KR100404759B1 - 분체 수송관용 곡관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분체 수송관용 곡관에 관한 것으로, 특히 곡관에 와류부가 형성된 분체 수송관용 곡관에 관한 것이다.

본 발명의 분체 수송관용 곡관은 유입관과 유출관을 접속시키기 위한 분체 수송관용 곡관에 있어서, 상기 유입관으로부터 유입되는 분체의 속도를 감소시키기 위해 상기 곡관의 입구측으로부터 단면적이 점증적으로 커지고, 단면 형상은 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수직축의 길이가 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수평축의 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 감속곡관부; 상기 감속곡관부로부터 유입되는 상기 분체의 속도를 증가시키기 위해 상기 곡관의 출구측까지 단면적이 점증적으로 작아지는 증속곡관부; 상기 감속곡관부로부터 분체의 일부가 유입되어 와류가 생성되도록 상기 증속곡관부와 경계를 이루는 상기 감속곡관부의 일부에서 분기되어 돌출되며 단면적이 점증적으로 작아지는 와류부를 포함하여 이루어진다.

Description

분체 수송관용 곡관{bent pipe for particles transportation pipeline}

본 발명은 분체 수송관용 곡관에 관한 것으로, 특히 곡관에 와류부가 형성된 분체 수송관용 곡관에 관한 것이다.

일반적으로 화력발전소, 제철소, 시멘트 제조공장 등과 같은 산업설비에서 분체가 수송관을 통해 고속(분체의 속도는 수송관의 길이와 직경에 따라 달라지지만, 통상 원거리 수송인 경우 분체의 원활한 수송을 위해 40m/s 정도)으로 수송되는 경우 유로가 급격히 변화하는 곡관부에서는 압력과 속도가 불균일하게 형성되어 부분적으로 압력 또는 속도가 증가된다. 따라서, 고속의 분체가 곡관의 내벽, 특히 외측 내벽에 충돌함으로써 심한 마모가 발생되어 곡관의 수명이 급격히 감소되는 문제점이 있었다.

따라서, 종래의 곡관에 있어서는 곡관의 내벽을 세라믹, 현무암(basalt), 초경합금 등의 내마모성 재질로 라이닝 처리함으로써 내마모성을 향상시킬 수 있는 곡관이 사용되었지만, 내마모성 라이닝 재료들은 재료의 희귀성과 제작의 특수성으로 인하여 제작비용과 유지보수비용이 많이 소용되는 문제가 있다.

이를 해결하기 위한 종래의 방안으로는 곡관의 형상을 변경시키는 것이 제안되었다.

제 1방안으로는 국내특허공보(공개번호 제99-78692호)에 게재된 고속유체이송배관용 곡형 이음관이며, 도 1에 도시되어 있다. 이를 간단히 살펴보면, 곡관의 유동방향전환부(13) 사이에 상류측 변곡부(13au,13bu)와 하류측 변곡부(13ad,13bd)를 형성하여 분체의 속도 및 충돌입사각을 줄일 수 있는 곡관이 제작되었지만, 이 또한 분체가 곡관의 외측벽에 계속적으로 충돌함으로써 근본적인 마모의 원인을 제거할 수 없는 문제가 있다.

제 2방안으로는 국내실용신안공보(공개번호 제96-17479호)에 게재된 분체 이송용 곡관부의 마모방지구조이며, 도 2에 도시되어 있다. 이의 구성을 간단히 살펴보면 다음과 같다.

분체이송용 곡관부의 마모방지구조는 직관부(2)와 곡관부(3)를 갖는 통상의 파이프라인(1)에 있어서, 곡관부(3)의 외주부에는 일정크기의 분체퇴적부(7)를 갖는 주름관(4)을 연장 형성시켜 일정량의 분체(8)들이 분체퇴적부(7)에 적층되어 직관부(2)로부터 유입되는 분체(8)의 충돌에너지를 분체(8) 스스로가 흡수할 수 있도록 구성되되, 주름관(4)의 내부 분체퇴적부(7)에는 분체(8)의 안착력을 향상시키기 위하여 요홈부(6)와 돌출부(5)를 형성한 구조이다. 미설명된 참조번호 9는 퇴적층이다.

