[논문]초소형 Lapple 사이클론 집진기의 수치적 성능평가

박수민; 권재성

doi:10.5407/jksv.2020.18.3.090

초소형 Lapple 사이클론 집진기의 수치적 성능평가
Numerical Performance Evaluation of an Ultra-small Lapple Cyclone Separator 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.18 no.3, 2020년, pp.90 - 95

박수민 (Department of Mechanical Engineering, Incheon National University) , 권재성 (Department of Mechanical Engineering, Incheon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to numerically evaluate the collection performance of an ultra-small Lapple cyclone separator for 1~10 ㎛ particles introduced at flow rate of 10 L/min. The numerical evaluation reveals that a static pressure drop occurs more dominantly inside of the cyclone separator than at the inlet and the vortex finder. Also a fluid flow in the cyclone separator is confirmed to have a helical structure heading upward in the center of cyclone separator and downward in the vicinity of wall. The investigation on dust collection efficiency of the Lapple cyclone separator shows that particles of 4~8 ㎛ diameters are collected at very lower efficiency than other sizes. Then, the cut-point diameter of the cyclone separator is 1.48 ㎛.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. (a) 3D geometry of a Lapple cyclone separator and (b) meshes generated inside the cyclone separator
그림 Fig. 2. Distribution of static pressure in the cyclone separator
표 Table 1. Geometric dimension of a Lapple cyclone separator
그림 Fig. 3. Distribution of (a) radial, (b) tangential, and (c) axial velocity component in the cyclone separator
그림 Fig. 4. Grade efficiency curve of the Lapple cyclone separator for the number of particles 2000 and 10000
그림 Fig. 5. Distribution of (a) 5 μm diameter- and (b) 10 μm diameter particles filtered and unfiltered by the Lapple cyclone separator

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 0.01 m의 몸통 직경을 가지는 초소형 Lapple 사이클론 집진기의 성능을 수치적으로 평가하였다. 수치해석을 통해 사이클론 집진기 내부의 압력 분포, 유동 패턴, 그리고 집진효율이 분석되었다.

가설 설정

이때 사이클론 집진기의 벽면에는 점착 조건을 적용하였다. 사이클론 집진기 내부에서 발생하는 공기유동은 RANS k-ω 모델을 이용하여 해석하였고, 비압축성이며 등온조건하에서 정상상태로 발생한다고 가정하였다. 입구로 유입되는 유량의 크기는 10 L/min로 설정되었다.
5초로 설정하였다. 유체유동의 속도가 매우 낮으므로(Re<<1) 유체 내 입자들은 기본적으로 스토크스 법칙(Stokes’ law)을 만족하면서 이동하고, 사이클론 집진기의 벽면과 완전 탄성충돌하는 것으로 가정한다. 이때 입자와 유체, 그리고 입자와 입자 간의 상호작용은 무시한다.

