Mixed Flow and Oxygen Transfer Characteristics of Vertical Orifice Ejector

<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2015.39.1.061 ISSN 1226-4881(Print) 2288-5324(Online)

수직 오리피스 이젝터의 혼합유동 및 산소전달 특성

김동준^*· 박상규^** · 양희천^**†

* 전남대학교 자동차시스템공학과, ** 전남대학교 기계설계공학부

Mixed Flow and Oxygen Transfer Characteristics of Vertical Orifice Ejector

Dong Jun Kim^*, Sang Kyoo Park^** andHei Cheon Yang^**†

* Dept. of Automotive System Engineering, Chonnam Nat’l Univ.,

** School of Mechanical Design Engineering, Chonnam Nat’l Univ.

(Received July 16, 2014 ; Revised October 14, 2014 ; Accepted October 17, 2014)

1. 서 론

인구의 증가와 신흥개도국의 급속한 경제발전에 기인한 물 사용량 증대로 심각해지는 물 부족 현상과 수질오염으로 인하여 깨끗한 물을 확보하기 위한 전세계적인 경쟁이 가속되고 있다.

따라서 오염된 물을 정화하여 이용 가능한 수자원을 확보할 수 있는 수처리 기술의 중요성이 강조되고 있다. 특히 도시화 및 산업화에 따른 수질악화, 난분해성 폐수의 증가, 환경규제의 강화, 생활수준 향상 등으로 혁신적인 수처리 기술의 필요성이 증대됨에 따라 기존의 물리 및 생물화학적 공정보다 수질 개선효과가 우수하고 약품사용이 배제된 환경친화적인 공정으로 수처리 기술이 진화되고 있다.

Key Words: Orifice Ejector(오리피스 이젝터), Mixed Flow(혼합유동), Mass Ratio(유량비), Dissolved Oxygen(용 존산소), Oxygen Transfer Coefficient(산소전달계수), Visualization(가시화)

초록: 본 논문은 수직 오리피스 이젝터의 혼합유동 및 산소전달 특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 실험장치는 전동 모터-펌프, 오리피스 이젝터, 순환 수조, 공기압축기, 고속 카메라 시스템 그리고 제어 및 측정기기로 구성하였다. 측정된 구동유체 및 유입공기의 유량을 이용하여 유량비를 도출하였다.

이적터에서 분출된 혼합유동의 가시화를 통해 정성적 거동을 고찰하였으며, 용존산소 농도를 측정하여 총괄 산소전달계수를 도출하였다. 구동유체의 유량이 일정하고 압축기의 공기압이 높아지면 유량비와 산소전달계수는 증가하며, 압축기의 공기압이 일정하고 구동유체의 유량이 증가하면 유량비는 감소하지 만 산소전달계수는 증가하였다. 기포의 크기에 따른 체류시간 및 확산도와 수직 혼합유동의 도달거리는 2 상의 접촉면적과 시간에 크게 영향을 미치기 때문에 산소전달율의 중요한 변수임을 유추할 수 있다.

Abstract: The objective of this study is to experimentally investigate the mixed flow behaviors and oxygen transfer characteristics of a vertical orifice ejector. The experimental apparatus consisted of an electric motor-pump, an orifice ejector, a circulation water tank, an air compressor, a high speed camera unit and control or measurement accessories.

The mass ratio was calculated using the measured primary flow rate and suction air flow rate with experimental parameters. The visualization images of vertically injected mixed jet issuing from the orifice ejector were qualitatively analyzed. The volumetric oxygen transfer coefficient was calculated using the measured dissolved oxygen concentration. At a constant primary flow rate, the mass ratio and oxygen transfer coefficient increase with the air pressure of compressor. At a constant air pressure of the compressor, the mass ratio decreases and the oxygen transfer coefficient increases as the primary flow rate increases. The residence time and dispersion of fine air bubbles and the penetration of mixed flow were found to be important parameters for the oxygen transfer rate owing to the contact area and time of two phases.

