일반기술

전기 Cyclone의 집진 성능 해석

싸이클론은 원심력을 이용하여 유체내의 입자를 분리하는 장치로서 구조가 단순하고 고온, 고압에 견딜 수 있는 장점 때문에 오래 전부터 산업현장에서 집진 장치로 널리 사용되어져 왔으나 일반적으로 원심력은 유동속도가 빠를수록 그리고 입자의 크기가 클수록 커지므로, 유동속도가 느리거나 작은 입자에 대해서는 집진 효율이 떨어지는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 전기집진기에서와 같이 내부에서 코로나 방전을 유도하고 동시에 강한 전기장을 형성시켜 원심력 이외에 전기력에 의한 집진 성능의 향상을 기대하는 전기싸이클론이 개발되었다. 전기장에 의한 집진 성능의 향상은 작은 입자에 대해 그 효과가 크며, 내부의 유동속도가 작아 입자의 잔류시간이 길어질수록 집진 효율이 커져, 일반적인 싸이클론의 단점을 보완하는 효과가 있다. 싸이클론의 내부 유동은 매우 복잡하고 강한 난류특성을 가지므로 해석에 많은 어려움이 있기 때문에 지금까지의 싸이클론 최적형상 설계는 대부분 실험에 의해 이루어졌으며, 기존의 효율 계산식들은 내부 유동과 입자의 운동을 단순화하여 집진 효율을 예측하였기 때문에 설계 도구로서는 부적합한 실정이다. 싸이클론의 정확한 집진 성능 예측을 위해서는 내부 유동은 물론, 입자의 관성효과를 고려한 입자의 운동 모사가 필요하며, 전기싸이클론의 경우에 입자의 하전 과정까지를 고려해야 한다. 이를 위해서는 라그랑지안 법을 이용한 입자궤적계산이 필수적이다. 본 연구에서는 전기싸이클론의 집진 성능을 예측하기 위해 내부유동장을 해석하고 코로나 방전에 의해 형성된 공간전하를 고려하여 내부의 전기장을 예측한 후 전기싸이클론내로 유입된 입자에 대해 하전과정을 고려하여 라그랑지안 방법으로 입자의 궤적을 계산하였고 이러한 결과들로부터 집진효율을 계산하였다. 직경 0.305 m 인 Stairmand의 고효율 싸이클론에 대해 집진 성능을 계산한 결과, 작은 크기의 입자에 대해 전기장에 의한 집진성능향상은 매우 크며, 인가된 전압이 커질수록 내부의 유동속도가 낮을 때 집진 효율이 더 커지는 것을 볼 수 있다.