서 론

최근 2007년도를 기준으로 해양수산 분야에서 발생 되는 이산화탄소 (CO₂)의 비중이 전체 연료소모량의 2.7%, 어선 등의 소형선박은 약 0.6%를 차지하고 있으 므로 전체 에너지 사용량의 약 3.3%를 차지하고 있다. 해양수산업은 다른 산업에 비해서는 높은 편은 아니지 만 (Bong, 2011), 기후협약에 의해서 유럽 등 선진국의 단호한 입장으로 IMO의 규제강화로 인한 대형 선박을 포함한 연근해 어선어업의 배기가스 감축방안이 마련되 어야 한다. 수산부분의 경우, 중간 투입에서 연료유가 차지하는 비중은 6.9%로 168개 산업 가운데 28위, 총 투입에서 차지하는 비중은 3.6%로 26위이다 (MOF, 2012). 유류 사용이 절대적인 운송부분의 특수성을 감안 할 때, 수산부분이 여타 산업들 가운데 연료유 투입 비중 이 가장 높은 산업의 하나라고 할 수 있다. 해운 분야의 배출 온실가스 중 CO₂의 비중이 99%에 해당하며, IMO 의 규제는 주로 CO₂ 규제에 초점을 맞춰져 있지만 배기 가스 (NOx, SOx, PM) 등도 중요한 규제 대상이 되고 있다. 한편, 대기업으로 분류되는 국내 조선업의 산업적 특성 때문에 소형선박의 배기가스 저감 방안에 관한 연 구가 미비하며, 최근 어선용 디젤엔진의 배출가스 저감 필터를 이용하여 NOx, SOx 제거를 위한 연구가 진행되 었다 (Lee et al., 2014).

연근해 어선은 연통의 위치가 낮고 습도가 높아서 PM의 확산이 빠르게 일어나지 않는 에어로졸 (aerosol) 현상의 발생 가능성이 높다. PM의 크기가 0.1~70 ㎛로 다양하고, 그 이상의 크기는 중력의 영향으로 공기 중에 확산되지 않고 선박으로 유입되어 육상보다 그 피해가 심할 것으로 예상되나 역학적 조사된 사례는 없다. 선박 의 디젤엔진에서 배출되는 유해한 배기물질은 크게 입 자상 및 가스상 오염물질로 나눌 수 있으며, 이는 연료의 불완전 연소, 고온 고압에서 혼합물의 반응, 윤활유 및 첨가제의 연소 그리고 연료의 첨가제와 연료 중에 들어 있는 유황 성분의 연소 등에 의해 생성된다. 미세먼지 입자 (PM10)는 직경이 10 ㎛ 이하인 먼지를 뜻하며, 자연적 발생 보다는 인위적인 엔진의 매연 등과 같은 원인이 지배적이라고 알려져 있다 (Hyun and Chang, 2014).

한편, 미세먼지는 발생원 자체에서 제어하기에는 비 용의 증가와 기술적 한계가 있다. 사이클론 집진장치는 제작 및 운용비가 저렴하고 고압, 고온과 같은 악조건에 서도 운전이 가능하며, 선박과 같이 공간적 제약이 있는 환경에서는 효율성을 극대화 할 수 있다 (Wark et al., 1998). 이러한 미세먼지 제어를 위한 집진장치로는 가스 사이클론 집진방법을 통한 중력식 방법이 효과적이므 로, 사이클론 설계를 위한 실험적인 유동 해석과 기존 경험적 이론식과 비교를 통한 경제적이고 효율적인 방 법을 시뮬레이션 기법을 이용하여 최적의 설계방안을 유출하기 위한 노력을 하고 있다. 사이클론 집진장치의 구조는 형태적으로 하나의 입구를 중심으로 흡입되는 분진 등이 외벽을 타고 하부의 집진부에 모여서 출구 쪽으로 이탈을 방지하는 방식이다. 원뿔형 사이클론 집 진장치에 대한 연구들은 여러 연구자들에 의해 다방면 적으로 진행되고 있다 (Kim, 1993).

본 연구에서는 소형 원통형 가스사이클론 집진기에 관한 연구로 하부 칸막이 설치에 따른 내부 유동 특성을 이해하기 위하여 DPIV (Digital Particle Image Velocimetry) 를 이용하여 유동의 변화에 따른 미세먼지의 이동을 2차 원적으로 분석하였다.Table 1

재료 및 방법

본 연구에서 소형 어선을 대상으로 설계된 사이클론 집진장치의 실제 모델을 모사하여 유동가시화를 위한 아크릴소재의 모형을 제작하였다 (Fig. 1).

유동가시화 실험은 고속카메라 (VH-310M-M264, ViewWorks, USA), 532 ㎚의 Nd-Yag 레이저 (VA-Ⅱ -N-532-Green, Viasho, China), PIV 소프트웨어 (Thinkers EYES, TNTech, Korea), 퍼스널컴퓨터, 아크릴 시작품 모델 (150 mm (D)×198 mm (H))을 구성하여 실험하였 다 (Fig. 2).