그러나, 전술한 제2방안에 따르면 분체퇴적부(7)에 고속으로 이송하는 분체(8)를 충돌시킴으로써 분체(8)의 속도는 감소되지만, 분체퇴적부(7)에 충돌한 후 직관부(2)로 방향을 전환하는 분체는 속도가 상당히 감소되어 분체(8)의 유출속도는 그 유입속도에 비해 상당히 줄어들게 된다. 따라서, 배관의 길이와 직경에 따라 미리 정해진 이송 압력하에서는 분체(8)의 유출속도를 유입속도에 가깝게 증가시키기 곤란하여 분체(8)의 막힘 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 분체를 원활히 이송할 수 없게 된다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 곡관의 내마모성을 향상시킬 뿐만 아니라 분체가 원활히 이송될 수 있도록 한 분체 수송관용 곡관을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 곡관을 도시한 측단면도.

도 2는 종래의 다른 곡관부를 도시한 측단면도.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 90°곡관과 각 지점에서의 단면형상을 도시한 도면.

도 4는 도 3에 도시된 90°곡관의 중심부 속도분포와 크기를 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 45°곡관의 중심부 속도분포와 크기 및 각 지점에서의 단면형상을 도시한 도면.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 22.5°곡관의 중심부 속도분포와 크기 및 각 지점에서의 단면형상을 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 파이프라인 2 : 직관부

3 : 곡관부 4 : 주름관

5 : 돌출부 6 : 요홈부

7 : 분체퇴적부 8 : 분체

9 : 퇴적층

10 : 90°엘보 11 : 상류측 직선부

12 : 하류측 직선부 13 : 유동방향전환부

13a : 외측벽 13b : 내측벽

13au,13bu : 상류측 변곡부 13ad,13bd : 하류측 변곡부

100 : 파이프라인 200 : 유입관

300 : 유출관 400 : 곡관

420 : 감속곡관부 440 : 증속곡관부

460 : 와류부

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분체 수송관용 곡관은 유입관과 유출관을 접속시키기 위한 분체 수송관용 곡관에 있어서, 상기 유입관으로부터 유입되는 분체의 속도를 감소시키기 위해 상기 곡관의 입구측으로부터 단면적이 점증적으로 커지고, 단면 형상은 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수직축의 길이가 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수평축의 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 감속곡관부; 상기 감속곡관부로부터 유입되는 상기 분체의 속도를 증가시키기 위해 상기 곡관의 출구측까지 단면적이 점증적으로 작아지는 증속곡관부; 상기 감속곡관부로부터 분체의 일부가 유입되어 와류가 생성되도록 상기 증속곡관부와 경계를 이루는 상기 감속곡관부의 일부에서 분기되어 돌출되며 단면적이 점증적으로 작아지는 와류부를 포함하여 이루어진다.

전술한 구성에서, 상기 감속곡관부의 단면형상은 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수직축의 길이가 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수평축의 길이보다 더 길고, 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심은 상기 수직축의 중심 아래쪽에 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 와류부의 단면형상은 상기 와류부의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수직축의 길이가 상기 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수평축의 길이보다 더 길고, 상기 와류부의 곡률 중심선의 중심은 상기 수직축의 중심 아래쪽에 형성되거나 상기 수직축의 중심 위쪽에 형성되는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하는데, 본 명세서와 청구범위에 사용되는 "분체"라는 용어는 유체와 함께 수송되는 작동유체를 포함하는 것으로 한다. "곡관의 곡률 중심선"이라는 용어는 감속곡관부의 입구측 중심과 증속곡관부의 출구측 중심을 연결하되, 곡관의 곡률 중심선에서 곡관의 내측까지의 수직 거리는 모두 동일하며, 또한 "와류부의 곡률 중심선"이라는 용어는 와류부의 유입측 중심과 와류부의 단부 중심을 연결하되, 와류부의 곡률 중심선에서 와류부의 내측까지의 수직 거리는 모두 동일한 것으로 정의한다.

또한, 곡관(400)의 입구측은 감속곡관부(420)의 입구측과, 곡관(400)의 출구측은 증속곡관부(440)의 출구측과 실질적으로 같은 용어로 사용되는 것으로 한다.

