Numerical Analysis on the Ventilation System Improvement in Air Shot Blast Room

Air Shot Blast 작업실 내부 환기 시스템 개선에 관한 수치해석

Abstract

The purpose of this study is to design an effective atmospheric environment system through the design of the dust collection in the air shot room being operated in a domestic shipyard. The ventilation system in the current air shot room mostly uses a dust collecting filter to filter internal particles and releases them in the atmosphere. A conventional design was made too much. In order to prevent an error and draw an optimal design, Computational fluid dynamics (CFD) tried to be applied only to air shot room. In the advanced design technique, computer simulation was conducted to secure basic design data. In order to find the basic design of the ventilation system and the flow field in the air shot room at propeller mold workplace of a shipyard, the CFD was conducted. In the case of Model-1 as a conventional workplace, where air flows in the inlet due to the subatmospheric pressure generated by inhalation of an air blower and flows out to the outlet, a discharge flow rate was somewhat low, and there was the holdup zone in the room. In the case of Model-2 as an improved model, the ventilation system was improved in the Push-Pull type, and the holdup of the internal flow field was improved.

1. 서론

본 연구는 국내 조선소에서 운영중인 Air shot room에 대한 집진 설계를 통해 효과적인 대기환경 시스템을 설계하는데 목적이 있다.

현재 운영중인 작업장에서의 환기시스템은 대부분 포집필터를 이용하여 내부의 입자상 물질을 필터링 한 후 대기로 배출하는 시스템을 사용하고 있다. 특히 Shot blasting을 통해 금속표면의 이물질을 제거하는 공정의 경우 입자상 물질이 대기로확산되기 때문에 포집 시스템을 통해 대기환경오염을 방지하고 있다.

일반적으로 환기라 함은 밀폐된 공간에서 유해가스 및 입자상 물질을 외부로 배출하는 것이라 할 수 있다. 따라서 목적에 따라 일반적인 건축물에서 사용되는 환기시설은 신선한 공기를 공급할 목적으로 환기시설이 필요하며, 병원 등의 크린룸 및 무균실 등은 환자 및 연구자를 감염이나 미생물로부터 보호할 목적으로 환기시설이 필요하다. 그러나 본 연구에서 주목하고 하는 환기시설은 산업환기로 생산활동과 더불어 발생하는 유해물질, 오염물질 등 작업환경을 악화시키는 물질을 작업공간으로부터 가능한 빨리 제거하는 시스템에 국한한다.

산업환기는 작업장의 공기 질을 개선할 목적으로 설치되고 있지만 작업환경개선의 근본적인 목적은 유해물질로부터 작업자의 건강을 보호하는 것이 주안점이 두어진다. 그 이유는 산업현장에서 발생되는 유기용제, 특정화학물질, 중금속, 분진, 화재 및 폭발물질 등에 작업자가 노출되지 않도록 하기 위해서 산업현장의 시설이나 물질을 교체하거나 완전 격리시키는 방법을 채택하고 있다.

현재 많은 연구자들에 의해 환기시스템에 대한 설비개선과 시스템이 발전하고 있으며, 작업자의 산업보건과 대기환경오염에 대한 인식이 차츰 증가되고 있다.

현재 플랜트 관련 업계의 경우 메이저 급 회사를 제외한 대다수 마이너 급 플랜트 회사의 경우그 설계 및 접근방법이 현장경험과 과거 유사 설비에 대한 역설계 및 1차원적이고 보간식에 근거하여 설계 및 시공을 수행하고 있다. 이러한 경우기본적인 성능 및 제품에 대한 품질은 만족할 수있을지도 모른다. 그러나 기하학적 형상의 변화에 대한 공학적인 타당성 검사가 결여될 경우 예상치못한 오류를 범할 수 있는 내재적 오류를 안고 있음을 설계자는 인지하고 있어야 된다[1]-[6].

