서 론

세계적으로 다양한 어류 차단기술이 개발되어 있지 만, 국내의 환경에 적합하도록 적용된 사례를 찾기 어렵 다. 또한 서로 다른 생태계의 교란을 방지하고자 어류 성체의 이동을 차단하기 위한 기술적인 문제를 해결하 는 데 목표를 두고 있으며, 수자원의 공급을 목적으로 하는 시설에서는 기존 선행 사업으로는 주요 차단 대상 인 어란 및 치어 등의 비교적 크기가 작은 개체들을 차단 하기에는 기술적인 한계가 있다. 국내 환경 조건에 적합 한 외래어종의 유입 차단과 고유어종의 보호 기술 개발 이 필요한 실정이다.

어란 혹은 치어의 분리를 목적으로 가장 효율적인 방 법으로 원심력을 이용한 사이클론 분리장치가 가장 효 과적이다. 사이클론 집진 및 분리장치는 기체를 매체로 하여 고체 입자 또는 액체방울을 분리하는 기체사이클 론 (gas cyclone)과 액체 또는 서스펜션을 매체로 하여 고체나 액체를 분리하는 하이드로 사이클론 (hydro cyclone)으로 분류되어진다 (Wang, 2000). 또한 사이클 론 집진기 설계에 고려할 입구속도는 시스템 처리용량 을 결정하는 가장 중요한 요소이다. 입구속도가 빨라지 면 처리용량이 늘어나고 처리효율이 개선되지만, 제작 비용과 운영비용이 증가하고 내구성에 문제가 생길 수 있으므로 효율적인 설계안이 제시되어야 한다 (Chine and Concha, 2000).

한편, 가시화 기법은 어류의 유영행동에 대한 정량적 인 유동해석을 통해 어도 설계를 위한 활용방안 (Bae et al., 2011)과 최근에는 유동가시화 기법을 이용하여 어구에 형상 및 힘의 작용 원리 등을 규명하는 연구가 진행되고 있다 (Bae et al., 2006). 수중음향기법을 이용 하여 인공어초에 서식하는 어군의 행동패턴을 연구하는 음향가시화 기법들도 활발하게 연구되고 있으며 (Yoon, 2014), 소형 기체사이클론의 내부 유동가시화 연구를 통 해 배기가스의 유해물질에 대한 집진형성원리를 규명하 고 있다 (Yang et al., 2016).

본 연구에서는 입도에 따른 분리를 하는 분급 사이클 론과 서스펜션을 농축하는 농축사이클론의 원리를 사용 한다. 사이클론의 종류에 따라 다르며, 특히 기체사이클 론과 하이드로사이클론은 각 부분의 치수가 상당히 다 르다. 기존의 하이드로 사이클론방식에서 입구속도의 증가에 따른 안정적인 에어 코어와 형성과 효과적인 어 란 분리챔버 등이 구성된 다단형 하이드로 사이클론 집 진기를 설계하여 유동가시화 실험을 통해 집진 효율을 정량화하였다. 한편, 내구성이 우수하고 외부동력원이 필요 없는 하이드로 사이클론 집진장치를 고유어종 보 호를 위한 외래어종의 어류 차단기술에 적용 가능성을 유동가시화 기법을 통해 정량적으로 평가하였다.

재료 및 방법

사이클론 집진의 원리

사이클론의 본체는 보통 원통 부와 원추 부로 Fig. 1과 같이 구성된다. 작동원리는 사이클론의 유동 특징을 최 대한 이용한 집진원리로 원통 부 상단에서 입자는 유체 와 함께 입구를 통하여 측벽의 유도킷을 통해서 접선 방향으로 일정한 속도로 유입된다. 이 접선 속도에 의해 사이클론의 내부에 선회류가 생기고 입자는 원심력에 의해 측벽으로 이동한다. 입자는 측벽에서 중력과 관성 력에 의해 회전하면서 아래로 하강하며 이 선회류를 외 부 선회류라고 한다.

