디스포저에 의한 음식물류폐기물 횡지관 유동성 평가

2.1 음식물류폐기물 실험 시료

디스포저 성능분석용으로 사용된 음식물류폐기물(음식물쓰레기)는 환경부고시 제 2012-361에서 제시한 표준시료를 사용하였다.⁽⁸⁾ 본 연구에 사용한 표준 음식물류폐기물의 조성과 무게는 Table 1에 나타낸다.

Table 1

Composition of food waste used for a disposer

Fig. 1은 실험에 사용한 음식물류폐기물 재료 및 1회 사용량을 나타내며, 각각의 재료는 실험 전 2시간 이내에 구매하여 사용하였다.

Fig. 1

Food waste materials

2.2 디스포저 운전특성 실험 방법

Fig. 2에 디스포저 성능평가장치를 나타낸다. 디스포저는 맷돌방식, 칼날방식 및 자유 장칼날 방식이 있으며, 용도별로 다양하게 구성하여 제작되고 있다. 본 실험에서 사용한 성능비교용 디스포저는 국내에서 시판되고 있는 국내제품 3종 및 해외제품 2종이다. 개별 디스포저의 성능측정을 위하여, 유량계, 압력계, 진동 측정계 및 전력 분석계를 각각 설치하였다. 실험은 음식물류폐기물을 투입하지 않은 무부하 및 부하조건으로 각각 실시하였으며, 디스포저 물 공급량, 운전시간 및 투입 음식물류폐기물 시료 무게는 각각 6 l pm, 60초 및 500 g이다.

Fig. 2

Experimental apparatus of a food waste disposer

3.1 횡지관 유동성 평가 시뮬레이터

디스포저와 주름관으로 연결되는 횡지관에서의 디스포저 사용에 따른 관 막힘 특성을 분석하기 위하여 디스포저 횡지관 관 막힘 특성분석 실험용 시뮬레이터를 제작하였다.

Fig. 3은 실험용 시뮬레이터 구성도를 나타낸다. 주요 구성품은 물 공급 장치, 디스포저 유량제어장치 및 횡지관 시험부이다. 디스포저 물 공급 및 공급유량 조절을 위하여 그림에서와 같이 디스포저 측면에 설치된 공급관으로 유량제어밸브 및 솔레노이드밸브를 각각 설치하였다.

Fig. 3

Layout of the experimental simulator for a horizontal branch pipe connected to a food waste disposer

디스포저 입구유량조절을 위하여 횡주관 하부에 별도의 물 탱크를 두고, 공급압 조정이 가능하게 인버터가 장착된 물 펌프를 설치하였다. 횡지관을 통과한 물과 분쇄된 음식물쓰레기는 체(sieve)를 통해 저장조로 이송된다.

Fig. 4에 실험용 시뮬레이터 설치사진을 나타낸다. 시험장치의 전체 높이는 9.8 m이며, 가로 및 세로 길이는 각각 8 m이다. 물 탱크에서 디스포저까지의 배관경은 25 A이며, 횡지관 통과 후의 수직관은 100 A관을 사용하였다. 횡지관의 관 사양 및 실험조건을 Table 2에 나타낸다. 국내 건축기계설비 표준시방서(국토교통부)에서 규정하는 횡지관은 1/50 구배 이상 및 직경 65 mm 이하의 관을 사용하도록 하고 있다. 본 연구에서는 대부분의 건축물에 적용되는 횡지관 기준사양인 50 A과 및 1/50구배를 기준으로 채택하였다. 또한 횡지관의 일반적인 설치 길이를 고려하여, 실험용 횡지관의 길이는 4 m로 하였다.

Fig. 4

Experimental apparatus of the horizontal branch pipe connected to a food waste disposer

Table 2

Experimental conditions of the horizontal branch pipe

3.2 횡지관 유동성 측정방법

디스포저 사용에 따른 횡지관 막힘의 주요원인으로는 분쇄된 음식물쓰레기의 관 내 이송속도 및 관 구배이다. 횡지관 내에서의 분쇄된 음식물쓰레기의 이송속도를 평가하기 위하여, 디스포저를 통해 관 내부로 공급되는 유량에 따른 관 내부 유속을 실험적으로 평가하였다.

