Numerical Analysis on the Improvement of Zinc Plating Booth Ventilation System

아연도금 부스 환기시스템 개선에 관한 수치해석

Abstract

The purpose of this study is to suggest the optimal shape for a local air ventilation system for fume removal, which is operated in a zinc galvanizing factory, and to propose the improvement plan for a ventilation system used in a zinc galvanizing factory through flow analysis. A part of the air sprayed by an air curtain goes out. It will be necessary to research the position of an air curtain, its spray angles, and its nozzle shape. In addition, additional research needs to be conducted on the shape of the fan installed before a hood in order to make it easy to induce fume. In a local air ventilation system, air is inhaled from the outside. The higher an inlet negative pressure is, the easier fume is removed. It was found that it was necessary to install an appropriate hole in the wall on the back of a push nozzle in order to reduce an inlet negative pressure.

1. 서론

본 연구는 아연도금 공장의 도금공장에서 운용 중인 흄 제거에 관한 국소환기 설비에 대한 최적 형상을 제시하는데 목적이 있다.

현재 운영중이 아연도금 공정은 도금 모재가 소형 단일제품이 아닌 대형 모재이기 공정 자체를 자동화하기에는 무리가 있어 보였다. 따라서 현재 공정을 살펴보면 크레인을 사용하여 작업자가 직접 아연도금 욕조에 침지시키는 방법을 사용하고 있었다. 크레인 역시 쇠사슬에 의해 모재와 연결되어 있기 때문에 야적장에서 모재를 들어 올려 진행하면서 도금 욕조 위에서 정지하여 아래로 침지하게 된다. 이때 정시 시 모재가 고정되는 것이 아니라 관성력의 작용을 받아 흔들리게 된다. 이때 약간의 안정화되는 시간이 필요하게 된다. 만일 환기시스템이 복잡하거나 재질을 약한 것을 사용한다면 작업자의 실수로 인한 파손도 감수해야 될 것으로 보인다.

본 연구에서 적용하고자 하는 산업환기는 국부환기 시스템이며 Fig. 1과 같이 아연도금 공장 설비의 국부환기를 위한 후드와 푸시노즐이 설치된 시설이다. 총 5개의 흡입후드가 도금조 측면에 나란히 설치되어 있고, 유해물질을 보다 효과적으로 배기시킬 목적으로 상부와 하부에 푸시노즐이 설치되어 있다.

Fig. 1 Damper position at nuclear plant

이 중 상부에 설치된 푸시노즐의 역할은 에어커튼 역할을 한다. 모재를 도금조 내로 침지시킬 경우 도금조에서 비산되는 흄의 경우 수증기와 염화수소가 배출되고, 국지적으로 도금 용융액이 밖으로 비산되는 현상이 발생하였다. 이 경우 어느 방향으로 비산되는지 알 수 없으며, 예상경로는 정해지지 않은 것이 특징이며 현장의 애로사항 중에 하나였다. 일반적인 현상은 저온의 모재가 고온의 아연도금 용융액과 접촉할 경우 모재 표면은 내부의 온도차에 의해 공기가 포화되는 순간온도(노점) 에 도달하여 수증기가 발생한다. 이때 수증기에 접촉시키면 열을 흡수하여 염소와 수소의 혼합기체인 염화수소가 발생하게 된다. 이 염화수소는 자극적인 냄새가 나는 무색기체로 작업자에 쾌쾌한 냄새를 풍기는 원인이기도 한다. 또한 불규칙하게 비산되는 용융액의 경우 모재 근처에서 발생한다. 이는 표면에서 발생되는 수증기는 도금 욕조 밖으로 배출하게 되는데 이때 온도차가 많이 발생하기 때문에 순간적인 포화증기압의 상승으로 인해 도금 용융액이 비산하는 것으로 판단된다. 이러한 경우 모재를 미리 예열시켜 침지할 필요성이 제기되나 현실적으로 많은 비용과 시간이 투입되어야 되기 때문에 불가능할 것으로 판단된다.

따라서 본 연구는 아연도금 공장에서 사용하고 있는 환기 시스템에 대한 개선안을 유동해석을 통해 제시하고자 한다.