원추 부는 접선속도를 증가시켜 보다 미세한 입자가 제거되게 하고, 입자가 원추 부의 꼭지점 (underflow nozzle)에서 하단의 퇴적함으로 이동하도록 유도 설계 된다. 내부에서는 유체가 원추부에서 저항의 증가로 반 대 방향의 선회류를 형성하며 상부 돌출 부 (overflow finder)를 통해 배출되며, 이 상향선 회류를 내부 선회류 라 하고 사이클론 내부에서 입자가 받는 원심력의 인자 는 식 (1)과 같다.

여기서, ρ_p는 입자 밀도 (kg/m³), R은 원운동 (선회 류) 반경 (m), V_p는 입자의 접선속도 (m/sec), d_p는 입 자 경(μm)을 나타내며, ρ p d p 3은 입자질량에 좌우되는 항 으로서 입자가 커지면 증가한다.

한편, 큰 입자일수록 쉽게 선회류를 벗어나 몸체 벽에 충돌 집진된다. 그러나 이들 입자는 유체에 의한 항력을 원심력과 반대 방향으로 받기 때문에 항력보다는 원심 력이 큰 입자만이 집진되므로 원심력회전력을 발생시키 는 것이 중요하다. 식 (1)에서 선회류 반경 R이 작아지면 원심력 F가 증가하기 때문에 효율이 높아지려면 몸체 직경이 작아야 하며, 몸체 직경이 작아지면 더욱 미세한 입자가 집진된다.

집진기의 성능을 예측할 수 있는 식은 많으나 예측 정도는 각기 다르며, 처리 입자의 온도나 압력의 변화가 발생할 경우 이를 완전히 반영할 수 있는 것은 기존의 경험식을 토대로 설계할 수 있다 (Leith and Mehta, 1973). 집진기의 성능은 집진기가 집진 효율을 얻는 데 소모한 동력 등을 기초로 해야 한다. 유동의 특성을 최대 한 이용한 원심력 집진기의 성능은 집진기가 분리할 수 있는 최소 입경, 집진 효율 및 압력손실 등이 발생할 수 있다 (kawatra et al., 1996; Griffiths and Boysan, 1996). 입구 덕트 내의 단위 시간당 유입 입자량과 단위 시간당의 포집 입자량에서 식 (2)와 같다.

여기서, η 는 전체효율, S_i는 유입 입자량, S_o는 포집 입자량을 나타낸다. 집진 효율이 50%에 해당하는 분진 의 입경을 의미하는 절단 입경에 관한 식 (3)과 같다.

여기서, [d_p]_cut는 절단 입경 (μm), n_t는 선회류, B 는 입구 유입 속도 (m/sec), V_i는 입구 폭 (m), ρ_p 및 ρ는 입자 및 가스의 밀도 (kg/m³)를 나타낸다.

원심력 집진기의 절단 입경을 예측하기 위해서는 식 (3)에서 선회류 수 n_t , 입구속도 V_i 등 원심력 집진기의 기하학적 치수와 운동조건을 알아야 한다. n_t는 유효 선회류 수로서 원심력 집진기의 몸통과 원추가 길어지 면 많아지나, 보통의 경우는 n_t = 5를 적용하면 적절하 다 (Leith and Mehta, 1973).

또한 Table 1은 원심력 집진기별 절단 입경과 효율을 나타내었다 (Leith and Mehta, 1973). 사이클론 설계를 위한 유동해석과 기존 연구결과의 비교를 통한 경제적 이고 효율적인 방법을 실험적 방법을 통해서 최적의 설 계방안을 유출하기 위해서는 입자의 포집을 위한 집진 효율과 압력 강화라는 2가지 요소를 고려해야 한다. 집 진 효율은 사이클론 집진장치의 운전원인이 되는 입자 제거의 측면에서 매우 중요하다. 압력강하 (차압)는 운 전 시 필요한 동력비 계산에 사용되는 정보이기 때문에 실제 사용될 어란 집진장치의 펌프의 결정에 중요한 요 인이기 때문에 실질적으로 매우 중요하다.Table 2

