Particle and Aerosol Research
Part. Aerosol Res. Vol. 10, No. 4: December 2014 pp. 155-162 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2014.10.4.155
사이클론 집진장치의 내부 온도 변화에 따른 집진효율에 관한 전산해석적 연구
현 대 근⋅장 혁 상*
영남대학교 환경공학과 환경에어로졸공학연구실
(2014년 11월 25일 투고, 2014년 12월 18일 수정, 2014년 12월 20일 게재확정)
Numerical Study on the Effect of the Internal Temperature Distribution in the Cyclone Dust Collector
Daegeun Hyun, Hyuksang Chang*
Environmental Aerosol Engineering Laboratory, Department of Environmental Engineering, Yeungnam University (Received 25 November 2014; Revised 18 December 2014; Accepted 20 December 2014)
Abstract
The internal temperature will change depending on operation conditions and material of cyclone dust collector. This study compares the results of collection efficiency and temperature distribution on the different heat flux at wall of dust collector. The previous researcher's experiment results were used to confirm the reliability of CFD(Computational Fluid Dynamics) model. Based on this verified CFD model, we extended the analysis on the cyclone dust collectors.
In CFD study, we used RNG k-epsilon model for analysis of turbulence flow, fluid is air, the velocity at inlet is 10 , the temperature of air is 600 ℃. Because of the difference of outer vortex and inner vortex temperature, the collection efficiency will reduce with the increase of heat flux, showed the highest collection efficiency at heat insulation.
Keywords：Cyclone Dust Collector, CFD(Computational Fluid Dynamics), Heat Flux, Temperature Distribution, Collection Efficiency, Thermophoretic
* Corresponding author.
Tel：+82-53-810-2547, E-mail：[email protected]
Fig. 1. Schematic of cyclone.
1. 서 론
산업공정에서 발생하는 입자상 물질을 제거하기 위하여 과거로부터 집진원리에 따른 여러 종류의 집진장치가 개발되어 왔으며, 현재까지도 최소 소모 비용에서 최고의 효율을 가지는 최적 설계를 목표 로 하는 많은 연구들이 진행되고 있다. 그 중 사이 클론 집진장치는 집진장치 내부로 유입되는 가스에 선회 운동을 유도하여 가스에 포함되어 있는 입자 상 물질을 원심력으로 분리하는 장치로서 전기 집 진장치 등과 같은 고성능 집진장치의 로딩부하를 줄여 효율적인 운전을 할 수 있도록 도와주는 전처 리 장치로 주로 사용되고 있다. 또한 다른 고성능 집진장치에 비해 비교적 설치비용이 저렴하며 유지, 관리가 용이할 뿐만 아니라 PFBC(Pressurized Fluidized-Bed Combustor)와 같은 고온, 고압의 배가 스를 배출하는 공정에서 사용 가능한 강점을 가지 고 있어 고온의 배가스를 배출하는 산업공정에서 널리 사용되고 있는 집진장치이다.
사이클론 집진장치의 최적 설계를 제안하고 운전 조건에 따른 집진효율과 압력강하를 예측하기 위해 많은 선행 연구가 진행되어왔다. Iozia and Leith (1989)는 사이클론 형상과 유량 변화에 따른 내부 속도의 변화를 측정하였으며, Dirgo and Leith (1985) 는 유속에 따른 집진효율의 변화와 이론식을 비교 하였고, Kim and Lee (1990)는 출구와 몸체의 직경 에 따른 집진효율 변화에 대한 실험을 실시하였다.
이와 같은 실험적 연구는 주로 상온에서 진행되었 으며, 배가스의 온도와 집진장치의 단열 상태에 대 한 언급은 극히 드물다는 것을 알 수 있다. 그러나 상당수의 사이클론 집진장치가 고온 배가스 처리에 사용되고 있기 때문에 유입되는 가스 온도와 단열 상태에 따른 내부 온도 분포 변화가 효율에 미치는 영향을 평가하는 것은 아주 중요하다고 할 수 있다.
본 연구에서는 사이클론 집진장치의 단열 상태에 따른 내부 온도 분포와 집진효율의 관계를 관찰하 기 위하여 전산해석을 실시하였으며, 단열 상태의 변화를 주기위해 대기와 접촉하는 집진장치의 벽면 에 열 플럭스를 단계적으로 증가시켜 설정해 주었 다.
