카탈로그에 실린 유량 곡선은 거짓입니다.
항상 악의적인 것은 아니지만, 그들은 생략을 통해 거짓말을 합니다. 공급업체가 제공하는 PDF 문서의 깔끔한 설명은 대개 깨끗한 유체, 안정적인 점도, 표준 온도, 단일 시험용 기체 또는 액체, 새 필터 요소, 특정 기공 등급, 그리고 가동 첫 1시간 이내에 이물질 침전물이 형성되지 않는 것을 전제로 하기 때문입니다. 참 편리하지 않나요?
엔지니어들이 하나의 “정격 유량” 수치만을 바탕으로 하우징의 크기를 결정하는 것을 본 적이 있습니다.
잘못된 선택이네.
소결 필터의 압력 강하는 길이 나 나사산 크기처럼 고정된 특성이 아닙니다. 이는 유체가 다공성 구조를 통해 통과하려고 할 때 필터가 부과하는 가변적인 손실입니다. 유량을 늘리면 압력 강하가 증가합니다. 표면적을 줄이면 압력 강하가 증가합니다. 점도를 높이면 압력 강하가 증가합니다. 기공에 입자가 쌓이면 압력 강하가 다시 증가합니다. 때로는 서서히, 때로는 형편없는 주가 차트처럼 급격하게 증가하기도 합니다.
그리고 여기 끔찍한 진실이 있습니다. 필터 크기 선정 오류의 대부분은 필터 자체의 결함 때문이 아닙니다. 그 원인은 안일한 가정 때문입니다.
미디어 옵션을 비교하고 계신다면, 이 기사를 당사의 내부 가이드와 함께 참고하시기 바랍니다. 소결 금속 필터 카트리지, 소결 플라스틱 필터 카트리지, 맞춤형 소결 필터 설계, 소결 필터 재료 선정, 그리고 침전물 필터 카트리지 규격 선정. 압력 강하는 사소한 문제가 아닙니다. 이는 펌프 부하, 압축기 용량 선정, 카트리지 수, 세척 빈도를 결정할 뿐만 아니라, 때로는 전체 시스템이 공학적 원리에 따라 작동할지 아니면 비과학적인 방식에 따라 작동할지를 좌우하기도 합니다.
다르시부터 시작해 봅시다.
오래된 방정식. 여전히 유용하다.
컬럼비아 대학교의 교재에서는 다르시 법칙을 유량률이 수리 구배와 수리 전도도에 비례한다고 설명하고 있다: 컬럼비아 대학교의 ‘다르시의 법칙’ 설명. USGS는 또한 다르시 법칙을 다공질 매체를 통한 정상태 유동의 기초로 간주한다: USGS 지하수 흐름 설명문.
소결 필터의 경우, 간단히 말해 다음과 같습니다:
표면적과 투과성이 증가하면 유량이 증가합니다.
점도, 유속, 유체 두께, 오염 물질 함량 또는 유로 단면적이 증가하면 압력 강하가 커집니다.
그건 깔끔하게 들리네요. 하지만 그렇지 않아요.
진정한 소결 필터는 곧게 뚫린 구멍들이 가지런히 모여 있는 형태가 아니기 때문입니다. 그것은 구불구불한 기공 네트워크입니다. 분말 입자, 목부 성장, 기공 목, 공극 부피, 입자 크기 분포, 압축, 소결 온도 등이 모두 이 경로를 형성합니다. 유체는 단순히 뚫고 지나가는 것이 아닙니다. 유체는 그 경로를 헤쳐 나가는 것입니다.
가끔은 천천히.
화나서, 자주.
다공성 매체를 통한 유체 흐름에 대한 대략적인 ‘다아시(Darcy)식’ 관계식은 다음과 같습니다:
ΔP ≈ μ × L × v / k
장소:
ΔP = 압력 강하 μ = 동적 점도 L = 여과재 두께 v = 표면 속도 k = 투과도
표면적은 유속과 관련이 있습니다. 동일한 유량을 더 좁은 여과 면적을 통해 강제로 통과시키면 유속이 상승합니다. 그러면 압력 강하도 증가합니다. 필터 성능이 “나빠진” 것이 아닙니다. 설계가 잘못되었을 뿐입니다.
소결 필터의 압력 강하를 줄이고 싶으신가요?
