KR0155956B1 - 운동 에너지를 압력 에너지로 변환하기 위한 장치를 가진 원심 분리기 - Google Patents

Abstract

회전축 둘레의 챔버내에서 회전하는 액체의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환하는 장치를 가진 원심 분리기이다. 장치는 액체를 챔버의 밖으로 배출하기 위한 요소를 구비하고, 이 요소는 액체가 표면(20)과 접촉 및 표면을 따라 소정의 방향으로 유동하도록 회전 액체내에서 위치되도록 배열된 회전 축을 둘러싸는 표면(20)을 가지고 있다. 배출 요소는 적어도 하나의 배출 채널(21)을 형성하고, 이는 상기 표면(20)내에 위치된 유입구(22)를 가지고 있고 이는 유입구(22)로부터 상기 유동방향으로 약간 연장되어 있다. 유동방향에서 볼 때 유입구(22)는 두 개의 대향 측면 에지(23,24)와 이들의 하류에 위치된 횡단 에지(25)에 의해 한정되어 있다. 에너지 변환을 더 효율적으로 하기 위하여, 유입구(22)의 대향 측면 에지(23,24)는 이것의 연장부의 주요 부분을 따라 유동방향으로 분리되어 있고 액체가 유입구(22) 안으로 유동하는 방향으로 적어도 하나의 측면 에지를 가지고 있다.

Description

운동 에너지를 압력 에너지로 변환하기 위한 장치를 가진 원심 분리기

제1도는 본 발명에 의한 장치가 구비되어 있는 원심 분리기의 일부의 축방향 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.

제2도 내지 제6도는 본 발명에 의한 장치의 일부의 다양한 실시예들을 도시한 도면이다.

제1도에 도시된 원심 분리기는 로킹 링(3)에 의해 축방향으로 상호 결합되는 하부 부분(1)과 상부 부분(2)를 구비한 회전자(rotor)로 구성된다. 예로 도시되는 원심 분리기의 내측에는 축방향으로 이동가능한 밸브 슬라이드(4)가 배치되어 있다. 상기 밸브 슬라이드(4)는 상부 부분(2)와 분리 챔버(5)를 한정하고, 작동 중에 회전자에 공급된 혼합물로부터 분리되어 분리 챔버(5)의 외주에 수집되는 요소를 위하여 배출구(6) 쪽으로 환형 간격(gap)을 개방 및 폐쇄하도록 배치되어 있다. 밸브 슬라이드(4)는 하부 부분(1)고 폐쇄 챔버(7)을 한정하고, 상기 하부 부분에는 밀봉 액체용 유입구(8)과 교축된(throttled) 배출구(9)가 구비되어 있다.

분리 챔버(5)의 내측에는 분배기(11)과 상부 부분(2) 사이에 다수의 원추형 분리 디스크로 구성된 적층 디스크(10)이 배치되어 있다. 상부 부분은 제1도에 도시된 바와 같이 그 최상단부에 챔버(12)를 형성하고, 이 경우에 혼합물의 특정한 경량 액체 성분이 분리 챔버(5)로부터 챔버(12)로 유입구(13)을 통해 유동할 수 있다. 회전자의 작동 중에 챔버(12) 내에 존재하는 액체는 방사상 내향하는 자유 액체 표면(14)를 갖는 회전 액체를 형성한다.

고정 유입 튜브(15)는 챔버(12)의 중심을 통하여 연장되어 있고, 이는 분배기(11)의 내부로 개방되어 있다. 유입 튜브(15) 주위에는 챔버(12) 내의 특정한 저밀도의 액체 성분을 위한 고정 배출 튜브(16)이 배치되어 있다. 상기 챔버 내에서 배출 요소(17)은 유입 튜브 주위에 배치되어 배출 튜브(16)에 연결되어 있다. 배출 요소(17)은 고정되어 있으나, 다른 배출구 배치에 있어서는 유사한 배출 장치가 회전자의 회전 속도보다 느린 속도로 회전하도록 배치될 수 있다.

배출 요소(17)은 방사상 외향으로 연장되어 있고, 회전 액체의 자유 액체 표면(14)의 반경 방향 거리(radial level)보다 외측에 적어도 하나의 유입궤(18)을 갖춘 부분을 구비하고 있다. 이 유입구(18)은 배출 요소(17) 내에 형성된 배출 채널(19)를 통해 배출 튜브(16)의 내부에 연결되어 있다.