하이드로 사이클론 집진장치 설계를 위해서는 두 요 소의 사전 예측이 중요하다. 압력강하의 사전 예측은 동력비와 직접적인 관계를 맺고 동력비 예측을 위하여 선행 연구자들이 실험에 의해 정의된 경험적인 이론식 이 실무에 사용되고 있다. Stairmand (1951)와 Swift (1969)의 결과는 집진능력이 우선시하고 도출량이 많을 때를, Lapple (1951)과 Swift (1969)의 결과는 압력이 낮 은 경우 효과적인 설계가 가능하다 (Table 1). 또한 서로 다른 이론식에 대한 압력강하의 계산 값은 상의하게 나 타나며, 기존 사용 중인 외형적 형태를 통해서 적용되고 있다 (Leith and Mehta, 1973).

기존 사이클론 외형의 표준 설계는 Table 1과 같이 용도에 따라 Fig. 2와 같이 설계될 수 있다. 사이클론 집진장치의 압력강하 (차압) 효율은 다음의 식 (4)로 판 별이 가능하다.

여기서, υ_g 는 유입 속도, ρ_G 는 밀도, g는 중력가속도, ρ_L 은 액체의 밀도, ΔH 는 사이클론 장치 입구에서 속도 높이차이다.

하이드로 사이클론 유동가시화 실험 구성

본 연구에서는 사이클론 집진장치의 실제 모델을 모 사하여 유동가시화를 위한 아크릴소재의 모형을 제작하 여 유동가시화를 하였다. 유동가시화 장치 구성은 Fig. 3과 같이 고속카메라 (VH-310M-M264, ViewWorks, USA), 532㎚ Nd-Yag 레이져 (VA-Ⅱ-N-532-Green, Viasho, China), PIV 소프트웨어 (Thinkers EYES, TNTech, Korea), Particle (Silver coated glass spheres, Dantec, Germany), PC (i7, intel, USA), 단일 카메라는 1000 fps (0.001 sec)로 촬영하였으며, 2대의 Nd-Yag Laser를 2 mm 두께의 빔 폭으로 측정대상 (object of observation)의 양쪽에서 그림자 (occlusion)가 생기지 않 게 광원을 주사하였다.

결과 및 고찰

유동가시화 기법을 이용하여 하이드로 사이클론 상층 (Fig. 3(b)의 A) 입구속도 분석 결과를 Fig. 4와 같이 나 타내었다. 입구속도는 최대 0.85 m/s와 최소 0.05 m/s로 상부의 에어 층이 형성되어 속도구배가 강하게 나타났 다. 중심평균 유속 0.68 m/s는 평균 유속 0.37 m/s와 187% 차이가 발생하여 선회류를 형성하기 위한 유동조 건이 발생하였다. 평균 공급유량은 0.46 l/sec이다. 평균 난류강도는 49.7%이다.

상부에는 내부 에어 공간을 가시적으로 확인할 수 있 으며, 유동가시화 기법을 통해서 정량적인 입구속도에 따른 유량을 계산할 수 있다. 상부의 에어 층의 크기 및 속도를 측정하여 입구부의 설계를 위한 인자를 제시 할 수 방법을 제시할 수 있다.

유동가시화 기법을 이용하여 외벽 (Fig. 3(b)의 B) 유 동장 속도분포를 Fig. 5와 같이 나타내었다. 외벽속도는 최대 0.91 m/s와 최소 0.69 m/s로, 입구속도 평균 0.68 m/s를 일정하게 유지하는 유동장이 형성되고 있고 안정 적인 흐름을 보였다. 입구에서 형성된 선회류가 내벽 방향으로 일정하게 유동장이 형성되고 있다. 사이클론 설계에 있어서 입구속도를 내부에서 일정하게 유지하는 것은 유체역학적 설계에서 중요한 기술적 중요성이 있 다. 이러한 결과는 일반적으로 사이클론 설계 시 입구속 도가 점진적으로 감소되는 단점을 토출구의 내부 외벽 과 집진기의 내벽 간격을 줄였기 때문에 유로가 좁아지 면서 내부속도는 증가한 결과로 판단된다.

