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ISSN : 1598-5504(Print)
ISSN : 2383-8272(Online)
Journal of Agriculture & Life Science Vol.52 No.6 pp.103-109
DOI : https://doi.org/10.14397/jals.2018.52.6.103

Discharging Performance in Length of Hard Labyrinth and Pressure of Cylinder Type Drip Irrigation Hose

Jin Hyun Kim1,Man Ho Woo2,Dong Eok Kim3*
1Department of Precision Mechanical Engineering, College of Science and Technology, Kyungpook National University, Sangju, 37224, Korea
2Nam Kyung, 621 Tosung-Ro Yanggam, Hwaseong, Gyeonggi, 18626, Korea
3School of Energy System Engineering, College of Engineering, Chung-Ang University, Seoul, 06974, Korea
E-mail: dekim@cau.ac.kr
*Corresponding author: Dong Eok Kim
Tel: +82-10-5225-7446
Fax: +82-2-3280-5867
February 20, 2018 October 5, 2018 October 20, 2018

Abstract


The performance of drip irrigation devices depends on flow uniformity related to the function of pressure compensation. The flow uniformity can be secured when the internal fluid pressures at the positions of the flow holes are maintained uniformly. The pressure compensation effect of the drip irrigation devices can be optimized with the combination of soft silicon and labyrinth structures. However, for a drip irrigation devices composed of only hard labyrinth structures, the flow rate is changed largely with the length and the internal geometry of the labyrinth structure. Although a drip irrigation devices with only hard labyrinth structures can be fabricated simply, the changes of flow rates with internal fluid pressures are much larger than those of the drip irrigation devices with soft silicon. Because the drip irrigation devices with only labyrinth structures can be utilized widely through the optimization of the fluid pressure, the length of the structures, and the cross-sectional area of them, the study on the optimization can play an important role for enhancing the performance of the drip irrigation devices. In this study, experimental and numerical studies for investigating the performance of the drip irrigation devices had been conducted. In the experiments and numerical calculations(CFD), the variable parameters were the lengths of the labyrinth structures(#1~#8) and the fluid pressures(0.5~3.0 bar).



원통형 점적기의 압력과 경질미로의 길이에 따른 토출 특성

김진현1,우만호2,김동억3*
1경북대학교 과학기술대학 정밀기계공학과, 2(주)남경 대표이사, 3중앙대학교 공과대학 에너지시스템공학부

초록


점적기의 성능은 압력보상 기능에 따른 유량 균등성에 의해 좌우되고, 유량의 균등성은 점적기 내부 의 위치에 따른 공급압력이 일정할 때 이루어진다. 점적기의 압력보상은 탄성을 가진 연질의 실리콘과 미로가 동시에 결합된 경우에 가장 큰 효과를 나타낸다. 그러나 경질 미로만으로 구성된 점적기의 경우 에는 미로의 길이와 내부구조에 따라 유량이 크게 달라진다. 경질 미로만으로 구성된 점적기의 경우에 는 연질의 실리콘을 동시에 결합한 점적기보다 공급 압력에 따른 유량의 오차가 훨씬 크게 나타나므로 간편한 반면에 성능에서는 불리한 조건을 가진다. 경질미로로 구성된 점적호스의 경우 공급 압력과 미 로의 길이와 단면에 따른 최적 설계를 통하여 적절한 조건에서 폭넓게 사용할 수 있는 장점이 있으므로 이에 대한 연구는 점적기의 성능을 개선하는데 매우 중요한 역할을 한다. 그러나 이러한 분야의 연구는 거의 이루어지지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 경질미로로 구성된 점적호스의 성능평가를 구명 하기 위해 원형의 미로를 길이별로 8단계(#1~#8)로 나누어, 공급압력(0.5~3.0bar) 변화에 따른 출구유 량을 실험적 방법과 이론적 해석(CFD)으로 구하였다.



    Ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs

    서론

    농업용수의 절감과 노동력 부족에 대한 대책으로 점적관수 장치의 보급이 확대되고 있을 뿐만 아니 라 정밀농업을 통한 고품질 농산물의 재배도 가능 하여 최근 20년 동안 꾸준하게 점적관수의 보급은 늘고 있는 추세이다. 우리나라도 시설작물의 재배 면적은 1990년 44,613ha에서 2014년 93,511ha로 2 배 이상 증가하였고, 사과, 배, 복숭아, 포도 등의 주요 과수면적은 수입농산물의 증가에 따라 전반적 으로 줄어들고 있는 추세이나 10ha 당 수확량은 늘 어나는 경향이 있다(AMYRK, 2017). 이것은 재배기 법의 향상에 따른 요인으로 추정되며 특히 관수장 치의 도입에서 관수와 관비를 적기에 동시 공급하 는 것이 큰 영향을 미친 것으로 판단된다. 뿐만 아 니라 농업용수는 전체 수자원의 48%를 차지하므로 (Kim et al., 2005) 관수를 통한 용수의 절감은 국 가적으로 매우 시급한 문제이다.

