[논문]마이크로 버블 발생장치와 결합된 오일 플러싱 장치 개발

홍성호; 이경희; 정남화

doi:10.9725/kts.2022.38.3.109

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This paper reports the development of an oil flushing system combined with a microbubble generator. Oil flushing plays a crucial role in regulating the lubricant's performance during the lubricant replacement process. Moreover, harmful contaminants, such as sludge, wear particles, and rust, from pip...

This paper reports the development of an oil flushing system combined with a microbubble generator. Oil flushing plays a crucial role in regulating the lubricant's performance during the lubricant replacement process. Moreover, harmful contaminants, such as sludge, wear particles, and rust, from piping systems or lubrication system can be removed by oil flushing. Oil flushing aims to increase the system's efficiency using a dedicated flushing oil, increasing of the supply pressure and generating a vortex. In addition, it helps the mechanical system or equipment achieve peak performance and reduces the potential for premature failure. However, the contaminant-removal applications of existing oil flushing system are limited. In this research, we aim to improve the performance of oil flushing system by incorporating a microbubble generator, which uses the venture effect to generate microbubbles and mixes them with lubricant. The microbubbles in the blended lubricant remove contaminants from the lubrication system more effectively. Structural mechanics and fluid dynamics are analyzed through fluid-structure interaction (FSI) analysis, and the numerical analysis results are used for the designing the system. The magnitude of the maximum stress is investigated based on the pressure results obtained by the CFD analysis; through the CFD analysis, the mixing ratio of air (bubble) and lubricant is evaluated using the volume of fluid (VOF) model according to the working conditions.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Oil flushing of pipe.
그림 Fig. 2. Industrial applications of oil flushing.
그림 Fig. 3. Numerical model of micro-bubble generator. (a) component (b) geometries.
그림 Fig. 4. Pressure and velocity distribution at crosssectional view. (a) pressure distribution (b) velocity distribution.
표 Table 1. Geometries of numerical model
$Fig. 5. Volume fraction of air and lubricant. (a) oil volume fraction (b) air volume fraction.$ 그림 Fig. 5. Volume fraction of air and lubricant. (a) oil volume fraction (b) air volume fraction.
그림 Fig. 6. Result of structural analysis. (a) stress distribution (b) position of maximum stress.
그림 Fig. 7. Appearance of grit.
표 Table 2. Results of grit-filtered amount
그림 Fig. 8. Appearance of strainer. (a) installation hole for strainer (b) strainer (c) filtered grit on strainer.
그림 Fig. 9. Generation device of micro-bubble.
그림 Fig. 10. Presence of bubbles in the lubricant. (a) without bubble (b) with bubbles.

AI 본문요약
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문제 정의

보다 효과적인 방법으로 플러싱을 수행함으로써 이물질에 의한 손상 방지, 잠재적 고장을 방지하려는 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존 오일 플러싱 장치에 마이크로 버블 발생장치를 결합함으로써 배관 내벽뿐만 아니라 윤활시스템 여러 곳에 산재한 이물질을 제거하여 플러싱의 성능을 개선하고자 하였다.
본 연구에서는 윤활유의 교체과정에서 잔존 이물질을 제거하는 플러싱 시스템의 성능을 개선하고자 마이크로 버블 발생장치를 결합한 플러싱 시스템을 개발하였다. 마이크로 버블 발생 장치는 벤츄리 효과를 이용하여 윤활유 순환 라인의 좁아진 영역에는 압력이 낮아져 외부로 부터의 공기 유입을 용이하게 하고 적당한 가압조건을 이용하여 마이크로 버블이 잘 발생하게 하였다.

제안 방법

기존 오일 플러싱 장치의 개선을 위해 마이크로 버블 발생장치를 개발하였다. 마이크로 버블 발생 장치를 기존의 오일 플러싱 장치와 결합하여 플러싱 효과를 평가하였다.
기존 오일 플러싱 장치의 개선을 위해 마이크로 버블 발생장치를 개발하였다. 마이크로 버블 발생 장치를 기존의 오일 플러싱 장치와 결합하여 플러싱 효과를 평가하였다.
이 현상은 연속방정식(continuity equation)과 베르누이 방정식(Bernoulli’s equation)으로 설명될 수 있다 [9]. 마이크로 버블 발생장치를 개발하는 과정에 유동-구조 연성 (Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석을 수행 하였다. 이 FSI해석은 1-way와 2-way 방식이 있는데 본 Fig.
수치해석을 통해 설계조건을 확정한 뒤, 제작하여 검정을 위한 실험을 수행하였다. 검정을 위한 실험에서 실제 이물질이 있는 시스템에 대한 실험을 수행하기 어려워 인공의 이물질을 주입하였다.
우선 CFD 해석을 통해 마이크로 버블의 생성 과정을 살펴보았다. 이때 해석에서는 VOF(Volume of Fluid) 모델을 사용하였고 공기와 액체 윤활유가 공존하는 현상 에서 각상(phase)의 비율을 살펴보았다.
본 실험에서 사용한 그리트의 평균 지름은 대략 1 mm이고 다양한 형상으로 존재하여 실제 윤활시스템에서는 큰 마모입자에 해당된 다. 윤활유 온도를 60℃로 가열하고 1시간 동안 순환을 시키고 시스템을 정지 시킨 다음, 스트레이너에 걸리진 그리트의 양을 측정하는 실험을 총 3회 실시하였다. Fig.