† Corresponding Author, [email protected]

Ⓒ 2015 The Korean Society of Mechanical Engineers

Fig. 1 Schematic concept of flotation

Fig. 2 Schematic diagram of air bubble behavior within water

Fig. 1 의 개념도에 도시한 부상분리 (flotation)는 분산매개체 (dispersion medium)중에 함유된 부유상 (suspended phase)에 미세기포가 흡착되도록 하여 처리수 표면까지 부상시켜 고액분리를 유도하는 공정으로 부유물질, 유분 등과 같이 침전이 어렵거나 침전 시 2 차 오염을 유발할 수 있는 물질을 분리하여 폐수를 정화하고 슬러지를 분리, 농축하기 위해 사용된다. 부상분리 공정 중에서 가장 일반적인 용존공기부상 (DAF : dissolved air flotation) 법⁽¹⁾은 다양한 조건으로 수중의 미세기포에 부유입자가 부착되어 상승 분리되는 원리를 이용한 방법으로 19 세기 말경부터 광물의 선별이나 유용한 원료의 회수공정에 응용되었으며, 1920 년경에 수처리 공정에 적용된 후 전세계적으로 진보되며 확산되었다.

일반적으로 통상적인 크기의 기포는 Fig. 2 의 개념도에 도시한 바와 같이 수중에서 빠른 속도로 부상하여 표면부근에서 파괴되지만, 미세기포는 부상속도가 느려서 수표면에 도달하기 전에 수중 에서 수축되며 소멸하여 완전 용해된다. 이러한

과정에서 발생하는 기포의 질적 활성화 작용으로 기체용해효과, 자기가압효과, 대전효과 등의 물리 화학적 특성을 갖게 되어, 수중의 용존산소 농도 를 높일 수 있고 미생물 제거 및 살균능력이 높아 지게 된다. 이러한 미세기포의 물리화학적 활성화 작용으로 물분자 클러스터의 소집단화에 따라 표 면장력이 작아져 부유상에 흡착력이 향상되고, 기 -액 접촉면적이 증대된다. 또한 미세기포의 수축 후 붕괴 시 방출되는 순간 고열 및 충격파 등이 복합적으로 작용하여 미세기포는 부유물질과 쉽게 결합하기 때문에 난분해성 유기물의 산화분해 등 의 정화작용이 가능한 것으로 알려지고 있다.^(2~4)

현재 이용되고 있는 미세기포 발생기술은 압축기 및 펌프 공기부상 방식, 초음파진동 방식 등이 있다. 국내에서 운전되는 부상분리 시설은 대부분 펌프 공기부상 방식 및 공기-순환수 접촉 압축기 방식을 사용하고 있기 때문에 주변장치가 복잡하고, 경제성과 효율적인 측면에서 유지관리 및 운영에 어려움이 있는 것으로 알려지고 있다.⁽⁴⁾ 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서는

용존공기부상 공정의 핵심기술인 미세기포

발생기술의 진보뿐만 아니라 미세기포의 거동 및 물질전달 특성에 대한 연구가 필요하다.

Marui⁽³⁾는 미세기포가 붕괴하는 과정에서 활성산 소(free radical)가 발생하는 현상을 규명하였으며, 미 세기포를 이용한 생물학적 처리장치의 개발 및 적용 성에 대한 연구를 수행하였다. Ushikubo 등⁽⁵⁾은 미세 기포의 발생에 따른 용존산소 농도 및 pH 특성과 미세기포의 거동에 대한 연구를 수행하였다.

Kawahara 등⁽⁶⁾은 염도가 미세기포의 용해특성에 미치는 영향을 규명하기 위해 수돗물과 해수를 이 용한 실험적 연구를 통해 미세기포의 평균직경, 보이드 율, 부상속도 및 물질전달계수 등의 실험 변수를 고려하여 실험관계식을 제안하고 기존 연 구와의 비교결과를 발표하였다. Liu 등⁽⁷⁾은 염색공 정 폐수의 전처리를 목적으로 미세기포 응집부상 과 기존의 공기기포 응집부상 공정에 대한 실험적 연구를 통해 미세기포 응집부상 기술이 응집제의 주입량을 크게 줄일 수 있고, 물질전달계수를 약 56% 정도 증가시킬 수 있다는 결과를 발표하였다.

Tsai 등⁽⁸⁾은 화학적 연마(chemical polishing) 공정의 폐수처리를 위한 나노기포 응집부상 기술의 적용 성 연구를 통해 최적의 응집제 종류를 제시하였으 며, 기존의 응집부상 기술과 비교하여 탁도 및 부 유입자 제거에 소요되는 비용을 크게 줄일 수 있 다는 결과를 발표하였다.