    점적기(Drip irrigation devices)는 점적 Pipe, 점적 Taper, 점적 Botton, 분수호스 겸용 점적기로 구분되고 압력용수를 감압할 수 있는 장치가 내장 된 형태에 따라 분류된다(Sin, 2003). 점적 Pipe는 파이프 내에 원통의 경질 미로장치가 내장되어 점 적기에서 가장 보편적으로 사용되므로 일반적으로 점적기로 부른다. 점적기의 성능은 압력보상 기능 에 따라 유량 균등성에 의해 좌우된다.

    점적기를 포함한 점적 장치는 이스라엘, 이탈리 아, 그리스, 스페인, 터키, 인도 등이 선도국가로 형성되어 있다. 특히 이스라엘(NETAFIM)의 기술은 세계적으로 뛰어나 점적 장치 이외에도 전자밸브, 여과기, 계측용 센서류 및 부속장치에서도 선두로 알려져 있다. 우리나라에서도 최근 기술개발을 꾸 준하게 수행하여 PC dripper의 경우 실리콘의 성능 개선을 통하여 유로 기술과의 격차를 줄이는 연구 가 수행되었다(Kim et al., 2018). 그러나 아직도 다양한 점적기의 경우 기술의 차별성과 가격 면에 서 어려움을 겪고 있고 특히 최근 중국의 저가 공 세가 지속되므로 기술의 독자적인 개발과 차별화가 절실한 실정이다.

    점적관수기의 기술적 성능은 다양한 용수 공급 압력에도 불구하고 항상 일정한 분사량을 유지하는 압력보상 기술(Pressure compensated technology) 에 좌우된다. 그러나 실제로 다양한 압력조건에서 분사량을 균등하게 유지하기는 기술적으로 매우 어 렵다. 따라서 적정 압력조건에서 분사량의 균등성 을 유지할 수 있는 점적기의 성능 향상이 점적기술 의 척도가 되고, 분사량의 오차가 작을수록 균등성 이 높아 우수한 것으로 평가된다. 점적기로 많이 이용되는 점적호스는 내부에 UV 처리된 압력보상 기능이 있는 경질미로 튜브를 끼워 사용하도록 제 작되어 있다. 점적기의 종류는 다양하나 대부분 0.5~2.5bar 사이의 압력에 1.5~3.0L/hr의 유량이 공급된다. 점적기의 성능은 호스의 내부에 위치한 경질미로 튜브의 설계에 따른 유량의 압력보상에 밀접한 관계가 있다. 관수가 경질미로 튜브를 통과 할 때, 내부의 작은 돌기의 수가 압력과 유량에 어 떤 영향을 미치는지에 대한 연구는 지금까지 수행 된 적이 거의 없으며 관수 호스의 성능 향상을 위 한 연구도 매우 부족한 실정이다.

    이에 본 연구에서는 점적기의 내부에 구성된 원통 형 미로 구조물(감압로)의 성능 평가를 목적으로 미 로 구조물의 길이별 압력, 유량과 유속의 변화를 실 험적 방법과 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하고자 하였다. 이러한 실험과 해석의 결과는 이와 유사한 경질 점적기의 새로운 설계에 도 이용이 가능할 뿐만 아니라 점적호스의 유량 균 등성을 결정하는데 매우 중요한 매뉴얼로 활용이 가능하다. 또한 본 연구를 통하여 경질미로의 디자 인을 개선하여 성능을 향상시키고 미로내부에 스케 일이 침착되지 않는 고성능의 점적관수 장치의 개 발에도 응용이 가능할 것으로 판단하였다.

    재료 및 방법

    1 점적기 경질미로의 길이별 유량실험

    점적기 내부에 결합된 원통형 경질미로의 길이별 압력변화와 유량특성을 분석하기 위해 Fig. 1(A, B) 과 같이 장치를 제작하였다. 경질미로와 동일한 규 격의 미로를 금속판으로 가공하여 실제로 점적기의 경질미로 특성을 구명할 수 있도록 제작하였다. 그 림에서와 같이 점적기 내부의 용수가 원통형 경질미 로의 홈을 따라 흐를 때 압력저하가 발생되면서 호스 내부에 압력보상이 이루어지며, 이때 압력이 증가함 에 따라 유출구로 유량이 증가하게 된다. 원통형 경 질미로는 각각 돌기열로 구성되고 원통의 둘레로 8개 의 돌기열이 홈으로 형성되어 있다. 미로의 길이별 유량 실험은 각각의 돌기열을 #1~#8까지 구분하고 미로 입구의 공급 유체 압력(Gauge pressure)을 0.5, 1.5, 2.5, 3.0bar로 나누어 공급하며 8개의 구 간별로 유출되는 유량은 전자저울에서 측정하였다.

