Integrity Evaluation of Agitating Axis and Blade in the Organic Waste Reactor

1.

현대사회는 인구증가와 도시화에 따른 생활 식습관 의 변화를 가져와 다양한 종류의 폐기물이 대량으로 발생하고 있다 . 이러한 폐기물은 즉각적인 처리가 요 구되지만 보관상의 어려움과 비위생적인 취급으로 인 해 사회적 및 환경적으로 많은 문제점을 가지고 있다 . 환경부 ¹⁾ 에 따르면 2014년도를 기준으로 버려지는 폐기 물은 일일 약 388,486 ton이 발생되었으며 폐기물 구성 비는 건설폐기물 약 47.7%, 사업장배출시설폐기물 약 39.4%, 생활폐기물 약 12.8%를 차지하고 있다. 이 중 생활쓰레기의 대부분은 자원화가 가능하다. 특히 유기 성 폐기물은 다른 폐기물과 혼합된 경우 서로 분리하 기 어려울 뿐만 아니라 고함수에 따른 처리비용의 증 가로 기존 처리장에서 처리를 기피하는 현상까지 발생 되고 있다 ²⁾ .

기존의 유기성 폐기물 처리 방식은 소각, 발효, 건조 등 다양한 방법이 있으나 폐기물 처리 과정 중이나 처 리 후에 발생되는 악취나 함수율이 높은 유기성 폐기 물 처리 시 많은 에너지를 필요로 하여 비경제적이고 비효율적인 문제점이 있다. 또한 기존 연구에서는 소 각 , 발효, 건조 등의 방법에 대한 강도, 안전성 및 경제 성과 객관적으로 평가 , 분석하여 국가적 차원의 유기 성 폐기물 종합관리 기반구축에 필요한 기초자료를 확 보한 연구가 진행되어 왔다 . 그러나 유기성 폐기물 반 응기 ³⁾ 는 국내에 처음 도입되는 과정으로 강도평가 , 안 전성 및 내구성에 있어서 실험이나 수치해석적 평가가 전무한 실정이다. 따라서 혼합 폐기물을 처리함에 있 어서 각각의 유기성 폐기물에 대한 양과 종류에 따라 교반축이 받는 하중이 다르기 때문에 유기성 폐기물 반응기의 교반기 축과 블레이드에 미치는 영향에 대하 여 파악할 필요가 있다.

유기성 폐기물 반응기 내부 교반 축 및 블레이드 건전성 평가

윤유성 ^†

(2016. 11. 10. 접수 / 2017. 2. 27. 수정 / 2017. 3. 6. 채택)

Integrity Evaluation of Agitating Axis and Blade in the Organic Waste Reactor

Yu Seong Yun ^†

Department of Safety Engineering, Pukyong National University

(Received November 10, 2016 / Revised February 27, 2017 / Accepted March 6, 2017)

Abstract : Modern society has been experiencing by population growth and urbanization that bring, a change of eating habits which has

Key Words : agitating axis, FEM, food waste, organic waste, reactor, safety factor

†

Corresponding Author : Yu Seong Yun, Tel : +82-51-629-6469, E-mail : [email protected]

Department of Safety Engineering, Pukyong National University, 45 Yongso-ro, Nam-gu, Busan 48513, Korea

따라서 본 연구는 처리용량 5 ton 규모의 유기성 폐 기물 압력용기에 대하여 적정처리용량 3.5 ton을 각 교 반 블레이드에 받는 경우에 회전각도에 따른 각 교반 기 축과 블레이드의 응력상태와 안전율을 파악하는 것 을 목적으로 한다. 반응기 운전의 상용 압력 1.3 MPa 과 최대압력 1.96 MPa을 기준으로 교반 블레이드가 회 전할 경우 15°, 30°, 45° 3가지의 회전각도에 대한 응 력, 변형률 및 변위 값을 평가하고 각 반응기 내부 교 반 축과 블레이드가 받는 하중을 분석평가 하였다. 본 연구에서 얻어진 결과는 현재 폐기물 처리 반응기의 대형화에 수반하여 교반축의 길이 증가시 안전성을 확 보하기 위한 기초 자료로 활용될 것으로 사료된다.

2.