Table 1 Geometric specifications of orifice ejectors dp ds do dd Li Lp Ld Ro

OE1 20 3 9 21 80 95 135 0.20 OE2 28 3 14 29 110 135 136 0.25

Fig. 3 Schematic diagram of experimental setup 그러나 많은 연구들에서는 초음파 가진이나 레이저빔 조사방식과 같은 별도의 미세기포 발생기술을 적용하고 있다.^(9,10) 또한 구성이 단순한 이젝터나 오리피스 노즐을 이용한 연구들은 이젝터나 오리피스 노즐의 설계조건과 실험방법 등에 따라 연구결과의 정량적인 편차가 크게 나타나는 것으로 알려지고 있다.^(11~13) 따라서 본 연구는 부상분리 공정에의 적용성 검증을 위한 수직 오리피스 이젝터의 유동 및 산소전달 특성에 대한 실험적 연구를 목적으로 한다. 이와 같은 목적을 위해 오리피스 목의 면적비와 디퓨저부의 출구각이 상이한 2 종류의 이젝터에 대해 구동유체의 유량과 부유체의 가압력에 따른 유량비(mass ratio) 및 혼합유동의 가시화 거동과 백분율 용존산소 농도 및 총괄 물질전달계수 특성에 대해 규명하였다.

2. 실험장치 및 방법

2.1 실험장치

Fig. 3 의 개략도에 나타낸 실험장치는 전동 모

터-펌프, 오리피스 이젝터, 고속 카메라 시스템, 순환 수조, 공기압축기, 용존산소 측정기 및 유량 계 등으로 구성하였다.^(4,14) 순환 수조의 체적은 0.96m³이며, 전동 모터-펌프(Wilo, Model 8051-1)에 의해서 구동되는 오리피스 이젝터의 유량은 전자 제어 유량계(Kometer, KTM-800)를 이용하여 측정 하였으며, 압축기의 가압 공기량은 오리피스 공기 유량계(Kometer, PPE-S)를 이용하여 측정하였다. 가 압 공기량은 오리피스 이젝터의 부유체 유입부에 연결된 공기압축기에 의해 제어되도록 설계하였다.

전자제어 유량계와 오리피스 공기유량계 정확도는 각각 ±1.0%와 ±2.0%이다.

Fig. 4 는 구동 및 부유체 유입부, 오리피스 목 그리고 디퓨져부로 구성된 오리피스 이젝터의 개 략도를 나타낸다. Table 1 은 OE1(KH-A32235)과 OE2(KH-A48275) 이젝터 각부의 치수 및 식 (1)과 같이 정의되는 오리피스 목의 면적비(Ro)를 나타 낸다. 본 연구에서 사용한 OE1 과 OE2 이젝터의 오리피스 목의 면적비는 각각 0.2 와 0.25 이며, 디 퓨져 출구의 확대각은 5.2^o와 6.5^o의 사양을 갖는 다. 오리피스 목의 면적비는 유량비에 영향을 미 치는 중요한 설계변수이며, 디퓨저의 확대각에 따 라 변하는 2 상 유동의 도달거리 및 확산도는 2 상 유동의 물질전달 특성에 대한 중요한 영향변수이 다. 한편 부유체 유입부에는 체크밸브가 장착되어 수조의 구동유체가 역류하는 것을 방지하도록 제 작되었다.

2 2

p o

o d

R = d

(1)

2.2 실험방법

유동실험은 전동 모터-펌프를 가동하여 정상상 태의 유동조건에 도달한 후에 실험변수에 따라 구 동유체인 물과 부유체인 공기의 유량을 측정하는 과정으로 진행하였다.^(4,14) 측정된 구동유체와 부유 체의 유량을 이용하여 이젝터의 중요한 성능변수 로 식 (2)와 같이 정의되는 유량비(mass ratio)를 도 출하였다.

p s

Q

M = Q (2)

여기서 Q_s와Qp는 부유체와 구동유체의 체적유량 을 나타낸다. 실험변수인 구동유체의 유량은 OE1 이젝터에서는 3, 4, 5m³/h, OE2 이젝터는 4, 5, 6m³/h 로 설정하였으며, 공기압축기의 공기압은 두 이젝

Fig. 4 Schematic diagram of orifice ejector 터에서 동일하게 0.5~1.5bar 의 범위에서 0.25bar 간격으로 설정하였다.