2. 유동해석 방법

2.1 지배방정식

본 연구에서는 도금 공정시 유해물질의 배출에 대한 유동현상을 기술하는 지배방정식에 대하여 3 차원 정상상태의 난류유동으로 가정하였으며, 작업장 주위에서의 흄 농도분포를 예측하기 위해 농도방정식을 도입하여 계산을 수행하였다. 농도 방정식에는 도금 작업장 내부의 공기속도로 표현되기 때문에 공기유동에 관한 연속 방정식, 운동량방정식, 난류운동에너지 방정식 그리고 난류운동량 소산 방정식이 함께 계산되었다. 또한 유동 장내의 밀도변화에 대한 부력항을 사용하기 위해 에너지 방정식도 포함되어 있다. 난류모델은 이미 공학적으로 타당성을 검증 받은 표준 k-ɛ모델을사용하였다. 식(1)∼(6)은 본 연구에 사용된 지배방정식을 나타내고 있다. [1]-[6]

-연속 방정식

\(\frac{\partial}{\partial x_{i}}\left(\rho u_{i}\right)=0\)       (1)

-운동량 방정식

\(\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\rho u_{j} u_{i}\right)=\frac{\partial P}{\partial x_{i}}+\frac{\partial \tau_{i j}}{\partial x_{i}}+S_{u}\)       (2)

- 난류에너지 방정식

\(\begin{aligned} &\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\rho u_{j} k\right)=\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\mu+\frac{\mu_{t}}{\sigma_{k}}\right) \frac{\partial k}{\partial x_{j}}+\mu_{t} G-\sigma \epsilon \end{aligned}\)       (3)

- 난류에너지 소산방정식

\(\begin{aligned} \frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\rho u_{j} \epsilon\right)=& \frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\mu+\frac{\mu_{t}}{\sigma_{\epsilon}}\right) \frac{\partial \epsilon}{\partial x_{j}} +\frac{\epsilon}{k}\left(C_{1} \mu_{t} G-C_{2} \rho \epsilon\right) \end{aligned}\)       (4)

- 에너지 방정식

\(\frac{\partial\left(\rho u_{i} T\right)}{\partial x_{j}}=\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\frac{\mu}{\operatorname{Pr}}+\frac{\mu_{t}}{\operatorname{Pr}_{t}}\right) \frac{\partial T}{\partial x_{i}}+S_{T}\)       (5)

- 농도방정식

\(\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\rho u_{j} C\right)=\frac{\partial}{\partial x_{j}}\left(\frac{\mu}{S c}+\frac{\mu_{t}}{S c_{t}}\right) \frac{\partial C}{\partial x_{j}}+R_{c}\)       (6)

2.2 경계조건

도금조에 모재를 침지할 경우 발생하는 흄 (Fume)의 성분은 일반적으로 고온의 도금용 재와 저온의 모재가 접촉하여 발생하는 수증기와 화학반응에 의해 발생되는 염화수소 등이 발생하게 된다. 이 염화수소는 기체성분으로 염소와 수소의 화합물로 무색이고 자극적인 냄새가 있으며, 독성이 강한 것이 특징이다. 이러한 원인 때문에 본 연구에서는 도금욕조에서 염화수소가 비산된다는 가정을 하였고, 후드에서 흡입시켰다. 따라서 도금 욕조에서 비산되는 염화수소의 유속을 3.0m/s로 수직으로 비산시켜 덕트 외부 흡입 팬의 용량을 계산하여 36.1m/s로 빠져나간다고 가정하였다.

2.3 수치해석 기법

수치해석 기법으로는 지배방정식의 대류항 차분은 2차 정확도를 가지는 MARS(monotone advection and reconstruction scheme)기법을 사용하였으며. 또한 압력과 속도의 연결은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였으며, 해석결과를 취득하기 위한 수치해석의 환경은 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴판정은 잔차 값이 10^-3이하에 도달하면 수렴한 것으로 간주하였다. [7]-[10]

2.4 유동해석 모델

현재 아연도금 공장에 설치되어 있는 국부환기시스템을 수치해석시 필요없는 부분은 단순화시켜 계산 시 불필요한 격자의 생성을 억제하고자 하였다. Fig. 2는 본 연구에 사용된 계산모델을 나타내고 있다. 도금욕조의 길이 7500mm, 폭은 1500mm이며, 5개의 흡입후드가 설치되어 있다. 이때 후드 주위에 유동을 가둘 수 있는 차단막은 설치되어 있지 않다. 또한 유해물질을 후드로 몰아넣기 위한 푸시 노즐은 설치되지 않은 상태이다. 이는 최고의 악조건에서 유해물질의 포집능력을 확인하기 위함이다.