면적 추가.
그 대답은 너무 단순해 보이기 때문에 사람들은 이를 무시하곤 합니다. 사람들은 필터 요소가 실제 유량, 점도, 고형분 부하에 충분히 대응할 수 있는 유효 표면적을 갖추고 있는지 묻기도 전에, 마이크론 등급, 합금, 주름 구조, 분말 등급, 펌프 곡선 등에 대해 논쟁을 벌이기 시작합니다.
하지만 표면적은 눈에 띄지 않는 지렛대 역할을 한다.
동일한 필터 등급을 가진 10인치 카트리지와 20인치 카트리지는 작동 방식이 다릅니다. 주름형 소결 필터 요소는 평면 원통형 필터보다 더 넓은 유효 면적을 제공할 수 있습니다. 여러 개의 카트리지를 병렬로 연결하면 표면 유속이 감소합니다. 직경이 클수록 유속도 감소합니다. 유속이 낮을수록 일반적으로 정화 압력 강하가 작아지고, 오염층이 형성되는 속도도 느려집니다.
보통은요.
여기서 주의할 점은, 카탈로그 페이지에 표기된 “표면적”이 유효 유동 면적이 아닌 기하학적 면적을 의미할 수 있다는 것입니다. 사각지대, 막힌 끝부분, 용접 이음매, 지지 구조물, 그리고 부적절한 하우징 설계로 인해 유효 면적이 줄어들 수 있습니다. 필터 요소의 용량이 넉넉해 보였지만, 유입 유량이 마치 소방 호스처럼 카트리지의 한쪽 면을 강타하는 하우징을 본 적이 있습니다. 국부적인 부하로 인해 필터가 조기에 고장 났습니다.
우아하지 않다.
아주 흔한 일입니다.
다공성 금속 필터의 치수 설계를 담당하는 OEM 엔지니어들에게는, 깨끗한 실험실 곡선을 바탕으로 한 무모한 설계보다는 오염 유량 여유를 고려한 보수적인 면적 계산을 선호합니다.
한 공급업체에 따르면 이 필터는 분당 100L를 처리할 수 있다고 합니다.
알겠습니다. 어떤 유체를 사용하나요?
20°C의 물? 표준 조건의 공기? 질소? 46 cSt의 유압유? 용매? 글리콜? 고온의 폴리머? 미세한 녹 조각이 포함된 증기 응축수?
바로 이 지점에서 카탈로그에 기재된 주장들이 모호해지기 시작합니다.
소결 필터의 유량은 유체 종류, 점도, 밀도, 온도, 압력, 가스의 압축성, 입자 부하량 및 허용 압력 강하에 따라 달라집니다. 가스의 경우, 표준 리터/분과 실제 리터/분은 전혀 다른 개념입니다. 액체의 경우, 점도 변화로 인해 물 테스트에서는 문제가 없어 보였던 설계가 무용지물이 될 수 있습니다.
아주 간단한 예시입니다.
20°C의 물은 약 1 mPa·s의 동점도를 가집니다. 공정용 오일은 물보다 점도가 20배, 50배, 혹은 100배 더 높을 수 있습니다. 물의 데이터를 바탕으로 설계를 하고 동일한 소결 매체를 통해 오일을 흘려보낸다면, 압력 강하가 증가하더라도 놀라지 마십시오.
사람들이 필터를 탓하는 걸 본 적이 있습니다.
수학이 유죄였다.
압력 강하에는 여러 단계가 있습니다.
“청정 상태 압력 강하’는 새 요소나 완전히 세척된 요소를 통과할 때 발생하는 초기 압력 손실을 말합니다. ”오염 상태 압력 강하’는 입자가 표면 케이크와 기공 네트워크에 축적되면서 발생하는 현상입니다. ‘최종 압력 강하’는 시스템이 “더 이상은 안 된다”고 판단하는 지점을 말합니다. 이는 1 bar, 2 bar, 5 psi, 15 psi 등 펌프, 압축기, 하우징, 씰 설계 또는 공정이 견딜 수 있는 수준이면 무엇이든 될 수 있습니다.
