KR0121552B1 - 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기중에 포함되어 있는 부유입자의 크기와 밀도 차이에 기인하는 관성력의 차이를 이용하여 특정 크기의 부유입자를 분리해내는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치에 관한 것이다. 본 발명의 부유입자 분리장치는 가속노즐과 수집노즐로 이루어진 가상충돌기 내로 부유입자를 함유하고 있는 공기를 통과시켜 일정 크기 이상의 부유입자가 수집노즐 내의 부유로로 향하게 하고 그 외의 입자는 주유로로 흘러나가도록 이루어진 가상충돌기를 단독 또는 2단 이상으로 조합하여 구성된 것이다. 본 발명의 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치는 처리유량이 크고, 연속사용이 가능하면서도 수집 효율이 높다는 장점을 가지고 있다.

Description

가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치

제1도는 본 발명에 의한 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치의 일실시례 구조에 대한 개략 단면도.

제2도는 유입 유량(Q_r)이 1000ℓ/min이고, 50% 절단입자 직경이 2.0㎛인 본 발명형 가상충돌기의 입자분리곡선.

제3도는 유입 유량(Q_r)이 90ℓ/min이고, 50% 절단입자 직경이 1.5㎛인 본 발명의 원형 가상충돌기의 입자분리곡선.

제4도는 유입 유량(Q_r)이 100ℓ/min이고, 50% 절단입자 직경이 8.5㎛인 본 발명의 원형 가상충돌기의 입자분리곡선.

제5는 유입 유량(Q_r)이 1000ℓ/min이고, 50% 절단입자 직경이 2.0∼0.5㎛인 본 발명의 3단 가상충돌기의 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가속노즐 2 : 수집노즐

3 : 부유로 4 : 주유로

본 발명은 공기중에 포함되어 있는 부유입자 중에서 특정 크기의 입자를 분리해내기 위한 부유입자 분리장치에 관한 것으로, 특히 가상충돌기를 가속노즐을 통과한 공기 중에서 관성력의 차리를 이용하여 특정 크기의 입자만이 수집노즐로 향하도록 하여 특정 크기의 입자를 농축 또는 선별하도록 한 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치에 관한 것이다.

일반적으로 공기중에 포함되어 있는 부유입자의 수집방식으로는 수집판에 입자를 충돌시켜 원하는 입자를 부착시키는 관성법과, 사이클로 등을 이용하는 원심분리법과, 필터를 이용하여 여과하는 여과법 및 정전기를 이용하는 정전기법 등의 여러 수집방식이 알려지고 있다.

그러나 상기 종래의 입자수집방법중 관성법은 입자의 분리효율이 낮고 연속사용이 어렵다는 문제점을 가지고 있으며, 원심분리법의 경우에는 분리효율이 낮음은 물론 처리유량이 작다는 단점이 있다.

또한 여과법은 압력손실이 많아서 큰 동력이 요구되어 경제성이 뒤떨어짐과 아울러 수시로 여과지를 교환해주어야 하는 문제점을 안고 있으며, 정전기법은 처리유량이 적고 많은 전력을 필요로 하여 연속적인 수집에 어려움이 있는 등의 단점을 가지고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 종래의 입자분리장치가 가지고 있는 제반 문제점을 해결하기 위한 방편으로 기본적으로 관성법을 이용함에 있어 수집판을 사용하지 않고 미소량의 부유동(富流動 : minor flow)을 발생시켜 상대적인 정체공기가 존재하는 수집노즐을 설치하여 그 내부로 특정 크기의 부유입자가 수집되도록 한 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치를 제공하려는 것이다.

즉, 본 발명의 가상충돌기는 임의로 유입된 다양한 크기의 부유입자들이 슬릿형 가속노즐을 통과한 때에 관성력이 큰 입자들에 대해서는 유선을 벗어나서 정체공기를 이겨내고 수집노즐로 향하도록 하는 한편 관성력이 작은 입자들은 수집노즐 근처에서 유량이 많은 주유동(主流動 : minor flow)으로 굴곡되는 유선을 따라 흘러가도록 함으로써 큰 입자와 작은 입자를 각각 부유동과 주유동측으로 분리시키는 데에 기술적 특징이 있다.