실시예 1

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 90°곡관과 각 지점에서의 단면형상을도시한 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 90°곡관의 중심부 속도분포를 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 제 1실시예에 따른 분체 수송용 파이프라인(100)은 크게 유입관(200), 유출관(300), 유입관(200)과 유출관(300)을 접속하는 곡관(400)으로 이루어진다. 곡관(400)은 통상 플랜지 커플링에 의해 유입관(200)과 유출관(300)을 연결시킨다. 유입관(200)과 유출관(300)의 내경은 10인치(1in 〓 2.54cm)인 것으로 한다.

전술한 구성에서, 곡관(400)은 유입관(200)의 유출측에 입구측이 연결되는 감속곡관부(420)와, 감속곡관부(420)에서 두 갈래로 분기되어 형성되는 증속곡관부(440) 및 와류부(460)로 구성된다.

먼저, 곡관(400)의 외측벽면에서 분체의 속도를 줄이는 방안에 대해 전술한 구성을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

감속곡관부(420)의 유입측 단면형상은 단면(1-1)과 같이 유입관(200)의 유출측 단면형상과 동일하며, 플랜지 커플링에 의해 서로 접속된다. 감속곡관부(420)는 도 3에 도시한 단면(1-1)에서 단면(4-4)까지 단면적이 점차 커지고 있음을 보여준다. 이러한 감속곡관부(420)에서는 도 4의 속도분포에 나타난 바와 같이, 분체의 속도를 38.49m/s(D)에서 23.96m/s(H)로 감소시키고, 특히 내측벽면(H)에서 외측벽면(I~M)으로 갈수록 분체의 속도가 감소됨을 알 수 있다. 따라서, 곡관(400)의 외측벽면은 분체에 의한 충돌로 생기는 마모현상이 현저히 줄어들어 내마모성이 향상됨을 알 수 있다. 이러한 감속현상은 연속방정식에 의해 단면적이 커지면 속도가 감소되는 것과 같은 원리이다.

와류부(460)는 곡관(400)의 외측 곡률을 따라 돌출되는 형상이고, 특히 곡관(400)에서 충돌이 가장 심하게 발생되는 부분, 즉 분체와 곡관간의 충돌경사각이 가장 큰 곡관의 외측벽면에 설치되는 것이 바람직하다. 와류부(460)는 도 3에 도시된 단면(6-6) 및 단면(7-7)에서 알 수 있듯이 폐쇄된 단부로 갈수록 단면적이 점차 감소되는 포켓 형상으로 이루어져 있다. 와류부(460)의 단면형상은 와류부(460)의 곡률 중심선의 중심(x축)을 통과하는 수직축(y축)의 길이가 곡률 중심선의 중심(x축)을 통과하는 수평축(z축)의 길이보다 더 길고, x축은 y축의 중심 아래쪽에 형성되어 있다. 이러한 와류부(460)의 형상은 일정량의 분체가 와류부(460) 내에 유입되면 소용돌이치면서 와류가 발생되고 유동막이 형성된다. 이 유동막은 와류부(460)의 입구측에 넓게 분포됨으로써 외측벽면의 보호에 보다 유리하게 된다. 따라서, 그 이후에 이송되는 분체는 와류부(460)에 형성된 유동막에 충돌함으로써 분체의 운동량이 현저히 감소됨으로써 곡관부(400)의 외측벽에 충돌을 저지시키거나 상당히 완화시킬 수 있다. 이것은 도 4에 도시한 바와 같이 와류부(460)의 내부는 2.164m/s(N)에서 5.797m/s(M)의 속도분포로 거의 제로(0)에 가깝게 형성됨을 보여주고 있다.

이와 같이, 곡관(400)에 감속곡관부(420)와 와류부(460)가 형성됨으로써 곡관(400)의 외측벽면에서의 분체 속도가 현저히 감소됨을 알 수 있다.