모츠(Mott)의 다공성 금속 정제 관련 논문에서는 여과 과정을, 최종 압력 강하에 도달할 때까지 압력 강하가 점차 증가하는 일정한 유량 상태로 설명하고 있다: 석유 정제용 모트(Mott) 다공성 금속 여과 시스템. 이 문장이 중요한 이유는 많은 산업용 시스템이 목표 압력이 아닌 목표 유량으로 작동하기 때문입니다. 시스템은 필터가 막히거나 작업자가 개입할 때까지 더 강한 압력을 가합니다.
냉정한 현실: 허용 가능한 ΔP 범위가 좁다면, 카트리지 수를 늘려야 합니다.
어떤 마법 같은 미디어 해결책도 크기가 부족한 영역을 해결할 수는 없습니다.
또한 높은 붕괴 압력과 낮은 압력 강하를 혼동해서는 안 됩니다. 견고한 소결 스테인리스 카트리지는 높은 차압을 견딜 수 있을지 모르지만, 그렇다고 해서 펌프가 매시간 그 정도의 에너지 비용을 감당하고 싶어 한다는 뜻은 아닙니다.
‘다공성’이라는 단어는 지나치게 자주 쓰입니다.
투과성이 충분히 점검되지 않습니다.
LibreTexts는 다공성을 공극의 부피가 전체 재료 부피에 차지하는 비율로 설명합니다: LibreTexts 2024: 다르시의 법칙과 다공도 설명. 그 정보는 유용하지만, 다공성만으로는 압력 강하에 대한 모든 것을 설명할 수는 없습니다.
두 개의 필터가 모두 40% 다공성을 나타내면서도 서로 다른 특성을 보일 수 있습니다.
왜요?
기공의 직경. 굴곡도. 기공 간 연결성. 분말 형태. 소결 목. 매체 두께. 표면 마감. 압축도. 이물질 부착 양상. 어떤 필터는 크고 잘 연결된 통로를 가질 수 있는 반면, 다른 필터는 유량에 별다른 기여를 하지 않는 많은 공극을 가질 수도 있다.
Spintek의 다공성 금속 가이드에 따르면, 투과성은 단위 면적을 통과하는 주어진 유량에서의 압력 강하를 나타내는 척도이며, 다공도와 투과성의 관계는 분말 입자 크기와 성형 방법에 따라 달라집니다: 다공성 금속 설계 가이드북.
그렇기 때문에 “높은 다공성”이라는 사실만으로는 감명을 받아서는 안 됩니다.
투과성을 요청하십시오.
해당 유량에서 순 ΔP를 요청하십시오.
시험용 액체를 요청하십시오.
재질 두께를 문의해 주세요.
실제 카트리지 형상을 문의해 주십시오.
계산을 통해 어리석은 설계를 피하십시오. 계산을 예언처럼 여기지 마십시오.
미국 원자력규제위원회(NRC)의 다공질 매체 압력강하 관련 문서에는 점성 유동에 대한 다르시 방정식 형태인 Δp = μVL/K가 제시되어 있으며, 다공질 매체에 대한 에르군(Ergun)형 관계식도 언급되어 있다: NRC 다공질 매체 압력 강하 계산. 소결 필터의 경우, 유속이 낮은 상황에서는 다르시 법칙에 따른 거동이 대개 적절한 출발점이 되는 반면, 유속이 높은 상황에서는, 특히 가스의 경우나 입자가 굵은 여과재의 경우 관성 효과가 중요한 요인이 될 수 있다.
실용적인 엔지니어링 과정:
가동 중단 비용이 저렴할 경우에만 9단계를 건너뛰십시오.
보통은 그렇지 않습니다.
액체의 경우, 압력 강하는 점도와 매우 밀접한 상관관계를 보이는 경향이 있습니다. 가스의 경우, 밀도, 압축성, 압력 기준, 그리고 표준 유량과 실제 유량의 차이로 인해 설계가 더 복잡해질 수 있습니다. 오염된 환경에서 운전할 경우, 시운전 이후에는 입자 부하가 모든 요소에 결정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
바로 그 시점에서 카탈로그 곡선은 더 이상 유용하지 않게 되고, 파일럿 데이터가 그 가치를 발휘하기 시작합니다.
OEM 엔지니어들은 콤팩트한 하우징을 선호합니다.