PIV기법은 유동장의 매질과 동일한 비중의 입자를 투입한 후 이들 입자들의 거동을 디지털 가시화 기술을 이용하여 입자들의 운동을 해석함으로써 유동장을 유체 역학적으로 분석하는 방법이다 (Lee, 1996). 사이클론 유동은 벽면을 기준으로 일정한 거리별로 다양한 형태 의 유동장이 형성된다. 비접촉식 유동계측법인 PIV기법 은 접촉식 센서의 설치가 힘들고 동시다점계측을 통한 유동해석이 필요할 경우 내부 유동해석에 유리하다는 장점을 가지고 있다.

일정한 시간 간격 (Δt)의 두 영상의 입자들의 이동 거리를 이용해 식 (1)과 같이 입자를 추적해 속도를 구하는 방법에서 동일입자 추적알고리즘 (Centroid tracking algorithm)과 함께 중요한 것은 입자의 중심좌 표를 구하는 것이다 (Fig. 3). 여기서 u는 x축의 속도성 분, v는 y축의 속도성분이며, Δt는 두 영상간의 시간 차이다. 고속카메라의 측정 속도는 250 frame/sec로 시 간 간격 (Δt)은 4000 ㎲가 되도록 설정하였다. 카메라 촬영영상에서 픽셀 모두가 0~255 계조 (Grey-level)의 값을 갖는 농담영상 (Threshold image)이므로 이치방 법 (Threshold method) 및 필요한 전 처리 (Image preprocess)를 잡음성분 (Image noise)을 모두 제거하 고 윤곽선추적 (Boundary trace) 등의 처리를 통하여 단일 입자임을 확인한다. 추적 입자 평균 사이즈 14~20 ㎛의 Silver coated hollow glass를 사용하였다. 중심위치를 구하는 방법은 윤곽선의 좌표만을 이용하 였다. 속도벡터를 구할 때의 내부까지 고려하여 식 (2) 와 같은 면적모멘트 공식 (Image area moment method) 을 이용하여 입자중심좌표를 구하면 오차 성분을 감소 시킬 수 있다. 여기서 x ¯ , y ¯ 는 각각의 면적모멘트, xi, yi는 입자를 구성하는 각 픽셀의 좌표이며, Ai는 그 면적이다.

계조치상호상관법

계조치 (Grey-level)를 이용한 상호상관법 (Cross correlation method)은 개개의 입자의 도심좌표 (Centroid position)를 이용하는 PTV (Particle Tracking Velocimetry)와는 달리 입자간의 미소간격을 갖는 연속 된 두 프레임의 영상을 이용하여 이들의 계조치에 대하 여 식 (3)과 같은 상호상관계수를 이용하여 최대 상관 계수 (Cfg : Correlation coefficient)의 위치를 속도벡터 의 종점좌표로 정하는 방법의 원리를 말한다 (Doh, 1998).

단, fi, gi는 상관영역 (Correlation coefficient Dimension) 내의 각 픽셀의 계조치를 나타내며, f i ¯ , g i ¯는 고속카 메라에서 촬영된 영상화상에 대한 시간평균을 의미 한다. 다음으로 계조치 상호상관법 (Cross-Correlation coefficient method)에서는 최대상관계수의 위치를 정수로 표시되는 픽셀값 이하의 정도로 정확하게 구 하여야 한다. 즉 PIV의 다이내믹 레인지를 증가시키 기 위해서는 이와 같은 서브픽셀 해상도문제를 해결 하여야 하며, 이것은 PIV의 계측성능을 크게 좌우한 다. 특히, 벡터의 시점과 종점간의 거리가 2~3픽셀 이하인 경우에는 얻어진 벡터의 정도에 결정적인 영 향을 미친다 (Willert, 1991). 이와 같은 상호상관 PIV를 적용한 연구결과는 지금까지 다수의 연구 성 과가 있으며, 이에 관하여 체계적으로 설명이 되어 있다.

