조회 수 : 209
2018.09.19 (15:07:44)

흔히 산업용 교반기(Agitator / 攪拌機) 는 기본 기계 공정 엔지니어링 작업 중 하나 인 유체, 특히 액체를 교반 또는 혼합하는 데 사용되는 장치를 일컷는다.   본질적으로 교반기는 교반기 블레이드를 회전시켜 생성된 수평 및 수직방향의 유체 흐름을 생성하여 액체 또는 액체 - 고체 혼합물의 균질화에 사용된다.  

산업용교반기.jpg 

(그림 1. 대표적인 산업용 교반기 형상)


회전 교반기는 액체의 고속 흐름을 발생시켜 액체의 정체되거나 느린 이동 영역을 동반하여 운동량 전달에 의한 균일 한 혼합을 발생시킨다.  서로 다른 밀도의 물질을 혼합 할 필요가있을 때 밀도가 높은 성분의 침강 경향 때문에 수직 형 교반기를 사용하는 것이 좋다.  가능하다면 교반 과정에서 자주 발생하는 혼합 용기 내에서의 물질의 전체 이동은 원심력에 의한 원치 않는 분리로 인해 이러한 점을 고려하여 설계하여야 한다.


아래와 같이 특수 목적용으로 제작된 교반기도 있다.  이러한 교반기를 설계 및 제작하는 경우 교반기의 수류 분포와 수류 이동궤적 및 임펠러에 걸리는 토크 하중을 파악하는 것은 교반기 설계 시 매우 중요한 요소가 된다.

산업용특수교반기2.jpg

(그림 2. 산업용 특수 교반기)



일반적으로 교반기 선정 및 설계 단계는 아래와 같다.


교반기의 선정 및 설계 조건:


산업용 교반기는 아래 와 같이 몇개의 종류로 나뉘어 지며, 이에 따른 저절한 교반성능이 필요로 한다.

  1. 약품용해조 : 포리마, 가성소다 또는 유산반토 (분말고체)등을 희석하는 조
  2. 중화조 : 포리마, 가성소다, 유산반토 등의 용액을 교반해서 중화시키는 조
  3. 응집조 : 포리마를 주입하여 FLOC의 입자를 응집하기 위한 교반조(고점도용액)
교반에서 사용되는 임펠러의 R.P.M 은 주로 60, 90, 120, 180, 240, 360 등을 사용하는데, 이는 용도에 따라 적절하게 선정되고, 특수한 경우 상기 회전수의 범위를 벗어나서 작동하는 경우도 있다.


용도에 적합한 교반기를 선정하는 것은 많은 경험과 지식을 필요로 하며 교반 목적, 교반액의 물성치(점도비중), 교반조건, 교반시간, 주위환경 등 많은 요소를 점검하여야만 적절한 교반기를 선정할 수 있다.
임펠러 치수, 회전수, 날개 형태, 설치위치 등을 선정한 후 교반기 축의 강도 계산에 의한 축경을 설계 한다.
앞에서 언급한 것과 같이 다음의 사항이 고려되면 이상적인 교반기를 선정하고 설계적용 할 수 있다.

  1. TANK 사양: 형태(원형, 사각, 타원), 크기 및 실용량 재질, 개폐여부, Head & Bottom의 형태, 압력, 온도
  2. 액성: 액명, 비중, 점도, 온도, 용해도, 압력 및 고형물의 크기 및 첨가량
  3. 교반 목적: 전열, 혼합, 용해, 반응, 침전 방지, 현탁, 희석, 가스 흡수, 고체의 결정크기 조정, 세정 등
  4. 교반시간: 1회 교반시간, 1일 교반시간, 단속 또는 연속 유무
  5. 재질: STS304.316, 수지계 Lining Or Coating (TEFLON, PE, PP, FRP, RUBBER), 금속제, LINING(Pb, Ti, STS 등)
  6. 주위환경: 방폭 지역 여부, 교반기 설치 공간의 여부 사용 전입 등

따라서 교반기 설계 및 선정을 위한 방법
가) 필요로 하는 교반조건을 설정하고, 
나) CFD 해석 등을 통해 최적의 교반 임펠러와 작동조건 등을 선정하며,
다) CFD 해석 결과로 부터 교반날개의 외경 및 회전 수 등을 결정하며,
라) CFD 해석결과에서 파악된 유효동력과 설계 안전을 위한 최대 동력을 선정한 후,
마) 교반 용도에 적합한 교반기 본체를 설계를 수행 한다.
   

