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문제 정의
- 본 연구의 목적은 스태틱 믹서의 혼합 및 압력 손실량에 대한 실험적 연구롤 수행하고, 2개의 단위 엘리먼트로 구성된 PPM 모델을 설정하여 수치적 연구를 수행하여 산업용 스태틱 믹서의 성능개선 및 최적설계에 기여하고자 한다.
제안 방법
- 믹싱튜브에는 상부 탱크에 연결된 기어 펌프(VMng Spur Gear Single Pump SG-0570)에 의해서 유체가 펌핑된다. 기어 펌프와 믹싱 튜브 사이에는 압력게이지를 설치하여 믹싱 튜브에 공급되는 압력을 측정하였다. 기어 펌프는 3상 유도 전동기에 의해서 구동된다.
- 또한 복잡한 구조에 따른 격자수의 증가는 계산시간의 증가를 초래하여 경제성의 문제를 야기시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 기하학적으로 대단히 복잡한 구조인 믹싱 엘리먼트부에 대해 최적의 격자를 생성시킬 수 있도록 하기 위해 별도의 CAD 패키지인 Soildedge를 이용하여 PPM 엘리먼트부를 모델링한 후 Algor의 preprocessor를 이용하여 격자를 생성시키는 방법을 이용하였다. 본 연구의 수치해석 모델인 분할 파이프 믹서의 믹싱 엘리먼트는 Fig.
- Sulzer형은 분할면의 수가 2"(ne 엘리먼트수)개인 Kenics형[2]과는 달리 분할면의 수가 32"개로 분할면의 수가 상대적으로 많아서 믹싱효율은 좋지만 믹서 출구에서의 압력손실이 커져서 펌핑 동력이 많아지는 단점이 있다. 본 연구를 통해서 개발된 모델은 Sulzer 형과는 완전히 다른 방식이지만 믹싱효율의 감소는 최소화하고 압력손실량을 줄여 에너지의 이용효율을 향상시키고자 하는 의도에서 고안된 모델이다.
- 본 연구에서는 Fig.l에' 나타낸 것과 같은 Sulz貝형, SSM(Sin Sung mixer)형 그리고 PPM형 엘리먼트를 제작하고, 이러한.앨리먼트들을 장착할 수 있는 스태틱 믹서를 제작하여 압력 강하량을 측정하였으며, 디지털 카메라를 이용하여 믹싱효을을 촬영하는 실험적 연구를 수행하였다.
- l에' 나타낸 것과 같은 Sulz貝형, SSM(Sin Sung mixer)형 그리고 PPM형 엘리먼트를 제작하고, 이러한.앨리먼트들을 장착할 수 있는 스태틱 믹서를 제작하여 압력 강하량을 측정하였으며, 디지털 카메라를 이용하여 믹싱효을을 촬영하는 실험적 연구를 수행하였다. 제작된 엘리먼트 중에서 SSM형은 본 연구 과정을 통해서 새롭게 개발된 모델이다.
- 유량은 상부 탱크 출구쪽에 설치된 유량 조절밸브와 유량계를 이용하여 조절하였다. 측정 유체는 원래의 저장용기로부터 탱크에 주입하는 과정에서 포함될 수 있는 기포방울이 액면 위로 제거되도록 하기 위해 24시간 이상 저장하였으며, 저장한 글리세린을 상부탱크에 주입할 때 공기를 배출시킬 수 있도록 느린 속도로 펌핑하였다.
- 5는 믹싱 튜브 출구의 혼합상태를 촬영한 결과이다. 혼합 상태를 촬영하기 위한 실험은 믹서에서 믹싱 튜브를 분리하여 각각의 엘리먼트를 장착시키고 적당하게 반죽한 진흙의 중심부에 직경 10mm 정도로 붉은색 추적 색소를 넣고 가압하여 믹싱되게 한 후 출구에서 디지털 카메라를 이용하여 촬영하였다. 본 실험결과로부터 정량적인 혼합율을 산출할 수는 없지만, PPM형의 경우에는 믹서 중심부에만 추적 색소가 분포한 반면에 Sulzer형과 SSM형은 거의 전 평면에 추적색소가 분포하는 것을 알 수 있다.
대상 데이터
- Table 1에는 믹싱 유체의 물성치를 나타낸다. 믹싱 유체의 저장 탱크는 2개로 구성하였으며, 펌프를 이용하여 하단의 탱크로부터 아크릴관으로 제작된 상부 탱크로 유체를 공급한다. 믹싱튜브에는 상부 탱크에 연결된 기어 펌프(VMng Spur Gear Single Pump SG-0570)에 의해서 유체가 펌핑된다.