대상 데이터

7과 같이 작은 입자이며 주로 연마제 등으로 사용되나 본 실험에서는 윤활유 순환 시스템의 이물질로 사용되었다. 본 실험에서 사용한 그리트의 평균 지름은 대략 1 mm이고 다양한 형상으로 존재하여 실제 윤활시스템에서는 큰 마모입자에 해당된 다. 윤활유 온도를 60℃로 가열하고 1시간 동안 순환을 시키고 시스템을 정지 시킨 다음, 스트레이너에 걸리진 그리트의 양을 측정하는 실험을 총 3회 실시하였다.
3은 해석 모델을 나타낸다. 해석 모델은 벤츄리 형상을 포함하는 형태로 설계되었다. 해석 모델의 기하학적 형상은 Table 1에 나타난다.

데이터처리

243 m/s이고 출구(outlet)의 압력 조건은 대기압이다. 정상상태(steadystate)의 해석을 수행하였다. Fig.
검정을 위한 실험에서 실제 이물질이 있는 시스템에 대한 실험을 수행하기 어려워 인공의 이물질을 주입하였다. 플러싱 테스트를 수행한 후의 이물질 제거율(회수율)을 기존 플러싱 방법과 비교하였다. 기존의 플러싱 시스템과 개선된 플러싱 시스템의 차이는 마이크로 버블 발생장치의 결합유무이다.
해석에서는 1-way 방식으로 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics) 해석으로 구조물 내의 압력 분포를 파악한 뒤 이를 이용하여 구조해석을 수행하였다. 해석은 ANSYS 상용 해석 프로그램을 사용하였다.

이론/모형

우선 CFD 해석을 통해 마이크로 버블의 생성 과정을 살펴보았다. 이때 해석에서는 VOF(Volume of Fluid) 모델을 사용하였고 공기와 액체 윤활유가 공존하는 현상 에서 각상(phase)의 비율을 살펴보았다. 외부에서 5 bar 의 압축된 공기가 공기 호스를 통해 윤활유 순환 라인에 공급되고 입구(inlet)의 오일 유입 속도는 2.
해석에서는 1-way 방식으로 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics) 해석으로 구조물 내의 압력 분포를 파악한 뒤 이를 이용하여 구조해석을 수행하였다

성능/효과

마이크로 버블 발생 장치는 벤츄리 효과를 이용하여 윤활유 순환 라인의 좁아진 영역에는 압력이 낮아져 외부로 부터의 공기 유입을 용이하게 하고 적당한 가압조건을 이용하여 마이크로 버블이 잘 발생하게 하였다. 검증 실험에서는 그리트의 회수(제거)율로 확인한 결과, 기존 플러싱 시스템보다 이물질 제거율이 10% 이상 개선되었다. 이는 윤활유 순환 과정에 미세한 버블들이 파괴되는 과정에 이물질을 벽면이나 바닥으로부터 잘 분리하는 효과를 가지기 때문이다.
마이크로 버블 발생 장치는 벤츄리 효과를 이용하여 윤활유 순환 라인의 좁아진 영역에는 압력이 낮아져 외부로 부터의 공기 유입을 용이하게 하고 적당한 가압조건을 이용하여 마이크로 버블이 잘 발생하게 하였다
즉 마이크로 버블 발생장치가 결합된 플러싱 시스템의 그리트 회수율이 기존의 플러싱 시스템보다 13% 개선되었다. 그리트의 회수율이 크다는 것은 플러싱으로 인해 윤활시스템의 이물질을 효과적으로 제거하여 플러싱 성능이 개선 되었음을 의미한다.

후속연구

즉 기계시스템의 곳곳에 산재되어 있는 이물질을 기존의 방법으로는 제거하는데 어려움이 있다. 보다 효과적인 방법으로 플러싱을 수행함으로써 이물질에 의한 손상 방지, 잠재적 고장을 방지하려는 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존 오일 플러싱 장치에 마이크로 버블 발생장치를 결합함으로써 배관 내벽뿐만 아니라 윤활시스템 여러 곳에 산재한 이물질을 제거하여 플러싱의 성능을 개선하고자 하였다.

참고문헌 (9)

Hong, S. H., "Literature review of machine condition monitoring with oil sensors - Types of sensors and their functions", Tribo. Lubr., Vol.36, No.6, pp.297-306, 2020, https://doi.org/10.9725/kts.2020.36.6.297

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Hong, S. H., "Review of application cases of machine condition monitoring using oil sensors", Tribo. Lubr., Vol.36, No.6, pp.307-314, 2020, https://doi.org/10.9725/kts.2020.36.6.307

원문보기 상세보기
Hong, S. H., "Literature review of machine condition monitoring with oil sensors - Application cases", Proc. Conf. Korean Tribol. Soc., Daejeon, Korea, September 2020.
Hong, S. H., Machine Condition Diagnosis Based on Oil Analysis, Chap. 3, Hanteenedia, Seoul, Korea, 2021. (ISBN 978-89-6421-426-8)
Huang, Z., Chen, Q., Yao, Y., Chen, Z., Zhou, J., "Micro-bubbles enhanced removal of diesel oil from the contaminated soil in washing/flushing with surfactant and additives", Journal of Environmental Management, Vol.290, pp.112570, 2021, http://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112570

상세보기
Special Flushing Oil, www.cyclon-lpc.com>2019/01>FLUSHING-OIL_EN-vJn18, Accessed June 20, 2022.
Instruction for flushing-Lubricating Oil System, https://www.wingd.com/en/documents/w-2s/engine-installation/concept-guidances/dg9722-flushing-instruction-for-lubricating-oil-system/, Accessed June 22, 2022.
4 Types of Oil Flushes and When You Should Use Them, https://machinerylubrication.com/Read/30811/4-oil-flushes, Accessed June 24, 2022.
Murai, Y., Tasaka, Y., Oishi, Y., Ern, P., "Bubble fragmentation dynamics in a subsonic Venturi tube for the design of a compact microbubble generator", International Journal of Multiphase Flow, Vol. 139, pp.103645, 2021, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103645

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