2.1 유기성 폐기물 반응기의 구조 및 재료특성

유기성 폐기물 반응기 내의 교반 블레이드 및 축은 5 ton급 일반구조용 압연강재로 되어있다. Fig. 1은 반 응기와 블레이드를 결합시킨 형상을 나타낸다. 반응기 는 타원 원통형이며 압력용기 내부의 유기성 폐기물 등을 충분히 교반시켜주기 위해 특유의 형상의 교반기 로 되어 있다 . 교반 축을 중심으로 구동축과 종동축 양 끝에 작은 교반 블레이드가 각각 2쌍, 중앙부에 긴 블 레이드 4쌍이 상하 대칭구조로 총 12개로 구성되어 있 다. 긴 블레이드의 전장길이는 780 mm이며 최장 폭이 139.8 mm인 원통형과 보조날개 2개 및 사각형과 곡선 형태의 날개와 결합된 형태이다. 작은 블레이드는 전 장길이 500 mm이며 최장 폭이 157 mm인 직각모형으 로 되어있다. 교반 축은 전장길이 3,550 mm이며 최대 폭이 300 mm로 헤드 축과 꼬리 축인 중공축과 블레이 드 조립부의 중실축 조합으로 구성되어 있다. 헤드 축 에서만 동력이 전달되며 꼬리 축은 구름베어링 운동을 한다. 교반 블레이드는 특별한 명칭이 없는 관계로 Fig.

2에서 블레이드를 ①〜⑥으로 표시하였다. Table 1 ^4〜6)

Fig. 1. The coupling of the agitating pressure vessel and blade.

Table 1. Mechanical properties of the agitating blade and axis

Division S35C

(solid shaft)

SS400 (blade)

STPG370 (hollow shaft) Young’s

modulus(GPa) 210 200 210

Poisson’ ratio 0.3 0.26 0.3

Tensile

strength(MPa) 585 450 370

Coefficient of thermal

expansion 1.27×10^-5 1.31×10^-5 1.2×10^-5

에는 유기성 폐기물처리 교반압력용기 블레이드와 교 반 축의 물성치를 나타내었다 .

2.2 해석 경계 조건

유기성 폐기물 반응기 교반기 축과 블레이드는 CATIA을 사용하여 3D모델링 하였으며 이를 유한요소 상용 프로그램인 ANSYS에서 불러들여 격자 분할 및 해석을 수행하였다 .

Fig. 3은 교반기 축과 블레이드의 경계조건이다. 동 력을 전달하는 부분은 u x = 0, u y = 0, u z = 0 축 4부분에 베어링 접합을 위한 구속조건으로 u x = free, u y = 0, u z =

0 경계조건을 부여한 후 블레이드와 접합부 중공축에 자중 및 증기 압력을 상용 압력 1.3 MPa과 최고 압력 1.96 MPa를 설정하였다. Table 2는 교반압력용기의 블 레이드가 면적당 허용무게 3.5 ton을 밀어 올리는 힘을 계산하여 N으로 환산한 값이다.

최대용량 5 ton의 적정 처리용량 3.5 ton에 대한 하 중조건은 실제 블레이드가 회전할 때에 각 날개의 각 도에 따라 다르게 하중이 부여된다 . 따라서 15°, 30°와 45° 세 가지의 각도를 기준으로 단위면적 당 최대하중 분포를 계산하여 각 블레이드에 단위면적 당 하중값을 부여하였다. 반응기의 상온 운전조건은 약 25℃에서 약 200℃의 온도로 상승시키며 교반축의 회전속도는 1

〜5 rpm이다.

Fig. 2. The applied boundary conditions in the analysis.

