사이클론 집진기의 벽면구배에 따른 압력손실과 집진효율에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

사이클론 집진기는 회전 기류의 원심력을 이용하여 공기 중에 포함된 입자를 분리하는 장치이다. 사이클론 집진기 중 가장 널리 쓰이는 형식은 접선방향 유입구와 원통과 원추로 구성된 몸체를 가지는 역류, 원통·원추(reverse-flow cylinder-on-corn) 형식의 집진기이다.
본 연구에서는 원통·원추 형상의 사이클론이 지니는 유체역학적인 단점을 개선하기 위해 연속적인 곡선을 이용하여 사이클론의 몸체를 설계하는 방법을 제안하고, 사이클론 벽면구배가 집진율과 압력손실에 미치는 영향을 파악하기 위해 실험과 해석을 병행한 연구를 수행하였다. 제안된 설계방법을 Stairmand HE 사이클론에 적용하여 각기 다른 벽면구배를 가지는 네 개의 테스트 사이클론과 비교실험을 위한 표준적인 Stairmand HE 사이클론을 제작하고 입자계수법을 이용하여 집진효율과 압력손실을 측정하였다. 실험 결과 제안된 설계방법이 집진효율을 크게 저하시키지 않으며, 압력손실 저감에 매우 효과적임이 나타났다. Convex 사이클론의 압력손실은 벽면구배의 증가에 따라 감소하며 Stairmand HE 사이클론 기준 최대 40%의 압력손실을 저감할 수 있다.
실험을 통해 얻어진 집진효율과 압력손실 변화를 이해하고 벽면구배에 따른 내부 유동의 특성을 파악하기 위해 전산유체 해석을 이용한 해석을 수행하였다. 사이클론과 같은 제한된 회전유동의 압력손실은 보텍스·코어의 위치 및 코어속도에 큰 영향을 받는다. 전산유체해석을 통해 사이클론 벽면의 구배가 커지면 보텍스·코어가 사이클론 중심부로 이동하며, 접선속도의 최대값 역시 감소하는 것으로 드러났다. 또한 보텍스·코어 내부의 축방향 속도는 벽면구배에 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있었다.
사이클론의 벽면구배에 따른 압력손실과 컷·사이즈의 변화를 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 사이클론 내부의 마찰면적과 벽면에서의 우력손실을 고려하여 얻어진 출구관 하단의 접선속도를 이용하여 보텍스·코어의 위치와 접선속도 최대값의 변화를 구하고, 랭킨·보텍스 가정을 이용하여 벽면구배에 따른 압력손실과 컷·사이즈의 변화를 예측할 수 있음을 보였다.
본 연구를 통해 사이클론의 벽면을 곡선으로 설계하는 방법이 압력손실 저감에 효과적임을 보였다. 사이클론의 압력손실은 벽면구배의 증가에 따라 감소하며, 벽면구배가 과도해지는 경우 유동의 불안정에 의해 압력손실이 증가한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Cyclone is one of particle separation device with centrifugal force of rotating flow. Most commonly used cyclone is tangential inlet, reverse flow, cylinder-on-con shape separators. Discontinuous flow area change at junction of cylinder and cone cause additional pressure losses.
In this study, a new cyclone design method named as Convex cyclone is proposed which define cyclone wall with a continuous curve to reduce the pressure losses. Experiments and analytical studies about influence of collection efficiency and pressure loss depend on cyclone wall curvature of proposed cyclone are performed. For comparative experiments, proposed design method is applied to Stairmand HE cyclone, and four test cyclone with different wall curvature and standard Stairmand HE are made by CNC process. The experimental results clearly show that proposed design method can achieve maximum 40% pressure loss reduction without considerable cut-size increase.
For a in-depth comprehension about pressure loss and collection efficiency of Convex cyclone, CFD simulations are performed. The pressure loss of confined vortex like as cyclone separator is effected by vortex-core and maximum tangential velocity. As a result of CFD simulation, it is shown that the increase of wall curvature cause decrease of maximum tangential velocity and vortex-core is move to the cyclone center. It is also revealed that the axial velocity of inside vortex-core is not effect by wall curvature.
A prediction model about pressure loss and cut-size depend on a cyclone wall curvature are developed. The tangential velocity below vortex-finder is obtained with consideration about friction area and momentum loss on the cyclone wall, and with this the variation of vortex-core and core velocity is obtained. Finally, pressure loss and cut-size variation depend on wall curvature is successfully predicted using a Rankine vortex hypothesis.
In this study, it is shown that proposed design method is effective to pressure loss reduction. The pressure loss of cyclone is decreased with wall curvature increase, and because of instability of rotating flow, it is increased when the wall curvature is immoderate.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 = 1
• 1.1 연구 배경 및 목표 = 1
• 1.2 연구 동향 = 3
• 1.3 사이클론 집진기의 개요 = 5
• 1.3.1 사이클론의 구조 = 5
• 1.3.2 등급집진효율과 컷-사이즈 = 7
• 1.3.3 사이클론 내부 유동의 특징 = 9
• 1.3.4 다양한 사이클론들의 구조 = 12
• 1.4 Convex 사이클론 설계 = 15
• 2. Convex 사이클론의 제작 및 실험 = 17
• 2.1 테스트 사이클론 제작 = 17
• 2.2 질량법에 의한 집진효율 측정 = 20
• 2.2.1 측정 장비 구성 = 20
• 2.2.2 실험 결과 = 24
• 2.3 입자 계수법에 의한 사이클론 성능 평가 = 26
• 2.3.1 실험 장치 구성 = 26
• 2.3.2 실험 결과 = 29
• 2.3 압력손실 = 34
• 2.4 무차원 압력손실과 컷-사이즈 = 35
• 3. 전산유체해석 = 38
• 3.1 전산유체 해석을 이용한 사이클론 연구 = 38
• 3.2 해석 방법 = 39
• 3.2.1 난류 모델의 선정 = 39
• 3.2.2 전산유체해석 = 40
• 3.2.3 입자상 유동의 유동영역 = 44
• 3.2.4 DPM 모델을 이용한 입자 거동 해석 = 46
• 3.2.5 BNS 모델을 이용한 소음해석 = 50
• 3.3 해석 결과 고찰 = 54
• 3.3.1 정압 및 동압 분포 = 54
• 3.3.2 속도 분포 = 56
• 3.3.3 압력손실 = 63
• 3.3.4 입자거동 = 64
• 3.3.4 유동소음 = 70
• 4. 모델식을 이용한 해석 = 72
• 4.1 사이클론의 압력손실과 컷-사이즈 예측 모델 = 72
• 4.2 압력손실 예측 모델 = 73
• 4.2.1 MM 모델을 이용한 압력손실 계산 = 73
• 4.2.2 랭킨-보텍스 가정을 이용한 압력손실 계산 = 78
• 4.3 평형궤도 모델을 이용한 컷-사이즈 해석 = 80
• 4.4 모델식을 이용한 Convex 사이클론 해석 = 81
• 4.4.1 압력손실 = 81
• 4.4.2 컷-사이즈 = 86
• 5. 결론 = 90
• 참고문헌 = 94
• Abstract = 103