CO2 흡수용 100 Nm3/hr급 Vortex Tube의 에너지분리 특성에 관한 실험적 연구

박성영,김창수,한근희 한국청정기술학회 2010 청정기술 Vol.16 No.3

Vortex tube is the device that can separate small particles from the compressed gas, as well as compressed gas into hot and cold gas. Due to energy and particle separation ability, a vortex tube can be used as the main component of the CO2 absorption device. In this study, experimental approach has been performed to analyze the energy separation characteristics of the vortex tube. To obtain the preliminary design data, energy separation characteristics of the vortex tube has been tested for orifice diameter, nozzle area ratio, and tube length. As a result, the orifice diameter is the major factor of the vortex tube design. The nozzle area ratio and tube length have a minor effect on the energy separation performance. For Dc=0.6D, AR=0.14∼0.16, and L=16D, maximum energy separation has been occurred. The result from this study can be used as the basic design data of the 100 Nm3/hr class vortex tube applied to the CO2 absorption device. Compared with the CO2 absorption process containing an absorption tower, the process with a vortex tube is expected to have a huge advantage of saving the installation space and the operating cost. 볼텍스튜브는 고압의 가스를 이용하여 고온 가스와 저온 가스를 분리하거나 입자상 물질의 분리에 사용할 수 있는 장치이다. 이러한 볼텍스튜브의 에너지분리 특성과 물질분리 특성을 활용하여, 연소가스로부터 CO2를 흡수하는 장치의 핵심부품으로 적용할 수 있다. 본 연구에서는 CO2 흡수용 볼텍스튜브의 기본설계 자료를 구축하기 위하여 에너지분리 성능실험을 수행하였다. 설계를 위한 기초 자료를 확보하기 위하여, 볼텍스 발생기의 오리피스 직경, 노즐면적비 및 튜브의 길이가 에너지분리 특성에 미치는 영향력을 실험을 통하여 분석하였다. 결과적으로 오리피스 직경이 볼텍스튜브의 성능에 지배적인 설계인자임을 확인하였으며, 노즐면적비와 튜브길이의 영향력은 미미하였다. 오리피스 직경이 작고(Dc=0.6D), 노즐면적비가 중간 이상(AR=0.14∼0.16)이며, 튜브 길이가 긴 모델(L=16D)이 저온 출구 측과 고온 출구 측의 열전달에서 가장 우수한 성능을 나타내었다. 본 연구의 결과는 CO2흡수용 100 Nm3/hr급 볼텍스튜브의 기본설계 자료로 활용될 예정이다. 볼텍스튜브를 적용한 CO2흡수 공정을 적용하면 기존의 대형 흡수탑 대비 상당한 공간과 에너지의 절감 효과가 기대된다.

CO₂ 흡수용 100 Nm³/hr급 Vortex Tube의 에너지분리 특성에 관한 실험적 연구

김창수(Chang-Su Kim),한근희(Keunhee Han),박성영(Sung-Young Park) 한국청정기술학회 2010 청정기술 Vol.16 No.3

볼텍스튜브는 고압의 가스를 이용하여 고온 가스와 저온 가스를 분리하거나 입자상 물질의 분리에 사용할 수 있는 장치이다. 이러한 볼텍스튜브의 에너지분리 특성과 물질분리 특성을 활용하여, 연소가스로부터 CO₂를 흡수하는 장치의 핵심부품으로 적용할 수 있다. 본 연구에서는 CO₂ 흡수용 볼텍스튜브의 기본설계 자료를 구축하기 위하여 에너지분리 성능실험을 수행하였다. 설계를 위한 기초 자료를 확보하기 위하여, 볼텍스 발생기의 오리피스 직경, 노즐면적비 및 튜브의 길이가 에너지분리 특성에 미치는 영향력을 실험을 통하여 분석하였다. 결과적으로 오리피스 직경이 볼텍스튜브의 성능에 지배적인 설계인자임을 확인하였으며, 노즐면적비와 튜브길이의 영향력은 미미하였다. 오리피스 직경이 작고(Dc=0.6D), 노즐면적비가 중간 이상(AR=0.14∼0.16)이며, 튜브 길이가 긴 모델(L=16D)이 저온 출구 측과 고온 출구 측의 열전달에서 가장 우수한 성능을 나타내었다. 본 연구의 결과는 CO₂흡수용 100 Nm³/hr급 볼텍스튜브의 기본설계 자료로 활용될 예정이다. 볼텍스튜브를 적용한 CO₂흡수 공정을 적용하면 기존의 대형 흡수탑 대비 상당한 공간과 에너지의 절감 효과가 기대된다. Vortex tube is the device that can separate small particles from the compressed gas, as well as compressed gas into hot and cold gas. Due to energy and particle separation ability, a vortex tube can be used as the main component of the CO₂ absorption device. In this study, experimental approach has been performed to analyze the energy separation characteristics of the vortex tube. To obtain the preliminary design data, energy separation characteristics of the vortex tube has been tested for orifice diameter, nozzle area ratio, and tube length. As a result, the orifice diameter is the major factor of the vortex tube design. The nozzle area ratio and tube length have a minor effect on the energy separation performance. For Dc=0.6D, AR=0.14∼0.16, and L=16D, maximum energy separation has been occurred. The result from this study can be used as the basic design data of the 100 Nm³/hr class vortex tube applied to the COlength. As a result, the orifice diameter is the major factor of the vortex tube design. The nozzle area ratio and absorption device. Compared with the CO₂ absorption process containing an absorption tower, the process with a vortex tube is expected to have a huge advantage of saving the installation space and the operating cost.

볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치의 개발

김성완,이태훈,김 석,양한술,장홍희 경상대학교 농업생명과학연구원 2018 농업생명과학연구 Vol.52 No.3

본 연구는 소와 돼지 식육부산물의 위생처리를 위한 볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치를 개발 하기 위해 수행되었다. 오존가스발생에 있어서 가장 중요한 인자는 원료공기의 온도이며, 위생처리를 위한 오존수 내 오존농도에 크게 영향을 미친다. 이러한 이유 때문에 오존발생기로 유입되는 원료공기의 온도를 낮추기 위해 볼텍스 튜브가 이용되었다. 성능평가의 결과에 의하면, 공기압축기의 배출공기 압력 3~5bar, 볼텍스 튜브의 냉기비율 40~80%와 냉각공기의 압력 0.0~0.4bar가 28.2℃의 주변 공기 온도 하에서 볼텍스 튜브의 냉각공기의 온도에 교호적으로 작용하는 것으로 나타났으며(p<0.05), 최적 조건은 공기압축기의 배출공기 압력 4bar, 볼텍스 튜브의 냉기비율 40%, 냉각공기의 압력 0.3bar이었다. 최적조건과 주변 공기온도 35℃ 하에서 볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치의 성능을 평가한 결과에 의하면, 오존수 내 오존농도가 0.43ppm 이상이었다. 따라서 볼텍스 튜브를 이용한 오존수 제조 장치의 성능이 우수하여 여름철 악조건 하에서도 이용이 가능한 것으로 판단된다. This study is carried out to develop an ozonated water generator using vortex tube to sanitarily process the meat by-products of beef and pork. The most influential factor when generating ozone is the temperature of raw air, which determines the concentration level of ozone in water. This study utilizes vortex tube as a way to control the temperature of the raw air flowing into the generator. The result of performance test shows that the compatible conditions are: 3~5bar of air pressure exhausted from a compressor; 40~80% of cold air from vortex tube; 0.0~0.4bar of cold air pressure; and 28.2℃ of ambient temperature(p<0.05). The optimal condition is 4bar of air pressure exhausted from a compressor; 40% of cold air from vortex tube; and 0.3bar of cold air pressure. The device generates over 0.45ppm of ozonated water under the optimal condition with 35℃ of ambient temperature. In short, the generator with vortex tube has proven for great performance under a very warm summer seasons.

볼텍스 튜브의 에너지 분리 특성에 대한 실험적 연구

이준순(Jun-Sun Lee),한근희(Keun-Hee Han),박성영(Sung-Young Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.5

볼텍스 튜브는 고압의 가스를 이용하여 고온 가스와 저온 가스를 분리하거나 입자상 물질의 분리에 사용 할 수 있는 장치이다. 본 연구에서는 직경 10mm의 볼텍스 튜브의 기본 설계 자료를 구축하기 위하여 에너지 분리 성능 실험을 수행하였다. 설계를 위한 기초 자료를 확보하기 위하여, 공급압력, 볼텍스 발생기의 오리피스 직경 및 튜브의 길이가 에너지 분리 특성에 미치는 영향력을 실험을 통하여 분석하였다. 결과적으로 오리피스 직경과 공급압력이 볼텍스 튜브의 성능의 지배적인 성능인자임을 확인하였다. 튜브길이가 성능에 미치는 영향은 미미하였다. Dc=0.7D, L=16D의 볼텍스 튜브에서 가장 우수한 에너지 분리효과를 얻을 수 있었다. A vortex tube is a device that can separate small particles from a compressed gas or separate a compressed gas into hot and cold flows. We experimentally analyzed the energy-separation characteristics of a vortex tube with a diameter of 10 mm. We measured the energy-separation characteristics of the vortex tube for different inlet air pressures, orifice diameters, and tube lengths. The orifice diameter and inlet pressure are important for the vortex tube design and operation. The tube length has a small effect on the energy-separation performance. Maximum energy separation occurs for a vortex tube with Dc = 0.7 D and L = 16 D.