제안 방법

Erol et al.⁽²⁾은 0.7 m의 몸통 직경을 가지는 Stairmand 사이클론 집진기의 선회류 출구 직경에 따른 성능평가를 진행하였다. 선회류 출구의 직경이 감소할수록 집진효율과 압력손실은 증가하는 경향이 나타나는 것을 확인하였다.
Qian et al.(3)는 0.2 m의 몸통 직경을 가지는 사이클론 집진기에 대해 입구의 각도에 따른 성능평가를 수행하였다. 입구의 각도가 증가할수록 압력손실은 감소하는 반면 집진효율은 증가하는 경향이 나타났고, 이때 최적의 집진효율은 45도의 각도에서 발생한다는 것을 확인하였다.
Bara et al.⁽⁴⁾은 0.29 m의 몸통 직경을 가지는 Stairmand 사이클론 집진기에 대해 원통과 원뿔의 높이에 따른 성능평가를 수행하였다. 원통과 원뿔의 높이가 증가할수록 압력손실은 감소하고, 집진효율은 증가하는 경향이 나타났다.
Kim et al.⁽⁶⁾은 몸통 직경이 0.0219 m의 크기를 가지는 사이클론 집진기에 대해 선회류 출구 직경과 유량의 크기에 따른 성능평가를 진행하였다. 선회류 출구의 직경이 증가함에 따라 집진효율과 압력손실은 감소하는 경향이 나타났다.
01 m의 몸체 직경을 가지는 초소형 Lapple 사이클론 집진기에 대하여 수치해석을 수행한다. 그 수치해석을 통해 사이클론 집진기 내부에서 형성되는 유동 패턴과 압력 분포, 그리고 집진효율이 분석된다. 본 연구의 수치적 결과들은 소형 Lapple 사이클론 집진기의 성능을 획기적으로향상시킬 수 있는 공학적 방안을 제공할 것이다.
02 m이상인 Stairmand 사이클론 집진기에 초점이 맞추어져 있으며, 그보다 효율이 높다고 평가받는 Lapple사이클론 집진기에 대한 연구사례는 극히 소수에 불과하다⁽⁷⁾. 따라서 본 연구에서는 0.01 m의 몸체 직경을 가지는 초소형 Lapple 사이클론 집진기에 대하여 수치해석을 수행한다. 그 수치해석을 통해 사이클론 집진기 내부에서 형성되는 유동 패턴과 압력 분포, 그리고 집진효율이 분석된다.
마지막으로 Fig. 4의 결과를 기반으로 본 연구에서는 Lapple 사이클론 집진기의 거시적 집진 성능이 평가되었다. 그 거시적 집진성능은 집진효율이 50%인 입자의 직경을 나타내는 절단입경(d50)을 이용하여 정량적으로 평가되었다⁽⁸⁾.
1은 수치해석에 사용된 사이클론 집진기의 외형도와 그 내부에 생성한 격자들을 보여준다. 사이클론 집진기 내부에 총 1, 376, 040개의 정렬 격자를 생성하였으며, 해석의 정확도를 높이기 위해 입구와 사이클론 몸체가 만나는 경계면과 벽면 근처에 조밀한 격자를 형성하였다. Table 1은 그 Lapple 사이클론 집진기의 기하학적 비율을 나타낸다.
01 m의 몸통 직경을 가지는 초소형 Lapple 사이클론 집진기의 성능을 수치적으로 평가하였다. 수치해석을 통해 사이클론 집진기 내부의 압력 분포, 유동 패턴, 그리고 집진효율이 분석되었다. 사이클론 집진기 내 압력은 유동 방향을 따라 점진적으로 감소하였다.
앞서 입자의 개수 2000개에 대하여 획득된 등급집진효율의 신뢰성을 보장하기 위해 입자의 개수 10000개에 대해서도 동일한 수치해석을 수행하였다. 그 비교 결과는 2000개에 대한 결과와 더불어 Fig.
입자해석 수행은 무작위로 분포된 2000개의 입자들을 사이클론 집진기의 입구로 한 번에 주입하는 것으로부터 시작되며, 모든 입자들이 사이클론 내부의 임의의 위치 혹은 먼지통과 선회류 출구에 도달하였을 때 종료되는 것으로 설정하였다. 이때 입자들이 입구에서 선회류 출구로 이동하기 위한 시간을 충분히 보장하기 위해 해석시간은 유량의 크기와 사이클론 집진기의 전체 높이를 고려하여 0.5초로 설정하였다. 유체유동의 속도가 매우 낮으므로(Re<<1) 유체 내 입자들은 기본적으로 스토크스 법칙(Stokes’ law)을 만족하면서 이동하고, 사이클론 집진기의 벽면과 완전 탄성충돌하는 것으로 가정한다.

대상 데이터

기반하여 수행된다. 입자해석 수행은 무작위로 분포된 2000개의 입자들을 사이클론 집진기의 입구로 한 번에 주입하는 것으로부터 시작되며, 모든 입자들이 사이클론 내부의 임의의 위치 혹은 먼지통과 선회류 출구에 도달하였을 때 종료되는 것으로 설정하였다. 이때 입자들이 입구에서 선회류 출구로 이동하기 위한 시간을 충분히 보장하기 위해 해석시간은 유량의 크기와 사이클론 집진기의 전체 높이를 고려하여 0.
추가 적으로 입자들의 브라운 운동(Brownian motion)이 해석과정 간 고려되었다. 해석을 위해 선택된 입자는 구형의 플라이 애쉬(fly ash)이며, 그것의 밀도와 직경은 각각 2900 kg/m³과 1~10 μm이다.