알겠습니다. 공간은 비쌉니다. 스테인리스 하우징도 비쌉니다. 카트리지를 추가하면 비용은 물론 씰, 재고, 조립 시간도 늘어납니다. 하지만 하우징 크기가 너무 작으면 또 다른 비용이 발생합니다. 바로 압력 강하, 에너지 소비, 수명 단축, 유량 불안정, 그리고 화가 난 유지보수 팀입니다.
기술적으로 볼 때, 카트리지 하나만으로도 요구되는 청정 유량 기준을 충족할 수 있을지도 모릅니다.
간신히.
그러면 공정이 시작됩니다. 고형물이 유입되고, 점도가 변하며, 온도가 떨어집니다. 차압이 상승하고, 펌프는 더 거세게 작동합니다. 결국 바이패스 밸브가 문제의 원인으로 지목됩니다. 누군가는 “더 좋은 필터”를 제안하고, 구매 부서는 공급업체를 물색하기 시작합니다.
아니요.
더 넓은 공간이 필요했군요.
제 경험상, 필터 규격 선정에 대한 가장 효과적인 논의는 단순히 명목상 마이크론 등급이 아니라, 목표 청정 상태에서의 ΔP와 오염 물질 포집 전략에서 시작됩니다. 필터가 30일 동안 유량을 유지해야 한다면, 30일 기준에 맞춰 규격을 결정하십시오. 압축기 시동 시 발생하는 펄스를 견뎌야 한다면, 펄스 기준에 맞춰 규격을 결정하십시오. 끈적거리는 미립자가 유입된다면, 마치 깨끗한 물처럼 행동할 것이라고 가정하지 마십시오.
필터가 알고 있다.
| 변수 | 그것이 증가하면 어떻게 될까요? | 소결 필터의 압력 강하에 미치는 영향 | 기술 관련 경고 |
|---|---|---|---|
| 유량 | 동일한 단면을 통과하는 유체의 양이 증가함 | 유속이 높아지면 압력 강하가 증가하며, 종종 급격하게 증가하기도 한다 | ΔP가 없는 정격 유량은 거의 쓸모가 없다 |
| 유체의 점도 | 유체는 움직임에 더 큰 저항을 가한다 | 압력 강하가 급격히 증가한다 | 수질 검사 데이터는 오일 또는 글리콜 시스템에 오해를 불러일으킬 수 있습니다 |
| 필터 표면적 | 같은 흐름이 더 넓은 지역에 퍼진다 | 압력 강하는 대개 감소한다 | 브로셔에 기재된 면적이 아니라 유효 면적을 사용하십시오 |
| 매체 두께 | 유동 경로가 길어진다 | 압력 강하가 증가한다 | 점도가 높은 매체는 강도를 향상시킬 수 있지만 ΔP가 발생한다 |
| 투과성 | 기공 네트워크 덕분에 유동이 더 원활해집니다 | 압력 강하 감소 | 단순히 “높은 투과성”만 요구하지 말고, 시험 조건을 구체적으로 요청하십시오.” |
| 공극률 | 공극 부피가 더 크면 유동성에 도움이 될 수 있다 | 기공의 연결성에 따라 달라집니다 | 다공성이 높다고 해서 ΔP가 낮다는 보장은 없다 |
| 토사 적재 | 케이크와 모공 막힘의 축적 | 시간에 따라 압력 강하가 증가한다 | 단자 ΔP가 수명을 결정합니다 |
| 온도 | 점도와 기체 밀도를 변화시킨다 | ΔP를 높이거나 낮출 수 있습니다 | 최악의 작동 온도에서의 크기 |
| 카트리지 수 | 더 많은 요소들이 이 흐름을 공유합니다 | 요소당 압력 강하 | 병행 처리는 펌프 통증보다 대개 비용이 더 저렴합니다. |
예를 들어, 소결 스테인리스 카트리지 뱅크를 통해 분당 120 L의 유량이 필요하다고 가정해 봅시다.
정수 시험 곡선에 따르면, 한 개의 카트리지가 허용 가능한 ΔP 조건에서 분당 120 L를 처리할 수 있다고 합니다. 좋네요. 하지만 실제 유체는 시동 시 1 cP의 물이 아니라 8 cP입니다. 입자 부하량은 중간 정도입니다. 상류 펌프에 여유 수두가 없기 때문에 최종 압력 강하에는 한계가 있습니다. 또한, 공장 측에서는 유지보수 중단 간격을 4주로 하기를 원합니다.
