디스크 여과기의 디스크 홈 단면 형상에 따른 수두 손실 특성 분석

Abstract

본 연구에서는 디스크 홈 단면 형상에 따른 디스크 여과기의 수두 손실 변화를 분석하기 위해 대상 여과기별 유량-수두 손실 관계를 실험을 통해 측정하여 홈 수두 손실을 산정하였으며 홈 단면 형상에 따른 수두 손실의 변화를 분석하였다. 해외와 국내에서 많이 이용되는 여과기 중 대표적으로 남경의 2" Alpha Q 디스크 여과기, Arkal의 2" Dual Manual 디스크 여과기, 그리고 한슬테크의 2" SAFE 디스크 여과기를 연구 대상 여과기로 하였다. 직접 측정을 통해 디스크 여과기의 치수 정보를 구성하였고, 보다 정밀한 홈 단면의 치수 측정을 위해 Field-Emission Scanning Electron Microscope (FESEM)으로 디스크 홈 단면을 100 배로 확대 촬영하여, 홈 단면 치수 및 형상을 구하였다. 디스크 여과기의 디스크 너비, 디스크 장수 등은 Arkal 여과기에서 가장 크며, 디스크 내·외경, 두께, 디스크 표면 홈 개수, 홈 각도 등은 Arkal 여과기에서 가장 작았다. 디스크 홈 단면적은 남경 여과기에서 가장 작았으며, 홈 단면 형상은 Arkal 여과기와 한슬테크 여과기에서 삼각형으로 남경 여과기에서 반타원형으로 나타났다. 디스크 여과기의 수두 손실 측정 실험을 통해 디스크 여과기를 통과하기 전후의 압력과 통과하는 유량을 측정하여 유량-수두 손실 관계를 대상 여과기별로 유도하였다. 디스크 홈 하나에서의 Reynolds 수를 디스크 여과기 사용 유량 범위에서 계산하여, 세 가지 여과기 모두에서 낮은 유속을 갖는 층류임을 확인하였다. Reynolds 수의 계산 결과에 따라 디스크 사이에서 홈이 교차되는 지점에서 와류의 영향이 홈의 흐름에 유의미한 영향을 주지 않는다고 가정하였다. 유량-수두 손실 관계를 통해 홈 수두 손실을 산정하여 4 개의 다른 동일 단면 조건 (면적, 높이, 수력직경, 둘레)에 대하여 단면적의 변화율에 따른 재계산을 진행한 후 그 값을 비교 분석하였다. 여과기별 유량-수두 손실은 실험으로 측정한 유량 범위에서 한슬테크 여과기의 수두 손실이 가장 낮았고, 남경 여과기의 수두 손실이 가장 크게 나타났다. 여과기별 수두 손실에는 디스크 홈 단면 크기의 차이가 가장 크게 영향을 미치는 것으로 판단되었다. 홈 단면 형상이 반타원형인 남경 여과기의 디스크에서 4가지 조건 모두에서 삼각형인 Arkal 여과기와 한슬테크 여과기의 디스크보다 더 낮은 경향을 보였다. 4가지 경우를 종합하였을 때, 반타원형 단면의 수두 손실이 삼각형 단면보다 낮아지는 것은 수력직경이 더 크기 때문인 것으로 나타났다. 또, 같은 비율로 홈 단면적과 홈의 둘레가 각각 감소했을 때 홈의 마찰 수두 손실의 변화가 단면 급축소 및 급확대 수두 손실보다 더 크게 나타나는 것으로 판단되었다. 본 연구의 결과는 미래의 점적관개용 디스크 여과기의 설계 수두 손실을 감소시킬 수 있는 디스크 홈 단면으로 반타원형을 제시하였으며 이후 디스크 설계에 있어 수두 손실을 최소화하는 홈 단면을 탐색하는데 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.