또한 아크릴로 제작된 순환 수조에 분출된 혼합 유동의 정성적 거동을 조사하기 위하여 수조의 밑 면 중앙부에 위치한 이젝터 출구에서 분출되는 혼 합유동의 가시화 이미지를 획득하였다. 정성적 가 시화 이미지 획득에는 고속 카메라(Phantom Miro eX2)와 조명장치(ARRI)를 이용하였으며, 초당 20 프레임 (20fps)의 속도로 촬영하였다.^(14~16) 이미지 획득 실험에서는 전동 모터-펌프와 데이터 획득 장치의 트리거(trigger) 버튼을 동시에 작동하면 후 (post) 트리거 설정으로 정해진 구간의 이미지 획 득이 완료된다. 그리고 Phantom Miro 응용 소프트 웨어⁽¹⁷⁾의 활성화 모드에서 이미지 프로세싱 과정 을 통해 모터-펌프 구동으로 분사가 시작되는 순 간(기준시점, t=0)부터 획득 이미지를 재저장하게 된다. 가시화 획득 이미지의 유동경계는 이미지 분석시스템⁽¹⁸⁾의 영상 이원화(binarization) 기법⁽¹⁹⁾ 을적용하여 Fig. 5 의 예에서와 같은 과정을 통해 정의하여 선단 도달거리 및 확산도를 분석하였다.

한편 수조에 분출된 혼합유동의 산소전달 특성 의 검증을 위해 수조 밑면으로부터 30cm, 좌측 벽 면 중앙으로부터 20cm 떨어진 지점에 위치한 용존 산소 측정기(YSI-5B)를 이용하여 10 초 간격으로 시간에 따른 용존산소 농도를 측정하였다. 용존산 소량 측정실험에서는 수조에 순수한 수돗물을 채 우고, 이론적인 반응식에 의해 계산된 아황산나트 륨과 촉매를 첨가하여 탈산소화시킨 후 실험을 수 행하는 비정상 재폭기 방법을 이용하였다.(14~16,21,22)

비정상 재폭기 방법에서 산소 전달율은 총괄 산 소전달계수와 산소부족량의 함수로 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

(

)

L

t

K a C C

dt

dC = ⋅ −

여기서 C_t 는 임의의 시간 t 에서 순간 용존산소 농 도, Cst는 포화 용존산소 농도이며, KLa 는 총괄 산 소전달계수를 나타낸다. 총괄 산소전달계수는 식

Fig. 5 Example of binarization process for a visualized image

(4)와 같이 계산할 수 있다.

C t C

C a C

K

t st st

L ln( )/

−

= − ⁰ (4)

여기서 C0 는 초기 조건에서의 용존산소 농도를 나타낸다.

3. 결과 및 고찰

Fig. 6 은 OE1 및 OE2 이젝터의 서로 다른 구동 유체 유량조건에서 압축기의 공기압에 따른 유량 비 변화를 나타낸다. OE1 이젝터에서는 구동유체 의 유량과 공기압의 변화에 따라 구동유체 유량의 약 0.45~1.21 배의 공기가 유입되며, OE2 이젝터에 서는 약 0.41~1.15 배의 공기가 유입되는 것을 알 수 있다. 구동유체의 유량이 일정한 경우, 압축기 의 공기압이 높아지면 유입 공기량이 많아지기 때 문에 유량비가 증가하게 된다. 반면에 압축기의 공기압이 일정한 경우에는 구동유체의 유량이 증 가하여도 유입되는 공기량은 변화가 거의 없기 때 문에 유량비는 감소하게 된다. 그러나 부압부가 대기중에 노출되어 부압부에서 발생하는 부압의 크기에 따라 유입 공기량이 결정되는 자연 유입방 식에서는 구동유체의 유량이 증가하면 노즐출구의 속도가 증가한다. 따라서 부압이 커지기 때문에 유입되는 공기량이 많아져서 일반적으로 유량비는 증가하게 된다.^{( 1 4 )} 구동유체의 유량이 4m³/h 및 5m³/h 로 동일한 조건에서는 Table 1 에 나타낸 것 과 같이 OE1 이젝터에 비해서 오리피스 목의 면 적비가 25% 정도 증가한 OE2 이젝터의 유량비가 평균적으로 약 7% 정도 높게 나타났다. 일반적으 로 구동유체의 유량이 동일하고 오리피스 목의 직 경이 작아지면 출구속도가 커져서 부압이 증가하 기 때문에 유입 공기량이 많아져 유량비가 증가한 다. 그런데 오리피스 목의 면적비가 25% 정도 작

