A model for the prediction of the droplet diameter during breakup in a venturi scrubber is proposed. The proposed model simultaneously solves the Lagrangian particle tracking of a droplet and the Reitz-Diwakar breakup model. Results demonstrate that the proposed model for the maximum stable droplet diameter provides better predictions using the existing experimental data, especially under a high Weber number.
As a well-known droplet size distribution function, the Upper Limit Log Normal (ULLN) distribution function requires three parameters: maximum droplet diameter (Dmax) and two distribution parameters (a, $\delta$). For a Dmax, the calculation results using the proposed method were used, while the values of the a and $\delta$ were selected using the values that best fit the existing experimental data. The comparison of results against experimental data for the Sauter mean diameter (SMD) in venturi scrubber geometry indicate that the proposed model provides better predictions than the existing empirical correlations suggested by Boll et al., and Nukiyama and Tanasawa do.
Based on SMD, one-dimensional calculation methodology is proposed to obtain the filtering efficiency and the pressure drop inside the venturi scrubber. To verify and validate the proposed prediction model, comparative analyses against two experiments are performed.
As a first verification and validation case, we perform a comparative analysis for the existing Haller experiment operating at atmospheric pressure. The results show that the Normalized Root Mean Square Differences (NRMSD) of the proposed model show the 6.6% on the filtering efficiency and 18.7% for pressure drop which is a smaller value than those for the previous Yung and Calvert model of 10.3% and 26.8%, respectively.
As a second verification and validation case, we perform a comparative analysis for the existing Yung experiment operating at high pressure. The operating condition of the venturi scrubber in the nuclear industry is in a high pressure condition because the filtered venting system operates in the high containment pressure condition. The proposed model predicted all data with the NRMSD of 7.0% for the filtering efficiency and 24.0% for the pressure drop while the Yung model does with those of 15.6% and 37.7%, respectively. In overall, the proposed model shows a quite reasonable prediction capability in the high pressure condition in respect to the droplet diameter, filtering efficiency and pressure drop. Because of this significant improvement in the prediction of venturi scrubber performance, the applicability range of the proposed model can extend to the high pressure condition.
본 연구에서는 벤츄리 스크러버내 액적크기를 예측하는 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 라그랑지안 입자추적모델 및 Reitz-Diwakar 액적파쇄모델을 동시에 푼다. 분석결과, 제안된 모델은 기존의 실험결과와 비교해 볼 때 최대액적크기 예측성능이, 특히 높은 웨버수 조건에서 향상되었다.
잘 알려진 액적크기 분포함수인 유한상한대수분포는 세개의 변수가 필요하다. 본 연구에서는 최대액적크기는 상기에 제안된 모델로 결정하고, 두개의 변수는 실험결과를 대표하는 수치를 제안하였다. 제안된 모델을 바탕으로 평균액적크기 계산결과 기존의 Boll 및 Nukiyama-Tanasawa 모델에 비해 향상된 평균액적크기 예측성능을 보여준다.
또한, 평균액적크기를 기반으로 1차원 형태의 벤츄리 스크러버내 여과효율 및 압력강하 예측모델을 제안하였고 검증을 위하여 두가지 경우에 대한 평가를 수행하였다.
첫번째 단계로, 일반적인 벤츄리 스크러버의 운전압력인 대기압에 대해 기존 Haller 실험결과와 비교하였다. 계산결과 여과효율은 6.6%, 압력강하는 18.7%의 평균제곱근오차를 보여주었다. 이는 기존 Yung 및 Calvert 모델의 10.3% 및 26.8% 대비 상당히 개선된 예측성능을 보여주었다.
두번째 단계로, Yung의 고압조건 실험결과와 비교하였다. 원자력분야에서의 벤츄리 스크러버는 격납건물이 고압인 경우 운전된다. 따라서 고압조건에서의 여과효율 및 압력강하 예측성능에 대한 검증이 필요하다. 오차분석결과 제안된 모델은 여과효율에 대해 7.0%, 압력강하에 대해 24.0%의 평균제곱근오차를 보이는 반면, 기존의 Yung 모델은 각각 15.6% 및 37.7%의 오차를 나타내었다. 전체적으로, 제안된 모델은 고압조건에서 액적크기, 여과효율 및 압력강하에 대해 상당히 근사한 예측성능을 보여주고 있으며, 이는 벤츄리 스크러버 성능예측 모델의 적용범위를 대기압 조건에서 고압조건으로 확장한 것으로 기술적인 의미가 있다.