2. 연구 방법
2.1 해석 형상
열 플럭스에 따른 내부 온도 분포를 판단하기 위 해 산업공정에서 주로 사용되며 형상이 간단한 접 선유입식 사이클론 집진장치의 형상을 기본으로 해 석을 실시하였으며, 기본 형상은 Fig. 1에서 보는 것 과 같다.
사이클론 집진장치의 각 부분에 대한 치수는 몸 체의 직경을 기준으로 비율에 따라 다른 치수가 결 정되며, 치수의 비는 사용목적과 형상을 제시한 연 구자에 따라 상이하게 나타난다. 본 연구에서는 Stairmand (1951)의 고효율 형상을 사용하였으며 치 수에 대한 정보는 Table 1에 나타내었다.
2.2 전산해석의 신뢰성 평가
전산해석을 실시하기에 앞서 해석 결과의 타당성 에 대한 신뢰성 확보가 중요하다고 판단된다. 신뢰 성 확보를 위해 선행 연구자의 실험과 이론식, 전산 해석 결과를 비교하였으며 실험에는 Dirgo and Leith
Table 1. Dimensions of Stairmand high efficiency for CFD analysis.
D a/D b/D De/D S/D h/D H/D B/D
Ratio 1 0.5 0.2 0.5 0.5 1.5 4.0 0.375
D a b De S h H B
Dimension () 0.5 0.25 0.1 0.25 0.25 0.75 2 0.1875
(1985)의 실험 결과를 이론식으로는 집진효율 예측 을 위해 대표적으로 사용되는 Barth (1956)의 효율 방정식을 사용하였다. 실험적 연구에서는 860 의 밀도를 가진 입자를 사이클론 집진장치 내부로 유입하여 유속에 따른 집진효율 변화를 측정하였다.
출구에서 가스의 소용돌이 유동이 입자 측정에 주 는 영향을 줄이기 위하여 유동 균일화를 실시한 후 에 입자의 개수를 측정하였다. 비교에 사용된 Barth (1956)의 효율 방정식은 다음과 같다.
(1)
여기서 는 입자의 종말침강속도이며, 는 정 적입자의 종말침강속도이다. 두 입자들의 종말침강 속도는 다음으로 표현 가능하다.
(2)
(3)
여기서 는 입자의 밀도, 는 입자의 직경, 는 유 체의 점성계수, 는 유량이다. 는 사이클론 코어 의 길이, 는 사이클론 소용돌이에서 가스의 접선 속도로서 다음과 같다.
if. ≤ (4)
if. ≻ (5)
(6)
여기서 는 마찰계수로서 Barth (1956)는 0.02로 가 정하였으며, 는 다음과 같다.
(7)
본 연구에서 신뢰성 평가를 위해 Dirgo and Leith (1985)의 실험에서 사용된 집진장치의 치수와 경계 조건을 동일하게 설정하여 해석해 주었으며 결과를 Fig. 2에 나타내었다. 유입되는 가스의 유속이 10
일 경우 1.3, 2.1 의 입자에서 실험과 전산해 석 값이 거의 동일하다고 판단될 정도의 일치성을 보인다. 그 외의 입자 영역에서도 실험값과 전산해 석 결과는 유사하게 나타나는 것으로 판단된다. 15
의 경우 2.9 의 입자는 실험과 전산해석 결과 값의 차이가 존재하지만 2.1, 3.7, 5.9 에서 아주 높은 동의성을 보이고 있으며 나머지 영역부위에서 도 높은 일치성을 보인다고 할 수 있다. 신뢰성 검 토에서 실험 결과와 전산해석 결과는 전체적으로 아주 유사하게 나타났기 때문에 사이클론 집진장치 와 같은 소용돌이 유동이 지배적인 유동해석에서 입자의 추적은 상당히 정확하다는 결론을 내릴 수 있다. 전산해석 결과의 신뢰성이 확보되었다고 판단 한 후 연구를 계속적으로 진행하였다.
