Analysis of Flow Characteristics of Triple Filter System by the Influence of Filter Density

필터 조밀도의 영향에 의한 3단 필터 시스템의 유동특성 해석

Abstract

In this study, the flow characteristics of the filter system were analyzed due to the effect of the density of the filter in the triple filter system. Flow analysis was performed as a flow passing through a porous medium. The flow characteristics of each filter system were analyzed by arranging filters with different densities in the forward flow flow and the reverse flow. The arrangement order of the triple filters was excellent in the case of forward fluid flow and in the case of higher density from the inside to the outside filter. In the reverse flow filter system, the performance of the system was the best in the case of reverse order filter arrangement. As a result of the analysis, Case II, which showed a pressure drop rate of 5.65% for forward flow, was the best in the reverse direction with a pressure drop rate of 14.25%. Considering reverse and forward flows, it was found that the optimal filter arrangement was most effective when the intermediate filter was the densest, and the inner or outer filter was less dense.

1. 서론

최근 모든 정수장에 녹조를 정수하는 고도정수처리시설을 설치하였으나 마이크로시스틴 성분이 검출되고 있다. 따라서 고도정수처리시설에서 수돗물을 정수하고 가정으로 공급되는 배관에 여과필터를 설치하여 마이크로시스틴과 같은 독성물질과 함께 수돗물의 불순물을 포집하여 안전한 물을 가정에 공급하는 우수한 성능의 필터 시스템 개발이 필요하다. 기존 매설 배관에 3중 필터와 제어부를 포함하는 밸브 룸(valve room)을 설치하여 관로에서 발생하는 부유성 이물질을 여과하고 여과된 이물질은 일정 기간 후 역류를 통해 세척하는 자동세척 기능을 가지는 필터 시스템의 개발이 진행되고 있다[1].

일반적으로 필터류의 압력 강하량 예측은 주로 경험식이나 실험식에 의존하고 있는 실정이며, 특히 대형 스트레이너는 실험이 어려워 유동해석을 통하여 스트레이너의 압력 강하량을 예측하고 있다[2]. Lee 등[3]은 매설 배관의 충격, 수충격, 그리고 진동으로 인해 일어나는 배관 파손을 감지하기 위한 기술을 개발하였으며 이를 위한 기초 작업으로 유체-구조 연성 진동을 이용한 관의 안정성을 검사하였다. Kim 등[4]은 입자 발생장치를 거친 공기의 포집 효율을 검사하기 위해 등속 흡입의 조건으로 필터 전, 후단에 흡입 파이프를 설치하여 계수농도를 측정하여 단일필터와 이중필터의 포집 효율 차이 및 필터의 간격에 따른 포집효율을 연구하였다. Kim 등[5]은 길이에 따른 여과 속도 분포를 수치적으로 연구하였으며, 다공성 매질 기법을 적용하여 필터의 압력강하 예측에 관한 연구도 지속적으로 발표되어지고 있다[6].

이 연구에서는 원통형 구조의 삼중 필터 시스템에서 각 필터의 조밀도의 영향에 의한 유동 특성과 필터 배치에 따른 필터 시스템의 차압율을 연구하고자 한다. 유동 해석은 입형도를 고려하여 다공성 매체를 통과하는 유동으로 나타내고, 순방향 유동 흐름과 역방향 흐름에 대한 조밀도가 다른 필터를 배치하여 각 필터 시스템의 유동 특성을 분석하고자 한다.

2. 해석모델 및 방법

Fig. 1은 필터 파이프 전체 시스템의 개략도를 보여주고 있으며, 순방향 및 역방향 유동흐름 모두에 대하여 해석을 수행하였다.

Fig. 1 Modeling of pipe filter system

Fig. 2는 3단 필터 시스템의 내부구성을 나타내고 있다. 필터부분은 다공성 매질로 설정하여 해석을 수행하였으며, 각 필터에 적용한 다공성 매질에 대한 입력 저항값은 Ergun 식으로 도출한 Table 1의 저항값을 각각 적용하였다. 해석에 있어 초기조건은 필터입구 속도 2.3m/s를 적용하였으며, 출구단에 0 Pa을 대입하여 순방향 및 역방향 흐름에 대한 필터 시스템의 게이지 압력을 도출하여 3단 필터 시스템의 여과성능을 분석하였다. Fig. 3은 여과장치 내부에 3단 필터인 경우 유한요소 모델의 단면을 나타내고 있으며, 유한요소 모델의 노드와 요소수는 각각 1,787,874와 2,156,430개로 하여 해석을 진행하였다.