상기 특수 산업용 교반기의 성능 시뮬레이션을 위해 3D 형상을 완성하고 이에 적정한 격자를 제작하였다.  유동시뮬레이션을 위해 사용된 프로그램은 FloEFD V17.3을 사용하였다.

산업용특수교반기 mesh.jpg

(그림3. 교반기 성능시뮬레이션을 위해 자동제작된 격자)


상기 해석을 위해 사용된 격자는 약 160만개의 격자가 사용되었으며, 모든 격자는 FloEFD의 자동 격자 제작 기능을 이용하여 제작되었다.  각종 물성치를 입력하고 계산된 결과는 아래와 같다.

산업용특수교반기 V-mag.jpg

(그림 4. 산업용 교반기 내 유동흐름 속도 분포)


수면위에서 살펴 본 교반기 내 액체의 회전흐름 분포는 아래와 같다.

산업용특수교반기 HV-mag.jpg

(그림 5. 교반기 액체의 회전속도 분포)



교반기 내 형성되는 회전력의 척도인 와도 (Vorticity) 강도는 아래 그림 6. 과 같이 나타났다.

산업용특수교반기 Vorticity.jpg


(그림 6. 교반기 내 수류의 와도 강도)


아래 동영상은 교반기가 작동하고 있는 상태에 대한 액체의 흐름을 동영상으로 관찰 할 것이다.

속도벡터분표.gif

(그림 7. 교반기 내 유체의 속도분포, 동영상)


TANK의 중심에 임펠러를 설치할 때는 IMPELLER의 회전에 따라 용액이 회전운동을 하므로 와류가 잘 일지 않는다.   이때는 주위에 BAFFLE를 설치하여 와류의 발생을 돕는 것이 좋다.  교반기 설치 시 BASE PLATE에 진동이 발생하면 축이 휠 가능성이 있으므로 기초를 튼튼히 해야 하는것이 중요하다.  

TANK의 중심에서 얼마만큼의 거리를 두어서 편심을 두고 임펠러를 설치할 때에는 용액의 회전운동이 TANK의 중심과 일치하지 않아서 와류가 발생하므로 별다른 장치를 하지 않아도 좋은 효과를 나타 낼 수 있다.  전원을 넣었을시 교반기 SHAFT가 몸체에 표시된 화살표 방향으로 회전하는지  현장 설치자는 반드시 확인하여야 한다. 


위의 교반기 내 3D CFD 해석을 통한 성능시뮬레이션 결과로 부터 임펠러에 가해지는 토크 하중은 아래와 같은 데이터를 확보할 수 있었다.


impeller torque.jpg 

(그림 8. 교반기 작동시 임펠러에 가해지는 토크하중 선도)



과제를 의뢰한 고객사의 정보보안 유지 등으로 인해 상세한 자료를 밝히는 것은 곤란하지만, 위의 내용과 같이 산업용 교반기에 대한 3D CFD 해석을 통한 성능 시뮬레이션을 통해 교반기 설계 최적화를 위한 설계 변수를 추출할 수 있으며, FloEFD V17.3 은 이와 같은 작업을 수행하는데 매우 편리한 상용 CFD S/W 라고 할 수 있다.

FloEFD S/W는 유동해석 전문가 뿐 아니라, 교반기 설계 엔지니어도 쉽게 배워서 현장에 적용할 수 있는 매우 편리한 3D CFD 해석 프로그램 이다.


FloEFD V17.3 에 대한 상세한 자료와 소개는 당사 고객지원실로 문의 바랍니다.

Delta ES 고객지원실: T 070-8255-6001  (young@deltaes.co.kr)


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