제2도 내지 제6도는 제1도에 도시된 배출 요소의 본 발명에 의한 제조 방법의 몇몇 상세한 실시예가 도시되어 있다.

제2도에 도시된 배출 요소는 원형의 원통형 표면(20)을 구비하고 있고, 이는 작동 중에 챔버(12) 내의 회전 액체 내에 위치되어 있으며 이를 따라 액체가 소정의 방향으로 유동한다. 배출 요소 내측에 외부 채널(21)이 연장되어 있고, 이는 상기 표면(20) 내에 유입구(22)를 구비하고 있으며, 이것의 대향 단부에서(도시되지 않은) 배출 튜브의 내부에 연결되어 있다. 이 실시예에서 유동 방향에서 본 유입구(22)는 두 개의 대향 측면 모서리(23,24)에 의해 한정되고, 상기 측면 모서리를 가로지르는 액체가 상기 유입구(22) 내로 유동하도록 동일한 지점에서 유동 방향으로 발산한다. 하류에서 유입구(22)는 횡단 모서리(25)에 의해 한정되고, 이는 두 측면 모서리(23,24)에 연결되어 있다. 제3도 내지 제6도에 도시된 실시예와 마찬가지로 제2도에 도시된 실시예에서, 배출 채널은 상류의 유입구(22)의 단부에서 배출 요소의 원형 원통형 표면(20)의 연속부를 형성하는 제한 표면(26)을 구비하고 있다.

제3도에 도시된 실시예의 측면 모서리(27,28)이 측면 모서리를 따라 변하는 곡률 반경을 갖는 만곡 형태이며 또한 유동 방향으로의 유입구(29)가 두 개의 평행한 횡단 모서리(30,31)에 의해 한정된다는 점에서 본 배출 요소는 제2도에 도시된 배출 요소와 상이하게 된다. 만곡된 측면 모서리(27,28)은 유입구(29)쪽으로 볼록하다가 상기 유입구 쪽으로 오목하게 하는 방향으로 변한다.

제2도 및 제3도 내에 도시된 배출 요소 내의 각 유입구(22,29)는 유동 방향으로 연장된 중앙선에 대하여 대칭으로 형성되어 있고, 동시에 상기 중앙선은 각각 배출 요소의 원형 원통형 표면 내의 중앙선을 형성한다.

제4도는 본 발명에 의한 배출 요소를 도시하는데, 이는 하나의 배출 채널(32)와 두 개의 유입구(33,34)를 가지도록 설계되어 있다. 이들 각 유입구는 제4도에 도시된 유입구(29)와 동일한 형태를 갖는다. 두 개의 유입구(33,34)는 유동 방향으로 연장된 원형 원통형 표면의 중앙선에 대칭으로 적절히 위치되어 있다.

제5도는 비대칭인 유입구(35)를 갖는 배출 요소를 도시하고 있다. 이 유입구(35)는 두 개의 측면 모서리(36,37)에 의해 유동 방향 쪽에 수직하게 또한 두 개의 횡단 모서리(38,39)에 의해 유동 방향으로 한정된다. 제2도 내지 제4도에 도시된 실시예에서와 같이, 측면 모서리(36,37)은 본 실시예에서도 발산된다. 측면 모서리(36)은 직선이고 유동 방향에 거의 평행하게 되어 있고, 반면에 다른 측면 모서리(37)은 제3도 및 제4도에 도시된 실시예의 각 측면 모서리와 같이 마찬가지로 만곡된 형상을 갖는다. 본 실시예의 횡단 모서리(38,39)는 유동 방향에 수직하다.

