벤츄리 스크러버 집진장치의 삼상 유동에 대한 수치 모델링과 성능해석

Abstract

공장에서 배출되는 10 μm 이하의 미세 입자들은 인체에 매우 해로운 것으로 알려져 있다. 함진 가스에 대해 수직하게 세정액을 분사하는 집진 장치인 벤츄리 스크러버를 활용하여 이들을 효과적으로 제거할 수 있다. 이 장치에서는 집진 효율을 높이면 압력 손실이 커져 에너지 소비가 많아진다. 그러므로 에너지를 절약하면서도 높은 집진 효율을 얻기 위해서는 다양한 운전 조건에서 벤츄리 스크러버의 성능을 분석할 필요가 있다. 기체, 액체, 분진이 함께 존재하는 삼상 유동으로 매우 복잡한 현상이 일어나므로 이전 연구에서는 벤츄리 스크러버의 성능을 예측할 수 있는 실용적인 컴퓨터 모델이 없었다. 본 연구에서는 이와 같은 목적으로 성능을 예측할 수 있는 수치적 모델을 개발하였다. 벤츄리 스크러버에서 분진은 분사 액체로부터 발생한 액적과 관성 충돌하여 흡착됨으로써 제거된다. 분사 액체의 미립화 현상과 액적에 의한 분진 포획을 모델링하여 오일러-라그랑지 방법으로 기체, 액체, 분진에 대한 삼상 유동을 해석하였다. 액적 변형에 의한 항력 계수의 변화, 입자의 난류 확산, 기체와 액적 간의 상호작용, 액적 충돌 등과 같은 요소들을 모두 고려하였다. 수치 해석은 KIVA 코드를 수정하여 수행하였다. 먼저 개발된 모델의 정확성을 검증하기 위해 사각 덕트 내에서 기체 흐름에 수직하게 액체를 분사하는 경우에 대해 수치 해석하였다. 액적의 체적 유량 분포, SMD와 속도에 대해 실험과 잘 일치하는 결과를 얻었다. 다음으로 액적의 크기와 공간적 분포가 벤츄리 스크러버의 성능에 미치는 영향을 수치적으로 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다: 액적의 공간적 분포는 압력 손실에 거의 영향을 주지 않았지만 공간적으로 균일하게 분포할 때 집진 효율은 높아졌다. 액적의 크기가 작아질수록 압력 손실과 집진 효율은 증가하였다. 마지막으로 원형과 사각형의 두 가지 형상의 벤츄리 스크러버에 대해 수치 해석하였고 스로트부에서의 공기 속도와 기체에 대한 액체의 체적 유량비 변화에 따른 액적의 공간 분포, 압력 손실 및 집진 효율의 변화를 계산하였고 실험 결과와 비교함으로써 본 논문에서 개발한 성능 해석 방법의 정확성을 검증하였다.