Table 2. The applied load to the blade

No. Force 15° 30° 45°

①

F1 7,939.3 N 7,743.2 N 7,490.7 N F2 3,402.6 N 3,318.5 N 3,210.3 N

F3 10,641 N 10,378 N 9,589.5 N

F4 866.1 N 844.71 N 780.54 N

F5 866.1 N 844.71 N 780.54 N

②

F1 6,082.5 N 5,682.4 N 5,282.2 N F2 2,606.8 N 2,435.3 N 2,263.8 N

F3 8,152.2 N 7,616 N 7,079.5 N

F4 663.55 N 619.91 N 576.24 N

F5 663.55 N 619.91 N 576.24 N

③

F1 3,681.5 N 3,281.4 N 2881.2 N

F2 1,577.8 N 1,406.3 N 1234.8 N

F3 4,934.2 N 4,398.1 N 3561.5 N

F4 401.62 N 357.98 N 314.26 N

F5 401.62 N 357.98 N 314.26 N

④

F1 1,455.6 N 1,260.5 N 672.28 N

F2 624.26 N 540.23 N 288.12 N

F3 1,952.2 N 1,689.4 N 1,461.6 N

F4 158.9 N 137.51 N 110.01 N

F5 158.9 N 137.51 N -

3.

3.1 각도에 따른 정적 응력해석 결과

Fig. 3은 증기압력이 1.3 MPa과 블레이드가 15°에서 나타내는 등가응력 등고선 분포를 나타낸다. 응력은 주로 블레이드와 중공축의 연결부에 응력이 집중하여 받고 있다.

최대응력의 발생하는 지점은 동력전달 부위에서 먼

②번 블레이드에서 증기압력 1.3 MPa과 1.96 MPa 모 두 동일한 위치에 나타났으며 , 발생위치는 긴 블레이 드와 블레이드의 조립을 위한 접속부에 연결된 용접부 위에서 발생하였다 .

Fig. 4는 증기압력 증가에 따른 회전각도별 최대등 가 응력값의 변화를 타나낸다 . 반응기 회전 기준값인 0°에 대한 최대등가 응력값을 비교한 결과 압력이 1.3 MPa일 경우 0°, 15°, 30° 및 45° 순서대로 최대응력 값 은 45.17 MPa, 44.389 MPa, 43.609 MPa 및 41.353 MPa 가 되며 압력이 1.96Pa일 경우 0°, 15°, 30°와 45° 순서 대로 최대응력 값은 52.383 MPa, 51.601 MPa, 50.821 MPa와 48.564 MPa로 나타났다. 회전각도에 따른 최대 등가응력의 변화는 압력의 증가에 따라 선형적 관계를 보여주고 있으며 회전각도가 증가함에 따라 감소하는 경향이 있다.

Fig. 3. The example of von Mises stress contours for the agitator in 15° and 1.3 MPa.

Fig. 4. Change of the maximum von Mises stresses with blade angles for different values of steam.

Fig. 5는 증기압력 증가에 따른 블레이드 회전각도 별 최대등가 응력값의 변화를 나타낸다 . ①번과 ⑥번 블레이드는 압력이 증가하거나 각도에 따른 응력값에 대한 차이는 거의 나타나지 않는다 . 긴 블레이드는 압 력과 각도변화에 따른 값에 대한 차이가 발생하였으며 특히 , 가장 응력값이 큰 ②번 긴 블레이드에서 가장 크 게 차이가 나타나는 것을 알 수 있다 . Table 3은 회전 각도별 최대응력 값을 나타낸다 .

Fig. 6 (a)에서 (d)는 ②번과 ③번 블레이드 응력분포

이다 . 길이가 긴 블레이드 중 ②번 블레이드의 위치는

Fig. 5. Change of the maximum von Mises stresses with the agitation blade rotation angles for different values of steam.

Table 3. The maximum stress value according to rotation angle

Equivalent stress

Pressure & impeller

number 15° 30° 45°

Max. stress (MPa)

Pressure 1.3 (MPa)

①

②

③

④

⑤

⑥

Pressure 1.96 (MPa)

①

②

③

④

⑤

⑥

(a) steam pressure 1.3 MPa (No.

②

(b) steam pressure 1.96 MPa (No.

②

(c) steam pressure 1.3 MPa (No.

③

(d) steam pressure 1.96 MPa (No.

③

Fig. 6. von Mises stress contour of the agitating long blade.

