환기의 개략적인 개념에 대해 설명하라	현재 산업현장에서 적용되고 있는 국소환기의 경우 유해물질의 발생원으로부터 배출된 유해물질이 작업장으로 환산되기 전에 포집하여 배출하는 환기방법을 많이 채택하고 있다. 개략적인 개념은 유해물질을 포집하는 후드(Hood)를 발생원 근처에 설치하고 덕트(Duct)를 통해 기계적인 힘으로 유해물질을 흡입하여 외부로 배출하여 작업환경을 개선하는 것을 말한다. 이러한 국소환기는 유해물질을 발생원 근처에서 미리 포집하여 제거하므로 유해물질로 오염된 작업장을 희석하여 제거하는 전체환기 시스템에 비해 환기효율이 좋다.
	작업환경개선의 근본적인 목적은?	산업환기는 작업장의 공기 질을 개선할 목적으로 설치되고 있지만 작업환경개선의 근본적인 목적은 유해물질로부터 작업자의 건강을 보호하는 것이 주안점이 두어진다 그 이유는 산업현장에서 발생되는 유기용제, 특정화학물질, 중금속, 분진, 화재 및 폭발물질 등에 작업자가 노출되지 않도록 하기 위해서 산업현장의 시설이나 물질을 교체하거나 완전 격리시키는 방법을 채택하고 있다.

참고문헌 (10)

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Lim, K. B., Lee, K. S., and Lee, C. H., "A numerical study on the characteristics of flow field, temperature and concentration distribution according to changing the shape of separation plate of kitchen hood system", Transactions of the KSMEB, Vol. 30, No. 2, pp.177-185, 2006.
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Koo, N. Y., Lee, Y. K., and Young, Y. S., "An experimental study on the air curtain range hood interrupting the diffusion of polluted air", SAREK winter conference, pp. 382-387, 2002.
Witt, P. J., Solnorda. lC, G., Mittoni, L. J., Finn, S., and Pluta, J., "Optimising the design of fume extraction hoods using a combination of engineering and CFD modelling, Applied Mathematical Modelling", Vol. 30, pp. 1167-1179, 2006.

상세보기
Yi, C. S., Jang, S. C., Choi, J. H., "Numerical Analysis on Hood Shape Improvement of Local Ventilation System", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 21, No. 4, pp.260-265, 2009.
Lee, C. W., "A Numerical Analysis on Flow Characteristic in a Standard Cyclone Dust Separator," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 10, No. 5, pp. 97-103, 2011.
Jang, S. C., "Flow and Structural Analysis at Welding Fume of Automatic Gantry Robot," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 11, No. 6, pp. 158-163, 2012.
Jang, S. C., Kim, J. W., Yi, C. S., "Numerical analysis on the inner flow characteristic for small smoke collector", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 12, No. 5, pp. 67-75, 2013.

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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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