Fig. 2 Structure and section of filter system

Table 1. Resistances in CFD analysis for each filter

Fig. 3 FE modeling of triple filter system

3. 해석결과 및 고찰

Fig. 4는 순방향 유동흐름에 대하여 각 필터의 조밀도에 따른 3단 필터 시스템의 중앙평면에서의 내부 압력분포를 나타낸 것이다. 전반적으로 필터 도입부에서 내부 압력이 상승하며, 필터를 지나는 순간 압력이 감소되는 경향을 보인다. Fig. 4(a)는 다공성 매질에 대한 저항값을 Table 1의 Case I과 같이 모두 동일한 값을 적용한 유동해석 결과이며 게이지 압력 기준으로 입구압력은 약 17.83kPa, 절대압력 값으로 변환하면 입구압력은 약 119.16kPa로 계산되며 차압율은 약 14.96%의 압력강하 비를 나타낸다. 필터 시스템 입출구 절대압력에 대한 압력강하에 대하여 다음과 같이 차압율을 계산할 수 있다.

\(\begin{align}P _ { \text { drop } } = \frac { \Delta P } { P _ { \text { in } } } \times 100 ( \% )\end{align}\)       (1)

Fig. 4 Central section pressure for triple filter system (forward flow)

여기서 ∆P는 입구압력에서 출구압력을 뺀 압력이며, P_in은 입력단에서의 압력을 의미한다. Fig. 4(b)는 Case II의 필터 조밀도 조건에 대한 삼중 필터 시스템의 중앙단면 압력분포를 도시하였다. 필터 시스템 입구압력은 118.31kPa을 나타내고 있으며, 차압율은 약 14.35 %로 Case I의 결과와 거의 동일한 값을 가짐을 알 수 있다. Fig. 4(C)는 세 번째 필터의 조밀도가 가장 큰 Case III의 압력분포로 입구압력은 약 119.48kPa로 차압율은 약 15.19%이다. Fig. 4(C)는 중간필터의 조밀도가 가장 높은 Case IV에 대한 압력분포를 나타내며 차압율은 약 14.94%를 보인다. 액체 필터 시스템의 성능 규정[7]에 따르면 허용 차압율을 20%를 기준으로 시스템의 안정성을 판단하기 때문에 모든 모델에 대하여 안정적인 구조라고 판단할 수 있다.

Fig. 5는 역방향 유동흐름인 경우에 각 필터의 조밀도에 따른 3단 필터 시스템의 중앙평면에서의 내부 압력분포를 도시한 것이다. Fig. 5(a)의 Case I에서 필터의 차압율은 약 12.56%이며, Case II와 Case III의 차압율은 각각 12.68%와 12.33%를 보인다. Fig. 5(d)의 Case IV의 필터의 차압율는 약 14.40%이다.

Fig. 5 Central section pressure for triple filter system (reverse flow)

Fig. 6은 순방향 유동흐름에 대하여 각 필터의 조밀도에 따른 3단 필터 시스템의 중앙평면 내부 속도분포를 나타내었다. 낸 것이다. 전반적으로 입출구 속도에 비하여 필터 도입부에서 최대 속도를 나타내고 있다. Fig. 6(c)에서 최대 속도 5.72m/s로 가장 높은 값을 보이고 있으며, Fig. 6(b)의 Case II는 5.65m/s로 가장 낮은 최대속도를 나타내고 있다.