P_a[bar]

M

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0 0.5 1 1.5

2 Q_p=3[m³/h]

Q_p=4[m³/h]

Q_p=5[m³/h]

OE1

P_a[bar]

M

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

0 0.5 1 1.5

2 Q_p=4[m³/h]

Q_p=5[m³/h]

Q_p=6[m³/h]

OE2

Fig. 6 Mass ratios for primary flow rate of OE1 and OE2 ejectors with air pressure of compressor

은 OE1 이젝터의 유량비가 더 낮게 나타나는 것 은 다음과 같은 2 가지 요인에 기인하는 것으로 판단된다. 첫째, 일반적인 중심-구동 이젝터⁽²²⁾에서 는 구동유체 분사노즐 출구와 혼합관(mixing tube) 입구 사이에 형성된 일정한 체적의 부유체 흡입실 (suction chamber) 공간에서 고속 구동유체의 전단 력과 부유체와 구동유체의 혼합 및 운동량 교환에 의해 부유체가 견인되지만, Fig. 4 와 같은 구조의 오리피스 이젝터에서는 부압이 생성되는 오리피스 목의 출구부근에 별도의 흡입실이 없어서 고속 구 동유체와의 혼합에 따른 운동량 교환에 의한 견인 력 증가 효과가 거의 영향을 미치지 못하기 때문 이다. 둘째, 본 연구의 실험조건에서는 오리피스 목에서 발생한 부압의 크기가 압축기에 설정한 공 기압보다 작아서 유입 공기량에 미치는 압축기 가 압력의 영향이 크게 작용하게 되는데, 오리피스 목의 면적비가 25% 정도 작은 OE1 이젝터에서는 오리피스 목의 유로가 좁아서 가압 유입되는 공기 의 유입저항이 커지므로 압축기 가압력의 영향이 감소하기 때문이다.

Fig. 7 과 Fig. 8 은 OE1 이젝터의 구동유체 유량 이 4m³/h 와 5m³/h, 압축기의 공기압이 0.5bar, 1.0bar 그리고 1.5bar 인 조건에서 시간에 따른 혼합유동 의 가시화 이미지를 나타내며, Fig. 9 는 동일한 공 기압 조건에서 OE2 이젝터의 구동유체 유량이 5m³/h 일 때, 시간에 따른 혼합유동의 가시화 이 미지를 나타낸다. Fig. 7 과 Fig. 8 의 OE1 이젝터에 서는 압축기의 공기압이 증가하면 혼합유동 선단

Pa=0.5bar Pa=1.0bar Pa=1.5bar

Fig. 7 Typical mixed flow images at primary flow rate 4m³/h of OE1 ejector with times 0.2, 0.4 and 0.6s

Pa=0.5bar Pa=1.0bar Pa=1.5bar Fig. 8 Typical mixed flow images at primary flow rate

5m³/h of OE1 ejector with times 0.2, 0.4 and 0.6s

의 도달거리는 약간 감소하며, 구동유체의 유량이 증가하면 혼합유동 선단의 도달거리와 반경방향의 확산도는 증가하는 것을 알 수 있다. 공기압(유량 비)이 증가하여 유입 공기량이 많아지면 상대적으 로 저속인 유입공기에 전달되는 구동유체의 에너 지가 증가하여 구동유체의 운동량이 감소하기 때 문에 선단의 도달거리가 짧아지는 것으로 판단된 다. 구동유체의 유량이 증가하면 유속은 증가하고 유량비는 감소하므로 유입 공기에 전달되는 에너 지가 감소하기 때문에 선단의 도달거리는 증가한 다. 또한 유속 증가로 공기 기포의 미립화가 촉진 되어 혼합유동의 중심영역에서 이탈하는 부력이 작은 미세기포가 많아지기 때문에 확산도가 증가 하는 것으로 사료된다.