본 발명의 가상충돌기에서 가속노즐과 수집노즐의 노즐 형태는 원형과 슬릿형의 두가지 형태가 바람직한바, 원형 노즐의 경우 분리효율이 우수하나 처리유량이 적다는 단점이 있으며, 슬릿형 노즐은 분리효율은 다소 떨어지나 처리유량이 매우 크다는 장점이 있다.

이와 같은 본 발명의 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치의 일실시례의 구성과 입자의 분리원리를 제1도에 의거 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제1도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 장치는 부유입자를 포함하는 공기가 공급되는 가속노즐(1)의 선단부에 가속노즐(1)과는 일정간격을 유지한 채 부유로(3)를 구성하는 수집노즐(2)이 위치되며, 가속노즐(1)과 수집노즐(2) 사이의 외측으로 주유로(4)가 형성되어 있다.

따라서 가속노즐(1)로 유입된 공기는 가속노즐(1)을 통과하면서 가속되어 가속노즐(1)의 네크(1a)를 통과할 때에는 일정 속도에 달하게 되며, 이때 공기중에 포함되어 있는 부유입자들은 그 각각의 질량과 크기에 따라 관성력을 갖게 된다.

일단 가속노즐(1)을 통과한 공기는 관성에 의하여 수집노즐(2)의 입구까지 내려왔다가 일부의 공기만이 부유로(3)로 직진하여 흐르게 되고 나머지 대부분의 공기는 다시 상승하여 주유로(4)로 빠져나가게 된다.

이때, 주유로(4)와 부유로(3)로 나누어지는 공기의 양은, 주유로 유량(이하, '주유동 유량'이라 함)(Q_M)이 가속노즐(1)로 공급되는 총유입 유량(Q_r)의 90% 정도가 되도록 하고, 부유로 유량(이하, '부유동 유량'이라 함)(Q_m)이 10% 정도가 되도록 하는 것이 요구된다.

이와 같이 관성력이 작은 입자들은 주유선(F_M)을 따라 흐르고, 나머지 관성력이 큰 입자들은 자체 관성에 의해 주유선(4_M)을 벗어나 부유선(3_m)을 따라 부유로(3)로 진행함에 따라 크기에 따른 입자의 분리가 이루어지게 된다.

다시 말하면, 제1도와 같이 가속노즐(1)을 통과한 공기는 수집노즐(2)의 입구측으로 유입되며, 이때 관성력이 큰 입자들은 부유선(F_m)을 따라 부유로(3)측으로 흐르게 되며, 관성력이 작은 입자들은 'A'부분에서 정체되었다가 다시 수집노즐(2)을 벗어나 주유선(F_m)을 따라 주유로(4)로 흐르게 되면서 분리되는 것이다.

이때 상기 'A'부분에서는 정체 공기가 존재하게 되므로 관성이 큰 입자들은 주유선(F_M)을 쉽게 벗어나게 된다.

여기서, 제1도에 되시된 바와 같이, 관성력이 작은 입자들 중 일부는 수집노즐(2)의 입구측으로 유입되었다가 'A'부분에서 마치 충돌판에 충돌하였다가 그 유동방향을 전환하는 것처럼 유선 방향이 전환하여 주유로(4)측으로 유동하게 되는바, 이러한 점에서 '가상충돌기'라고 하는 것이다.

한편, 분리가 일어나는 절단입자직경은 레이놀드 수, 유입 유량(Q_T)과 부유동 유량(Q_m)의 비(Q_T/Q_m), 수집노즐 폭(W_R)과 가속노즐 폭(W)의 비(W_R/W), 가속노즐 네크길이(T)와 가속노즐 폭(W)의 비(T/W), 주유로 폭(S)과 가속노즐 폭(W)의 비(S/W) 및 가속노즐 각도(θ) 등에 의해서 결정되므로 이들을 적절하게 조절하면 요구되는 크기의 부유입자를 분리해내어 농축하거나 수집하여 제거시킬 수 있게 된다.

