해석 결과 분석

전계 분포 관점에서 방전극과 집진판 사이의 간격이 넓어지면 전계 균일도 확보에 유리하다는 장점이 있다. 하지만, 최대 전계가 감소하여 이온 생성량이 감소하고, 이온화 영역에서 집진판까지의 입자 이동 거리 증가로 인해 집진효율이 감소한다는 단점도 존재한다. 이를 종합적으로 고려하여, 본 연구에서는 불필요한 절연파괴의 가능성을 배제하고 안정적인 전계 형성을 확보하기 위해 방전극–집진극 간격을 200[mm]로 고정하여 이후의 해석을 진행하였다.
전극 간 거리 변화에 따른 전계 분포를 해석하기에 앞서, 먼저 전극 간 상호 간섭 정도를 파악하기 위해 [그림 9]와 같이 전기력선을 분석하였다. 전기력선은 전기장의 방향성과 세기를 직관적으로 확인할 수 있는 시각적 지표로서, [그림 9] (a)에서 확인할 수 있듯이 전극 간 간격이 좁을 경우 전극 간 상호 영향으로 인해 전계가 완전히 형성되지 못하고 약화되는 현상을 확인할 수 있다. [그림 9] (b)의 경우 전극 간 간격을 넓힌 조건으로, 각 전극을 중심으로 전기력선이 대칭적으로 분포하며 독립적인 전계 패턴을 형성함을 확인할 수 있다. 전기력선이 전극에서 자연스럽게 방사형으로 펼쳐지며 전극 간 간섭이 감소하였고, 전계가 공간 전반에 걸쳐 보다 명확하고 균일하게 형성되는 경향을 확인할 수 있다.

(a) 전극 간격 60mm

(b) 전극 간격 170mm

[그림 9] 전기력선 분포 비교

전극 간 거리 변화에 따른 전계 분포는 [그림 10]에 나타내었다. [그림 10] (a)는 전극 간 간격이 좁은 배열에서 형성된 전계 분포를 나타낸 것으로, 인접 전극들의 전위가 서로 중첩되면서 각 전극 주변의 전계가 독립적으로 발달하지 못하는 특징을 확인할 수 있다. 반면 [그림 10] (c)는 전극 간 간격을 충분히 확보한 조건에서의 전계 분포를 보여주며, 이 경우 개별 전극이 거의 단극(monopole) 전계원에 가깝게 작용하여 전계가 방사형으로 대칭적으로 확산된다. 이때 전계는 멀리 떨어진 영역까지 일정한 감쇠 특성을 가진 연속적 분포를 형성하며, 코로나 방전에서 생성된 이온과 공간전하가 보다 넓은 범위로 확산됨에 따라 집진판까지의 전하 이동 경로가 안정화된다.

두 결과는 전극 간 거리가 전계의 독립성, 공간전하 확산, 코로나 방전 반경, 전계 균일도에 직접적인 영향을 미친다는 점을 명확히 보여준다. 전극 간 간격이 좁을 경우 다중 전극의 전기장이 서로 구속된 복합 전계 구조가 나타나 전기역학적 관점에서 비선형적인 전계 집중과 왜곡이 발생하는 반면, 충분한 간격을 확보한 배열에서는 전계가 개별 방전극 중심에서 대칭적으로 확산되는 이상적 전계 구조가 형성된다. 이는 전기집진기 설계에서 전극 간 간격이 코로나 방전의 유효 범위와 입자 이동의 안정성을 결정하는 핵심 변수임을 시사하며, 최적 간격 설계를 통해 고전계 집중과 전계 과왜곡을 방지하고 효율적인 전하 부여 및 집진 성능을 확보할 수 있음을 의미한다.

(a) 115mm 

(b) 170mm 

(c) 335mm

(d) 500mm

[그림 10] 전극 간격 변화에 따른 전계 분포

보다 정량적인 균일도 평가를 위해, [그림 11]과 같이 집진극 표면으로부터 약 10[mm] 떨어진 위치에서의 전계 분포를 Polyline을 이용해 추출하였으며, 이를 통해 집진극 주변 전계의 균일도를 분석하였다. 해당 결과는 [그림 12]에 나타내었다.

[그림 11] 전계분포 확인을 위한 Polyline 생성

[그림 12] 전극 간격 변화 별 위치에 따른 전계

해석 결과, 전극 간 거리가 좁아질수록 집진극 주변 전계는 보다 균일해지는 경향을 보였다. 반면, 전극 간 간격이 약 445 mm 이상이 되면 전계 균일도가 급격히 저하되어, 측정된 최대 전계와 최소 전계의 차이가 50% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 전극 간격이 과도하게 넓어질 경우 전계가 특정 지점에 치우치며, 집진 성능의 일관성이 저하될 수 있음을 의미한다.