    2 점적기 경질미로의 CDF 해석을 통한 유속의 변화

    Figure 2(A)는 점적호스 내부에 끼워진 원통형 경질미로를 분리하여 미로의 길이와 위치별 단면적 변화에 따른 유속을 해석하고자 설정하였다. 동시 에 경질미로 장치의 이론해석을 위해 유입구와 유 출구의 설계를 각각의 미로별로 구분하므로 미로내 의 막힘 현상을 줄일 수 있는 방안을 동시에 모색 하고자 하였다. 그림에서와 같이 미로의 치수는 폭 이 0.8mm, 깊이 1.0mm, 돌기 길이 25.75mm, 돌 기수 10개로 구성되었다. 미로의 구간 길이에 따른 유량 특성을 정밀하게 분석하기 위해 전체 구간별로 총 8개의 배출구(#1~#8)를 Fig. 2(B)와 같이 배치 하고 CFD 해석을 하였다. 이때 미로 형상, 규격 및 압력 조건은 실험적 방법의 조건과 동일하게 설계하 였다. 본 CFD 해석에 사용된 프로그램은 ANSYS Fluent 16.1(ANSYS, USA)이며, 컴퓨터 사양은 레 노버 씽크스테이션 P500(Intel Xeon E5-1630, 레 노버, China)를 사용하였다(ANSYS FLUENT, 2016). CFD 해석에서도 미로 입구의 공급 유체 압력은 실 험적 방법과 동일하게 0.5, 1.5, 2.5, 3.0bar로 나 누어 공급하였다. 또한 경질 미로내 각 구간별 CFD 해석에서는 압력별 유량 특성뿐만 아니라 경 질미로의 형상 설계의 문제점과 유동특성도 함께 분석하고자 하였다.

    결과 및 고찰

    1 점적기의 경질미로의 길이에 대한 유량의 변화

    Figure 3(A)는 경질미로의 입구압력과 미로의 길 이에 대한 유출량을 나타내고 있다. 그림에서와 같 이 미로의 길이가 짧을수록, 압력이 커질수록 유출 량이 높게 나타났다. 또한 미로의 길이가 짧을 경우 에는 유출량의 차이가 비교적 크게 나타났으나 미로 의 길이가 길수록 압력에 따른 유출량 차이가 크지 않음을 알 수 있었다. 따라서 경질 미로에서 미로의 길이를 길게 할 경우에는 미로자체가 압력보상의 기 능을 하여 유출량을 비교적 균일하게 할 수 있음을 보여주고 있다. 반면에 Fig. 3(B)는 미로의 길이가 길어질수록 압력변화에 따른 유출량이 지수적으로 감 소함을 나타내고 있다. 미로의 길이가 가장 긴 #7과 #8은 위치는 다르나 미로의 길이가 동일하여 압력에 따른 유량이 거의 유사하게 나타났다. 또한 경질미로 의 배출구를 #5~#8까지 사용할 경우에는 유량의 오 차가 상당히 줄어드는 것을 알 수 있었다. 특히 미로 의 길이가 긴 #7과 #8에서는 공급압력의 차이에 따 른 유량의 변화가 상대적으로 균일함을 보여주어 경 질미로의 길이가 짧은 것보다 압력보상이 이루어지고 있음을 알 수 있었다(Kim et al., 2017a). 따라서 점 적호스 내부의 원통형 경질미로는 공급 압력 범위 0.5~3.0bar에서 유량의 변화가 적을수록 미로 길이 에 따라 균등성도 높게 유지될 가능성이 큰 것으로 보인다. 향후 경질미로를 #7 또는 #8로 제작하여 점 적호스의 길이에 따른 공급압력과 유량의 관계를 구 명할 필요가 있다. 본 연구에서는 점적기의 새로운 경질미로를 설계하는데 미로의 길이와 공급유량의 활용에 기초적인 적용 가능성을 판단하는데 목적을 두고자 하였다.