Fig. 9 의 OE2 이젝터에서는 압축기의 공기압이 증가하면 혼합유동 선단의 도달거리가 약간 증가 하는 것을 알 수 있다. 이는 OE1 이젝터와 마찬가 지로 공기압이 증가하여 유입 공기량이 많아지면 전달되는 구동유체의 에너지양은 증가하지만, 오 리피스 목의 직경이 상대적으로 큰 OE2 이젝터에 서는 구동유체의 유속이 느리기 때문에 유입 공기 의 미세화에 미치는 전단력과 난류효과의 영향이 감소하게 된다. 따라서 공기압이 커질수록 상대적

Pa=0.5bar Pa=1.0bar Pa=1.5bar Fig. 9 Typical mixed flow images at primary flow rate

5m³/h of OE2 ejector with times 0.2, 0.4 and 0.6s

으로 공기 기포의 크기가 커져서 부력의 영향이 증대되므로 도달거리가 약간 증가하는 것으로 판 단된다. 한편 구동유체의 유량이 동일한 Fig. 8 의 OE1 이젝터와 비교하면 OE2 이젝터는 유입 공기 량이 약 7% 정도 많지만 오리피스 목의 면적비가 25% 정도 증가하여 유속이 느리고, 디퓨저의 확 대각이 커서 디퓨저 출구의 압력 회복율이 더 커 지기 때문에 OE1 이젝터보다 선단의 도달거리가 짧아지는 것으로 사료된다.

Fig. 10 과 Fig. 11 은 OE1 과 OE2 이젝터의 서로 다른 유량비(공기압)조건에서 시간에 따른 백분율 용존산소 농도를 나타낸다. 구동유체인 물의 온도 는 약 15.0℃이며, 이 온도조건에서 포화 용존산소 농도는 10.07mg/L 이다. 구동유체의 유량 및 유량 비가 증가하거나 일정한 양의 구동유체가 이젝터 시스템을 통해서 수조내를 순환하는 시간이 길어 지면 용존산소 농도가 증가하는 것을 알 수 있다.

구동유체의 유량이 증가하면 유입된 공기기포의 미립화가 촉진되어 구동유체와 공기기포의 접촉면 적이 넓어지고 접촉빈도가 증가하기 때문에 용존

Time[min]

P er c en ta g e D O [% ]

0 2 4 6 8 10

0 20 40 60 80 100

M=0.59 M=0.73 M=0.88 M=1.05 M=1.21 OE1 Q_p=3m³/h

Time[min]

P e rc en ta g e D O [% ]

0 2 4 6 8 10

0 20 40 60 80 100

M=0.52 M=0.63 M=0.78 M=0.90 M=1.04 OE1 Q_p=4m³/h

Time[min]

P e rc en ta g e D O [% ]

0 2 4 6 8 10

0 20 40 60 80 100

M=0.45 M=0.54 M=0.66 M=0.75 M=0.85 OE1 Q_p=5m³/h

Fig. 10 Percentage dissolved oxygen concentrations for mass ratio of OE1 ejector with time

Time[min]

P er c en ta g e D O [% ]

0 2 4 6 8 10

0 20 40 60 80 100

M=0.54 M=0.68 M=0.80 M=0.95 M=1.15 OE2 Q_p=4m³/h

Time[min]

P er c en ta g e D O [% ]

0 2 4 6 8 10

0 20 40 60 80 100

M=0.47 M=0.56 M=0.68 M=0.83 M=0.93 OE2 Q_p=5m³/h

Time[min]

P er c en ta g e D O [% ]

0 2 4 6 8 10

0 20 40 60 80 100

M=0.41 M=0.49 M=0.59 M=0.71 M=0.78 OE2 Q_p=6m³/h

Fig. 11 Percentage dissolved oxygen concentrations for mass ratio of OE2 ejector with time

산소 농도가 증가하게 된다. 또한 유량비가 증가 하면 유입 공기량이 많아져서 접촉면적이 증대되 기 때문에 용존산소 농도가 증가하는 것으로 판단 된다. 또한 순환되는 시간이 길어지면 구동유체인 물과 유입공기의 접촉시간이 증가하기 때문에 용 존산소 농도가 증가하게 된다.^(15,16,20) 순환시간에 따른 백분율 용존산소 농도를 정량적으로 고찰하 면, OE1 이젝터에서 2 분 경과 시에는 구동유체의 유량증가에 따라 평균적으로 약 43, 58, 69%, 6 분 경과 시에는 약 75, 85, 90%, 10 분 경과 시에는 약 86, 90, 92%의 백분율 용존산소 농도를 나타내었으 며, OE2 이젝터에서는 2 분 경과 시에 평균적으로 약 39, 52, 62%, 6 분 경과 시에는 약 71, 82, 86%, 10 분 경과 시에는 약 81, 87, 90%의 백분율 용존산소 농도를 나타내었다. 따라서 초기 2 분 동안의 용존 산소 농도는 OE1 이젝터에서는 포화 용존산소양 의 약 57%, OE2 이젝터에서는 약 51%에 도달하여 2 분의 순환시간 동안 포화 용존산소양의 50% 이

