KR100371530B1 - 수처리용 혼합 및 순환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수처리용 혼합 및 순환장치에 관한 것으로, 지금까지 임펠러를 회전시켜 발생하는 난류를 이용하는 전형적인 혼합기의 혼합성능 및 에너지효율을 개선하기 위하여, 유체유동이론을 근거로 수조(1), 탱크 또는 호소에 있는 유체의 상층액과 하층액이 순환 및 혼합될 수 있도록 순환원통(2)을 구비하고, 상기 순환원통(2) 하단에 원심식 임펠러(3) 및 이를 구동시키기 위한 수중모터(6)(또는 수면 상단에서 일반모터도 가능)가 장착된 수처리용 혼합 및 순환장치를 제공함으로써 최소한의 동력을 사용하면서도 어류양식장, 호소, 소화탱크 또는 오폐수처리장내에서 액체-기체, 폐수-약품, 공기-활성슬러지 또는 영양분-생물 사이의 균일하고 효율적인 혼합을 가능하게 하는 효과가 있으며, 또한 유체순환에 의하여 유기물 분해에 필요한 용존산소량도 증가시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

수처리용 혼합 및 순환장치{Hydraulic mixing and circulating system in water treatment}

본 발명은 수처리용 혼합 및 순환장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체-기체, 폐수-약품, 공기-활성슬러지 또는 영양분-생물 사이의 균일하고 효율적인 혼합을 가능하게 하고 유기물 분해에 필요한 용존산소량을 증가시킬 목적으로 수조에 있는 유체의 상층액과 하층액이 혼합될 수 있도록 순환원통을 구비하고, 상기 순환원통 하단에 원심식 임펠러 및 이를 구동시키기 위한 수중모터가 장착된 수처리용 혼합 및 순환장치에 관한 것이다.

혼합(mixing)은 수처리 분야에서 아주 중요한 단위조작이다. 일반적으로 여러가지 성분이 서로 다른 성분과 완전히 혼합되어야 할 경우가 많으며, 전형적인 혼합수단으로 임펠러(impeller)가 보편적으로 사용되고 있다. 임펠러가 유체내에서 회전하면서 그 주위에 난류가 발생하고 그 난류에 의하여 유체의 혼합이 이루어진다. 그 외에 확산 포기 또는 공기-물 리프트 펌프 (jet-lift pump) 등을 이용하여난류가 일어나게도 한다.

혼합을 위하여 임펠러를 사용할 경우 임펠러와 유체가 접촉되는 표면 주위에만 혼합이 이루어지게 된다. 이를 방지하기 위하여 대형임펠러를 사용하여 저속으로 회전시키면 임페러의 저속운동으로 인하여 경계층이 증가되어 원거리까지 유체가 유동하게 되나, 이 경우 층류유동으로 난류은 감소되어 혼합효과가 감소하므로 혼합에 너무 장시간이 소요된다. 반면에 고속임펠러를 사용하면 난류의 세기는 증가하여 혼합시간은 단축되나, 경계층은 더욱 축소되어 유동은 임펠러의 주위에만 국한되어 결과적으로는 더욱 국부적인 혼합만 이루어지게 되므로 균일한 혼합이 이루어지지 않는다.

또한, 임펠러를 사용할 경우 임펠러의 회전에 의하여 유체의 와류(vortex) 또는 맴돌이(mass-swirling)현상이 발생하여 유체속도와 임펠러속도 차이가 감소되면서 혼합효과도 현저하게 저하될 뿐 아니라 에너지 손실도 초래하게 된다. 이를 방지하기 위하여 임펠러를 한편으로 치우치게 설치하거나 또는 방해판을 설치하는 등의 부수조치가 필요하게 되며, 이에 따라 에너지 손실은 더욱 더 증가하게 된다.

수처리 분야에서 액체-기체혼합을 가장 많이 이용하는 경우는 생물학적 수처리에서의 산소전달이다. 산소의 용해도가 적기 때문에 정상적인 물-공기 계면을 통하여서는 호기성 수처리에 충분한 산소가 수중으로 전달되지 못한다. 따라서, 필요한 산소를 수중으로 전달하기 위하여 공기나 순수산소 기포를 수중으로 도입함으로써 공급할 수 있다. 그 중에서 수중기포포기(submerged-bubble aeration), 공기-물 리프트(jet-lift pump), 확산기(diffuser), 표면 포기(surface aerator) 등이 가장많이 사용되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기의 문제들을 해결하기 위하여 최소한의 에너지를 사용하면서도 효율적으로 유체를 균일하게 혼합시키며, 산소전달을 증진시킬 수 있는 수처리용 혼합 및 순환장치를 제공함에 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 작용을 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수처리용 혼합 및 순환장치의 기본적인 형태, 유체의 이동 및 그 원리를 도시한 사시도(유체의 흐름방향은 화살표로 표시),