동력전달이 전달되는 부분에서 가장 멀리 위치하며 블 레이드 하단부위의 용접된 곳에서 최대응력이 발생한 다. 압력이 1.3 MPa의 경우 블레이드가 15°, 30°와 45°

일 때 각각의 최대 응력값은 44.389 MPa, 43.609 MPa 및 43.353 MPa의 값을 가지며, 압력이 1.96 MPa의 경 우 15°, 30°와 45°일 때 각각의 최대 응력값은 51.601 MPa, 50.821 MPa 및 48.564 MPa의 값을 가진다. ①과

⑥번 블레이드와 달리 ②번 블레이드의 압력이 1.3 MPa와 1.96 MPa 두 경우 15°와 30°의 최대응력 차이 값은 0.78 MPa, 30°와 45°의 최대응력 차이값은 2.256 MPa이다. 블레이드 ③번으로 압력이 1.3 MPa의 경우 15°, 30°, 45° 일 때 각각의 최대 응력값은 29.236 MPa, 27.569 MPa, 25.91 MPa의 값을 가지며, 압력이 1.96 MPa의 경우 15°, 30°와 45° 일 때 각각의 최대 응력값 은 30.435 MPa, 28.768 MPa 및 27.11 MPa의 값을 가진 다. ③번 블레이드의 압력이 1.3 MPa와 1.96 MPa 두 경우 15°와 30°의 최대응력 차이 값은 1.667 MPa, 30°

와 45°의 최대응력 차이 값은 1.659 MPa이다. 블레이 드 중에 최대 응력값을 가지는 ②번 블레이드 보다 압 력이 1.3 MPa일 경우 약 15.153 MPa, 압력이 1.96 MPa 일 경우 약 21.166 MPa 차이가 나는 것을 알 수 있다.

나머지 블레이드에 대한 응력분포는 Fig. 6 (a)에서 (d)의 최대 응력 이하로서 유사하게 나타났다.

Fig. 7은 증기압력이 1.96 MPa일 경우 헤드 축과 꼬 리 축 및 중공축에 대한 폰 미제스 응력분포를 나타낸 다 . 회전각도별 최대 응력값은 15°일 때 36.812 MPa, 30°일 때 34.744 MPa, 45°일 때 31.542 MPa의 값을 가 진다 . 또한 압력이 1.3 MPa일 경우 회전각도별 최대 응력값은 15°일 때 34.378 MPa, 30°일 때 32.315 MPa 이며 45°일 때 29.122 MPa의 값을 나타내었다. 최대응 력은 꼬리 축에서 발생하며 중공축과 꼬리 축 연결부 위에서 발생한다. 중공축은 자중을 가볍게 하기 위해 단면의 중심부에 구멍이 뚫려 있는 축이므로 중공축

Fig. 7. von Mises stress contour of the agitating head, tail and

hollow shaft(steam pressure 1.96 MPa).

Fig. 8. The von Mises stress distribution in welding area of the agitator long blade with 15° and 1.96 MPa.

가운데 긴 블레이드와 용접된 부분에서 높은 응력분포 를 가진다.

Fig. 8은 ②번, ③번, ④번, ⑤번 블레이드 회전각도 가 15°일 때 1.96 MPa일 경우로 용접부위 응력을 나타 낸다. 압력이 증가함에 따라 ②번, ③번, ④번 및 ⑤번 블레이드 최대응력 값의 차이는 ②번 블레이드는 7.212 MPa, ③번은 1.199 MPa, ④번은 2.65 MPa, ⑤번 블레이드는 4.98 MPa로 압력이 증가할 때 최대 응력이 증가하였다. 전체적으로 증기압력 1.3 MPa과 1.96 MPa 일 경우 ①번과 ③번 블레이드에서 균일하게 응력이 증가하다가 감소하는 경향을 보이지만 ④번 블레이드 는 ①번 블레이드와 비슷한 경향을 보이다가 180 mm 와 200 mm 사이에서 응력이 급격히 감소하다가 증가 하는 경향을 보인다. ⑤번 블레이드는 ③번 블레이드 와 유사하게 응력이 증가하다가 120 mm 지점에서 감 소하는 것이 아니라 직선 형태로 140 mm 길이까지 일 정한 응력을 얻은 후 감소하는 경향을 보이고 있다. 블 레이드의 회전각도가 30°와 45°의 경우 최대응력값의 변화는 있지만 회전각도가 15° 결과와 유사하게 나타 났다.