Fig. 6 Central section velocity for triple filter system (forward flow)

Fig. 7은 Case IV인 3단 필터 시스템의 필터구간 중심부 단면의 압력변화를 도시한 것이다. 가로축은 필터 시스템의 길이이며, 세로축은 필터 시스템 내부의 게이지 압력을 나타내고 있다. Fig. 7(a)의 순방향 흐름에서는 필터 부분인 다공성 매질 구간에서의 압력은 입구기준 0.4m에서 0.5m까지는 낮아지는 경향을 나타낸다. 이것은 유체의 필터 진입시에 좁아지는 관로의 영향으로 유량이 집중되어 초기 압력이 높아졌다가 유체가 다시 넓어진 관로로 이동하면서 압력이 낮아지기 때문이라고 판단된다. Fig. 7(b)는 역방향 유동흐름에 대한 필터 시스템의 필터구간 중심부 단면 압력변화를 나타낸 것이다. 필터 도입부인 0.4m 부분을 지나면서 압력은 급격히 상승하며 0.5m 부분을 지나 필터영역 구간인 0.9m 부분까지는 약 13.7 kPa로 거의 일정한 압력을 유지하고 있다.

Fig. 7 Pressure variation of single filter system

Fig. 8은 각 필터의 조밀도 영향에 의한 최대 압력을 나타낸 그래프이며 가로축은 필터 배치가 다른 4개의 경우를 의미하며, 세로축은 최대 압력을 나타내고 있다. 순방향 흐름에서는 Case II가 가장 낮은 최대 압력을 나타내고 있으며, 역방향 흐름에서도 압력강하 비와 동일하게 Case III가 가장 낮은 최대 압력을 나타내며, Case IV의 경우 순방향과 역방향에서 모든 경우에 대하여 두 번째로 낮은 수치를 보인다.

Fig. 8 Maximum pressure of filter system

Fig. 9는 각 필터의 조밀도 영향에 의한 압력강하 비(차압율)를 나타낸 그래프이다. 순방향 유동 흐름에서의 압력강하 비는 조밀도가 외부필터로 갈수록 증가하는 구조인 Case II에서 가장 낮은 차압율을 보인다. 유체가 필터에 진입할 때 촘촘한 관에 의해 유체의 흐름이 방해되어 필터 진입 전에 유체 흐름이 정체되어 압력이 증가하게 되는 것으로 생각된다. 그러나 역방향 유동에서는 이 현상이 반대로 일어나게 되어 Case III에서 가장 낮은 차압율을 나타낸다. 순방향 역방향에서 모두 차압률이 두 번째로 좋은 구조는 Case Ⅳ이다.

Fig. 9 Ratio of pressure drop of filter system

Table 2는 전체 필터 시스템의 최대압력, 속도, 차압율을 나타낸 것이다. 차압율의 경우 순방향 흐름에 대하여 Case II, 역방향의 경우 Case III가 가장 우수하지만 반대 흐름에 대하여 두 경우 모두 가장 높은 차압율을 보이고 있다. 따라서 순방향과 역방향을 모두 고려해야 하는 필터 시스템의 특성상 양방향에서 모두 안정적인 Case Ⅳ가 최적의 모델이라 판단할 수 있다.

Table 2. Summary of analysis results for filter system

4. 결론

이 연구에서는 원통형 구조의 3단 필터 시스템에서 필터의 조밀도의 영향에 의한 필터 시스템의 유동 특성을 해석하였다.

각 필터의 조밀도의 영향을 고려하기 위하여 모두 동일한 조밀도의 필터(case I), 맨 바깥쪽 필터의 조밀도가 가장 높은 Case II, 맨 안쪽 필터의 조밀도가 가장 높은 Case III, 그리고 중간 필터의 조밀도가 가장 높은 Case IV의 4가지 모델에 대하여 유동해석을 수행하였다.

3단 필터의 배치순서는 순방향 유체흐름인 경우에 안쪽에서 바깥쪽 필터로 갈수록 조밀도가 높은 경우에 차압율이 우수하며, 역방향 흐름에 대해서는 역순의 배치가 필터의 성능이 가장 우수하였다. 해석 결과 순방향 흐름에 대하여 5.65%의 차압율을 보인 Case II, 역방향의 경우 차압율 14.25%인 Case III가 가장 우수한 결과를 얻었다. 역방향, 순방향 모든 흐름을 고려하면 최적의 필터 배열은 중간 필터가 가장 조밀하고, 안쪽 혹은 바깥쪽 필터의 조밀도가 낮은 것이 가장 효과적임을 알 수 있었다.