기존 설계방식의 경우 과대 설계를 하게 되고 이로 인한 손실은 굳이 서술할 필요성이 없겠다. 이러한 오류를 미연에 감지하고, 최적설계를 도출하기 위해 현행 시스템 중 Air shot room에 국한하여현 상태를 전산유체역학(CFD)을 도입하고자 한다. 이러한 최신 설계기법으로 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 기초적인 설계자료를 확보하고자 한다.

2. 집진기 설계

본 연구에서 적용되는 Air shot room의 집진설비에 대한 설계조건은 배기가스량을 Room을 기준으로 하여 덕트 유속이 21m/s로, 개구부 유속은 1.5m/s 이상으로 상온상태의 공기온도로, 처리효율 99.75% 이상으로 설정하여 설계조건을 가정하였다.

집진기설비의 사양은 여과집진방식을 채택하였 고, Bag 필터를 적용하고 Air pulse jet 방식으로탈진하는 형식을 채택하였다.

집진기 설치방안으로는 Room 내 작업환경을 개선하기 위해 Fig. 1과 같이 Clean-Air를 공급하는 시스템으로 구성하고, Clean-Air 공급은 1차적으로 Dust Collector에서 Cleaning된 Air의 일부를 Stack을 통하여 외부로 배출시키며, 또 일부는 Return Duct 및 Hood를 통하여 Booth 내부로공급하는 시스템을 구성하였다. 또한 여름철 Return Air 및 실내 밀폐에 따른 Booth내 온도상승으로인한 작업여건 악화방지를 위해 별도의 외부공기를 공급할 수 있는 FD FAN을 구성하였다.

Fig. 1 Clean air supply system for air shot room

Fig. 2는 Air shot room에 대한 배치를 간략하게 나타내고 있다. Room의 사이즈는 Room-A의 경우 9m×11.7m×8m, Room-B의 경우 11m× 11.7m×8m, Room-C의 경우 10m×11.7m×8m 로 환기량이 843m3/min로 설계되었다. Air shot room의 사이즈는 기존 설치되어 있는 작업장의 사이즈와 동일하고, 작업장의 환기개선을 위해 Clean air 공급방식을 식(1)에서 식(3)과 같이 전체 풍량 2,810m3/min으로 선정하였다.

Fig. 2 Schematic diagram of air shot room

\(\left. \begin{array} { l } { \text { Room } - A } \\ { \left. \begin{array} { l }{ Q _ { A } = 9 m \times 11.7 m \times 8 m } \\ { = 842.4 m ^ { 3 } \times 60 time / hr } \\ { = 50,544 m ^ { 3 } / hr = 843 m ^ { 3 } / min } \end{array} \right. } \end{array} \right.\)       (1)

\(\left. \begin{array} { l } { \text { Room } - B } \\ { \left. \begin{array} { l }{ Q _ { A } = 11 m \times 11.7 m \times 8 m } \\ { = 1,029.6 m ^ { 3 } \times 60 time / hr } \\ { = 61,776 m ^ { 3 } / hr = 1,030 m ^ { 3 } / min } \end{array} \right. } \end{array} \right.\)       (2)

\(\left. \begin{array} { l } { \text { Room } - C } \\ { \left. \begin{array} { l }{ Q _ { A } = 10 m \times 11.7 m \times 8 m } \\ { = 936 m ^ { 3 } \times 60 time / hr } \\ { = 56,160 m ^ { 3 } / hr = 936 m ^ { 3 } / min } \end{array} \right. } \end{array} \right.\)       (3)

전체 풍량에 대한 송풍기 사이즈를 고려하여 1405m3/hr의 2대를 설치하고, 송풍기 선정은 아래의 식 (4)와 같이 설계하였다.

\(\left. \begin{array} { l }{ k W = \frac { Q \times \Delta P _ { t } } { 6,120 \times \eta } \times a } \\ { = \frac { 1,405 m ^ { 3 } / min \times 300 mmAq } { 6,120 \times 0.75 } \times 1.2 } \\ { = 110 k W \fallingdotseq 125 k W } \end{array} \right.\)       (4)

여기서 Q는 풍량을 나타내고, ΔPt는 총압력손실(동압손실+덕트 압력손실+여과포 압력손실+기타압력손실)을 나타낸다. η는 송풍기 모터의 효율을 나타내며, α는 여유동력을 나타내고 있다.