상이 용해되는 것을 알 수 있다. 따라서 분사 초 기의 혼합유동의 거동 및 기포의 미세화 정도가 산소전달율에 미치는 중요한 영향 요소임을 유추 할 수 있다. 한편 본 연구의 구동유체 유량범위에 서 OE1 과 OE2 이젝터의 유량비(유입 공기량)의 최대 증가율은 평균적으로 약 98%와 100% 인 반 면에, 포화 용존산소양의 50% 이상이 용해되는 2 분 경과 시의 용존산소 농도 증가율은 평균적으로 약 34%와 41% 정도임을 알 수 있다. 또한 2 분에 서 6 분 경과 시까지 순환시간이 2 배 증가하는 동 안, 구동유체의 유량범위에서 OE1 이젝터의 용존 산소 농도는 평균적으로 약 1.5 배, OE2 이젝터에 서는 약 1.6 배 정도 증가하였다. 이는 공기중에 포함된 산소의 낮은 용해도와 느린 전달속도에 기 인하는 것으로 판단된다.(15,16,20,23)

또한 정량적 고 찰결과에서 기술한 바와 같이 동일한 순환시간에 서 OE1 이젝터의 평균적인 용존산소 농도가 OE2 에 비해서 높아 포화농도에 더 근접하게 된다. 따 라서 이후의 일정한 시간 동안 OE1 이젝터의 산 소 용해도는 OE2 에 비해서 낮아지기 때문에 두 이젝터 사이에 농도차가 나는 것으로 사료된다.

Fig. 12 는 OE1 과 OE2 이젝터의 서로 다른 구동유량 조건에서 용존산소 농도결과를 이용하여 식 (4)에 의해 도출된 압축기 공기압 변화에 따른 총괄 산소전달계수를 나타낸다. Fig. 10 과 Fig.

11 의 결과를 통해서 예측할 수 있는 바와 같이 시간에 따른 용존산소 농도가 가장 높게 나타나는 O E 1 이 젝 터 의 구 동 유 체 유 량 이 5 m³/ h 이 고 유량비가 0.85 인 경우의 산소전달계수가 약 6.4h^-1 로 가장 높고, 용존산소 농도가 가장 낮은 OE2 이젝터의 구동유체 유량이 4m³/h 이고 유량비가 0.54 인 경우의 산소전달계수가 3.9h^-1로 가장 낮다.

두 이 젝 터 의 공 기 압 이 1 . 2 5 b a r 와 1 . 5 b a r 인 조 건 에 서 는 구 동 유 체 의 유 량 에 상 관 없 이 산소전달계수의 차이가 거의 없음을 알 수 있다.

이 는 Fi g. 1 0 과 Fi g. 11 의 결 과 에 서 와 같 이 유량비가 큰 두 조건에서는 시간에 따른 산소전달 특성이 거의 유사한 것에 기인한다. 구동유체의 유량증가에 따라 OE1 이젝터의 산소전달계수는 평 균 적 으 로 4 . 8 h^{- 1}, 5 . 5 h^{- 1}, 5 . 9 h^{- 1} 이 고 , O E 2 이젝터에서는 4.4h^-1, 5.2h^-1, 5.6h^-1 정도로 나타났다.

따 라 서 구 동 유 량 증 가 율 이 O E 1 은 3 3 % 와 6 7 % 이 고 O E 2 는 2 5 % 와 5 0 % 인 반 면 에 , 산소전달계수 증가율은 15%와 23%, 18%와 27%로 구동유량 증가율에 비해서 낮게 나타났다. 또한 Fig. 6 의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 공기압

P_a[bar]

K

a [1 /h ]

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

2 4 6 8

Q_p=3[m³/h]

Q_p=4[m³/h]

Q_p=5[m³/h]

P_a[bar]

K

a [1 /h ]

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

2 4 6 8

Q_p=4[m³/h]

Q_p=5[m³/h]

Q_p=6[m³/h]

Fig. 12 Volumetric oxygen transfer coefficients for primary flow rate of OE1 and OE2 ejectors with air pressure of compressor