성능/효과

그 거시적 집진성능은 집진효율이 50%인 입자의 직경을 나타내는 절단입경(d50)을 이용하여 정량적으로 평가되었다⁽⁸⁾. 1 차 보간식을 통해 계산한 결과, 본 연구의 수치해석 대상인 Lapple 사이클론 집진기의 절단입경은 1.48 μm인 것으로 확인되었다.
그 결과 4~8 μm입자들의 집진효율은 다른 입자 크기들에 비해 상대적으로 낮았는데, 이는 그 입자들이 집진되지 않고 사이클론 집진기의 원통과 선 회류 출구 영역 사이에 점착되었기 때문이다. 각 입자크기에 대한 집진효율을 기반으로 계산된 Lapple 사이클론 집진기의 절단입경은 1.48 μm 로 평가되었다.
원통과 원뿔의 높이가 증가할수록 압력손실은 감소하고, 집진효율은 증가하는 경향이 나타났다. 그로부터 원통과 원뿔의 높이 변화는 각각 압력손실과 집진효율에 지대한 영향을 준다는 것이 확인되었다.
4에 같이 주어졌다. 두 입자 개수에 대한 등급집진효율의 변화는 동일하며, 이로부터 주입된 입자의 개수는 집진효율에 영향을 주지 않는다는 것이 수치적으로 확인되었다.
이에 따라 원심력으로 인해 사이클론 집진기의 벽면으로 이동한 입자들은 축방향 유동을 따라 집진기 아래의 먼지통으로 이동하고, 정화된 공기는 집진기 중심부에 형성된 상부방향 유동을 따라 선회류 출구로 배출되었다. 마지막으로 Lapple 사이클론 집진기의 1~10 μm직경을 가진 입자들에 대한 집진효율이 조사되었다. 그 결과 4~8 μm입자들의 집진효율은 다른 입자 크기들에 비해 상대적으로 낮았는데, 이는 그 입자들이 집진되지 않고 사이클론 집진기의 원통과 선 회류 출구 영역 사이에 점착되었기 때문이다.
7 m의 몸통 직경을 가지는 Stairmand 사이클론 집진기의 선회류 출구 직경에 따른 성능평가를 진행하였다. 선회류 출구의 직경이 감소할수록 집진효율과 압력손실은 증가하는 경향이 나타나는 것을 확인하였다. Qian et al.
0219 m의 크기를 가지는 사이클론 집진기에 대해 선회류 출구 직경과 유량의 크기에 따른 성능평가를 진행하였다. 선회류 출구의 직경이 증가함에 따라 집진효율과 압력손실은 감소하는 경향이 나타났다. 하지만 몸통 직경에 근접할수록 집진효율은 계속 감소하는 반면 압력손실은 증가하는 경향을 확인하였다.
29 m의 몸통 직경을 가지는 Stairmand 사이클론 집진기에 대해 원통과 원뿔의 높이에 따른 성능평가를 수행하였다. 원통과 원뿔의 높이가 증가할수록 압력손실은 감소하고, 집진효율은 증가하는 경향이 나타났다. 그로부터 원통과 원뿔의 높이 변화는 각각 압력손실과 집진효율에 지대한 영향을 준다는 것이 확인되었다.
입구의 높이와 너비가 증가할 수록압력손실과 집진효율은 감소하는 경향이 나타났다. 이 연구를 통해 입구의 너비변화가 입구의 높이 변화보다 집진효율에 더 큰 영향을 준다는 것을 확인할 수 있었고, 이때 입구 높이에 대한 너비의 최적 비율이 0.5 ~ 0.7인 것이 확인되었다. Kim et al.
2 m의 몸통 직경을 가지는 사이클론 집진기에 대해 입구의 각도에 따른 성능평가를 수행하였다. 입구의 각도가 증가할수록 압력손실은 감소하는 반면 집진효율은 증가하는 경향이 나타났고, 이때 최적의 집진효율은 45도의 각도에서 발생한다는 것을 확인하였다. Bara et al.
031 m의 몸통 직경을 가지는 Stairmand 사이클론 집진기에 대해 입구 높이와 너비에 따른 성능평가를 진행하였다. 입구의 높이와 너비가 증가할 수록압력손실과 집진효율은 감소하는 경향이 나타났다. 이 연구를 통해 입구의 너비변화가 입구의 높이 변화보다 집진효율에 더 큰 영향을 준다는 것을 확인할 수 있었고, 이때 입구 높이에 대한 너비의 최적 비율이 0.
등급집진효율은 각 입자의 크기에 대하여 입구로 주입된 입자의 개수와 먼지통으로 유입된 입자의 개수의 비율로 계산될 수 있다. 최초 2000개의 입자를 집진기 입구로 주입하여 분석한 결과, 2~3 μm 그리고 9~10 μm직경의 입자들에 대해서는 집진효율이 100%에 근접한 반면, 4~8 μ m 입자들의 집진효율은 상대적으로 낮은 값을 가진다. 그 이유로써 입자들의 최종위치를 나타낸 Fig.
선회류 출구의 직경이 증가함에 따라 집진효율과 압력손실은 감소하는 경향이 나타났다. 하지만 몸통 직경에 근접할수록 집진효율은 계속 감소하는 반면 압력손실은 증가하는 경향을 확인하였다. 유량의 크기가 증가할수록 선회류출구의 직경이 증가할 때와는 반대되는 경향이 나타났다.