3. 유동해석 방법

3.1 지배방정식

본 연구에서는 Air shot room에서 사상 공정시 유해물질의 배출에 대한 유동현상을 기술하는 지배방정식에 대하여 3차원 정상상태의 난류유동으로 가정하였으며, 공기유동에 관한 연속 방정식, 운동량 방정식, 난류운동에너지 방정식 그리고 난류운동량 소산 방정식이 함께 계산되었다. 또한 유동장 내의 밀도변화에 대한 부력항을 사용하기위해 에너지 방정식도 포함되어 있다. 난류모델은

이미 공학적으로 타당성을 검증 받은 표준 \(k - \epsilon\) 모델을 사용하였다. 식(5)부터 (9)는 본 연구에 사용된 지배방정식을 나타내고 있다[7]-[12].

- 연속 방정식

\(\frac { \partial } { \partial x _ { i } } ( \rho u _ { i } ) = 0\)       (5)

- 운동량 방정식

\(\frac { \partial } { \partial x _ { j } } ( \rho u _ { j } u _ { i } ) = \frac { \partial P } { \partial x _ { i } } + \frac { \partial \tau _ { i j } } { \partial x _ { i } } + S _ { u }\)       (6)

- 난류에너지 방정식

\(\left. \begin{array} { l } { \frac { \partial } { \partial x _ { j } } ( \rho u _ { j } k ) } \\ { = \frac { \partial } { \partial x _ { j } } ( \mu + \frac { \mu _ { t } } { \sigma _ { k } } ) \frac { \partial k } { \partial x _ { j } } + \mu _ { t } G - \sigma \epsilon } \end{array} \right.\)       (7)

- 난류에너지 소산방정식

\(\left. \begin{array} { l }{ \frac { \partial } { \partial x _ { j } } ( \rho u _ { j } \epsilon ) = \frac { \partial } { \partial x _ { j } } ( \mu + \frac { \mu _ { t } } { \sigma _ { \epsilon } } ) \frac { \partial \epsilon } { \partial x _ { j } } } \\ { + \frac { \epsilon } { k } ( C _ { 1 } \mu _ { t } G - C _ { 2 } \rho \epsilon ) } \end{array} \right.\)       (8)

- 에너지 방정식

\(\frac { \partial ( \rho u _ { i } T ) } { \partial x _ { j } } = \frac { \partial } { \partial x _ { j } } ( \frac { \mu } { \operatorname { Pr } } + \frac { \mu _ { t } } { \operatorname { Pr } _ { t } } ) \frac { \partial T } { \partial x _ { i } } + S _ { T }\)       (9)

3.2 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 수렴 판정은 잔차 값이 10-3이하에 도달하면 수렴한 것으로 간주하였다.

3.3 유동해석 모델 및 경계조건

Fig. 3은 앞서 전술한 Fig. 2의 Room-A에 대하여 유동해석 모델을 선정하여 현재 Air shot room 공장에 설치되어 있는 국부환기 시스템을 수치해석시 필요없는 부분은 단순화시켜 계산시불필요한 격자의 생성을 억제하고자 하였다.

Fig. 3 Mesh system of air shot room for CFD

Fig. 4는 경계조건을 나타내고 있으며, (a)의 model-1의 경우 집진기에서 흡입되는 구조이며, (b)의 model-2의 경우 Push-Pull 구조의 집진 시스템을 가지고 있다.

Fig. 4 Basic geometry of ventilation system

Model-1의 경우 기존 설비 사양이며, Model-2 의 경우 환기성능을 개선하기 위해 새롭게 설계된 모델이다.

Model-1의 경우 외기구과 배기구에서 1m/s로 토출되는 구조를 가지고 있고, model-2의 경우 외기구과 급기구에서 8m/s, 배기구에서 1.5m/s로 토출되는 구조를 가지고 있다. 따라서 대기와 연결된 통로로 공기가 유입되고, 송풍기로 흡입하여 배기시키는 model-1의 환기성능을 개선하기 위하여 급기과 배기가 동시에 이루어질 수 있 는model-2의 내부 유동 장을 비교하고자 한다.

