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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 강명창
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 부산대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수12
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하이드론 사이클론 분리기(Hydro Cyclone Separator)는 입자가 부유하는 유체에 선회 흐름을 주어 원심력을 사용하여 물과 입자를 분리하는 장치이다. 장치의 형상이 단순하고 실시간으로 입자 분리가 가능하여 많은 산업 현장에서 활용되고 있다. 최근에 강화된 환경 규제와 산업 설비의 소형화, 정밀화, 미세화 움직임에 따라 관련 산업에서는 중·대형급 사이클론 분리기에서 취약한 10㎛ 이하의 작은 입자에 대해 높은 집진효율을 요구하고 있다. 따라서 본 연구에서는 제철소와 발전소를 비롯하여 산업시설 배관 내 존재하는 다양한 크기의 오염물질을 보다 미세하게 분리하기 위해 미니 하이드로 사이클론 분리기의 이중배열 모델을 제안하여 높은 분리성능을 획득하고자 한다.
이중배열 사이클론 분리기는 3D 프린팅을 통해 총 3가지 모델을 제작하였으며, 제작에 앞서 이러한 형태가 유량, 속도, 입자 크기 등 성능 매개변수에 미치는 영향을 CFD 해석을 통해 조사하였다. 또한 3가지 모델의 입자 분리 성능을 평가하기 위해 분리효율에 관한 실험과 입도분석을 수행하였다. 실험에서는 0.5㎛~100㎛ 크기의 Al2O3 입자를 물에 혼합하여 이중배열로 구성된 사이클론 분리기에 주입하였다. 분리효율 확인은 각 출구로 배출된 물과 입자의 혼합물을 건조하여 남은 입자의 중량을 측정하였으며, 입도분석을 통해 배출되는 입자의 절단입경(D50)을 확인하였다. 실험결과 사이클론 분리기의 이중배열로 2차 사이클론 분리를 통한 분리효율이 2%~6.6%까지 상승하였다. 15㎛ 이상의 입자는 1차 사이클론 분리기로 대부분 배출되었으며, 2차 사이클론 분리기를 통해 분리되지 못하고 배출되는 입자의 크기는 0.3㎛ 전후로 확인되었다. 분리하고자 하는 입자 크기가 작을수록 사이클론 분리기의 이중배열 효과는 더욱 큰 것으로 나타났다. 또한, 제작된 3가지 모델에서는 2차 사이클론 분리기로 진입하는 유량이 증가할수록 전체 분리효율은 감소하는 경향을 보였으며, 2차 사이클론 분리기의 Overflow로 배출되는 유량이 증가하는 경우에도 분리효율은 감소하였다. 이는 1차 사이클론 분리기에서 2차 사이클론 분리기로 연결되는 접합면의 크기와 2차 사이클론 분리기의 Overflow 크기가 커질수록 분리성능 측면에서는 불리해지는 반면, 물질의 회수와 재생 측면에서는 유리해짐을 나타냈다.
본 연구에서는 직렬 형태로 구성된 이중배열 사이클론 분리기의 복잡한 형상을 3D 프린터로 가공하여 쉽고 정밀하게 제작할 수 있었으며, 미니 하이드로 사이클론 분리기의 이중배열 구조설계와 분리성능을 평가하여 관련 산업에 활용할 수 있는 가능성을 제시하였다.
이중배열 사이클론 분리기는 3D 프린팅을 통해 총 3가지 모델을 제작하였으며, 제작에 앞서 이러한 형태가 유량, 속도, 입자 크기 등 성능 매개변수에 미치는 영향을 CFD 해석을 통해 조사하였다. 또한 3가지 모델의 입자 분리 성능을 평가하기 위해 분리효율에 관한 실험과 입도분석을 수행하였다. 실험에서는 0.5㎛~100㎛ 크기의 Al2O3 입자를 물에 혼합하여 이중배열로 구성된 사이클론 분리기에 주입하였다. 분리효율 확인은 각 출구로 배출된 물과 입자의 혼합물을 건조하여 남은 입자의 중량을 측정하였으며, 입도분석을 통해 배출되는 입자의 절단입경(D50)을 확인하였다. 실험결과 사이클론 분리기의 이중배열로 2차 사이클론 분리를 통한 분리효율이 2%~6.6%까지 상승하였다. 15㎛ 이상의 입자는 1차 사이클론 분리기로 대부분 배출되었으며, 2차 사이클론 분리기를 통해 분리되지 못하고 배출되는 입자의 크기는 0.3㎛ 전후로 확인되었다. 분리하고자 하는 입자 크기가 작을수록 사이클론 분리기의 이중배열 효과는 더욱 큰 것으로 나타났다. 또한, 제작된 3가지 모델에서는 2차 사이클론 분리기로 진입하는 유량이 증가할수록 전체 분리효율은 감소하는 경향을 보였으며, 2차 사이클론 분리기의 Overflow로 배출되는 유량이 증가하는 경우에도 분리효율은 감소하였다. 이는 1차 사이클론 분리기에서 2차 사이클론 분리기로 연결되는 접합면의 크기와 2차 사이클론 분리기의 Overflow 크기가 커질수록 분리성능 측면에서는 불리해지는 반면, 물질의 회수와 재생 측면에서는 유리해짐을 나타냈다.
본 연구에서는 직렬 형태로 구성된 이중배열 사이클론 분리기의 복잡한 형상을 3D 프린터로 가공하여 쉽고 정밀하게 제작할 수 있었으며, 미니 하이드로 사이클론 분리기의 이중배열 구조설계와 분리성능을 평가하여 관련 산업에 활용할 수 있는 가능성을 제시하였다.
목차
1. 서 론 11.1 연구배경 11.2 연구동향 41.3 연구목적 72. 이중배열 사이클론 분리기의 이론적 배경 92.1 이중배열 사이클론 분리기의 개요 92.2 이중배열 사이클론 분리기 설계 112.3 유동해석조건 및 해석방법 153. 이중배열 사이클론 분리기 제작 및 실험 183.1 3D 프린팅을 활용한 이중배열 사이클론 분리기 제작 183.2 실험장치 구성 223.3 실험조건 및 평가방법 244. 결과 및 고찰 294.1 출구 유량비에 따른 유동해석 특성 294.2 입자 크기와 혼합에 따른 분리효율 특성 364.3 입도분석에 따른 입자거동 특성 424.4 이중배열 사이클론 분리기의 성능평가 535. 결 론 56참고문헌 58Abstract 61
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