신형 수력학 캐비테이션 반응기의 열 및 소독 성능에 대한 실험적 연구

Abstract

전세계적인 인구 밀도 및 환경오염의 증가로 인하여 식수의 필요성에 대한 문제가 집중 조명 받고 있다.이로 인해 어떻게 담수, 농업, 공업 및 생활 오수 등을 친환경적이고 효과적으로 저렴하게 처리 할 것인지가 핵심적인 문제로 대두되고 있으며, 그 중 공동현상을 이용한 소독은 화학물질이 발생하지 않는다는 점에서 유망한 처리 기술로 여겨져 왔다. 공동현상이란 액체내부에서 국부적인 압력하강으로 인해 단시간에 수많은 기포의 생성, 성장 및 붕괴로 구성된 빠른 상변화 현상을 의미한다.이때 기포들이 붕괴하면서 거대한 에너지를 주변의 액체에 전달하게 되며 이 거대한 에너지는 많은 화학적, 생물학적 또는 다른 분야에 적용할 수 있다. 지난 20년 동안 많은 연구를 통해 수력학적 공동현상이 미생물 소독에 미치는 영향은 확인되었지만, 이 연구들에 사용된 수력학적 공동현상 반응기의 성능은 매우 제한적이며 적은 처리용량을 가지고 있다. 이로 인해 기존 공동현상 반응기는 실제 대규모 산업용 소독 분야에 적용할 수 없었다. 본 연구에서는 새로운 방식을 적용한 진보된 회전식 수력학적 공동현상 반응기를 사용하여 효과적이고 효율적이며 경제적인 물 소독 방법을 제안하였다. 연구 과정은 다음과 같다. 첫째, 고속 카메라와 전산유체역학 기법을 사용하여 반응기의 유동장 및 공동현상 발생의 원리를 분석하였다. 둘째, 네 가지의 회전속도 (2700, 3000, 3300, 3600 rpm), 다섯 가지의 펌프 압력 설정 (0, 0.5, 0.7, 1.0, 1.5 bar) 및 다섯 가지의 입구 물 온도 (15,25, 35, 45 ℃)를 선정하여 총 32 케이스에 대해 열 성능 실험을 진행하였다. 열 성능 실험 결과 반응기는 최대 48.15 MJ/h의 열 발생률과 82.18%의 열효율을 달성하였다. 셋째, 살균 성능 평가를 위해 펌프 압력 0.5 bar 및 3600 rpm의 회전속도에서 세 가지의 유량 (8, 11 및 14 L/min)에 대하여 대장균이 함유된 물에 대해 소독성능을 평가하였으며, 측정된 전기 소비량을 기준으로 소독 과정에 대한 경제성 평가가 수행되었다. 총 처리 시간과 관계없이, 물의 온도가 54 ℃를 달성해야 농도가 감소하는 경향을 나타내었으며 이는 4분 후에 0 CFL/ml로 변화되었다. 반응기는 최적 유량 (11 L/min)에서 4.3 L/min의 처리 속도 및 US $ 3.019/m3의 비용으로 소독율 100%를 달성하였다. 이 결과를 통해 반응기에 의해 생성된 열 효과가 대장균의 농도에 영향을 주는 지배적인 인자로 간주 될 수 있는 것으로 판단된다. 넷째, 펌프 압력 설정 및 회전 속도가 성능에 미치는 영향에 대하여 자세히 분석하였다. 마지막으로 반응기의 소독효과, 처리속도 및 경제성은 기존연구에서 쓰이는 반응기들과 비교되었다. 본 논문에서 나온 반응기는 최근 연구에서 제시된 반응기에 비해 수백 배 빠른 처리속도를 보이며 합리적인 처리 비용을 나타내었다.; With the increasingly serious problems of growing human population densities and environmental pollution, the availability of drinking water has been for a long time an issue of worldwide awareness and concern. Owing to water scarcity, the disinfection of natural waters and recycling of industrial, agricultural, and domestic wastewater in an environmentally friendly, effective and economic way have become critical problems across the world. Cavitation has widely been considered as a new, promising disinfection technology, which does not introduce any new chemicals to water. Cavitation is a rapid phase change phenomenon in liquids, which consists of the formation, growth, and collapse of numerous bubbles in an extremely short time. The collapse of the bubbles releases huge energy into surrounding liquids. The huge energy can be utilized for many chemical, biological, and other applications. Even though the effect of hydrodynamic cavitation on microbial disinfection has been confirmed in many previous studies in the past twenty years, the hydrodynamic cavitation reactors (HCRs) used in these studies have either limited effectiveness or low treatment capability. Thus, they are unsuitable for real large-scale industrial disinfection applications. In the present study, we proposed an effective, efficient, and economical approach to disinfect water using a novel, advanced, rotational HCR. First, analyses of the flow field and cavitation generation mechanism in the HCR were conducted via visualization of the reactor flow field using a high-speed camera and computational fluid dynamics technique. Second, the thermal performance was tested in 32 experiments with various rotational speeds of the rotor (2700, 3000, 3300, and 3600 rpm), inlet water temperatures (15, 25, 35, and 45 °C), and pump pressure settings (0.0, 0.5, 0.7, 1.0, and 1.5 bar gauge pressure). The HCR maximally achieved a heat generation rate of 48.15 MJ/h and thermal efficiency of 82.18%. Then, the disinfection effect was evaluated using water that simulated an effluent containing Escherichia coli (E. coli) for various flow rates (8, 11, and 14 L/min), a pump pressure setting fixed at 0.5 bar, and 3600 rpm of rotational speed. In addition, the economical assessment of the disinfection processes was performed by means of the measured electric consumption. It was found that the thermal effect generated by the HCR could be considered the dominant factor affecting the concentration of E. coli. Independent of how long the treatments were implemented, the concentration always presented a reduction trend after the treatment temperatures exceeded approximately 54 °C, and became 0 CFL/ml in 4 minutes later. The HCR achieved 100% of disinfection rate with a 4.3 L/min treatment rate and a cost of US $ 3.019/m3 at the optimal flow rate (11 L/min). The effects of pressure setting and rotational speed on the performance were discussed in detail. Finally, the disinfection rate, treatment rate, and cost of the HCR were compared with those of several available previous HCR disinfection studies. Compared to the recent studies, the treatment rate of the HCR is several hundred times greater than that obtained by the HCRs utilized in those studies, with a reasonable cost.