- 따라서 본 연구에서는 기하학적으로 대단히 복잡한 구조인 믹싱 엘리먼트부에 대해 최적의 격자를 생성시킬 수 있도록 하기 위해 별도의 CAD 패키지인 Soildedge를 이용하여 PPM 엘리먼트부를 모델링한 후 Algor의 preprocessor를 이용하여 격자를 생성시키는 방법을 이용하였다. 본 연구의 수치해석 모델인 분할 파이프 믹서의 믹싱 엘리먼트는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 140mm 길이의 40mm 원형관 내부에 두께 2mm의 평판이 직교되어 있다. 수평인 평판은 입구영역으로부터 20mm 떨어져 있고 수직인 평판은 출구영역으로부터 40mm 안쪽에 설치되어 있다.
- 2는 제작된 스태틱 믹서의 개략도를 나타낸다. 제작된 믹서의 믹싱 튜브는 40mm 직경의 투명 ' 아■크릴관으로 제작하였다. 측정용 유체는 점도가 서로 다른 글리세린과 유압유를 사용하였다.
- 제작된 믹서의 믹싱 튜브는 40mm 직경의 투명 ' 아■크릴관으로 제작하였다. 측정용 유체는 점도가 서로 다른 글리세린과 유압유를 사용하였다. Table 1에는 믹싱 유체의 물성치를 나타낸다.
이론/모형
- direct 방법에 비해서 Penalty 방법은 훨씬 작은 matrix를 풀게 되므로 다양한 Re 수 범위에 대해 해석이 가능하다. 난류모델은 grid adaptive subgrid scale 난류모델을 이용한다.
- 수치해석에는 상용 CFD 코드인 Algor[20]> 이용하였다. Algor 는 유한요소법 (Finite Element Method)을 바탕으로 한 상용S/W이다.
- Algor 는 유한요소법 (Finite Element Method)을 바탕으로 한 상용S/W이다. 이 S/W에서는 Navier-Strokes 방정식을 풀기 위해 Penalty 방법을 이용한다. direct 방법에 비해서 Penalty 방법은 훨씬 작은 matrix를 풀게 되므로 다양한 Re 수 범위에 대해 해석이 가능하다.
성능/효과
- 혼합 상태를 촬영하기 위한 실험은 믹서에서 믹싱 튜브를 분리하여 각각의 엘리먼트를 장착시키고 적당하게 반죽한 진흙의 중심부에 직경 10mm 정도로 붉은색 추적 색소를 넣고 가압하여 믹싱되게 한 후 출구에서 디지털 카메라를 이용하여 촬영하였다. 본 실험결과로부터 정량적인 혼합율을 산출할 수는 없지만, PPM형의 경우에는 믹서 중심부에만 추적 색소가 분포한 반면에 Sulzer형과 SSM형은 거의 전 평면에 추적색소가 분포하는 것을 알 수 있다. Sulzer형과 SSM형을 비교하면 Sulzer형이 보다 고르게 확산된 결과를 보여주고 있다.
- 한편 Sulzer 형과 SSM형의 경우, 글리세린의 Z-factor에 비해서 유압유의 Z-factor가 커지는 것은 점성계수가 작은 경우에는 점성마찰에 기인한 압력손실보다 형상 압력손실의 비가 중가하기 때문인 것으로 생각된다. 한편 본 연구과정에서 개발한 SSM형의 압력손실이 Sulzer형에 비해 약 10%정도 감소하였다.
- 나타났다. 상대적으로 복잡한 엘리먼트 형상에 기인한 형상 압력손실의 증가로 Sulzer형이나 SSM형이 PPM형에 비해서 2.5배 이상 압력손실이 크게 나타났다. 본 연구과정에서 개발한 SSM형의 압력손실이 Sulzer 형에 비해 약 10% 정도 감소하였다.
- 한편 Sulzer 형과 SSM형의 경우, 글리세린의 Z-factor에 비해서 유압유의 Z-factor가 커지는 것은 점성계수가 작은 경우에는 점성마찰에 기인한 압력손실보다 형상 압력손실의 비가 중가하기 때문인 것으로 생각된다. 한편 본 연구과정에서 개발한 SSM형의 압력손실이 Sulzer형에 비해 약 10%정도 감소하였다.
후속연구
- Sulzer형과 SSM형을 비교하면 Sulzer형이 보다 고르게 확산된 결과를 보여주고 있다. 따라서 압력 손실량은 SSM형이 약 10% 정도 적지만 혼합상태를 고려하면 어떤 엘리먼트 형상이 우수하다고 단정적으로 설명하기는 곤란하고 보다 다양한 성능 실험이 필요한 것으로 사료된다. 또한 엘리먼트의 가공 및 제작 비용과 내구성 등에 대한 종합적인 고려가 필요할 것으로 생각된다.
- 따라서 압력 손실량은 SSM형이 약 10% 정도 적지만 혼합상태를 고려하면 어떤 엘리먼트 형상이 우수하다고 단정적으로 설명하기는 곤란하고 보다 다양한 성능 실험이 필요한 것으로 사료된다. 또한 엘리먼트의 가공 및 제작 비용과 내구성 등에 대한 종합적인 고려가 필요할 것으로 생각된다.
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