2.3 해석 모델 및 경계조건
본 연구에서 사용된 전산해석 프로그램은 FLUENT v15.0, 해석 대상을 형상화 하는 작업에는 ANSYS Design Modeler를 사용하였다. 격자 생성을 위해서는 ANSYS Meshing을 사용하였고 생성된 격 자의 수는 약 72만개이며 tetrahedron 형태로 구성되 어 있으며 정밀한 해석을 위해 벽면에 inflation을 설 정해 주어 벽면에 격자를 좀 더 조밀하게 생성해 주 었다.
전산해석에서는 유동과 입자 추적을 위한 여러
Fig. 2. Comparison for CFD reliability (Experiment data : Dirgo and Leith, 1985).
모델이 존재하며 어떤 모델을 선택하는지에 따라 해석 결과는 상이하게 나타나기 때문에 적절한 모 델 선택이 아주 중요하다. 본 해석에서는 앞의 전산 해석 신뢰성 평가에서 검증된 RANS(Reynolds averaged Navier Stokes)계열의 RNG k-epsilon 모델을 사용하였다. RNG k-epsilon 모델은 난류 해석에 대 표적으로 사용되는 Standard k-epsilon 모델을 기반으 로 하여, 상당히 빠르고 급격하게 변화하는 유동에 서 정확성을 향상시키기 위해 epsilon 방정식에 항을 추가하여 발전된 모델로서 수송 방정식을 기초로 한 반경험적 모델이다. 여기서 k는 난류 운동에너 지, epsilon은 소산율로서 다음 식으로 표현할 수 있 다.
(8)
(9)
여기서 는 유효점성계수, 와 는 평균 속도 구배와 부력에 의한 난류 운동에너지이며 , 는
와 에 의한 난류 Prandtl Number의 역수이다. ,
, 는 상수항이다. 사이클론 집진장치 내부는
입자와 유체가 공존하는 다상유동이다. 본 연구에서 는 입자를 추적하는 Lagrangian 접근방식으로 해석 을 실시하기 위하여 DPM(Discrete Phase Model)을 설정하였다. DPM에서 입자에 작용하는 힘의 균형 은 다음의 식으로 계산된다.
(10)
여기서 는 단위 입자 질량당 힘으로서 추가적인 가속도 항이며, 는 중력가속도, 는 입자와 유 체의 밀도, 는 입자와 유체의 속도, 는 단위 입자 질량당 항력으로서 다음으로 계산된 다.
(11)
는 입자의 직경, 는 유체의 점성, 는 구형입자 의 항력계수, 는 레이놀즈수로서 다음과 같다.
(12)
(13)
그리고 는 레이놀즈수에 따라 결정되는 상 수항이다.
사이클론 집진장치의 입구에서 유속은 전체 case 에 대하여 동일하게 10 로 설정하여 주었으며, 유입되는 가스는 공기로 설정하였다. 출구 부분은 pressure outlet으로 설정하고 내부 유동에 영향을 주 지 않는 조건인 0 로 지정해 주었다. 더스트 박스 (dust box)는 벽면으로 지정하여 입자의 집진을 표현 하기 위해 DPM에서 boundary condition type을 trap 으로 설정해주었으며, 그로 인해 재비산은 일어나지 않는다고 가정하였다. 입자의 형태는 구형이며 직경 은 0.1, 1, 10, 20, 30 로 전체 입구 영역에서 고르 게 분사된다고 설정해주었다. 온도는 전체 케이스에 대하여 873 로 통일하여주었으며 열 플럭스는 0, 1,000, 2,000, 3,000으로 단계적으로 증가시켜 주었 다. 열 플럭스에 따라 내부 온도는 변화할 것으로
Table 2. Models and boundary conditions for CFD analysis.
Computation conditions Boundary conditions
Turbulence Model RNG k-epsilon Inlet 10
Discrete Phase Model Outlet 0 (Gauge Pressure)
Materials Fluid : Air (873 )
Particle : Ash (1000 ) Dust Box DPM Condition : Trap
Fig. 3. Collection efficiency according to heat flux change.
예상되며 그로 인해 공기의 밀도와 점성 또한 달라 질 것이다. 전산해석에서 이러한 현상을 고려해 주 기 위하여 각 온도에 따른 점성과 밀도를 사용하여 회귀식을 생성하여 함수로 추가하여 주었으며 두 회귀식의 상관계수는 0.99이상으로 높게 나타났다.