특히, 본 발명은 일정 범위의 크기를 갖는 입자의 수집을 위하여 2개 이상의 본 발명 가상충돌기를 다단으로 결합하여 사용될 수 있다.

즉 2개의 가상충돌기를 서로 연결하여 입자분리장치를 구성하는 경우 1단계 가상충돌기에서 부유로를 통해 유출되는 공기를 2단계 가상충돌기의 가속노즐측으로 유입시켜 2단계 가상충돌기의 주유로에서 1단계와 2단계 가상충돌기의 절단입자 반경의 범위내에 속하는 입자만을 수집할 수 있게 된다.

이와 반대로 1단계 가상충돌기의 주유로를 2단계 가상충돌기로 유입시켜 2단계 가상충돌기의 부유로에서 1단계와 2단계 가상충돌기의 절단입자 반경의 범위에 속하는 입자만을 수집할 수도 있다.

이에 더하여 일정 범위의 입자를 수집하는데 있어서 유입 유량과 입자를 농축시킨 최종 유량의 비를 크게 하기 위해서는 3개 이상의 가상충돌기를 연결하여 일정 범위의 입자를 고농도로 수집할 수 있다.

한편, 여러개의 가상충돌기를 조합하여 구성할 때에는 가상충돌기의 배열을 절단입자 변경이 큰 것으로부터 작은 것의 순서로 직렬로 연결하고, 전(前) 단계의 부유로가 다음 단계에 유입되도록 배치하여 입자분리장치의 출구에 부착하게 되면 각 단계의 주유로를 통해 크기별로 입자가 분리되어 입자를 크기별로 선별할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치는 공기중에 포함되어 있는 부유입자의 분리 및 농축에 사용되는 이외에도 입자선별장치로도 사용될 수 있다.

일 예로 에어로졸 제너레이터에서 발생한 에어로졸을 건조시켜 제조한 입자를 비롯한 기타의 입자제조장치에서 제조된 입자들의 크기는 일정하지 않고 정규분포를 보이게 되는데 이러한 입자로부터 비교적 일정한 크기의 입자를 얻기 위해서 50% 절단입자 직경이 상이한 복수개의 가상충돌기를 제1단에서부터 작은 입자들이 분되어 나오게 일렬로 배치함으로써 크기별로 입자를 선별할 수 있게 된다.

이상과 같은 본 발명의 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치는 처리유량이 크고 분리효율이 높을 뿐만 아니라 연속사용이 가능하면서도 압력손실이 작다는 장점을 가지고 있다.

본 발명의 보다 구체적인 구성과 입자분리과정 및 제반 특성은 다음의 실시례를 통하여 보다 명확하게 이해될 것이다.

[실시예1]

유입 유량(Q_T)이 1000ℓ/min이고, 50% 절단입자 직경이 2.0㎛인 경우 슬릿형 가상충돌기를 제작하였으며, 이때 수치해석 및 실험에 의해 선정한 설계조건은 다음과 같다.

상기 조건으로 제작된 가상충돌기의 입자크기별 분리곡선은 제2도에 도시된 바와 같다.

2.0㎛ 이상의 입자는 부유로(3)로 분리되고 2.0㎛보다 작은 입자는 주유로(4)로 분리되었으며, 3㎛ 이상의 입자의 경우 80%가 부유로(3)로 분리되어 입자의 분리효율이 매우 우수함을 알 수 있다.

따라서 이 가상충돌기를 브로워(blower)에 연결하여 제진기로 사용하게 되면 2.0㎛의 입자는 50%, 3.0㎛의 입자는 80%, 5.0㎛ 이상의 입자는 90% 제거할 수 있는 성능을 갖게 된다.