제6도는 두 개의 유입구(41A,41B)와 하나의 배출 채널(40)을 구비한 배출 요소를 도시하고 있다. 각 유입구는 제5도에 도시된 유입구(35)의 형태와 유사한 형태를 가지며, 유동 방향으로 발산된 두 개의 측면 모서리들(42,43 및 44,45)에 의해 유동 방향에 수직으로 한정되어 있다. 이들 두 개의 측면 모서리들의 각 측면 모서리(42,44)는 직선으로 유동 방향으로 향하고 있고, 반면에 다른 측면 모서리(43,45)는 제5도에 도시된 만곡된 측면 모서리(33)과 유사한 만곡 형태를 각각 갖는다. 제6도에 도시된 바와 같이 두 개의 유입구는 그들의 만곡된 측면 모서리들이 만나도록 회전하는 것이 바람직하다. 상류에서 각 유입구는 횡단 모서리(46,47)에 의해 한정되고, 이들은 각각 만곡된 측면 모서리에 유입구의 직선 측면 모서리를 연결시킨다. 도시된 실시예에 있어서, 두 개의 유입구(41A,41B)는 밀폐된 윤곽을 형성하지 않는다. 하류에서 유입구는 공통의 횡단 모서리(48)에 의해 한정되고, 이는 유입구의 두 개의 직선 측면 모서리(42,44)에 연결되어 있다.

이러한 방법으로 전술한 형태의 에너지 변환 장치를 갖는 원심 분리기를 설계함으로써 회전 액체의 운동 에너지가 회복되어서 종래보다 더 효율적으로 압력 에너지로 변환될 수 있게 된다.

이는 유입구 방향으로 측면 모서리를 가로질러 유동하는 액체에 따라 다르고 측면 모서리를 따라 와류(whirl)가 생성된다. 상기 와류는 액체가 배출 채널 내로 유동하도록 배출요소 주위에서 전단력에 의해 영향을 받는 방향으로 생긴다.

도시된 모든 실시예에서, 유입구는 원형 원통형 표면 내에 형성되고 반경 방향으로 향하게 된다. 그러나, 본 발명은, 예컨대 축방향으로 향하는 유입구를 갖는 종류의 장치에도 적용이 가능하다.

본 발명은 챔버 내에서 회전축 둘레로 회전하는 액체의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환하기 위한 장치를 원심 분리기에 관한 것이다. 본 장치는 챔버 밖으로 액체를 배출하기 위한 요소를 구비하고 있는데, 상기 요소는 회전 액체 내에 위치되도록 배치된 회전축을 둘러싼 표면을 구비하여 상기 액체가 상기 표면과 접촉하며 이를 따라 소정의 방향으로 유동하게 된다. 이 요소든 적어도 하나의 배출 채널을 형성하며, 이 배출 채널은 상기 표면 내에 유입된 유입구(inlet opening)를 가지고 이 유입구로부터 상기 유동 방향으로 조금 더 연장되어 있다. 액체의 유동 방향에서 볼 때, 유입구는 두 개의 대향 측면 모서리(side edge)와 이들의 하류에 위치한 하나의 횡단 모서리(cross edge)에 의해 한정된다.

이러한 종류의 에너지 변환 장치가 구비된 원심 분리기에 있어서, 원심 분리기의 회전자(rotor) 부품들은 액체가 그 안에서 회전하는 배출 챔버를 형성한다. 이 배출 챔버는 원심 분리기의 회전자의 분리 챔버로부터 분리된 액체를 계속적으로 수용하기 위하여 배치되어 있다. 이러한 액체는 배출 챔버 내의 회전 액체를 형성한다. 배출 장치는 배출 챔버 내의 중앙에 배치되어 있고, 이를 통하여 액체는 배출 챔버 밖으로 또한 원심 분리기의 회전자 밖으로 배출된다. 예컨대, 이러한 종류의 원심 분리기는 WO 88/7893호에 개시되어 있다.

많은 경우에 있어서, 에너지 변환 장치는 회전 액체 내의 저장된 에너지를 가능한한 많이 압력 에너지로 변환시키는 것이 중요하다. 최대치로서 얼마나 높은 압력을 달성할 수 있는가는 액체의 유동선을 따른 압력에 대한 베르누이의 방정식에 의해 결정된다.

P_stat+P_dyn=일정(Constant)

유입구에서의 정압 P_stat는 유입구의 방사상 내측에 위치된 회전 액체의 일부분으로부터의 압력에 의해 형성되고, 그 압력은 액체의 이 부분에 작용한다.

동압 P_dyn은, 유동선을 따른 각 점에서는 방정식 P_dyn=(1/2)ρW²의 방정식에 의해 결정되며, 단 ρ는 액체의 밀도이고 W는 관찰점에서의 액체의 유동 속도 또는 유동률(flow rate)이다.