Table 2에 전산해석에 공통적으로 사용된 모델과 경 계조건을 정리하여 나타내었다.
3. 결과 및 고찰
집진장치의 벽면에 열 플럭스 값에 따른 집진효 율의 변화를 Fig. 3에 나타내었다. 그림에서 Tout/Tin
은 유입된 배가스 온도 873 와 출구로 유출된 배 가스 온도의 비율을 나타낸 것이다.
Bohnet (1995)이 실시한 가스 온도에 따른 집진효 율의 변화를 실험한 연구 결과에 따르면 가스의 온 도가 높을수록 집진효율은 감소한다고 평가하였다.
이는 온도가 증가할수록 공기의 점성이 높아지기
때문에 고온의 가스가 유입될 경우 저온의 가스에 비해 상대적으로 집진장치 내부에서 원활한 유동이 발생하기 어려워져 집진효율 감소가 발생하였다고 추측할 수 있다. 본 연구에서도 열 플럭스의 값이 클수록 외부로 유출되는 열이 많아 집진장치 내부 의 온도가 감소하면 그에 따른 점성의 변화로 집진 효율이 증가될 것이라고 예상하였다. 그러나 오히려 열 플럭스 값이 클수록 집진효율이 오히려 감소하 는 경향이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 입자 직 경이 0.1 인 경우 모든 case에서 대하여 0에 가까 운 효율을 나타내기 때문에 열 플럭스에 따른 효율 차이가 나타나지 않지만 1 와 10 사이의 입자 영역에서는 확연한 효율 차이가 나타나는 것을 볼 수 있으며, 열 플럭스가 0과 3,000에서는 약 10%에 가까운 효율 차이를 나타내었다. 20 의 경우에는 열 플럭스에 큰 영향을 받지 않고 모든 case에서 90% 이상의 효율을 가지며, 30 에서는 100% 효 율을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
열 플럭스의 영향에 의한 집진장치 내부 온도 분 포를 가시적으로 판단하기 위하여 Fig. 4에 집진장 치 내부의 온도 분포를 나타내었다. 전체 case에 대 하여 출구 부분에서 온도가 낮게 나타나는 이유는 FLUENT 내에서 온도변화를 해석하기 위해 에너지 방정식(Energy equation)을 설정해줄 경우 모든 경계 조건에 대하여 각각의 온도를 지정해 주어야하므로 출구의 온도를 상온으로 설정하였기 때문이다. 열 플럭스가 0인 경우 단열 조건이기 때문에 온도 변화 가 나타나지 않으며, 열 플럭스의 값이 클수록 외부 로 유출되는 열이 많아 집진장치 내부의 온도는 감 소되는 경향이 나타난다. 특히 집진장치의 벽면부분 과 중심부분에서 큰 온도 차이가 발생하는 것을 볼 수 있는데 이를 설명하기 위해서 사이클론 집진장 치의 소용돌이 유동에 대한 이해가 필요하다. 사이
0 1,000 2,000 3,000 Fig. 4. Temperature distribution of cyclone dust collector according to each heat flux.
Table 3. Comparison of temperature in outer vortex and inner vortex according to each heat flux.
0 1,000 2,000 3,000 Temperature of
outer vortex 873.0 856.5 839.5 826.2
Temperature of
inner vortex 873.0 818.9 762.8 712.3
△T 0 37.6 76.7 113.9
클론 집진장치의 경우 앞서 설명한 것과 같이 회전 운동에 의해 발생하는 원심력으로 입자를 제거하는 장치이다. 이 회전운동은 최초로 유입된 가스가 벽 면을 타고 더스트 박스로 하강하며 형성되는 외부 소용돌이 영역과 입자를 제거한 후 출구로 상승하 는 내부 소용돌이 영역으로 나뉘어있다. 두 소용돌 이 유동 중 집진효율에 영향을 미치는 것은 외부 소 용돌이 영역이라 할 수 있다. 외부 소용돌이 영역의 상부에서는 온도 변화가 거의 발생하지 않으며 하 강할수록 벽면에 맞닿은 가스가 열을 빼앗겨 온도 가 낮아지며 더스트 박스에 도달하였을 때 가장 낮 은 온도를 가지게 된다. 더스트 박스에 도달한 후 열을 빼앗긴 가스가 출구로 빠져나가기 위해 상승 하기 때문에 그림에서 보는 것과 같이 집진장치의
중심부 영역에서의 온도가 가장 낮은 온도 분포가 형성되었다고 판단할 수 있다. 열 플럭스에 따른 외 부 소용돌이와 내부 소용돌이 영역에서의 정확한 온도 차이를 확인하기 위하여 Table 3에 평균 온도 를 나타내었다. 외부 소용돌이 영역에서 온도 변화 는 상대적으로 낮게 나타나지만 내부 소용돌이 영 역에서는 큰 온도 차이가 발생하는 것을 볼 수 있 다. 열 플럭스가 클수록 외부 소용돌이와 내부 소용 돌이의 온도 차이는 크게 나타난다.