한편, 상기 조건으로 제작된 가상충돌기의 입자 크기별 분리곡선은 설계조건에 따라 변경될 수 있다. 즉, 보다 작은 입자를 제거할 수 있도록 제작할 수 있고, 혹은 보다 큰 입자만을 제거할 수 있도록 제작이 가능하다.

이와 같이 설계조건의 변경에 의해 보다 작은 입자의 제거효율을 한층 높일 수는 있으나 100% 제거는 불가능하다.

5.0㎛보다 작은 입자를 완전히 제거하기 위해서는 기존의 공조시설에서 사용되고 있는 여과법을 사용하여야 하나, 여과법은 압력손실이 크고 사용할 때간이 경과함에 따라 압력손실이 증대되며 또한 여과기를 자주 갈아주어야 하는 단점이 있다.

따라서 본 발명의 가상충돌기를 여과장치 앞에 장치하면 큰 입자들이 미리 제거되어 비교적 청정한 공기만이 여과장치에 유입되어 여과지의 수명을 연장시킬 수 있게 되므로 공기정화시 본 발명의 가상충돌기를 기존이 여과장치와 병행하여 사용하는 것이 바람직하다.

[실시예2]

원형 가상충돌기의 제작 및 기본 성능 분석

본 실시례에서는 유입 유량(Q_T) 및 50% 절단입자 직경이 상이한 2가지 형태의 원형 가상충돌기를 다음과 같은 조건으로 제작하여 기본 성능을 분석하였다.

제1원형 가상충돌기

유입 유량(Q_T)이 90ℓ/min이고, 50% 절단입자 직경이 1.5㎛인 경우 수치해석 및 실험에 의해 선정한 설계조건은 다음과 같다.

상기 조건으로 제작된 가상충돌기의 입자크기별 분리곡선은 제3도와 같다.

제3도에서 알 수 있듯이 1.5㎛ 이상의 입자는 부유로(3)로 분리되고, 1.5μm 이하의 입자는 주유로(4)로 분리되었으며, 3.0㎛ 이상의 입자는 90%가 부유로(3)로 분리되었다.

특히, 5.0㎛ 이상의 입자들은 100%가 부유로(3)로 분리되어 입자분리장치의 분리효율이 매우 우수하게 나타났다.

따라서 이 가상충돌기를 브로워에 연결하여 제진기로 사용하는 경우에는 1.5㎛의 입자는 50%, 3.0㎛의 입자는 90%, 5.0㎛ 이상의 입자는 100% 제거할 수 있는 성능을갖게 된다.

제2원형 가상충돌기

유입 유량(Q_T)이 100ℓ/min이고, 50% 절단입자 직경이 8.5㎛인 경우 수치해석 및 실험에 의해 선정한 원형의 가상충돌기의 설계 조건은 다음과 같다.

이상의 조건으로 제작한 가상충돌기의 입자크기별 분리곡선은 제4도에 나타나 있다. 8.0㎛보다 큰 입자는 부유로(3)로 분리되고, 8.5㎛보다 작은 입자는 주유로(4)로 분리되었으며, 9.8㎛ 이상의 입자는 70%가 부유로(3)로 분리되었다.

즉, 이 가상충돌기를 브로워에 연결하여 제진기로 사용할 경우 8.5㎛의 입자는 50%, 9.8㎛의 입자는 70% 제거할 수 있는 성능을 갖게 된다.

상기의 경우는 공기중의 부유입자를 제거시키기 위한 가상충돌기의 제진기 역할을 나타낸 것이나, 본 발명의 가상충돌기는 공기중의 부유입자를 수집하기 위한 수집장치로 이용될 수 있다.

즉, 입자가 분리되어 나오는 부유로(3)의 부유동 유량(Q_m)은 총유량(Q_T)의 10% 정도에 불과하므로 입자의 농도가 10배 농축된 상태이다.

