Metal-cageless 집진 필터의 여과특성

박현설, 박석주, 김상도, 최호경, 임정환, 박영옥

한국에너지기술연구소 집진기술연구센터

Filtration Characteristics of Metal-cageless Fabric Filters

H.S. Park, S.J. Park, S.D. Kim, H.K. Choi, J.H. Lim, Y.O. Park

Particle Technology Research Center, Korea Institute of Energy Research

서  론

Metal-cageless 집진 필터는 동일한 크기의 일반 백필터에 비해 2∼4배 정도의 여과면적을 확보할 수 있기 때문에 동일한 처리유량에 대해서 탈진주기를 2배 이상으로 증가시킬수 있다. 또한 여과속도를 일반 백필터와 같게 할 경우, 적용되는 필터의 수를 줄일 수 있어 집진 장치가 차지하는 공간을 절약할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 이러한 cageless 집진 필터의 많은 장점에도 불구하고 cageless 집진 필터의 집진 특성에 관한 연구는 매우 저조하며, 대부분 필터 제조업체의 경험에 의해 산업체에 적용되고 있다.

Cageless 집진 필터 필터와 같은 절곡형 집진 필터는 절곡 조건에 따라 필터로서의 성능이 좌우된다. 절곡 조건으로는 절곡 깊이, 단위 길이당 절곡수, 절곡 형상 등이 있다. 이러한 절곡 조건에 따른 절곡형 에어 필터(air filter)에 대한 연구로는 자동차용 실내 공기정화용 에어 필터(automotive cabin air filter)와 산업용 가스 터빈 유입공기 정화용 에어 필터(turbine intake air filter) 등에 관한 연구가 있으며, 본 연구에서 다루고자 하는 cageless 집진 필터에 관한 연구는 체계적으로 이루어지지 않고 있다.(1∼2)

따라서 본 연구에서는 cageless 집진 필터의 성능을 분석하기 위하여, 다양한 절곡 조건에 대한 실험을 통하여 cageless 집진 필터의 최적 설계를 위한 기초 자료로 사용하고자 한다.

실험장치 및 방법

본 연구에 사용된 집진 필터의 여재는 국내 K사의 제품으로 폴리에스터 섬유층을 열융착 방법에 의해 제조하여 기계적 강도를 강화한 것이다. 이러한 여재를 일정한 폭(절곡 깊이)으로 절곡한 후, 이를 원통형으로 만들고 양 끝단에 덮개를 씌워 에폭시 수지(epoxy resin) 등을 이용하여 접착시키면, cageless 집진 필터가 완성된다. 본 연구에 사용된 cageless 집진 필터는 바깥 지름이 150 mm이고 필터 길이는 600 mm이며, 절곡 깊이로는 15 mm, 25 mm, 40 mm를 사용하였다. 또한, 각각의 절곡 깊이에 대하여 절곡수를 20, 36, 50, 72, 90로 하여 실험을 수행하였다. 그림 1에 절곡수에 따른 집진 필터의 단면 형상을 나타내었다.

Cageless 집진 필터의 성능 실험을 위한 실험장치는 그림 2와 같이 구성된다. 실험 장치는 먼지공급부, 필터구성부, 탈진장치부, 먼지농도 측정부, 차압측정부, 그리고 자료획득부로 구성되어 있다. 본 연구에서는 각 절곡 조건별로 여과속도에 따른 필터 전후에서의 압력손실 특성과 일정한 유량에서 절곡 조건에 따른 압력손실 변화 특성을 분석하였다. 필터 전후의 압력손실은 차압센서와 U자형 액주계를 동시에 사용하여 측정하였다. 유량조절은 출구 덕트내에 풍속계를 설치하여 유량을 측정하고 이 값을 이용하여 흡입팬의 회전수를 조절하는 방법을 사용하였다.

집진 필터 실험에 있어서 여과속도는 필터 표면에 유입되는 유체의 속도를 의미하며, 유량을 필터의 표면적으로 나눈 값에 해당된다. 여과 속도는 적용 조건에 따라 약간씩 차이를 두고 있으나 일반적으로 1 ∼ 3 m/min 사이의 값을 사용한다. 본 연구에서는 여과 속도를 1, 2, 3, 5 m/min 로 하였으며, 필터의 절곡수가 많은 경우에는 흡입팬의 최대 유량 범위(약 5.5 □/min) 내에서 실험을 수행하였다. 또한, 동일한 유량에서 절곡 조건별 압력 손실 특성을 알아보기 위해 유량을 1, 2, 3, 4, 5 □/min로 하여 각 조건별 압력 손실을 측정하였다.