Fig. 2 Basic geometry of Ventilation System

Fig. 3 Flow analysis models

Fig. 4 Analysis grid system

3. 유동해석 결과 및 고찰

3.1 Push nozzle이 작동하지 않을 경우

Fig. 5는 비산되는 fume의 비산속도가 3m/s일 경우에 대한 입자 추적한 결과를 나타내고 있다. 본 해석에서 fume의 비산면적을 도금 용융조 전체에서 3m/s로 비산된다고 가정하였기 때문에 실제 도금 공정시 발생되는 비산 양보다 훨씬 많기 때문에 최악의 조건이라 할 수 있다. 후드와 가까운 곳에서 비산되는 fumee 거의 흡입되는 것을 확인할 수 있었고, 중앙 부근에서 비산되는 fume 은 일부 외부로 빠져나가 흡입 용량이 다소 낮은 것으로 판단된다. 또한 후드 상부에 빠져나가는 fume의 유동을 재순환시켜 다시 후드 쪽으로 유도하는 별도의 guide가 없기 때문에 외부로 쉽게 빠져나가는 것을 확인하였다. 또한 후드에가 가장 멀리 떨어져 있는 곳에서 비산되는 fumee 흡입시키는데 한계가 있어 보인다. 이는 비산되는 속도가 3m/s로 비교적 빠른 속도로 비산되고 후드에서 멀어질수록 흡입력이 감소하기 때문인 것으로 판단된다. 이는 fume을 포착할 수 있는 제어속도에 도달하지 못하였기 때문으로 사료된다.

Fig. 5 Results of particle tracking at model-1

3.2 Push nozzle과 Air curtain이 작동할 경우

Fig. 6은 model-2에 대한 비산되는 fume을 입자 추적한 결과이다.

Fig. 6 Results of particle tracking at model-2

fume의 비산속도가 3m/s일 경우 푸시 노즐에 의해 fume이 후드로 흡입되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 비산속도가 비교적 빠르기 때문에 후드 쪽으로 몰아넣어 흡입시키기에는 푸시 노즐의 속도가 낮은 것으로 판단된다. 또한 에어커튼의 경우에도 빠른 속도로 분사되고 있지만 방향을 후드 쪽으로 향하게 하기에는 역부족인 것으로 판단된다. 후드 근처의 fumee 비교적 흡입이 양호하지만 도금욕조 중심부부터 가장자리로 이동할수록 fume을 후드쪽으로 몰아넣기에는 푸시노즐과 에어커튼의 속도가 낮은 것으로 사료된다. 따라서 비산 속도가 빠를 경우 노즐의 설계변경과 함께 용량을 증가시켜 주어야 될 것으로 사료된다.

3.3 Push nozzle과 Air curtain이 작동하고 Fence 가 있는 경우

Fig. 7은 model-3에 대한 비산되는 fume을 입자 추적한 결과이다. model-2에 비해 비산되는 용융 도금액이 후드로 유입되는 것을 방지하기 위해 펜스가 설치된 시스템이다.

Fig. 7 Results of particle tracking at model-3

Fume의 비산속도가 3m/s로 비산할 경우 펜스를 거쳐 후드로 빠져나가지 못하고 압력장이 펜스 앞부분에 걸쳐있어 도금욕조 중앙에서 비산되는 fumee 흡입되지 못하고 대기로 방출되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 압력이 생각보다 크게 걸리게 되어 결국 푸시노즐과 에어커튼에서 분사되는 유동이 비산 fume과 함께 대기로 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다. 이 경우 펜스의 설치 위치나 각도 그리고 형상에 대한 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.