Vortex Tube를 이용한 입구 고온조건 배기 가스의 수분 분리

김영현(Younghyeon Kim),정진희(Jinhee Jeong),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.7

볼텍스 튜브는 어떠한 화학반응이나 연소 현상 없이 압축된 공기를 고온 공기와 저온 공기로 분리시키는 에너지 분리장치이다. 본 연구에서는 볼텍스 튜브 장치를 이용하여 고온 배기 가스의 이산화탄소와 일산화탄소, 수분을 분리하는 연구가 수행되었다. 본 실험에 앞서 볼텍스 튜브의 비정상상태의 특성을 파악하고 에너지 분리의 정상상태 도달 시간을 파악하였다. 볼텍스 튜브는 압축된 가스를 볼텍스 튜브 입구에 주입하는 것만으로 분리가 일어나기 때문에 입구 압력을 실험적 매개 변수로 설정하고 실험을 진행하였습니다. 입구 압력을 1bar와 2bar 조건으로 GasEq에서 측정한 연료량과 공기량을 공급하여 실험을 진행한 결과 입구 압력 2bar 조건에서 CO₂는 최대 1.9%, CO는 최대 1.1% 분리되는 것을 확인하였으며, 수분은 최대 282ml/h가 분리되는 것을 확인하였다. 또한 저온 유량 비 0.4~0.5 구간에서 물질 분리와 수분 분리가 가장 잘 일어나는 것을 확인하였으며, 압력이 증가할수록 물질 분리와 수분분리율이 증가하는 것도 확인하였습니다. Vortex tubes are energy separators that separate compressed air into hot and cold air without any chemical reaction or combustion. In this study, the separation of carbon dioxide, carbon monoxide, and moisture from high temperature exhaust gas using a vortex tube device was conducted. Prior to this experiment, the characteristics of the abnormal state of the vortex tube were analyzed, and the steady state reaching time of the energy separation was determined. Because the vortex tube was separated only by injecting the compressed gas into the vortex tube inlet, the inlet pressure is set as an experimental parameter and the experiment was carried out. The amount of fuel and the amount of air at the inlet pressure of 1 bar and 2 bar were measured. It was confirmed that the maximum CO₂ concentration was 1.9% and the maximum CO concentration was 1.1% at the inlet pressure of 2 bar. In addition, it was confirmed that the material separation and water separation were most effective at the low temperature flow ratio of 0.4 ~ 0.5, and the material separation and the water separation rates increased as the pressure was increased.

단류형 볼텍스 튜브 설계 및 성능개발

이병훈(Byeong-Hoon Lee),조영호(Young-Ho Jo),김창수(Chang-Su Kim),박성영(Sung-Young Park) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2012 No.11

Vortex tube is the device that can separate small particles from the compressed gas, as well as compressed gas into hot and cold flow. It has two different types. One is a counter-flow vortex tube, and the other is a uni-flow vortex tube. Very few studies have been conducted for the uni-flow vortex tube because of its low energy separation efficiency. However, it has the advantage of being small size, so it is possible to be applied as a compact engine part of the automobile. A new uni-flow vortex tube is designed and manufactured to optimize geometric parameters and to minimize its size. In this study, experimental approach has been performed to analyze the characteristics of the uni-flow vortex tube. Energy separation characteristics of the vortex tube has been tested for various geometric design parameters and operating conditions. For the given conditions, optimum design parameters have been found.

