다양한 투과율 및 형상변수를 가진 주름진 필터의 압력손실에 관한 실험적 연구

Abstract

최근 미세먼지 및 이상 기후에 의한 대기오염으로 인해 실내 공기정화 시장이 확대되며 환기설비 및 공기청정기에 대한 관심이 증가하고 있다. 공기청정기는 일반적으로 집진효율이 99.95% 이상인 헤파필터를 사용하기 때문에 풍량이 성능을 나타내는 지표인 분진청정화 능력이 된다. 필터의 집진효율이 증가하면 투과율이 감소하여 압력손실이 증가하게 되어 풍량이 감소하게 된다. 이에 따라 헤파필터를 사용할 때는 공기청정기의 적절한 성능을 확보하기 위해서 압력손실의 특성을 정확히 파악해야 할 필요가 있다. 본 연구에서는 다양한 투과율 및 형상변수를 갖는 헤파필터의 유속에 대한 압력손실을 측정하여 상관식을 도출하였다. 세 종류의 투과율(H-13, H-11, H-10)을 갖는 필터를 사용하여 4가지의 주름 깊이(20 mm, 30 mm, 40 mm, 50 mm), 6가지 주름 간격(3 mm, 3.3 mm, 3.6 mm, 3.9 mm, 4.2 mm, 4.5 mm), 전개 유속 0~0.45 m/s 범위에서 실험을 진행하였다. 결과적으로 주름진 필터는 주름 간격이 감소할수록 주름 사이의 유로 통과 면적이 감소함에 따라 점성효과가 증가하여 압력손실이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 주름 깊이가 증가할 때는 형상에 의한 압력손실 비중이 증가하여 점성효과가 상대적으로 커지며 압력손실이 증가하는 것을 확인하였다. 이러한 결과값을 사용하여 도출한 상관식으로 예측한 압력손실과 실험데이터는 약 15% 이내로 일치하였고, 산포의 원인을 고찰하며 압력손실의 경향이 바뀌는 변곡점이 존재하는 것을 확인하였다. 변곡점은 주름진 필터의 압력손실이 다공성 매체를 투과할 때 형성되는 압력손실(Darcy effect)과 주름 형상에 의해 형성되는 압력손실(Viscous effect)이 복합적으로 발생하여 생성된다. 이에 따라 변곡점을 예측하는 새로운 상관식을 도출하여 값에 따라 Darcy dominated region, 변곡점, Viscosity dominated region을 구분하여 압력손실 상관식을 도출하였다. Darcy dominated region과 변곡점 영역은 상관식과 실험 데이터가 약 5% 이내로 일치하고, Viscosity dominated region은 상관식으로 예측한 압력손실과 실험 데이터가 약 15% 이내로 일치하는 결과를 도출하였다.