도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시의 한 예로서, 임펠러의 구동축을 연장하여 보조임펠러를 추가적으로 장착한 수처리용 혼합 및 순환장치를 도시한 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 다른 예로서, 주입관 및 주입장치를 구비한 수처리용 혼합 및 순환장치를 도시한 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 또 다른 예로서, 보조임펠러를 구비한 역상구조의 수처리용 혼합 및 순환장치를 도시한 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 또 다른 예로서, 수면 상단의 일반모터에 의하여 구동되는 수처리용 혼합 및 순환장치를 도시한 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 수조(탱크 또는 호소) 2 : 순환원통

3 : 임펠러 4 : 보조임펠러

5 : 흡입방지판 6 : 수중모터

7 : 구동축 8 : 받침대

9 : 주입관(또는 송기호스) 10 : 주입장치(약품혼합장치 또는 포기장치)

11 : 지지대 12 : 일반모터

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수조(탱크 또는 호소)에 있는 유체의 상층액과 하층액이 혼합될 수 있도록 순환원통을 구비하고, 상기 순환원통 하단에 원심식-임펠러(radial-impeller) 및 이를 구동시키기 위한 수중모터 또는 일반모터가 장착된 수처리용 혼합 및 순환장치를 제공한다.

원심식-임펠러의 회전으로 순환원통내의 유체는 임펠러 원심방향인 순환원통 외부로 배출되고, 이로 인한 부압은 순환원통 상부에서는 유체가 순환원통 내로 흡입되면서 상에서 하의 방향으로 유체의 순환이 이루어진다. 또한 순환원통은 흐름유도(shroud) 역할을 하여 유체의 순환방향을 임펠러의 구동축과 같은 방향으로 순조롭게 임펠러를 향하여 흐르도록 유도함으로써 임펠러의 운동방향과 유체의 진행방향이 수직이 되면서 임펠러의 회전에 의한 난류가 발생하게 된다. 이에 따라 수조의 상층액과 하층액이 임펠러 주위에서 혼합되며, 임펠러의 회전운동에 의하여원심(radial)방향으로 혼합된 유체가 확산된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하고자 하지만, 본 발명의 권리범위는 하기 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수처리용 혼합 및 순환장치의 기본적인 형태, 유체의 이동 및 그 원리를 도시한 사시도이다. 본 발명에 따른 수처리용 혼합 및 순환장치는 수조(1)에 있는 유체의 상층액과 하층액이 혼합될 수 있도록 순환원통(2)을 구비하고, 상기 순환원통(2) 하단에 원심식-임펠러(3)가 장착된다. 상기 임펠러(3)는 구동축(7)으로 연결되어 있어 임펠러(3) 하단에 설치된 수중모터(6)에 의하여 구동된다. 상기 임펠러(3) 하부의 유체가 흡입되는 것을 방지 또는 조절하기 위한 흡입방지판(5)이 임펠러(3)와 수중모터(6) 사이에 설치되어 있어 이 흡입방지판(5)의 크기에 따라 바닥부위의 유체 흡입을 방지 또는 조절할 수 있다. 상기 순환원통(2)과 흡입방지판(5) 사이에는 지지대(11)가 설치되어 순환원통(2)을 지탱하면서 임펠러(3)를 보호한다. 또한, 상기 수중모터(6) 하단에 받침대(8)를 설치하여 장치 전체를 지지한다.

순환원통(2) 내부에서 유체는 임펠러(3)의 구동축(7)에 평행하게 임펠러(3)를 향하여 흐르며, 임펠러(3)는 그 반경방향(구동축과 수직)으로 유체를 배출하므로 와류 또는 맴돌이현상이 발생하지 않는다. 또한, 유체의 이동방향과 임펠러(3)의 운동방향은 수직이 되면서 상대속도가 최대로 되어 난류가 증가함으로써 혼합효과가 상승하게 되며, 혼합된 유체는 순환에 의하여 수조(1) 전체에 이송되므로 수조(1)내의 유체는 균일하게 된다.

한편, 임펠러의 구동에 필요한 소요동력(P)은 층류 또는 난류에 따라 하기 식 [1] 또는 [2]와 같다.

층류에서: P =kμn²D³----------------- [1]

난류에서: P =kpn³D⁵----------------- [2]

여기서, P = 소요동력,k= 임펠러 특정상수,μ= 유체점도,

ρ= 유체질량밀도, n = 회전속도, D = 임펠러지름

상기 식에서 확인할 수 있는 바와 같이, 임펠러의 구동에 필요한 소요동력은 층류의 경우 임펠러지름의 3승에 비례하고, 난류의 경우 임펠러지름의 5승에 비례한다. 따라서, 임펠러지름이 증가할수록 소요동력은 기하급수적으로 증가하게 되므로 임펠러의 지름을 가급적이면 작게 하는 것이 에너지효율 측면에서 바람직하다. 본 발명에 따른 수처리용 혼합 및 순환장치의 순환원통(2)은 수조(1)에 비하여 그 크기가 상대적으로 매우 작고 임펠러(3)의 크기 또한 작으므로 상기 식 [1] 또는 [2]에 의한 소요동력을 그 만큼 감소시킬 수 있다. 또한, 유체순환에 있어서 순환원통(2)은 임펠러(3)의 흐름유도(shrouding) 작용을 하여 유체의 흐름을 원할하게 유도함으로써 임펠러(3)에 의하여 혼합된 유체를 수조(1)의 모든 부위에 균일하게 이송하므로 에너지소모는 감소하면서 수조내 모든 곳이 매우 균일해진다.