4. 유동해석 결과 및 고찰

Fig. 5는 각 모델에 대한 유선분포를 나타내고있다. 그림에서 보는 것과 같이 (a)의 model-1의 경우 외기구를 통해 대기공기가 유입되어 토출구로 통해 배기되면서 Room 내부에 정체되는 유동장이 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 Room 중앙부에서 유동장이 계속 순환하면서 정체되는 것을 확인하였다. 이러한 유동장의 경우 Room 내부에서의 환기성능이 저하되는 결과를 초래할 것으로 판단된다. 반면 (b)의 model-2의 경우 급기구를 통해 Clean air가 유입되어 Room 내부를 회전하면서 배기구를 통해 빠져나가는 것을 보아 model-1에 비해 Room 내부에서 정체되는 유동장이 줄어든 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 5 Results of stream line in air shot room

Fig. 6은 각 모델에서 좌측 외기구 중심단면에서의 속도분포를 비교한 것이다. 그림에서 보는 것과 같이 (a)의 model-1의 경우 Room 중심부에서 유동장이 회전하면서 정체되는 구간이 발생하였고, 상부 환기구에서 유입된 공기가 벽면을 타고 바닥으로 다시 토출구 반대방향으로 이동하면서 Room 내부에서 회전하면서 유동장이 갇히는 것을 확인할 수 있었다. 반면 (b)의 model-2의 경우 Room 내부 일정 영역에서 정체되는 유동장이 model-2에비해 많이 해소된 것으로 판단된다.

Fig. 6 Results of velocity vector at the left gallery section

Fig. 7은 각 모델에서 우측 외기구 중심단면에서의 속도분포를 비교한 것이다. 그림에서 보는 것과 같이 (a)의 model-1의 경우 앞서 전술한 Fig. 6과 같이 Room의 유동장 형태는 유사한 경향을 나타내고 있으며, 프로펠러 표면을 따라 유동장이 상부로 향하고 있어 Room 상부쪽에 회전되어 정체되는 구간이 발생하였다. (b)의 model-2 의 경우 유동장이 바닥으로 향한 후 토출구쪽으로 잘 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다. 급기와 배기가 동시에 이루어지는 model-2가 Room 내부에서의 환기성능은 model-1에 비해 양호한 것으로 판단된다.

Fig. 7 Results of velocity vector at the right gallery section

Fig. 8은 각 모델에 설치되어있는 프로펠러의 중심단면에서의 속도분포를 비교한 것이다. 그림에서 보는 것과 같이 속도분포를 나타내는 단면은 사상작업을 수행하는 작업자의 위치이다. (a) model-1의 경우 속도분포가 (b)의 model-2에 비해 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 이는 Room 내부에서 정체되는 유동장이 형성되어 결국 배기구를 통해 토출되는 유량이 낮아 환기성능이 저하되는 원인으로 판단될 수 있다. 따라서 (b) 의 model-2의 경우 속도 빠르게 분포되어 Room 내부의 환기성능이 다소 양호할 것으로 판단된다.

Fig. 8 Results of velocity vector at the propeller center

5. 결론

본 연구는 조선소에서 운영하는 프로펠러 사상작업장의 Air shot room 내부 환기시스템에 대한 기초설계와 Room 내부 유동장을 파악하기 위하여 유동해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

기존 작업장인 Model-1의 경우 송풍기에서 흡입할 때 발생되는 부압에 의해 환기구에서 대기의 공기가 유입되어 토출구로 빠져나가는 구조의 경우 토출 유량이 다소 부족하였고, Room 내부의 정체구간이 존재하였다. 반면 개선된 Model-2의 경우 환기시스템을 Push-Pull 형식으로 개선되어 내부 유동장의 정체현상이 향상된 것을 확인할 수 있었다.

후기

이 논문은 2021년도 부산가톨릭대학교 교내연구비에 의하여 연구되었음.