    2 점적기의 경질미로 압력 변화에 대한 CFD 해석 결과

    Figure 4는 경질미로의 입구압력 0.5~3.0bar 범 위에서 미로의 길이 #1과 #2에 대한 CFD 분석 결과 를 나타내고 있다. 전체적으로 경질미로에 압력이 증가할수록 미로의 유체 속도가 증가됨을 알 수 있 었으며 이것은 #2에서도 거의 유사한 양상을 나타내 었다. 뿐만 아니라 미로의 입출구 통로에서는 와류 로 인한 이물질의 멈춤 현상이 발생하지 않을 만큼 흐름이 원활함을 알 수 있었다. Fig. 5는 미로의 길 이 #3과 #4에 대한 CFD 분석이며, Fig. 6은 미로의 길이 #5와 #6에 대한 CFD 분석을 보여주고 있다. 압력이 증가하고 미로의 길이가 길어질수록 미로 내 부의 속도에도 영향을 미치고 있는 것으로 나타내며 미로와 미로 사이의 넓은 통로에서는 유속이 크게 떨어지고 있음을 알 수 있었다. 따라서 이 부분에는 유체속의 이물질이 침착할 수 있는 가능성이 있으 며, 반면에 미로의 통로가 좁은 곳에서는 유속이 증 가되어 이물질의 막힘이 줄어들 것으로 판단된다. 따라서 유체의 속도가 지나치게 느려지는 부분에서 는 이물질의 침착이 예상(Kim et al., 2017c)되므 로 통로에서도 일정속도가 유지되도록 단면의 재설 계가 필요할 것으로 사료되었다. Fig. 7은 #7과 #8 의 분석 결과이며 #7과 #8은 미로의 상·하단으로 유출되는 부분의 차이이므로 실질적으로 해석의 결 과는 차이는 나타나지 않았다. 따라서 경질미로의 내의 좁은 통로에서 유속은 미로의 길이보다 공급 압력에 따라 크게 영향을 받는 것으로 판단되므로 점적기의 성능은 공급 압력의 설정이 중요한 요인 으로 볼 수 있다.

    3 경질미로의 길이 변화에 대한 실험결과와 CFD 해 석의 비교분석

    Figure 8은 공급압력 0.5, 1.5, 2.5, 3.0bar에 대 한 경질미로의 길이별 실험 유량과 CFD의 해석에 의한 결과를 비교하여 나타내었다. CFD 해석의 결 과는 경질미로의 압력에 따른 미로의 길이별 유량이 감소지수 관계로 나타나 앞의 실험적 결과(Fig. 3) 와 1~2% 오차 범위에서 매우 잘 일치하였다(Kim et al., 2017b). 이와 같이 실험적인 결과와 CFD 해 석의 결과가 비교적 잘 일치하는 것은 원통형 미로 와 실험장치 모두 단단한 경질이기 때문으로 판단된 다. 따라서 점적기에서 경질 미로를 사용하여 설계 하거나 새로운 디자인으로 유량의 범위를 조절하고 자 할 경우 CFD 해석에 의한 이론적인 해석을 적용 하여 설계를 할 수 있을 것으로 사료되었다. 뿐만 아니라 실험적 결과와 CFD 해석의 결과 모두 입구 압력이 높을 경우에는 입구측의 유량과 출구측의 유 량의 차이가 크게 나타나고 낮은 압력에서는 유량의 차이가 크지 않는 것으로 나타났다. 따라서 경질미 로로 구성된 점적기의 경우에는 낮은 압력인 0.5bar 로 사용하는 것이 유량의 균등성을 유지하는데 더 유리할 것으로 판단되었다. 그러나 0.5, 1.0, 2.5, 3.0bar 전체의 압력 영역에서 사용할 경우에는 #7, #8의 미로 길이를 모두 사용하는 방법이 바람직 한 것으로 보여진다.

    감사의 글

    본 연구는 2016년 농림축산식품부(농림수산식품기 술기획평가원)의 첨단생산기술개발사업의 지원에 의 하여 수행되었음.

    Figure

    JALS-52-103_F1.gif

    Photographs of hard labyrinth (A) and test devices (B) for experimental method.

    JALS-52-103_F2.gif

    Photographs of hard hard labyrinth (A) and length of hard labyrinth (B) in drip hose for CFD analysis.

    JALS-52-103_F3.gif

    Variation of flow rate in pressure and channel section of hard micro-path.

    JALS-52-103_F4.gif

    Variations of water velocity in section #1 and #2 of hard labyrinth.

    JALS-52-103_F5.gif

    Variations of water velocity in section #3 and #4 of hard labyrinth.

    JALS-52-103_F6.gif

    Variations of water velocity in section #5 and #6 of hard labyrinth.

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    Variations of water velocity in section #7 and #8 of hard labyrinth.

    JALS-52-103_F8.gif

    Relation between flow rate and section of hard labyrinth in experimental and CFD results.

    Table

    Reference

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