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자혜 자 소
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1 김봉환 안국찬 김동진 * 진주산업대학교자동차공학과 * 한라대학교컴퓨터응용설계학과 ( 접수 / 채택 ) A Study on Enhancement of UV Disinfection System Performance by the Vortex Generator Bong-Hwan Kim Kook-Chan Ahn Dong-Jin Kim * Department of Automotive Engineering, Jinju National University * Department of Computer Aided Design, Halla University (Received December 5, 2006 / Accepted February 20, 2007) Abstract : The effectiveness of a UV(ultra violet) disinfection system depends on the characteristics of the waste water, flow conditions, the intensity of UV radiation, the amount of time the microorganisms are exposed to the radiation, and the reactor configuration. The wast water flow conditions are important factors in the design of UV disinfection system from the point of enhancement view of UV disinfection. The turbulent energy intensity in the wake by the vortex shedding are effective for UV radiation. Therewith the effectiveness of vortex generator is considered as a enhancement of UV disinfection. The experimental results presented give important evidences and explain that it is possible to predict UV disinfection performance based on flow experiments. An experimental investigation of two types of the vortex generator is presented. The qualitative and quantitative evaluations of the wake are made by flow visualization using smoke wire method and the measurement of vortex frequencies in the wind tunnel. From the experiment, following results were obtained that the delta wing type vortex generator is more effective than circular type because of the higher vortex frequencies and the smaller drag. Key Words : UV(Ultra Violet), disinfection, vortex generator, vortex shedding frequency, delta wing, turbulence intensity 1. 서론 1) 최종침전처리가된생활하수는상당히많은대장균및각종세균과바이러스를보유하고있는바, 그대로방류하게되면하류의수중생물들에게막대한영향을주게되며여기에포함된병원성세균이있을시는인간에게전염병과같은심각한악영향을초래할수있으므로국민의건강과안전을위해서필히방류전에이들세균을살균하여야한다. 최근하수처리장공정에서고도처리를위한 3 차처리로서마이크로필터링처리를실행한다고하여도그공정의후단에자외선살균시스템 (UV disinfection system) 을설치하여살균공정을거친후수질을개선한상태에서하류의하천등으로방류하거나처리장 To whom correspondence should be addressed. bhwkim@jinju.ac.kr 내의재활용수로서사용하게되는것이다 1). 자외선살균시스템은 Fig. 1 과같이하수처리공정중의 2 차침전처리이후의하수의유입을자연유하로입수시킨다음유입수의흐름방향과수평으로설치된다. 이때완전히물에잠기도록설계된수로형자외선살균시스템의램프에전원이들어오면램프는 254nm 의자외선 C-ray 를 90% 이상출력하여처리장치를통과하는유입하수에포함된유해세균과바이러스를살균할수있도록되어있다 2). 이러한생활하수에대한자외선살균시스템에서살균효과를최대화하기위해서는시스템에유입되는수질상태와함께자외선의조사세기와조사량그리고이에맞는자외선램프의수와이의배치가가장중요한설계변수이다. 아울러자외선살균시스템의실제가동상태에서하수에대한살균효과를더욱더높이기위해서는자외선램프로부터의자외선이하수내세 24