어란 집진 챔버 (Fig. 3(b)의 C) 내의 유동장 PIV 유동 측정결과를 Fig. 6과 같이 나타내었다. 집진 챔버 내의 속도는 최대 0.082 m/s와 최소 0.040 m/s로 외벽의 선회 류 유속과 큰 차이를 보인다. 집진 챔버 내의 회전유동은 어란의 외부 이탈을 방지한다. 집진 내부의 상승 유동이 나타나고 있다.

하이드로 사이클론 집진장치의 선회류의 특징이 강하 게 나타났으며 외벽의 유동속도가 강하고 일정한 사잇 각을 이루고 회전하였다. 내벽에서부터 일정한 거리의 속도를 계측한 결과, Fig. 4~6과 같이 일정한 패턴을 가 지고 유동하였다. 선회류의 유동이 균일한 것으로 확인 되며 내부의 유동 구조가 단순해지고 하부의 집진 칸막 이 내부에 유동이 역류하지 않았다. 그러나 격막과 토출 구의 내부 입구의 거리가 가까워서 입자의 외부 유출이 나타났다. 하이드로 사이클론의 설계 시 토출구 내부 입구와 격막 사이의 거리를 충분히 유지하는 것이 입자 의 분리효율을 높일 수 있을 것으로 생각된다.

다단형 하이드로 사이클론 집진장치 구성

기본 설계된 하이드로 사이클론 어란 집진장치의 유 동가시화를 실험한 결과, Fig. 4와 같이 입구속도가 길이 방향으로 속도차가 크게 발생하였다. 따라서 상부 에어 층을 줄이기 위해서 상부 선회류 발생부의 높이를 줄이 고 토출부 입구와 격막과의 거리를 충분히 높여 Fig. 7과 같이 재설계하였다.

다단형 하이드로 사이클론 어란 집진 실험

본 실험에서 사용한 날치알은 구형의 침성 부착란으 로서, 난경의 직경은 1.42~1.5 mm이다 (Park and Kim, 1987). 그리고 배스 알도 구형의 침성 부착란으로 난경 의 직경이 0.5~5.0 mm로 평균 1.0 mm이다 (Tanaka, 2007). 배스 알은 작은 유동에도 부유력이 강한 특징을 가지고 있어 외부이탈에 따른 내부 유동설계가 중요하 다. 배스 알과 비중이 비슷한 Fig. 8과 같은 날치 알을 사용하여 어란 집진실험을 6회 반복하여 어란 집진 성능 을 평가하였다.

다단형 하이드로 사이클론장치의 어란 집진 실험 결과

기존 하이드로 사이클론 집진장치를 이용한 어란 집 진 실험은 Fig. 9와 같다. 집진 효율을 증가하기 위해 입구속도를 증가하면 점진적으로 사인 에어 코어가 형 성되어 내부 유동이 불안정해져서 내부의 입자의 토출 유출이 점진적으로 증가하는 것을 확인하였다. 그러나 개선된 다단식 하이드로 사이클론 집진장치의 초기 입 구속도를 0.15 m/s로 설정하여 실험한 결과는 Fig. 10 (A)와 증가된 입구속도를 0.3 m/s로 설정하여 Fig. 10 (B)으로 두 단계 조건으로 나타내었다. 실험 결과, 속도 가 증가함에도 에어 코어가 안정적으로 Fig. 10과 같이 형성되었다. 또한 내부 에어 층은 속도가 증가하면서 크게 나타났지만, 사인 코어는 형성되지 않았으며, 입구 속도의 증가에 따른 집진능력의 향상과 집진 챔버 내의 어란이 외부로 이탈되는 상황이 발생되지 않았다.