Fig. 9는 압력 1.96 MPa일 때, 각도별 작은 블레이드 의 지정된 경로를 따라서 얻어진 폰 미제스 응력이다 . 작은 블레이드 상하와 블레이드 접속부를 포함한 전체 길이는 1,300 mm이다. (a), (b)는 ①번과 ⑥번 블레이드 로서 길이에 따른 폰 미제스 응력 변화와 작은 블레이 드는 300 mm에서 최대 응력을 가지며 15°, 30°와 45°

회전각도별 최대응력 차이값은 각각 2.6 MPa, 2.96 MPa 및 3.2 MPa로 ⑥번 블레이드가 조금 더 높은 응 력 값을 가진다. 상용압력인 1.3 MPa일 경우는 1.96 MPa일 때와 유사한 경향을 나타내지만 회전 각도별

(a) the short agitator blade No.

①

(b) the short agitator blade No.

⑥

Fig. 9. von Mises stress of the short agitator blade(Steam pressure 1.96 MPa).

Fig. 10. von Mises stress distribution along the longitudinal direction of the agitator head, tail and hollow shaft(Steam pressure 1.96 MPa).

변화는 거의 나타나지 않았다 .

Fig. 10은 1.96 MPa 경우로써 꼬리 축, 헤드 축 및

중공축의 회전 각도에 따라 지정한 경로로 측정된 응

력값의 변화이다. 헤드 축에서 꼬리 축의 전체 길이는

3,550 mm이다. 응력은 압력 1.3 MPa 경우 보다 전체적 으로 약 2.5 MPa 정도 높게 나타났다. 주로 응력은 꼬 리 축과 헤드 축 연결부위인 중공축, 중공축 가운데 긴 블레이드와 연결부위에서 나타난다. 긴 블레이드의 무 게와 중공축의 형태로 응력값이 높은 것으로 판단된다 .

3.2 각도에 따른 안전계수 해석 결과

Fig. 11은 1.96 MPa에서 회전각도별 안전계수를 나 타낸다 . 회전각도별 15°, 30°와 45°에서 안전계수는 5.3293, 5.4112 및 5.6626으로 나타났으며, 압력이 1.3 MPa 경우 15°, 30°와 45°에서 안전계수는 6.1952, 6.3061 및 6.6501로 얻어졌다. 일반 산업기계의 안전계 수 하한치가 1〜3이므로 현재의 반응기 내 교반 축과 블레이드의 안전성은 충분히 확보되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 11. Safety factor contour of the agitator for steam pressure 1.96 MPa.

4.

유기성 폐기물 반응기 내 교반축과 블레이드에 대하 여 회전각도별 하중, 증기 압력변화에 따른 구조해석 을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 반응기 내 교반기 축과 블레이드의 폰 미제스 응 력은 설정된 증기압력 1.3 MPa과 1.96 MPa 중 회전각 도 15°, 30°, 45°에서 최대값은 1.96 MPa에서 51.601 MPa, 50.821 MPa, 48.564 MPa로 얻어졌다.

2) 블레이드의 증기압력이 1.3 MPa과 1.96 MPa일 경 우 회전각도가 감소할수록 높은 응력값을 나타내며 , 긴 블레이드 ②번에서 가장 최대 응력값이 나타났다.

작은 블레이드 ①번과 ⑥번에서는 응력값에 대한 차이 가 거의 나타나지 않지만 , 긴 블레이드 ②, ③, ④, ⑤번 에서는 응력값에 대한 차이가 나타난다 .

3) 긴 블레이드는 용접부위에서 최대 응력이 발생한 다. 교반기 축은 꼬리 축, 헤드 축과 중공축이 연결되 는 지점에서 최대 응력이 발생하였고 동력이 전달되는 헤드 축보다 동력전달 부분에서 멀어지는 꼬리 축이 헤드 축 보다 응력값이 높은 것으로 나타났다.

4) 유기성 폐기물 반응기의 안전계수는 압력이 1.3 MPa일 경우 약 6.19〜6.65이며, 1.96 MPa일 경우 약 5.33〜5.66로 얻어져 설비의 안전성을 확보하였으며 얻 어진 결과를 기초로 하여 교반기 내 유동해석에 관한 연구가 추가적으로 이루어져야 안전성 확보에 한 층 더 높은 기여를 할 것으로 판단된다.

References

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