카트리지 하나만으로는 디자인을 이룰 수 없다.
그건 소망이에요.
더 안전한 방법은 카트리지 3~4개를 병렬로 연결하여 각 요소에서 유속을 낮추고, 깨끗한 ΔP를 줄이며, 케이크 축적을 늦추고, 점도가 상승하거나 입자가 고르지 않게 쌓일 때 시스템에 여유를 주는 것입니다. 네, 하우징 비용은 더 비쌉니다. 하지만 더 작은 하우징은 첫 번째 가동 중단 전까지만 더 저렴했을 뿐입니다.
알아요. 조달팀은 그 문장을 정말 싫어하죠.
운영팀은 이를 즉시 파악합니다.
첫 번째 실수는 명목상 마이크론 등급을 마치 그것이 압력 강하를 예측하는 것처럼 사용하는 것입니다.
그렇지 않습니다.
10 µm 소결 분말 필터와 10 µm 소결 메쉬 필터는 서로 다른 특성을 보일 수 있습니다. 5 µm 다공성 금속 튜브와 5 µm 주름형 소결 섬유 엘리먼트는 표면적과 투과성이 매우 다를 수 있습니다. 공칭 등급은 같지만, 유압적 특성은 다릅니다.
두 번째 실수: 점도를 간과한 것.
셋째: 기체 유동을 마치 표준 유동과 실제 유동이 서로 바꿔 쓸 수 있는 것처럼 취급하는 것.
넷째: 더러움을 잊는 것.
깨끗한 요소 곡선은 출생 증명서일 뿐, 삶의 이야기가 아닙니다. 고형물, 오일 미스트, 녹, 촉매 분진, 폴리머 조각 또는 스케일이 매체에 유입될 때 비로소 진정한 이야기가 시작됩니다.
다섯째: “최대 유량”을 신뢰하는 것.”
누구의 기준에 따른 최대치인가요? ΔP는 얼마인가요? 얼마나 오래 지속되나요? 어떤 유체를 사용하나요? 온도는 얼마인가요? 깨끗한 상태인가요, 아니면 부하가 걸린 상태인가요? 하우징은 수평형인가요, 수직형인가요? 안쪽에서 바깥쪽으로인가요, 바깥쪽에서 안쪽으로인가요? 어떤 지지 튜브를 사용하나요?
그런 질문을 던지면 방 안이 조용해집니다.
좋아요.
소결 필터의 압력 강하는 다공성 매체를 통과하는 유체의 저항에 의해 발생하며, 여기에는 점도, 유속, 매체 두께, 투과성, 기공 구조, 표면적, 그리고 작동 중에 기공 통로를 막거나 케이크 층을 형성하는 오염 물질 축적 등이 포함됩니다.
일반적인 업계 용어로 말하자면, 필터는 유체를 연결된 미세한 통로로 강제로 통과시키기 위해 에너지를 소비합니다. 유량이 많거나, 여과 매체가 두껍거나, 점도가 높거나, 투과성이 낮거나, 여과 면적이 작을수록 비용이 더 많이 듭니다.
소결 필터의 압력 강하는 일반적으로 ΔP가 점도, 매체 두께, 표면 속도 및 투과성에 따라 결정되는 다르시(Darcy)식 다공질 매체 관계식을 통해 추정되며, 이후 실제 공급업체의 시험 데이터, 오염 여유량 및 가스 또는 액체 작동 조건을 반영하여 보정됩니다.
계산을 선별 도구로 활용하십시오. 고가의 장비의 경우, 실제 유체, 실제 온도, 실제 카트리지 형상 및 현실적인 입자 부하를 바탕으로 검증하십시오.
유량은 사용 가능한 기공 네트워크를 통과하는 유속을 증가시켜 소결 필터의 압력 강하에 영향을 미칩니다. 동일한 필터 면적에서 처리하는 유량이 증가하면 저항이 커지며, 목표 유량을 유지하기 위해 시스템에는 더 높은 상류 압력이 필요합니다.
저속에서는 이 관계가 거의 선형에 가깝게 보일 수 있습니다. 고속에서는, 특히 기체나 입자가 큰 매체의 경우, 관성 효과로 인해 곡선이 더 가파르게 나타날 수 있습니다.
