사이클론 분리기(Cyclone separator)는 원심력을 사용하여 유체 속에 포함된 입자를 분리하는 기계 장치로서 다량의 유체에서 이물질을 연속적이고 안정적으로 분리할 수 있는 장점이 있어, 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 사이클론 분리기 중 유체로 물을 사용하는 분리기를 하이드로 사이클론 분리기라 부르며, 사이클론 실린더 지름이 10mm 이하인 경우 미니 하이드로 사이클론이라고 특별히 지칭하여 부른다. 관성력을 이용하여 이물질을 분리하는 사이클론 분리기는 Inlet으로 유입되는 유량과 압력이 높을수록 분리효율이 뛰어나지만, 미니 하이드로 사이클론 분리기는 매우 낮은 압력과 유량에서 마이크로미터 단위의 입자를 분리할 수 있어 오래전부터 관심이 많았으나, 작은 크기와 형상의 복잡함으로 3D 프린팅 기술이 발전하기 전까지 크게 연구되지 못하였다.
본 연구에서는 화력발전소 steam and water analysis system에 사용 중인 80μm을 분리하는 strainer type 필터를 대신하는 분리 성능 10μm의 미니 하이드로 사이클론 분리기를 개발하였다. 고효율 Stairmand 모델을 기반으로 conical angle을 조정하여 사이클론 분리기를 설계 하였고, 수치 해석적 방법과 실험적 방법으로 그 성능을 증명하였다. SLA 방식의 3D프린트로 제작된 사이클론 분리기의 중량법 실험에서는 92.8% 분리효율을 보였다. 입도분석으로 확인한 Underflow의 d50의 값은 12.16μm였다. 하지만, 두 개의 출구 중 underflow의 유량이 overflow에 비해 3배로 많아 사이클론 출구 유량 비율 조정이 필요하였고, 실험계획법 중 완전요인배치법을 이용하여 출구 유량에 가장 큰 영향을 주는 spigot diameter와 vortex finder diameter를 최적화하여 동일한 출구 유량으로 조정 하였다. 조정된 결과는 수치 해석적 방법과 실험적 방법으로 증명 하였다. 또한 미니 하이드로 사이클론에서 출구 유량성능의 결정에 spigot diameter와 vortex finder diameter가 주요 인자임을 밝혔고, 출구 유량비에 있어 spigot diameter가 vortex finder diameter보다 민감함을 확인 하였다. 중량법을 이용한 분리효율 측정은 95.4%로 조사 되었으며, 입도분석으로 확인한 d50 값은 14.4μm 였다. d50의 증가는 Vortex finder diameter의 증가에 따른 LZVV의 증가가 원인 이었으며, LZVV의 지름은 Inlet의 유입 유량과 반비례 관계가 있음을 확인 하였다. 개발된 미니 하이드로 사이클론을 실제 운영 중인 가스터빈 화력발전소의 SWAS에 설치하여 실험적으로 충분히 strainer type 필터를 대체 할 수 있음을 보였다. 실험의 결과를 보다 객관적으로 증명하기 위하여, inlet, overflow, underflow에서 수집된 입자를 SEM 분석하여 그 입자들의 크기를 조사 하였으며. Inlet의 영상에서는 다른 곳과 달리 큰 입자를 관찰할 수 없었고, 이러한 결과로 토대로 충분한 분리 성능을 가지고 있다고 판단 되었다. 마지막으로, 일련의 결과를 정리하여 새로운 미니 하이드로 사이클론 형상비를 정의 하였다.
향후 본 연구로 새롭게 정의된 미니 하이드로 사이클론 분리기는 SWAS 뿐만 아니라 낮은 유량에서 미세한 입자를 분리하는 정수기를 포함한 가정용 수처리 필터, 미세 조류를 포함한 미생물의 분리하는 바이오, 화학, 의료, 농업 등 다양한 환경에서 사용될 수 있을 것으로 기대되며, 3D 프린터와 완전요인배치법의 조합으로 개별 사용 환경에 최적화된 미니 하이드로 사이클론 분리기를 빠른 시간 내에 설계, 제작하는데 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.