유입구의 외측에서 액체는 정압 및 동압의 합계인 전체 압력을 가진다. 그러나, WO 88/7893호에 의해 공지된 원심 분리기에서는 동압의 일부분 만이 배출구 내의 액체 압력의 형태로 회복될 수 있다. 그러므로, 원심 분리기의 회전자의 챔버 밖으로 배출되어야 하는 회전 액체의 운동 에너지 회복을 위한 분리기를 위하여 다른 장치가 제안되었다. 이러한 장치는, 방사상 연장부와 액체의 유동 방향에 대향하는 방사상 외부 부분 내의 유입구를 갖는 배출 장치를 구비하고 있다. 이러한 방법으로 유입구를 향하게 함으로써 배출 장치 외부의 회전 액체의 동압의 상당 부분은 액체 압력의 형태로 회복될 수 있다. 그러나, 이러한 방법으로 설계된 배출장치는 챔버 내의 액체에 작용하는 큰 감속 효과(slow down effect)를 가진다. 더욱이, 상기 배출 장치는 액체에 대하여 큰 교반(agitating) 효과를 가지고 있고, 이럼으로써 한편으로는 배출되는 액체 내에 공기가 섞일 위험성이 있고 또한 액체에 작용하는 기계적 영향을 손상시킬 가능성이 있다.

본 발명의 목적은 회전 액체의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환하기 위한 최초 언급한 종류의 장치를 갖는 원심 분리기를 달성하는 것으로, 상기 장치는 액체 내에 공기가 섞이는 위험성이 없이 공지된 장치에 비해 회전 액체 내에서 상당량의 정압 및 동압을 회복시킬 수 있다. 본 발명의 다른 목적은 상기 장치가 과다한 감속 효과 및 과다한 응력을 초래하지 않고서도 상기 작용을 수행할 수 있게 하는 것이다.

이것은 본 발명에 의해 상기와 같은 종류의 에너지 변환 장치를 가진 원심 분리기를 구비함으로써 달성되며, 유입구의 대향 측면 모서리는 이 연장부의 최소한의 필수 부분을 따른 상기 유동 방향으로 발산되고, 적어도 하나의 상기 측면 모서리는 이를 가로질러 유동하는 액체가 상기 유입구 내로 유동하는 방향을 갖는다. 연장부의 최소한의 필수 부분을 따른다는 표현은 여기서는 이 연장부의 적어도 절반을 따른다는 의미로 사용되고 있다.

이러한 방법으로 상기 장치를 설계함으로써 회전 액체 내의 동력학적 에너지를 공지의 장치보다 실제적으로 많이 회복시킬 수 있다. 이것은 원심 분리기의 배출구 내에 높은 압력이 달성될 수 있어서 이에 의해 배출관 내에 배치되는 펌프를 불필요하게 하거나 또는 배출 장치의 방사상 치수가 감소되게 된다는 것을 의미하고, 이럼으로써 배출구 내의 소정의 액체 압력은 보다 적은 에너지가 손실되고서 달성될 수 있다. 이는 분리된 액체에 공기 혼합의 위험성 및 과다한 응력을 야기하지 않고서 가능하게 된다.

본 발명의 양호한 실시예에 있어서, 상기 측면 모서리의 각각은 이를 가로지르는 액체가 유입구 안으로 유동하는 방향을 가지고 있다. 적어도 하나의 측면 모서리는 만곡 형상을 가질 수 있고, 측면 모서리의 곡률 반경은 유입구 쪽으로 볼록한 유동 방향에서 유입구 쪽으로 오목하게 되도록 측면 모서리를 따라 변하는 것이 바람직하다.

본 발명의 특별한 실시예에 있어서, 배출 채널은 두 개의 유입구를 가지고 있는데, 각 유입구는 두 개의 발산된 대향 측면 모서리에 의해 한정되어 있으며, 하나의 유입구는 거의 전체 유입구를 따라 유동 방향으로 연장되어 있고 다른 하나는 상기 유입구보다 유동 방향으로 짧은 연장부를 가지고 있다.

