베플 설계를 통한 자외선 반응기의 소독 성능 개선 (Disinfection Performance Improvement of UV Reactor by Baffle Design)

본 연구는 다중 램프가 배치된 환형 UV 반응기에서 베플(Baffle)의 형상 및 배치 방식이 소독 성능에 미치는 영향을 분석하는 것을 목적으로 한다. 다중 램프 반응기는 단일 램프의 처리 한계를 극복하여 대유량 처리가 필요한 실제 규모의 반응기에 적용하기 위한 설계 개념이다. 반응기 내 유동장과 UV 조사량의 불균일성을 개선하기 위해 베플이 적용되며, 이에 따른 소독 성능 변화를 평가하였다. 전산유체역학(CFD) 해석을 기반으로 반응기 내 난류 유동을 모사하였으며, UV fluence rate 분포는 Multiple Segment Source Summation (MSSS) 기법을 적용하여 예측하였다. 이 기법은 상용 CFD 코드(ANSYS CFX2023R1)에 사용자 함수로 통합하여 적용하였다. 미세유기물질의 거동은 라그랑지안 기반 입자 추적 기법을 활용하여 모사하였으며, 입자별 체류 시간 동안의 누적 UV 조사량을 산출하여 소독 성능을 평가하였다. 또한, 다양한 베플 형상(고리, 천공, 믹서) 및 다중 배치 전략을 적용하여 소독 성능 변화를 비교 분석하였다. 분석 결과, 입·출구 관의 형상은 유동 균일성에 영향을 미칠 수 있으나, 반응기 내부에 베플이 설치된 경우 해당 영향이 감소하는 것으로 나타났다. 베플 형상별 성능 비교에서는 믹서 베플이 가장 우수한 성능을 보였으며, 나선형 유동 패턴을 형성하여 높은 UV 조사량을 유지하고, 낮은 UV 조사량을 받는 입자의 수를 최소화하여 소독 성능을 극대화하였다. 반면, 고리 베플은 유속 증가로 인해 체류 시간이 단축되어 조사 성능이 오히려 감소하는 경향을 보였으며, 천공 베플은 유동을 균일하게 분포시켜 UV 조사량 편차를 줄이는 효과를 보였다. 베플 개수에 따른 분석에서는 베플 개수가 증가할수록 고리 베플과 믹서 베플의 UV 조사 성능이 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 베플 개수가 추가되면 유로 단면적이 감소하여 유속이 증가하고 이로 인해 입자 체류 시간이 감소하기 때문이다. 한편 천공 베플은 베플 수 증가에 따라 유동 혼합 및 유속 감소 효과가 증가하여 UV 조사 성능이 개선되었다. 본 연구는 다중 램프 UV 반응기에서 최적의 베플 형상 및 배치를 결정하는 데 중요한 설계 가이드를 제공한다. 특히, 믹서 베플은 높은 혼합 효과를 통해 UV 조사량의 균일성을 향상시키고, 소독 성능을 최적화하는 데 효과적인 설계 방식임을 확인하였다. 향후 연구에서는 다양한 유량 조건과 추가적인 최적화 연구를 통해 반응기 성능을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

This study aims to analyze the effects of baffle shape and arrangement on the disinfection performance of a multi-lamp annular UV reactor. The multi-lamp reactor is designed to overcome the treatment limitations of a single-lamp system and is intended for large-scale applications requiring high flow rate treatment. Baffles are implemented within the reactor to improve flow uniformity and UV fluence distribution, and the resulting changes in disinfection performance are evaluated. A computational fluid dynamics (CFD) analysis was conducted to simulate the turbulent flow within the reactor, while the UV fluence rate distribution was predicted using the Multiple Segment Source Summation (MSSS) method. This method was implemented as a user-defined function and integrated into the commercial CFD software ANSYS CFX 2023R1. The behavior of microorganisms was simulated using a Lagrangian-based particle tracking method, which enabled the estimation of accumulated UV exposure for each particle over its residence time to evaluate disinfection performance. Furthermore, the study compared and analyzed the effects of different baffle shapes (ring, perforated, and mixer) and various multi-baffle configurations on disinfection efficiency. The analysis revealed that the shape of the inlet and outlet pipes affects flow uniformity; however, this effect diminishes when baffles are installed inside the reactor. In the performance comparison of different baffle shapes, the mixer baffle exhibited the highest disinfection efficiency by generating a helical flow pattern, maintaining high UV fluence, and minimizing the number of particles receiving low UV doses, thereby maximizing disinfection performance. Conversely, the ring baffle exhibited a reduction in disinfection efficiency due to decreased residence time, as increased flow velocity resulted in insufficient UV exposure. The perforated baffle, on the other hand, contributed to a more uniform flow distribution, reducing the variance in UV fluence. Regarding the number of baffles, an increase in the number of ring and mixer baffles led to a decline in UV exposure time. This is attributed to the reduction in flow cross-sectional area, which in turn increases flow velocity and decreases particle residence time. In contrast, the perforated baffle exhibited improved UV exposure time as the number of baffles increased, due to enhanced flow mixing and reduced velocity. This study provides essential design guidelines for optimizing baffle shape and arrangement in multi-lamp UV reactors. In particular, the mixer baffle was identified as an effective design for optimizing disinfection performance, as it enhances UV fluence uniformity through superior mixing effects. Future research should focus on further performance optimization through the consideration of various flow rate conditions and additional reactor design improvements.