시스템 식별 방법을 이용한 볼텍스 튜브 모델링

한재영(Jaeyoung Han),정지웅(Jiwoong Jeong),유상석(Sangseok Yu),임석연(Seokyeon Im) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.5

본 연구에서는 고온측과 저온측의 온도 예측을 위한 볼텍스 튜브 모델을 개발하였다. 볼텍스 튜브 모델은 시스템 식별 방법을 기반으로 개발하였으며, 개발된 볼텍스 튜브 모델은 ARX(Auto-Regressive with eXtra inputs)모델을 기반으로 하여 설계되었다. 본 연구에서 유도된 다항식 모델은 모델의 정확성을 확인하기 위해 실험데이터와 검증하였다. 또한, 유도된 모델은 안정성 검사 통과를 보여준다. 저온측 스로틀 밸브 각도를 변경하였을 때, 적절히 온도 분리가 이루어지는 것을 확인하였으며, 동적응답을 확인하기 위해 저온측 스로틀 밸브 각도를 변경 시켰을 경우, 볼텍스 튜브 모델의 온도가 적절히 분리 되는 것을 확인할 수 있다. 결론적으로, 개발된 볼텍스 튜브 모델을 저온측 스로틀 밸브 각도에 따라 온도 분리 예측이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. In this study, vortex tube system model is developed to predict the temperature of the hot and the cold sides. The vortex tube model is developed based on the system identification method, and the model utilized in this work to design the vortex tube is ARX type (Auto-Regressive with eXtra inputs). The derived polynomial model is validated against experimental data to verify the overall model accuracy. It is also shown that the derived model passes the stability test. It is confirmed that the derived model closely mimics the physical behavior of the vortex tube from both the static and dynamic numerical experiments by changing the angles of the low-temperature side throttle valve, clearly showing temperature separation. These results imply that the system identification based modeling can be a promising approach for the prediction of complex physical systems, including the vortex tube.

볼텍스 튜브를 적용한 냉방기에 대한 해석적 연구

김선진(Sunjin Kim),신동규(Dong Kyu Shin),공임모(Im Mo Kong),김민수(Min Soo Kim) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.11

Electric fan and air-conditioner have been widely used as a cooling system. However, these systems have some disadvantages such as low cooling capacity or large volume, refrigerant leakage, high installation cost. A simple system composed of compressor and heat exchanger could be a solution of these problems but poor cooling effect of this system might be another problem. In this study, a vortex tube was used to improve the poor cooling effect of the system. Because vortex tube is a simple device which separates compressed air into hot and cold streams without any moving part, it was expected that the cooling effect of the system will be improved by vortex tube. To evaluate the effect of vortex tube, the cooling effect of the system was analyzed by numerical approach with vortex tube. The result shows that the cooling effect is improved remarkably when the vortex tube is applied. Furthermore cooling effect of various cold mass ratio could be applied to establish a strategy of cooling system with vortex tube.

볼텍스 튜브의 에너지 분리 현상에 관한 수치해석 연구

최원철(Won Chul Choi),정명균(Myung Kyoon Chung) 대한기계학회 2008 大韓機械學會論文集B Vol.32 No.2

The “energy separation phenomenon” through a vortex tube has been a long-standing mechanical engineering problem whose operational principle is not yet known. In order to find the operational principle of the vortex tube, CFD analysis of the flow field in the vortex tube has been carried out. It was found that the energy separation mechanism in the vortex tube consists of basically two major thermodynamic-fluid mechanical processes. One is the isentropic expansion process at the inlet nozzle, during which the gas temperature is nearly isentropically cooled. Second process is the viscous dissipation heating due to the high level of turbulence in both flow passages toward cold gas exit as well as the hot gas exit of the vortex tube. Since the amount of such a viscous heating is different between the two passages, the gas temperature at the cold exit is much lower than that at the hot exit.

볼텍스 튜브를 이용한 차량 공조시스템 개발

김창수(C. S. Kim),박성영(S. Y. Park),김형철(H. C. Kim),이영선(Y. S. Lee) 한국소성가공학회 2013 한국소성가공학회 학술대회 논문집 Vol.2013 No.10

Vortex tube is the device that can separate small particles from the compressed gas, as well as compressed gas into hot and cold flow. Energy separation ability of vortex tube has been studied to investigate the possibility of the vortex tube as a substitute for an HVAC system of automobile. Experimental equipment has been made to obtain fundamental design parameters, energy separation characteristics has been analyzed for various supply pressure conditions. As increasing supply pressure, energy separation effect increased. Maximum temperature exists near 0.9 of the cold-out-flow-ratio, and minimum exists near 0.4. Based on the experimental results, the vortex tube for HVAC system of Electric Vehicle was redesigned. Also, detailed design is being processed to meet the air-volume of a commercial HVAC system.