그 결과, 다단형 하이드로 사이클론 집진장치의 입구 의 최대속도가 0.3 m/s, 유량이 0.37 ℓ/sec일 때 어란의 집진 효율을 실험한 결과는 Table 3과 같이 나타내었다. 어란의 집진 효율은 평균 97.8%로서, 40 μm 이상의 입 자를 집진하는 고효율의 집진 능력을 확인할 수 있었다.

다단형 하이드로 사이클론 장치의 치어 집진 결과

가시화기법을 이용하여 개선된 다단형 하이드로 사이 클론 집진장치의 치어에 대한 집진 성능을 평가한 결과, 집진 챔버 중심부에 펌프에 의해서 치어가 분해되어 Fig. 11과 같이 집진되었다. 또한 토출부의 이물질을 확 인하기 위하여 네트를 설치하여 확인하였으나, 이물질 이 검출되지 않았다.

치어는 실험대상 어란보다 집진성능이 우수한 것으로 실험 결과 확인되었지만, 실험에 사용된 펌프에서 치어 가 100% 사망하였고, 살아 있는 상태에서 치어의 집진 챔버 내의 이탈률을 확인할 수 없었다. 실제로도 높은 압력과 빠른 유속으로 치어들의 생존률이 희박할 것으 로 예상된다. 현재 개발된 물리 혹은 화학적 및 생물학적 차단 공법은 대상어종별 유영행동 특성에 따라 적용성 이 상이하며, 하천 환경 및 조건에 따라 어류의 움직임 및 서식처 조건이 달라지기 때문에 차단을 목표로 하는 다양한 어종과 환경적인 특성에 맞는 실험을 통하여 검 증이 필요가 있다.

결 론

본 연구는 고유어종 보호시설 제작을 위한 모형을 제 작하고 가시화기법 및 실험을 통하여 성능을 비교하고 어란과 치어를 분리하였다. 기체를 매체로 하는 가스 사이클론 집진장치를 개량하여 추가적인 전력원을 사용 하지 않는 액체를 매체로 하는 다단형 하이드로 사이클 론 장치를 제작하였다.

하이드로사이클론에서만 나타나는 에어코어의 형성 메커니즘과 입구속도의 증가에 따른 사인에어코어가 형 성되는 과정을 정량적으로 측정하였다. 입구속도 변화 에 따른 에어코어의 변화는 집진효율에 직접적인 영향 이 있는 내부 선회류의 방향성과 불규칙성의 원인이 되 었다. 실험에서도 입구속도가 저속일 때 안정적인 에어 코어가 형성되어 어란 집진 챔버 내 어란의 집진효과는 높고 이탈율이 낮았지만, 이전 실험에서 입구속도가 고 속일 때 사인에어코어가 형성되면서 어란 집진 챔버 내 어란의 이탈율은 높게 나타났다. 또한 어란 집진 챔버의 격막과 토출 내부 입구 사이의 거리가 가까워서 어란이 외부로 이탈하는 문제가 있었다. 본 연구를 통해 내구성 이 우수하고 외부동력원이 필요 없는 다단식 하이드로 사이클론 집진장치는 시설비와 운영비가 다른 분리시스 템에 비해 낮으며, 실험 결과를 토대로 실물에 적용될 가능성이 높아 설계적인 측면에서 경제성과 위험부담을 줄일 수 있다.

하이드로 사이클론 모형의 유동가시화 실험 결과를 통해 개선된 다단식 하이드로 사이클론 집진장치 모형 은 선회류 발생부, 토출부 그리고 격막이 있는 어란 집진 챔버로 재구성하여 상부 에어 층을 줄였다. 내부속도를 0.15~0.30 m/s로 증가시키면서 유동가시화를 실험한 결 과, 내부 에어 층이 증가하였지만 사인코어는 형성되지 않았다. 또한 최대 입구속도 0. 3 m/s를 기준으로 어란의 집진 효율 실험 결과, 평균 투입량 29.24 g, 집진량 28.65 g으로 평균 97.8%였다. 40 μm 이상의 입자를 포함한 치어의 경우에도 효율적으로 집진할 수 있는 성능을 가지고 있 었다.