Fig. 5에 관 내부 유속측정에 필요한 물 높이(“H”) 및 원형관 물 접촉 단면적(“A”)을 나타낸다. 즉 실험에서 물 높이를 측정하여 다음의 관계식으로 관 내부의 물 흐름속도(V)를 산출한다.

Fig. 5

Definition of the water height and section area for measuring water velocity inside the horizontal branch pipe

여기서, Q는 디스포저 공급물의 유량을 나타낸다. 식에서 알 수 있듯이 본 연구에서는 관 단면 접촉면적에 대한 평균유속으로 물의 흐름속도를 정의한다. 관 내부의 물 높이는 Fig. 6과 같이 2차원 이송장치(traverse)를 이용하여 측정하였다.

Fig. 6

Two dimensional traverse system for measuring water height

3.3 횡지관 유동성 측정용 음식물류폐기물 시료

횡지관 관 막힘 실험에는 Table 1의 환경부 표준 음식물류폐기물 시료에서 각 그룹별로 1종의 재료를 선정하였으며, 선정된 4종의 음식물류폐기물의 무게는 Table 3과 같다. Table 3에서 각각의 중량은 디스포저 투입구의 크기를 고려한 1회 투입량 기준이다.

Table 3

Composition of food waste used for a blockage test of the horizontal branch pipe

4.1 디스포저 운전특성 분석

Fig. 7은 음식물류폐기물을 제외하고, 6 lpm의 물 공급량으로 60초 가동 시의 무부하 디스포저 운전시험 결과를 나타낸다. 국내에 시판되고 있는 5종 디스포저의 진동, 소음 및 소비전력의 성능편차가 큼을 알 수 있다. 5종 디스포저의 평균 진동, 소음 및 소비전력은 각각 3.36 mm/s, 59.6 dB(A) 및 79.9 W이다. 디스포저는 분쇄성능과 함께 가정 내에서 사용하기에 가전제품과 같이 소음 및 진동특성이 우수하여야 한다. 소음 및 진동특성을 고려하면, 시료 4번이 상대적으로 우수함을 알 수 있다.

Fig. 7

No-load performance of test disposers

Fig. 8은 Table 1의 표준 음식물류폐기물을 투입하고, 6 lpm의 물 공급량으로 60초 가동시의 두 대의 디스포저 시료에 대한 실시간 소비전력 사용량을 나타낸다. 그림에서 알 수 있듯이, 음식물류폐기물의 분쇄 초기에 가장 많은 동력이 사용되며, 시간에 따라 점진적으로 감소하는 경향을 나타낸다. 두 대의 디스포저 모두에서 디스포저 가동 후 20초간은 소비전력이 급격히 감소하다가, 그 이후로는 일정한 소비량을 나타낸다. 이는 디스포저 내의 음식물류폐기물이 20초 내에 모두 분쇄되었기 때문이다. 타 디스포저에서도 동일한 경향을 보이기에, 본 연구에서는 디스포저에 의한 음식물류폐기물의 분쇄시간을 20초 설정하고 실험을 수행하였다.

Fig. 8

Supplied power with respect to time for two test disposers

Table 3

Liqidity of food waste thorough the horizontal branch pipe

4.2 횡지관 유동속도 분석

Fig. 9는 디스포저 공급유량에 대한 50 A 횡지관의 물 높이를 관 구배별로 나타낸다. 동일 유량조건에서는 구배가 낮을수록 물 높이가 크며, 모든 구배조건에서는 유량이 증가할수록 물 높이가 증가함을 알 수 있다. 국내 건축기계설비 표준시방서상의 표준구배인 1/50에서는 최대 실험유량 범위인 16 lpm에서 물 높이가 관 반경(=25.5 mm, 내경기준)보다 낮음을 알 수 있다.