도 2는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 한 예로서 임펠러의 구동축을 연장하여 보조임펠러를 추가적으로 장착한 수처리용 혼합 및 순환장치를 도시한 사시도로서, 필요에 따라 임펠러(3)의 구동축(7)을 연장하여 보조임펠러(4)를 추가적으로 장착함으로써 본 발명에 따른 수처리용 혼합 및 순환장치의 기능을 보강할 수 있다. 수조(1) 내에 부유물이 많을 경우 임펠러(3)의 구동축(7)을 연장하여 보조 축류식-임펠러(axial impeller 또는 프로펠러)(4)를 순환원통(2)의 상단 입구 부근에 장착하면 부유물의 흡입과 유체순환이 더욱 원할하게 이루어지므로 그 혼합 및 순환효과는 더욱 향상되게 된다. 또한, 상기 보조임펠러(4)는 액체-기체 계면에 근접하게 위치하므로 그 회전속도가 어느 정도 이상만 되면 포기기능까지 수행함으로써 유체 상부의 공기를 유동하는 액체에 흡입하게 되므로 일반적인 포기장치에 비하여 포기성능이 더욱 더 우수하다.

도 3은 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 다른 예로서 주입관 및 주입장치를 구비한 수처리용 혼합 및 순환장치를 도시한 사시도로서, 공기, 순수산소, 오존 또는 약품 등을 주입할 수 있도록 임펠러(3) 부근에 주입관(9)(또는 송기호스) 및 주입장치(10)(약품혼합장치 또는 포기장치)를 구비하면, 임펠러(3)가 회전할 때 발생하는 부압에 의해 주입관(9) 또는 송기호스를 통하여 임펠러(3) 부근으로 기체 또는 약품의 흡입이 촉진되므로 약품혼합 또는 포기를 효과적으로 수행할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 또 다른 예로서 보조임펠러를 구비한 역상구조의 수처리용 혼합 및 순환장치를 도시한 사시도로서, 본 발명 장치를 역상구조으로 제작하면 유체순환 방향이 반대가 되어 하층의 유체를 상층으로 흡입하여 혼합할 수도 있다. 수조(1) 내에 침전물이 많을 경우 역상구조의 본 발명 장치에 의하여 순환원통(2) 상단에 위치한 원심식-임펠러(3)가 수조(1) 하층부의 유체 및 침전물을 순환원통(2)을 통하여 상층방향으로 흡입하므로 수조(1) 상층부의 유체와 혼합되면서 전체적으로 확산된다. 또한, 임펠러(3)의 구동축(7)을 연장하여 보조임펠러(4)를 순환원통(2) 하단에 장착하면 침전물의 흡입과 유체순환을 더욱 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 또 다른 예로서, 수면 상단의 일반모터에 의하여 구동되는 수처리용 혼합 및 순환장치를 도시한 사시도로서, 수중모터(6)를 대신하여 임펠러(3)의 구동축(7)을 수면 상단의 대기 중으로 연장함으로써 일반모터(12)를 장착할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 수처리용 혼합 및 순환장치를 사용하게 되면 최소한의 에너지로 유체를 보다 균일하고 효율적으로 혼합시킬 수 있을 뿐만 아니라, 유체순환에 의하여 대기로부터 공기의 용해가 촉진되므로 용존산소량도 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

이상, 본 발명의 구체적인 구성을 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명은 최소한의 동력을 사용하면서도 어류양식장, 호소, 소화탱크 또는 오폐수처리장에서 액체-기체, 폐수-약품, 공기-활성슬러지 또는 영양분-미생물 사이의 균일하고 효율적인 혼합을 가능하게 하는 효과가 있으며, 또한 유체순환에 의하여 유기물 분해에 필요한 용존산소량도 증가시킬 수 있는 뛰어난 효과가 있으므로 환경산업상 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 순환원통(2)내에 구동축(7)으로 연결된 임펠러(3)를 수중모터(6)로 구동하게 하는 장치에 있어서,

   수조(1), 탱크 또는 호소에 있는 유체의 상층액과 하층액을 균일하고 효율적으로 혼합하고 용존산소량을 증대시킬 수 있도록 반경방향의 원심형 임펠러(3)를 순환원통(2)과 하단에 받침대(8)가 설치된 수중모터(6)와의 사이에 설치하되 흡입방지판(5)을 개재하여 지지대(11)로 고정 설치하므로써 순환원통(2)을 지지함과 동시에 상기 임펠러(3) 하부에 유체가 흡입되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 수처리용 혼합 및 순환장치
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 반경형상의 원심형 임펠러(3) 부근에 주입관(9) 또는 송기호스를 설치하고 주입장치(10), 약품혼합장치 또는 포기장치를 구비함을 특징으로 하는 수처리용 혼합 및 순환장치.
4. 삭제