양호하게는, 본 발명의 모든 실시예에 있는 유입구는 소정의 유동 방향의 중앙선(midline)에 대칭으로 배치되어 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

Claims (15)

1. 챔버 내에서 회전축 주위로 회전하는 액체의 운동 에너지를 압력 에너지로 변환하기 위한 장치를 구비하고 있으며, 상기 장치는 챔버(12) 밖으로 액체를 배출하기 위한 배출 요소(17)를 포함하고, 상기 배출요소(17)은 액체가 표면(20)고 접촉하며 이를 따라 소정의 방향으로 유동하도록 회전 액체 내에 배치된 회전축을 둘러싸는 표면(20)을 구비하고, 또한 상기 배출 요소(17)은 적어도 하나의 배출 채널(19,21,32,40)을 형성하고, 상기 채널들은 상기 표면 내에 위치한 유입구(18,22,29,33,34,35,41A,41B)를 구비하고 또한 이 유입구로부터 상기 유동 방향으로 다소 연장되어 있으며, 상기 유입구(18,22,29,33,34,35,41A,41B)는 상기 표면(20)을 따른 액체 유동 방향으로 볼 때 두 개의 대향 측면 모서리(23,24,27,28,36,37,42,43,44,45)와 이들보다 하류에 위치한 하나의 횡단 모서리(25,30,38,48)에 의해 한정되도록 구성된 원심 분리기에 있어서, 상기 유입구의 대향 측면 모서리(23,24,27,28,36,37,42,43,44,45)는 이 연장부의 최소한의 필수 부분을 따라 상기 유동 방향으로 발산하고 있고, 상기 측면 모서리의 적어도 하나는 이를 가로지르는 액체가 유입구(18,22,29,33,34,35,41A,41B) 안으로 유동하게 하는 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
2. 제1항에 있어서, 상기 측면 모서리(23,24,27,28,36,37,42,43,44,45)가 이 연장부의 적어도 절반을 따라 유동 방향으로 발산하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측면 모서리(23,24,27,28,42,43,44,45)의 각각은 이를 가로 지르는 액체가 유입구(22,29,33,34) 내로 유동하는 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
4. 제1항에 있어서, 배출 채널(40)은 두 개의 유입구(41A,41B)를 구비하고 있고, 이들 유입구의 각각은 두 개의 발산하는 대향 측면 모서리(42,43과 44,45)에 의해 각각 한정되어 있고, 그 중의 하나는 상기 유입구(41A,41B) 중의 하나의 거의 전체 부분을 따라 유동 방향으로 연장되어 있고 다른 하나는 유입구(41A,41B) 중의 다른 하나보다 유동 방향으로 짧은 연장부를 갖는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
5. 제1항에 있어서, 배출 채널(19,21,32,40)은 제한 표면(26)을 가지고 있고, 상기 제한 표면은 상류에 위치한 유입구의 단부에 배출 장치(17)의 상기 표면(20)의 연속 부분으로 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
6. 제1항에 있어서, 유입구(18,22,29,33,34,35)는 유동 방향의 중앙선에 대하여 대칭으로 설계되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
7. 제1항에 있어서, 상기 측면 모서리들 중의 적어도 하나의 두 측면 모서리(27,28,37,43,45)는 만곡된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
8. 제7항에 있어서, 만곡된 상기 측면 모서리(27,28,37,43,45)의 곡률 반경은 이 측면 모서리를 따라 변하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
9. 제8항에 있어서, 유동 방향으로 보아 유입구(18,22,29,33,34,35,41A,41B)쪽으로 볼록한 만곡된 상기 측면 모서리(27,28,37,43,45)가 유입구 쪽으로 오목하게 변하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
10. 제1항 또는 제5항에 있어서, 배출 채널(19,21,32,40)은 이것의 종방향에 수직한 횡단면을 가지고, 상기 횡단면의 면적은 상류에 위치된 배출 채널의 단부로부터 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
11. 제10항에 있어서, 상기 횡단면이 사각형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
12. 제1항 또는 제5항에 있어서, 배출 장치(17)은 원형 원통형 디스크로 구성되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
13. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 유입구(18,22,29,33,34,35,41A,41B)는 반경 방향으로 향하는 배출 장치(17)의 표면 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
14. 제1항 또는 제5항에 있어서, 배출 장치(17)이 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.
15. 제1항에 있어서, 상기 챔버는 회전자 몸체의 상부 부분(2)의 일부분 내에 형성되는 것을 특징으로 하는 원심 분리기.