3.4 Push nozzle과 Air curtain이 작동하고 Dome이 있는 경우

Fig. 8은 model-4에 대한 비산되는 fume을 입자 추적한 결과이다. Model-3에 비해 도금 욕조를 보다 밀폐할 수 있도록 돔 형식으로 변경하였고, 상부에는 모재가 이동할 수 있도록 개방되어 있는 모델이다.

Fig. 8 Results of particle tracking at model-4

유동해석 결과 오히려 fume이 후드로 흡입되지 않고 상부로 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다. 이는 Model-3과 마찬가지로 Push nozzle과 Air curtain에서 분사되는 공기량이 부족하였고, 후드에서 흡입될 때 대기중의 공기와 함께 흡입될 경우에 비해 상대적으로 막혀있기 때문에 후드로 흡입될 때 압력차가 작게 발생하였기 때문으로 판단된다.

3.5 Fume 농도 Iso-surface 비교

Fig. 9는 fume의 농도를 iso-surface로 표현한 것이다. fume의 농도를 95 %일 경우에 대한 fume의 분포영역을 확인하였다. 그 결과 Model-1 의 경우 가장 유해한 90 % 이상일 경우 거의 후드로 흡입되는 것을 확인하였다. 또한 흡입 fan으로부터 가장 멀리 떨어진 1번 후드의 경우 가장 잘 흡입되는 것을 알 수 있었다. 이는 다른 후드에 비해 분지관이 없기 때문에 유동이 합류하여 2차 유동의 발생하여 압력상승의 염려가 없기 때문에 흡입이 잘되고 반대로 5번 후드로 갈수록 각각의 분지 관에 합류되는 유동에 의한 저항으로 흡입 능력이 감소할 수 있을 것으로 사료된다.

Fig. 9 Iso-suface of fume concentration

Model-2의 경우 90% 이상의 fume이 대부분 후드 쪽으로 흡입되어 배출되는 것을 확인다. 반면 푸시 노즐과 에어커튼의 뒷부분까지 침투하였음을 확인할 수 있었다. 이는 푸시노즐과 에어커튼 사이의 유동이 재순환하면서 일부 후드의 반대 방향으로 진행된 것으로 판단된다. 또한 농도가 농후할 경우에도 후드 전체에 분포하는 것으로 보아 앞서 설명된 푸시노즐과 에어커튼의 용량이 부족하며, 흡입되는 송풍기의 용량 또한 부족한 것으로 판단된다. 그러나 흡입 송풍기의 용량을 증가시키게 되면, 필터에 받는 압력이 상승하게 되고, 결국 필터의 손상을 초래하기 때문에 푸시 노즐과 에어커튼의 각도와 토출속도를 제어하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.

Model-3과 Model-4의 경우 농도가 높을수록 후드 하부에서 흡입되는 것을 확인할 수 있었지만 여전히 푸시노즐 후방에서 유동이 재순환하므로 기존의 모델에 비해 환기능력이 떨어지는 것으로 사료된다. 이는 푸시노즐 뒤쪽에 설치된 벽 때문인 것으로 판단된다.

덕트에서 흡입되는 압력은 부압으로 형성되며 대기는 상대적으로 압력 높아 자연스럽게 후드로 빨려 들어가지만 벽에 의해 대기압이 후드 쪽으로 밀어주는 것을 방해하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 fume의 비산속도가 3m/s일 경우보다 심각한 현상을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.

4. 결론

본 연구는 형행 설치되어 운전 중인 아연도금공장의 도금 공정시 발생되는 흄 제거에 관하여 전산 유체역학을 도입해 가상현실에서 가상실험인 컴퓨터 시뮬레이션을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

에어커튼에서 분사되는 공기가 일부 외부로 빠져나가는 현상이 발생하여 추후 에어커튼의 위치와 분사 각도 및 노즐형상에 대한 연구가 진행되어야 할 것이다. 또한 후드 앞에 설치된 팬스의 형상을 fume 유도가 용이하도록 추가연구가 필요하다.

국소환기 시스템의 경우 외부에서 흡입되기 때문에 흡기 부압이 발생하면 이러한 흡기 부압이 높을수록 fume 제거가 용이하다. 따라서 푸시 노즐 뒤에 설치된 벽면에 적당한 hole을 설치하여 흡기 부압을 저감시켜주어야 됨을 알 수 있었다.