열 플럭스로 인해 발생된 외부와 내부 소용돌이 간의 온도 차이로 인해 소용돌이 경계면에서 열영 동(thermophoretic) 현상이 발생할 것이라고 예상할 수 있다. 열영동이란 가스의 온도 차이로 인해 분자 의 운동 상태가 변하고 그로 인해 운동량이 불규칙
해져 운동량이 높은 고온 영역에서 저온 영역으로 입자가 이동하는 것을 뜻한다. 열영동 힘은 다음의 식으로 표현할 수 있다(Talbot et al., 1980).
(14)
여기서 는 열영동 계수, 는 입자의 질량, 는 가스의 온도이다. 이 식을 통해 열영동 현상은 온도 차이가 클수록, 입자의 질량이 작을수록 크게 작용 된다는 것을 알 수 있다. 이로 인해 전산해석 결과 에서 열 플럭스가 증가함에 따라 효율이 감소된 원 인은 소용돌이 간의 온도 차이로 인해 발생한 열영 동 현상에 의한 것이라고 추측할 수 있다. 외부 소 용돌이 영역에서 하강하며 회전 운동 중이던 입자 중 소용돌이 경계에 가깝고 질량이 가벼운 것들이 열영동 효과에 의해 저온 영역인 내부 소용돌이로 이동하여 집진효율이 감소했다고 판단된다. Fig. 3에 서 나타나듯이 20 이상의 입자들은 온도 차이에 큰 영향을 받지 않았다. 이는 질량과 반비례 관계를 가지는 열영동 현상보다 원심력이 크게 작용하였기 때문으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 사이클론 집진장치의 단열 상태에 따른 내부 온도 변화와 집진효율의 관계를 평가하 기 위해 전산해석을 실시하였다. 본격적인 해석을 실시하기에 앞서 전산해석 결과의 신뢰성을 평가하 기 위해 선행연구자의 실험결과와 전산해석 결과를 비교하였으며, 높은 일치성을 나타내었다. 이 비교 를 통해 전산해석 결과의 신뢰성이 검증되었다고 판단할 수 있다.
Bohnet (1995)의 실험 결과에서 확인할 수 있듯이 온도가 낮을수록 집진효율이 증가하는 것은 타당한 결과라고 할 수 있다. 그러나 전산해석 결과 열 플 럭스가 높아 집진장치 내부의 온도가 낮아질수록 오히려 효율이 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이는 외부 소용돌이와 내부 소용돌이의 온도 차이로 인 해 소용돌이 경계면에서 열영동 현상이 발생하여 소용돌이 경계면에서 하강하며 선회 운동하던 입자
들이 내부 소용돌이로 유입되었기 때문이라고 판단 할 수 있다. 이 결과로 인해 유입되는 가스 온도가 고온으로 고정된 상태에서는 단열이 잘 이루어져 외부 소용돌이와 내부 소용돌이의 온도 차이가 발 생하지 않을수록 높은 집진효율을 나타낸다고 결론 지을 수 있다.
본 연구는 고온 배가스 사이클론 집진장치를 운 전하는 산업공정에서 적용가능 할 것으로 예상된다.
감사의 글
이 논문은 2014년도 정원이앤씨의 연구비 지원으 로 수행되었습니다(No. 214C000450).
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