이때 부유로(3)에 농축된 입자는 여과지, 임핀저, 충돌판, 싸이클론 또는 정전기적인 방법에 의해 수집될 수 있으며, 가상충돌기에 의한 입자의 농축으로 이들 장치에 의한 입자의 수집시간 단축과 수집효율 증대를 도모할 수 있다.

본 실시례의 가상충돌기에서는 1단에서 작은 쪽의 입자를 제거한 다음 2단에서 큰 입자를 제거하게 되는데 1단의 50% 절단입자 직영을 8.5㎛로 하고 2단의 50% 절단입자의 직경을 2.5㎛로 하여도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 즉, 1단에서 8.5㎛ 이하의 입자를 포함한 유동하는 주유로를, 절단입자 직경이 2.5㎛인 2단 가상충돌기에 유입시키면 2단 가상충돌기의 부유로(3)에서 2.5∼8.5㎛ 크기로 선별 농축된 입자를 수집할 수 있다.

[실시예 3]

2단 가상충돌기의 제작 및 성능 분석

공기중의 부유입자의 크기가 일정 범위에 속하는 것만을 선별하여 수집 및 농축하기 위하여 상기 실시례 1과 실시례 2에 제시된 슬릿형 가상충돌기와 원형 가상충돌기를 결합하거나 슬릿형 가상충돌기 2개를 결합하여 입자분리장치를 제작하였으며, 시험방법과 결과는 다음과 같다.

2.5∼8.5㎛ 사이의 크기를 갖는 입자만을 수집하기 위하여 실시례 1의 1단 가상충돌기에서 2.5㎛ 이하의 입자를 함유한 주유동은 폐기시킨 채 부유동만을 실시례 2의 가상충돌기에 유입시켜 2단 가상충돌기의 부유로로 8.5㎛ 이상의 입자가 분리되도록 하여 주유로에는 목적하는 크기인 2.5∼8.5㎛ 사이의 입자가 분리되어 나오도록 함으로써 이들 범위의 입자만을 농축하여 선별 수집할 수 있었다.

본 실시례에서는 2단의 가상충돌기를 1단과 마찬가지로 슬릿형으로 할 수 있다. 이같이 2단 가상충돌기를 슬릿형으로 하는 경우에는 2.5∼8.5㎛ 사이의 입자를 함유한 2단 부유로의 형태로 슬릿형이 되고, 2단 가상충돌기가 원형인 경우에는 2단 부유로가 원형이므로 부유로로 선별농축된 입자의 차후 처리과정에 따라 선택될 수 있다.

[실시예 4 ]

3단 가상충돌기의 제작 및 성능 분석

일정 크기내의 입자를 선별수집하여 농축하는 경우에 그 농축율을 증대시키기 위하여 3개의 가상충돌기를 제5도에 도시된 바와 같이 상하 직렬의 3단으로 제작하였다.

즉, 슬릿형 가상충돌기로 이루어진 제1가상충돌기(5)의 아랫쪽에 원형 가상충돌기로 구성된 제2, 제3가상충돌기(6,7)를 일체로 형성하였다.

제5도에 도시된 슬릿형 및 원형 가상충돌기의 조합 이외에도 다양한 크기의 가상충돌기를 임의의 단으로 조합할 수 있다.

제5도에서 제1가상충돌기(5)는 실시예 1의 슬릿형 가상충돌기이고, 제2 및 제3가상충돌기(6,7)는 실시례 2의 원형 가상충돌기로 구성된 것으로서, 2.5∼7.5㎛ 사이의 입자를 선별농축하고 최종 유량이 15ℓ/min이 되도록 구성된 입자수집기이다.

제1가상출동기(5)로 유입되는 총유량(Q_T1)은 1000ℓ/min로서 제1가상충돌기(5)의 가속노즐(1a)을 빠져나온 공기중 2.0㎛ 이하의 입자를 포함한 공기는 주유로를 통해 제거되고 나머지 2.0㎛ 이상의 입자를 포함하고 있는 100ℓ/min의 공기만이 수집노즐(2a) 내의 부유로로 향하게 된다.