표면적은 동일한 유량을 더 넓은 여과 매체에 분산시켜 각 기공 영역을 통과하는 표면 속도를 감소시킴으로써 소결 필터의 압력 강하에 영향을 미치며, 일반적으로 청정 상태에서의 압력 강하를 낮추고, 오염물 축적을 늦추며, 사용 수명을 연장합니다.
그렇기 때문에 기적 같은 여과재 등급을 찾기보다, 더 긴 카트리지, 더 큰 직경, 주름 구조, 또는 병렬로 연결된 여러 개의 카트리지를 사용하는 것이 압력 강하 문제를 더 효과적으로 해결하는 경우가 많습니다.
소결 필터의 투과성은 주어진 압력 강하, 유량, 매체 두께 및 표면적 조건에서 유체가 다공성 구조를 얼마나 쉽게 통과하는지를 나타내는 지표로, 기공 크기, 기공 연결성, 굴곡도 및 제조 공정을 반영합니다.
다공성이 높다고 해서 항상 투과성이 높은 것은 아닙니다. 유체 흐름에 기여하지 않는 빈 공간보다, 서로 연결된 기공 경로가 더 중요합니다.
다공도는 소결 필터 재료 내부의 공극이 차지하는 비율을 의미하는 반면, 투과성은 압력을 받았을 때 유체가 이러한 연결된 기공을 통해 실제로 얼마나 쉽게 흐를 수 있는지를 나타내므로, 압력 강하와 유량 성능을 예측하는 데 있어 투과성이 더 유용합니다.
두 가지 매체는 동일한 기공률을 가질 수 있지만, 기공의 목 부분, 구불구불함, 압축 정도 및 소결 조건이 다르기 때문에 서로 다른 압력 강하를 보일 수 있습니다.
다공성 금속 필터의 규격을 결정할 때는 필터 매체의 등급과 카트리지 수를 선정하기 전에, 필요한 유량, 유체 점도, 작동 온도, 허용 초기 및 최종 압력 강하, 입자 부하량, 마이크론 등급, 카트리지 형상 및 유효 표면적을 정의해야 합니다.
정격 유량만 보고 용량을 결정하지 마십시오. 가동 중단으로 인한 비용이 큰 경우에는 유량 곡선, 보정 계수, 오염 여유량 및 시범 운전을 활용하십시오.
작동 중 필터 표면과 기공 내부에 입자, 젤, 녹, 촉매 미세 입자, 스케일, 오일 미스트 또는 생물학적 물질이 쌓이면서 압력 강하가 증가합니다. 이로 인해 개방된 유로가 줄어들고, 시스템은 유량을 유지하기 위해 더 큰 압력을 가해야 합니다.
차압이 상승하는 추세는 단순한 유지보수 지표가 아닙니다. 이는 필터의 사용 가능한 기공 구조가 얼마나 빠르게 사라지고 있는지를 알려주는 신호입니다.
표면적이 넓으면 여과 매체를 통과하는 유속이 낮아지고, 청정 상태에서의 압력 강하가 줄어들며, 오염층 형성이 지연되고, 시스템이 더 오랜 기간 동안 한계 차압에 도달하지 않도록 유지되므로 펌프나 압축기의 부하를 줄일 수 있습니다.
면적이 넓어질수록 초기 비용이 더 많이 듭니다. 면적이 부족할 경우, 에너지 소비, 수명 단축, 가동 중단 등으로 인해 매시간 추가 비용이 발생합니다.
필요한 유량, 유체 종류, 점도, 작동 온도, 허용 청정 압력차(ΔP), 종단 압력차(ΔP), 미크론 등급, 입자 부하량 및 하우징 제한 사항을 저희에게 알려주십시오. 펌프 성능 곡선과 유지보수 팀에서 문제를 제기하기 전에, 소결 필터의 표면적, 카트리지 수 및 필터 매체 등급을 적절히 선정할 수 있도록 도와드리겠습니다.
압력 강하는 단순한 숫자 그 이상이기 때문입니다.
그건 시스템이 진실을 말하고 있는 거예요.
여기에서 산업용 카트리지 아키텍처를 살펴보세요:https://lvynfiltration.com/sintered-plastic-filter-cartridges/
댓글