후속연구

그 수치해석을 통해 사이클론 집진기 내부에서 형성되는 유동 패턴과 압력 분포, 그리고 집진효율이 분석된다. 본 연구의 수치적 결과들은 소형 Lapple 사이클론 집진기의 성능을 획기적으로향상시킬 수 있는 공학적 방안을 제공할 것이다.

참고문헌 (8)

Dirgo, J., and Leith, D., 1985, "Cyclone Collection Efficiency: Comparison of Experimental Results with Theoretical Predictions," Aerosol Science and Technology, Vol. 4(4), pp.401-415.

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Erol, H. I., Turgut, O., and Unal, R., 2019, "Experimental and Numerical Study of Stairmand Cyclone Separators: A Comparison of the Results of Small-scale and Large-scale Cyclones," Heat and Mass Transfer, Vol. 55, pp.2341-2354.

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Qian, F., and Wu, Y., 2009, "Effects of the Inlet Section Angle on the Separation Performance of a Cyclone," Chemical Engineering research and design, Vol. 87(12), pp.1567-1572.

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Brar, L. S., Sharma, R. P., and Elsayed, K., 2015, "The Effect of the Cyclone Length on the Performance of Stairmand High-efficiency Cyclone," Powder Technology, Vol. 286, pp.668-677.

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Elsayed, K., and Laco'r, C., 2011, "The Effect of Cyclone Inlet Dimensions on the Flow Pattern and Performance," Applied Mathematical Modelling, Vol. 35(4), pp.1952-1968.

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Kim, J. C., and Lee, K. W., 1990, "Experimental Study of Particle Collection by Small Cyclone," Aerosol Science and Technology, Vol. 12, pp.1003-1015.

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Masoumeh, M., Shuran, L., Qinzhen, Z., Guanle, D., Zhen, L., and Keping, Y., 2019, "Performance Evaluation of a New Micro Gas Cyclone Using Simulation and Experimental Studies to Capture Indoor Fine Particles," Advanced Powder Technology, Vol. 30(6), pp.1151-1159.

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Hoffmann, A. C., and Stein, L. E., 2002, Gas Cyclones and Swirl Tubes, Springer, New York, pp.45-56.

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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