그림 1. 실험용 Metal-cageless 집진필터의 단면도

그림 . Metal-cageless 집진필터의 성능실험 장치도

결과 및 고찰

여과 속도를 변화시키면서 절곡 조건별 압력 손실 특성을 그림 3에 나타내었다. 동일한 여과 속도, 절곡 깊이에 대해 절곡수에 따라 필터의 압력 손실은 증가함을 보인다. 절곡수가 증가하면 절곡된 필터의 산 간격(pitch)가 좁아져 유체와 필터사이에서 에너지 손실이 증가하기 때문에 압력 손실이 증가하게 된다. 마찬가지의 이유로 절곡수와 여과 속도가 일정할 때, 절곡 깊이에 따라 압력 손실이 증가함을 알 수 있다. 절곡 깊이가 40 mm인 경우, 압력 손실이 다른 두 경우에 비해 월등히 크게 나타나는 이유는 외부 직경이 150 mm인 cageless 집진 필터의 내부 직경이 약 70 mm 정도까지 좁아져 동일한 유량이 통과할 경우 훨씬 큰 마찰 손실이 발생하기 때문이다.

그림 4는 절곡 조건별 유량에 따른 필터의 압력 손실을 보여준다. 유량이 같을 경우, 절곡수가 증가하면 여과 면적이 함께 증가하기 때문에 여과 속도가 감소하여 필터에서의 압력 손실은 줄어든다. 그러나 절곡수가 급격히 증가할 경우에는 절곡면 사이의 간격이 좁아져 압력 손실이 오히려 증가하게 된다. 그림 4에서는 유량이 1, 2, 3 □/min인 경우의 압력 손실 특성을 나타내었다.

그림 3. 여과속도와 절곡조건에 따른 metal-cageless 집진 필터의 압력손실 특성

절곡수가 일정할 때, 절곡 깊이가 증가하면 여과 속도가 줄어들기 때문에 압력 손실이 감소하게 된다. 그러나 그림 4에서 절곡 깊이가 40 mm인 경우에는 오히려 압력 손실이 증가함을 볼 수 있다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 원통형 필터의 내부 통로가 좁아져 이로 인한 압력 손실이 크기 때문이다. 이러한 실험 결과는 평판형 절곡 필터를 사용한 결과와는 다른 경향을 보이며, metal-cageless 집진 필터만의 특성이라 할 수 있다.(1∼3)

그림 4. 유량 및 절곡조건에 따른 metal-cageless 집진 필터의 압력손실 특성

결  론

본 연구에서는 metal-cageless 집진 필터의 성능을 실험적으로 분석하였다. metal-cageless 집진 필터의 절곡 조건별 여과 속도와 처리 유량에 따른 압력 손실 특성을 분석하였다. 절곡수와 절곡 깊이가 증가하면 여과 속도가 감소하고 따라서 필터에서의 압력 손실이 감소하게 되나, metal-cageless 집진 필터의 외경과 절곡 깊이의 비(ratio)가 커질 경우에는 유체가 통과하는 필터 내부 단면적이 감소하여 오히려 압력 손실이 증가하는 경향을 보이게 된다.

본 연구는 metal-cageless 집진 필터의 절곡 조건에 따른 집진 성능 분석을 위한 기초 연구에 해당되며, 향후 실제 먼지 부하 조건에서 압력 손실, 집진 효율 및 탈진 성능 변화에 대한 연구가 진행될 예정이다.

참고문헌

1. Chen, D., D. Y. H. Pui, and B. Y. H. Liu, , Optimization of Pleated Filter     Designs, American Filtration Society Conference, Oct.5-6, Mineapolis/St.       Paul. (1994)

2. Chen, D., D. Y. H. Pui, and B. Y. H. Liu, Optimization of Pleated Filter       Designs Using a Finite-Element Numerical Model, Aerosol Science and        Technology, 23:579∼590 (1995)

3. Yu, H. H. S. and C. H. Goulding, Optimized Ultra High Efficiency Filter      for High-efficiency Industrial Combustion Turbines, ASME Gas Turbine        Congress and Exposition. (1992)