2 Fig. 1. Actual pilot plant of UV disinfection system. 균이나미생물에골고루잘도달할수있도록하수의유체역학적흐름을최적화하는것이매우중요하다 3). 이러한관점에서볼때, 일반적인자외선살균시스템의구성에덧붙여자외선의조사효율을더욱높게유지할필요가있다. 종래의기술은지상에서송풍기에의해공기를주입하고수로의바닥에산기관 (air diffuser) 을설치하여공기방울을이용하는방법과전기작동형진동자 (electric vibrator) 를설치하여그진동을유체흐름에이용하는방법이개발되어사용되어왔다. 산기관을설치할경우에는공기발생을위해별도의송풍기와공기배관및산기관을추가로설치하여야하며송풍기운전에의한동력비로인하여경제성이떨어진다. 진동자를사용하는경우는동력의증가는미미하지만유체로의진동전달에의한유체와동의발생으로인해자외선조사효율의증가가크지않으므로추가적인장치의설치에도불구하고자외선살균효과가상대적으로크지않은단점이있다 4). 종래의기술적문제점을해결하고살균작용의신뢰도를향상시키기위해하수가유입되는자외선살균시스템의유입측챔버 (chamber) 내에와동발생기 (vortex generator) 를경사지게설치하는방법을고려해볼수있다. 이방법은자외선살균시스템의수로내에일정한와동을지속적으로발생시켜유체가통과하는동안의동일한접촉시간내에자외선조사효율을종래의시스템보다증가시킴으로써하수의살균효과를크게할수있다 5-9). 본연구에서는하수처리를위한수로형자외선살균시스템의성능향상을위하여와동발생기를적용할경우에있어서의와동발생기의형상에따른와동및후류특성을가시화실험과후류유동장의계측실험을통하여규명하고자한다. 아울러와동발생기설치로인한와동방출이자외선램프주위유동장의난류에너지강도에미치는영향을정량적으로규 명함으로써고효율하수처리용자외선살균시스템의국산화및기존시스템의성능향상에기여할뿐만아니라나아가서는국민건강과안전에이바지하고자한다. 2. 실험 2.1. 실험장치본연구에서는전체길이가 6,375mm 이고시험부의크기가 305mm( 폭 ) 305mm( 높이 ) 3,200mm( 길이 ) 인개회로노즐형의흡입식아음속풍동을사용하였다. 공기는 3 상교류전동기 (3.7kW) 로구동되는축류송풍기에의해흡입되고노즐형의수축부와시험구간을거쳐확대부를지나송풍기를통해유출된다. 인버터 (invertor) 를이용하여최대유속인약 30 m/s 까지조절할수있으며, 풍동의개략도는 Fig. 2 와같다. 실험모델은풍동입구에서하류쪽으로약 1,800mm 위치에설치하였고시험구간의재질은투명아크릴판으로하였으며유동이균일하도록입구에 40mesh 의스크린을설치하여시험구간에서의난류강도가약 2% 를유지하도록하였다. 시험구간에서속도분포의균일도는경계층을제외하면 % 정도로양호하게나타났다. 실험에사용된모델들의폭을기준으로한형상비 (aspect ratio) 는 11.8 이고폐쇄비 (blockage ratio) 는 11.8% 이다. Fig. 2. Schematic diagram of the wind tunnel. 한국안전학회지, 제 22 권제 1 호, 2007 년 25

3 김봉환, 안국찬, 김동진 2.2. 실험방법와동발생기의단면형상으로서원형, 타원형, 삼각, 사각형등의형상이있는데유동에의한항력특성과제작상의용이함을고려하여주로원형과삼각형이많이사용되고있다. 따라서본연구에서는선행연구결과를바탕으로와동발생기의실험모델로원주 (circular cylinder) 와삼각주 (trigonal cylinder) 를선정하였다. 실험모델의후류속도측정을위해서정온열선풍속계 (CTA, TSI 사의 IFA300) 와 X 형의열선을사용하였고, 열선교정은교정표 (look-up table) 를이용하였다. 난류성분을분석하기위해서정온열선풍속계에서나오는출력신호를 5kHz 의저역통과필터를거쳐 A/D 변환기를통해컴퓨터로온라인처리하고프로그램으로원격조종이가능하게하여직접컴퓨터로저장하였다. 측정위치는등간격으로하였고열선의이송은 2 차원자동이송장치를사용하여실험을수행하였다. 또한신호분석을위한데이터는 10kHz 의추출주파수 (sampling frequency) 로매측정점당 4,096 개씩의자료를 20 번씩획득하여앙상블평균 (ensemble average) 을취하였다. 그리고단순히평균속도측정을하는시험부앞쪽의자유흐름속도측정에는표준피토정압관 (standard Pitot static tube) 과미세압력계 (micro-manometer Furness 사 FCO12) 를사용하였다. Fig. 3 은이상의데이터취득방법의개략도를나타낸것이다. 여기서자유유동흐름방향을 X 축으로지정하였고여기에수직인방향을 Y 방향으로정하였다. 원점은 Fig. 3 에서와같이모델의끝지점으로하였다. 측정지점은모델의폭을기준으로 X/d = 5.0 지점에서 Y/d = ±3.0 의영역에서 0.2d 씩이송하면서측정하였다. Fig. 4. Schematic diagram of the flow-visualization by the smoke wire method. (a) Circular cylinder holder (b) Trigonal cylinder holder Fig. 5. Geometry of experimental models. 본연구에서는실험에사용된모델에대한와동의생성메커니즘을정성적으로살펴보고자연기유선 (smoke-wire) 기법을이용하여유동가시화실험을수행하였다. Fig. 4 는가시화장치의개략도이다. 먼저연기가잘보이도록하기위하여피사체뒤쪽에검은종이를부착하고풍동내의유속을 1.0m/sec 에고정시킨후상류측에 0.3mm 두께의니크롬선을모델과직각이되도록설치하였다. 다음으로니크롬선에액체파라핀 (liquid paraffin) 을균일하게맺히도록한후전압조절기 (slidax) 를사용하여전압을조절하면서연기를발생시켰다. 연기를할로겐램프 (halogen lamp) 로조명하면서캠코더 (camcorder) 로촬영한후, 영상처리보드를이용하여포착 (capture) 하였다. 본실험에사용된모델은 Fig. 5 와같이아크릴재질의삼각주와원주를사용하였으며제원은 Fig. 5 와같다. 3. 실험결과및분석 Fig. 3. Schematic diagram of the measuring and data processing system 가시화실험결과 Fig. 6 과 7 은원주와삼각주에대한가시화실험결과들이다. 각각에서와유출에의한유선의변화 26 Journal of the KOSOS, Vol. 22, No. 1, 2007