다음 제1가상충돌기(5)의 수집노즐(2a)을 통과한 후 부유로로 유동하는 상기 100ℓ/min의 공기는 제2가상충돌기(6)로 유입되어 총유량(Q_T2)로 되며, 제2가상충돌기(6)의 가속노즐(1b)을 통과하여 7.5㎛ 이상의 입자는 수집노즐(2b) 내의 부유로를 통해 제거됨으로써 결과적으로 2.0∼8.5㎛ 사이의 입자를 포함한 공기 90ℓ/min가 주유로를 통과하여 제3가상충돌기(7)로 유입된다.

이와 같이 제2가상충돌기(6)의 주유로를 통해 제2가상충돌기(7)로 유입된 총유량(Q_T3) 90ℓ/min는 가속노즐(1c)을 통과하면서 1.5㎛ 이하의 입자는 주유로를 통해 제거되고 2.0∼8.5㎛ 사이의 입자를 15ℓ/min의 공기에 농축하여 수집노즐(2c)의 부유로를 통과하게 된다. 따라서 제1가상충돌기(5)의 가속노즐(1a)로 유입되는 1000ℓ/min의 공기는 최종적으로 제3가상충돌기(7)의 부유로를 통해 15ℓ/min의 공기중에 2.5∼7.5㎛ 사이의 입자가 선별농축되어 유출된다.

Claims (8)

1. 공기중의 부유입자를 관성력의 차이에 의하여 분리하는 부유입자 분리장치에 있어서, 부유입자가 포함된 공기를 가속시키는 가속노즐과; 상기 가속노즐의 단부에 일정 간격을 두고 배치되는 수집노즐과; 상기가속노즐과 수집노즐(2) 사이에 측방을 향하도록 형성되는 주유로와; 상기 수집노즐의 축선방향을 향하는 부유로를 구비하여 가속노즐에서 가속된 공기중에 포함된 부유입자중 관성력이 큰 입자들은 부유로측으로 흐르고 관성력이 작은 입자들은 수집노즐의 입구측에서 정체되었다가 수집노즐을 벗어나 주유로측으로 흐르면서 분리되도록 구성한 것을 특징으로 하는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 가속노즐과 수집노즐이 슬릿형인 것을 특징으로 하는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 가속노즐과 수집노즐이 원형인 것을 특징으로 하는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치.
4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 가속노즐과 수집노즐로 구성된 가상충돌기를 다단으로 연결설치하여 일정 범위의 크기를 갖는 부유입자를 수집하도록 구성한 것을 특징으로 하는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1가상충돌기의 부유로를 제2가상충돌기의 가속노즐에 연결하여 제2가상충돌기의 주유로에서 제1가상충돌기와 제2가상충돌기에서 설정된 절단입자 반경의 범위에 속하는 입자만을 수집하도록 구성한 것을 특징으로 하는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 제1가상충돌기의 주유로를 제2가상충돌기의 가속노즐에 연결시켜 제2가상충돌기의 부유로에서 제1가상충돌기와 제2가상충돌기에서 설정된 절단입자 반경의 범위에 속하는 입자만을 분리하도록 구성한 것을 특징으로 하는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치.
7. 제4항에 있어서, 상기 3개 이상의 가상충돌기를 연결하여 일정범위의 입자를 고농도로 수집하도록 구성한 것을 특징으로 하는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치.
8. 제4항에 있어서, 다수개의 가상충돌기를 절단입자 반경이 큰 것부터 작은 것의 순으로 직렬로 연결하되 앞단계의 부유로가 다음 단계에 연결하도록 형성하여 입자제조장치의 출구에 부착함으로써 각 단의 주유로를 통해 입자크기별로 선별된 입자가 얻어지도록 구성한 것을 특징으로 하는 가상충돌기를 이용한 부유입자 분리장치.