P_a[bar]

K

a [1 /h ]

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

2 4 6 8

Q_p=4[m³/h]

Q_p=5[m³/h]

Q_p=4[m³/h]

Q_p=5[m³/h]

OE2 OE1

Fig. 13 Comparison of volumetric oxygen transfer coefficients of OE1 and OE2 ejectors with air pressure of compressor

0.25bar 당 OE1 이젝터는 약 18%, OE2 에서는 약 19% 정도 가압 공기량이 증가하지만, 공기압 0.25bar 당 OE1 이젝터는 약 5.1%, OE2 에서는 약 5.6% 정도 산소전달계수가 증가하여 유입 공기량의 증가율에 비해서 산소전달율의 증가율이 상대적으로 낮다는 것을 알 수 있다. 이는 Fig.

10 과 Fig. 11 의 결과에서 고찰한 바와 같이 산소의 낮은 용해도 및 전달율에 기인한다.

Fig. 13 은 구동유체 유량이 동일한 조건에서 OE1 과 OE2 이젝터의 산소전달계수를 비교한 결과이다. Fig. 6 의 결과에서 고찰한 바와 같이 OE2 이젝터의 유량비(가압 공기량)가 평균적으로 약 7% 정도 많지만 구동유체의 순환시간에 따른

용존산소 농도가 상대적으로 높은 OE1 이젝터의 총괄 산소전달계수가 OE2 보다 높게 나타났다.

정량적으로 고찰하면, 구동유체의 유량이 4m³/h 인 경우에는 OE1 이젝터의 평균 전달계수는 5.5h^-1로 OE2 이젝터의 4.4h^-1에 비해서 약 25% 정도 높고, 구동유체 유량이 5m³/h 인 경우에는 OE1 이젝터의 평균 전달계수는 5.9h^-1 로 OE2 이젝터의 5.2h^-1 에 비해서 약 13% 정도 높게 나타났다. 이는 Fig.

7 과 Fig. 8 의 결과에서 고찰한 바와 같이 OE1 이젝터에서는 공기기포의 미세화가 촉진되고 혼합유동의 확산도가 커져서 부력이 작은 공기기포의 체류시간이 길어지고 접촉면적이 증대되기 때문인 것으로 판단된다. 또한 확산도 증가로 중심영역에서 이탈하는 부력이 작은 미세기포는 상대적으로 용존산소 농도가 낮은 영역의 구동유체(물)와의 접촉빈도가 증대되기 때문인 것으로 사료된다.

4. 결 론

수직 오리피스 이젝터의 혼합유동 및 산소전달 특성에 대한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

구동유체의 유량이 일정하고 압축기의 공기압이 높아지면 유량비는 증가하며, 공기압이 일정하고 구동유체의 유량이 증가하면 유량비는 감소하였다.

동일한 구동유체의 유량 조건에서는 오리피스 목 의 면적비가 25% 정도 큰 OE2 이젝터의 유량비가 더 높게 높게 나타났다.

오리피스 목의 면적비가 작은 OE1 이젝터에서 는 압축기의 공기압이 증가하면 혼합유동 선단의 도달거리는 감소하고, 구동유체의 유량이 증가하 면 혼합유동 선단의 도달거리와 반경방향의 확산 도는 증가하였다. 오리피스 목의 면적비가 큰 이 젝터에서는 압축기의 공기압이 증가하면 혼합유동 선단의 도달거리가 약간 증가하였다.

오리피스 목의 면적비가 25% 정도 작은 OE1 이 젝터에서는 기포의 미세화 촉진과 확산도 증가에 기인하여 기포의 체류시간과 접촉면적이 증대되기 때문에 산소전달계수가 높게 나타났다. 반면에 오 리피스 목의 면적비 및 디퓨저 확대각이 큰 OE2 이젝터에서는 혼합유동 선단의 도달거리는 짧지만 미세화에 미치는 전단력과 난류효과의 감소로 산 소전달계수가 낮게 나타났다.

동일한 구동유량 조건에서 오리피스 목의 면적 비가 25% 정도 큰 OE2 이젝터에 비해서 OE1 이 젝터의 유량비는 낮지만 순환시간에 따른 용존산

소 농도 및 산소전달계수는 높게 나타났다.

후 기

본 논문은 2013 년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 지원을 받아 수행된 것임(2013R1A1A4A01010854).

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