Fig. 6. Flow-visualization results of the circular cylinder holder. Fig. 7. Flow-visualization results of the trigonal cylinder holder. (a) Circular cylinder holder Fig. 8.

이렇게후류폭이크게되면항력이증가하게된다 10,11). 3.2. 유동실험결과 Fig. 9 12 는두모델의유동실험결과를비교한것이다. 자유유동속도는실제상황을고려하여레이놀즈수 (Reynolds number) 기준으로대략 7,000 14,000 을유지할수있는자유유동속도를정하였으며이때의자유유동속도는 3.0m/sec 와 6.0m/sec 이다. 먼저 X/d = 5.

10 과 11 에나타내었는데주흐름방향의난류강도는삼각주의경우가낮게나타났으며수직방향의난류강도는거의비슷하게나타났고두경우에서모두삼각주의난 (b) Trigonal cylinder holder 류강도분포폭이좁은것을알수있다. 이는 Fig.

4 Fig. 6. Flow-visualization results of the circular cylinder holder. Fig. 7. Flow-visualization results of the trigonal cylinder holder. (a) Circular cylinder holder Fig. 8. Comparison of the flow-visualization results. 를정성적으로살펴볼수있으며전체적으로볼때삼각주의경우에서후류의폭및길이가원주보다작게나타났다 10). Fig. 8 은두모델의가시화결과사진을비교한것이며후류의폭을보여주고있다. 정성적인비교이기는하지만삼각주의경우는후류폭이실린더폭과거의같으나, 원주의경우는실린더폭보다후류폭이큰것을알수있다. 이렇게후류폭이크게되면항력이증가하게된다 10,11) 유동실험결과 Fig 는두모델의유동실험결과를비교한것이다. 자유유동속도는실제상황을고려하여레이놀즈수 (Reynolds number) 기준으로대략 7,000 14,000 을유지할수있는자유유동속도를정하였으며이때의자유유동속도는 3.0m/sec 와 6.0m/sec 이다. 먼저 X/d = 5.0 에서측정한평균속도분포를나타낸 Fig. 9 를살펴보면각모델에서자유유동속도 3.0m/sec 와 6.0m/sec 의분포는거의비슷하며삼각주의중심부분에서의속도결손이작고폭도좁은것을알수있다. 이는앞선수치해석 10,11) 에서삼각주의항력이적게나타났는데이를뒷받침해주는결과라고판단된다. 그리고주흐름방향과이에수직한방향에대한난류강도분포를 Fig. 10 과 11 에나타내었는데주흐름방향의난류강도는삼각주의경우가낮게나타났으며수직방향의난류강도는거의비슷하게나타났고두경우에서모두삼각주의난 (b) Trigonal cylinder holder 류강도분포폭이좁은것을알수있다. 이는 Fig. 10 에서확인하였듯이삼각주의후류폭이작기때문에나타난결과이다. Fig. 12 와 13 에는와유출주파수 (vortex shedding frequency) 를측정하기위한파워스펙트럼 (Power spectrum) 분석결과이다. 첨두치를보이는지점은와유출 (vortex shedding) 에의한것이며여기에해당되는주파수가와유출주파수에해당된다. 여기서특이한사항은삼각주의경우, 와유출주파수가원주에비해서높다는것이다. 이를 Table 1 에비교하여나타내었는데삼각주의경우가자유유동속도 3.0m/sec 와 6.0m/sec Fig. 9. Comparison of the streamwise velocity distributions at X/d =5.0(, :Circular cylinder,, :Trigonal cylinder). 한국안전학회지, 제 22 권제 1 호, 2007 년 27