결과 및 고찰

측정영역의 결정

사이클론 유동은 선회류의 3차원 유동이 강하며 내 부 속도가 벽면으로부터 접선 방향으로 빠르기 때문 에 각 구간별 유동속도의 차이가 크다. PIV계산 특성 중 동일 공간의 계측영역에 입자 이동거리가 크게 차 이가 나면 유동계산의 효율성이 떨어지고 검색영역을 다이나믹하게 조정할 수 없기 때문에 5개의 구역을 설정하여 측정하였다 (Fig. 4). 사이클론 내의 유동흐 름 (Fluid flow)을 회전대칭 (Rotational symmetry)으 로 가정한 2차원 수치해석의 해는 적절하지 않아 (Yong, 2008) 입구 쪽을 3개 (A, B, C)의 구역으로 나누고 비대칭 구조를 분석하기 위하여 대칭적 구역 (E)로 해석하였다.Table 2

입구벽면 유동해석

지금까지 연구된 사이클론 유동은 선회류의 특징이 강할수록 외벽의 유동속도가 강하고 일정한 사이각을 이루고 회전한다. 내벽에서부터 20 mm 간격으로 유속 을 계측한 결과, 구역 A는 벽면에서 일정한 유동방향을 가지는 선회류의 특징을 보여주고 있다. 내부 토출구 입구와 벽면 사이의 유동은 구역 B에서 집진 칸막이 방향으로 유동장이 형성된다. 내부 토출구 주위의 유동 이 벽면과 집진 칸막이 사이의 회전 유동장이 구역 C에 서 형성되고 있다. 집진 칸막이 내부는 회전 유동장이 발생하고 구역 D의 360에서 속도구배가 강해 집진 칸막 이 내부의 미세먼지가 효과적으로 차단되었다. 구역 D 의 유동패턴을 통해 집진 칸막이 내의 분진이 배출되지 않는 것을 확인할 수 있다. 구역 C는 비대칭적인 사이클 론 유동의 특성을 보여주고 있다 (Fig. 5).

유체입자 (Fluid element)의 각운동량 (Angular momentum)에 비례하는 그 입자의 회전을 측정하는 것 을 유체입자의 와도 (Vorticity)라 한다. 양의 와도는 반 시계방향으로 회전하는 것을, 음의 와도는 시계방향으 로 회전하는 것을 의미한다. 벡터분석에서 와도는 속도 의 꼬임 (Curl)으로 정의된다 (Fig. 6). 사이클론 외벽과 내부토출구의 와도성분을 구역 C와 같이 표시한 것으로 벽면방향으로 와도의 형성이 강하며 하부 칸막이입구로 구역 흡입력이 강하게 발생하고 있다. 구역 D는 내부유 동은 실린더 후류에서 발생하는 유동 (Kwag, 2012)과 유사성을 가지며, 중심 원형 지지대를 중심으로 내부에 서 회전하는 것을 볼 수 있다. 이것은 내부의 유동이 일정하게 회전하는 것으로 내부의 입자들이 집진되는 것을 알 수 있다.

원통형은 원뿔형보다 하부의 면적이 넓어져서 포집량 은 증가하지만, 배기구 토출면적이 줄어 엔진 부하의 원인이 될 수 있다. 압력강하를 줄이기 위해, 기존의 이 론적 내통입구 면적보다 실험모델의 내통입구 면적을 증가시켰다. 기존 연구에 따르면 흡입구를 넓게 하면 선회류의 내부 거동이 원할 하지 않고 내부의 유동이 충돌하는 현상이 발생한다. 그 결과, 흡입부의 상부 유동 의 충돌은 분진의 확산을 높여 분진 등이 중심부를 통해 외부로 토출되는 확률을 높여 집진능력이 낮아진다. 따 라서 본 실험 결과를 통해서 내부 유동장과 와도의 특성 을 고려할 때 내부 유동속도가 저속에서도 집진효율이 우수할 것으로 판단된다.

결 론

사이클론 집진장치는 운전비용이 저렴하고 집진효율 이 우수하여 산업 전반적으로 다양한 용도로 사용되고 있다. 기존의 원뿔형 구조의 외통직경이 0.1 m 이상의 사이클론 집진장치에 대한 연구가 대부분이었다. 기존 선박의 배기가스의 토출 속도는 2~3 m/s로 사이클론이 최적화되는 속도 7~15 m/s보다 느려서 효과적인 유동 구조가 형성되지 못했다. 이러한 이유로 내부의 잔류 분진 양이 증가하고 배기가스가 사이클론 집진기에서 엔진으로 역류하여 부하가 발생하는 압력강하가 일어날 수 있다. 사이클론 집진기에 진입하지 못하고 외벽에 부착된 분진들은 다시 역류하여 엔진에 무리를 줄 가능 성도 높다. 연통내부의 속도를 높일 수 있는 방안으로 연통벽면과 사이클론 외벽사이의 거리를 줄이고 단면적 이 감소되어 출구 속도를 높일 수 있다. 이와 같은 압력 강하를 줄일 수 있는 설계를 위해 내통직경을 늘리고 내부 속도를 줄여서 발생하는 선회류의 속도 보상과 유 동특성을 본 연구를 통해서 확인할 수 있었다. 또한 어업 인의 노령화와 배기가스 노출로 인한 조업과정에서 발 생하는 피해를 예방하고, 저렴한 제작비용과 지속적으 로 사용이 가능한 기계식 사이클론 집진 시스템을 설계 하고 유동가시화 기법을 이용하여 검증하였다.