Fig. 9

Water head with respect to flowrates

Fig. 10은 디스포저 공급유량에 대한 50 A 횡지관의 관 내부유속(물 흐름속도)를 관 구배별로 나타낸다. Fig. 9의 물 높이와는 반대로 동일 유량조건에서는 구배가 낮을수록 관 내부유속이 작으며, 모든 구배조건에서는 유량이 증가할수록 관 내부유속이 증가함을 알 수 있다. 물 공급 유량이 약 4 lpm 이하에서는 모든 구배조건에서 속도증가 구배가 크며, 그 이후의 유량조건에서는 선형적으로 유량에 따라 유속이 증가한다. 표준구배인 1/50에서는 최대 실험유량 범위인 16 lpm에서 0.26 m/s의 유속을 갖는다. 그림에서와 같이 동일 유량조건에서 관 구배 증가에 따른 내부유속의 증가비율이 상대적으로 커진다. 즉 최대유량인 16 lpm에서 관 구배가 0에서 1/50로 증가하면 내부유속이 18% 증가하지만, 관 구배가 1/50에서 1/25로 증가하면 내부유속이 24% 크게 증가함을 알 수 있다.

Fig. 10

Water velocity with respect to flowrates

4.3 음식물류폐기물 종류별 횡지관 유동특성

디스포저 횡지관 실험용 시뮬레이터를 이용하여, Table 3과 같이 4종류의 표준 음식물류폐기물을 디스포저 분쇄에 의한 횡지관 유동성 실험을 수행하였다. 50 A 횡지관을 대상으로 디스포저 공급유량을 2 lpm에서 16 lpm까지 변화시키면서 각각의 폐기물에 대한 관 내부 막힘 특성을 평가하였으며, 결과를 Table 3에 나타낸다. 본 실험은 디스포저 예비실험을 통하여 도출된 디스포저 분쇄시간인 20초간 수행한 실험결과이다.

배추와 돼지고기는 디스포저 물 공급량이 4 lpm (=0.15m/s) 이하에서 부분적인 막힘이 발생된다. 사과의 경우는 물 공급량이 5 lpm (=0.16 m/s) 이하에서 부분적인 막힘이 발생된다. 쌀밥의 경우에는 저유량 조건에서 부분적인 막힘이 발생되나, 16 lpm (=0.26m/s)에서는 막힘없이 4 m 실험용 횡지관을 흘러감을 확인하였다. 이상에서와 같이 비중이 상대적으로 작은 배추 및 고기류는 저유량 조건에서도 원활이 배출되지만, 비중이 크고 점성이 높은 밥의 경우에는 원활한 횡지관 이송을 위해서 0.26 m/s 이상의 유속이 필요함을 알 수 있었다. 음식물류폐기물 종류별 공급유량 부족에 따른 관 막힘 사진을 Fig. 11에 나타낸다.

디스포저에 의한 횡지관 막힘을 방지하기 위하여, 디스포저 가동 전 및 가동 후에 일정시간 물 공급을 실시하여 관 막힘 특성을 개선하는 연구를 수행하였다.

Fig. 11

Picture of blockaged food wastes

Fig. 12는 디스포저의 음식물류폐기물 분쇄시간을 20초로하고, 추가적으로 디스포저 가동 전후에 20초간 물 공급을 하는 운전모드에서 음식물류폐기물 종류에 따른 관 막힌 방지를 위한 유속을 나타낸다. 배추의 경우 횡지관 막힘을 방지하기 위하여 단지 20초간 디스포저 가동 시에는 0.15 m/s이상의 물 공급이 필요하지만, Fig. 12와 같은 운전모드에서는 0.14 m/s 이상의 물 유속이 요구된다. 그림에서와 같이 디스포저 가동 전후에 물 공급시간을 추가하면, 단순 디스포저 가동 시보다 상대적으로 적은 물 유속에서도 막힘을 방지 할 수 있다. 이는 디스포저 가동 후에 남아 있는 일부의 잔류물을 추가 물 공급으로 배출시키기 때문이다. 한편 4종류의 음식물류폐기물을 혼합하여 디스포저 모드운전을 통해 배출 시에는 0.16 m/s의 유속이 필요하다.

Fig. 12

Required water velocity for the selected food wastes