5 김봉환, 안국찬, 김동진 Fig. 10. Distribution of the streamwise turbulent intensity at X/d=5.0(, :Circular cylinder,, :Trigonal cylinder). Fig. 11. Distribution of the lateral turbulent intensity at X/d = 5.0(, :Circular cylinder,, :Trigonal cylinder). (a) U o =3.0m/s Fig. 12. Power spectrum distribution of the circular cylinder holder. (b) U o =6.0m/s (a) U o =3.0m/s Fig. 13. Power spectrum distribution of the trigonal cylinder holder. (b) U o =6.0m/s 에서 17.5%, 23.0% 높게나타남을알수있다. 이러한결과를통해볼때삼각주의난류에너지분포가하류 에서높게나타난이유는 Table 1 에서알수있듯이와유출주파수의증가로인해나타난결과라판단된다. 28 Journal of the KOSOS, Vol. 22, No. 1, 2007

6 Table 1. Comparison of the vortex shedding frequencies Vortex shedding frequency [Hz] Circular cylinder holder Trigonal cylinder holder U o =3.0m/s U o =6.0m/s U o =3.0m/s U o =6.0m/s 결론 (17.5% ) (23.0% ) 수로형자외선살균시스템의성능을향상시키는방안으로서자외선램프주위유동장의난류에너지강도를높이기위한와동발생기설치를고려하였다. 와동발생기설치에따른자외선램프주위후류유동장특성연구를통하여다음과같은결론을얻었다. 1) 후류형태를규명하기위한가시화실험을통하여삼각주인경우가원주인경우보다후류폭이작아서항력측면에서유리함을알수있다. 2) 레이놀즈수가증가할수록난류에너지강도에결정적영향을미치는와유출주파수가증가하는데, 삼각주가원주인경우에비하여레이놀즈수가 14,000 인경우에약 23% 정도증가였다. 3) 와동발생기가설치되지않은기존시스템의유체흐름내난류유동에너지 (turbulent kinetic energy) 에비하여삼각주를설치한경우가표면에대한난류유동에너지가더욱더크게됨으로써, 와동발생기에의해발생하는와유동이삼각익을통과하면서난류유동을보다크게하며유체내에서의자외선조사정도를더욱활발하게한다. 따라서난류에너지강도의증가는하수의자외선살균시스템의효율을증가시키는데효과가있을것이며, 이러한효율증가는홀더의형상변경으로가능하므로경제적인장점을갖게되어본실험결과를실제시스템에적용할수있게될것이다. 참고문헌 1) P. Gelzhauser, UV Plants for Water Disinfection Requirements Test and Construction Characteristics in Berlin, ) E. R. Blatchley, W. L. Wood, P. Schuerch, UV Pilot Testing Intensity Distribution and Hydrodynamics, Journal of Environmental Engineering, Vol. 121, No. 3, pp. 258, ) R. Iranpour, G. Gamas, O. Moghaddam, A. Tabebi, Hydraulic Effects on Ultraviolet Disinfection: Modification of Reactor Design, Water Environmental Research, Vol. 71, No. 1, pp. 114, ) F. J. Loge, R. W. Emerick, D. E. Thompson, D. C. Neldon, J. L. Darby, Factors Influencing Ultraviolet Disinfection Performance Part I : Light Penetration to Waste Water Particles, Water Environmental Research, Vol. 71, No. 3, pp. 377, ) 김봉환, 류병남, 강동구, 배연탈질설비의성능향상을위한가스혼합에관한연구, 한국박용기관학회지, 제 23 권, 204 호, pp. 462~472, ) G. Raman, Supersonic Jet Mixing Enhancement Using Impingement Tones from Obstacles of Various Geometries, AIAA Journal, Vol. 33, No. 3, pp. 454~462, ) J. Wendt, W. R. Hingst, Flow Structure in the Wake of a Wishbone Vortex Generator, AIAA Journal, Vol. 32, No. 11, pp. 2234~2240, ) H. J. Lugt, Vortex Flows in Nature and Technology, pp. 81~83, ) 실용신안등록제 호, 수로형고효율자외선살균장치, ) H. R. Higuchi, W. Anderson, J. Zhang, Three- Dimensional Wake Formations Behind a Family of Regular Polygonal Plates, AIAA Journal, Vol. 34, No. 6, pp. 1138~1145, ) B. Z. Sung, Analysis of the Vortical Flows around a 60 Degree Delta Wing with Vortex Flap, Ph. D Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 한국안전학회지, 제 22 권제 1 호, 2007 년 29

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words