둘째로 분체가 곡관(400)의 외측벽면과 충돌하는 입사각을 줄이는 방안, 즉 분체가 곡관(400)의 외측벽면과 실질적으로 평행하게 유동할 수 있는 방안에 대해 상세히 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이 감속곡관부(420)의 단면적은 점증적으로 커지는 구조이다. 그러나, 감속곡관부(420)의 단면적이 점차 커짐은 물론 곡관(400)의 곡률 중심선의 중심(X축)을 통과하는 수직축(Y축)의 길이가 X축을 통과하는 수평축(Z축)의 길이보다 더 길고, X축은 Y축의 중심 아래쪽에 형성되는 단면을 취하고 있다. 그러므로, 감속곡관부(420)의 단면형상은 도 3에 도시한 단면(1-1)에서 단면(4-4)으로 갈수록 진원에서 비진원 형태로 변하는 형상임을 알 수 있다. 따라서, 와류가 형성된 감속곡관부(420)의 외측벽면이 내측벽면의 압력보다 상대적으로 높게 형성됨으로써 그 압력차에 의해 내측벽면이 상대적으로 힘을 받아 분체의 통과 영역이 좁아질 뿐만 아니라, Y축의 길이에 비해 Z축의 길이가 짧게 형성됨으로써 내측벽면과 분체간의 접촉면적이 작아 마찰저항이 감소됨으로써 내측벽면에서의 분체 속도가 증가하게 된다.

이러한 감속곡관부(420)에서의 속도는 증속곡관부(440)에서 다시 증가하지만, 그 속도분포는 증속곡관부(440)의 내측벽면(B)에서 외측벽면(L)으로 갈수록 분체의 속도가 감소되는 것과 유사하다. 그 이유는 도 3의 단면(4-4)과 단면(5-5)에서 알 수 있듯이, 증속곡관부(440)의 단면적은 감속곡관부(420)에 연이어서 유출관(300)의 유출측까지 작아지고 전술한 감속곡관부(420)의 단면형상은 진원에서 비진원 형태로 변하고 있기 때문이다. 증속곡관부(440)의 출구측 단면형상은 유출관(300)의 유입측 단면형상과 동일하다.

이와 같이, 와류에 의해 내측벽면이 외측벽면보다 압력이 높고 비진원의 단면형상으로 인해, 내측벽면을 유동하는 높은 속도의 분체는 거의 외측벽면에 평행하게 유동함으로써 충돌입사각을 매우 작게 형성시킨다.

셋째로 곡관(400)의 출구측 속도를 곡관(400)의 입구측 속도와 거의 같게 유지시키는 방안에 대해 살펴보면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 감속곡관부(420)와 증속곡관부(440)의 단면적 변화와 비진원의 단면형상, 와류부(460)에서의 유동막이 형성됨으로써 곡관(400)의 출구측 속도는 거의 입구측 속도와 같아지게 되며, 이것은 입구측 속도는 38.49m/s(D)이고 출구측 속도는 42.13m/s(C) 내지 34.86m/s(E)를 나타내는 도 4의 속도분포를 통해 알 수 있다.

실시예 2

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 45°곡관의 중심부 속도분포와 각 지점에서의 단면형상을 도시한 도면이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 본 제 2실시예의 곡관은 전술한 제 1실시예의 곡관과 마찬가지로 유입관(200), 유출관(300), 유입관(200)과 유출관(300)을 접속시키는 곡관(400)으로 이루어지며, 곡관(400)은 감속곡관부(420), 증속곡관부(440) 및 와류부(460)로 구성된다. 그러나, 감속곡관부(420)의 단면적과 와류부(460)의 단면적이 더 크다는 것과, 와류부(460)는 거의 유입관(200)과 동일선상으로 돌출되어 형성된다는 것과, 와류부(460)의 단면형상은 도 5의 단면(5-5) 내지 단면(7-7)에 도시된 바와 같이, z축의 길이가 y축의 길이보다 약간 더 길다가 점차 짧아지며, x축이 y축의 중심 위쪽에서 아래쪽으로 이동한다는 점에 차이가 있다. 이러한 차이에도 불구하고, 실시예 2의 속도분포와 크기는 실시예 1과 거의 유사하게 나타남을 알 수 있다.

실시예 3

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 22.5°곡관의 중심부 속도분포와 각 지점에서의 단면형상을 도시한 도면이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 본 제 3실시예의 곡관도 전술한 제 1실시예 및 제 2실시예와 마찬가지로 유입관(200), 유출관(300), 유입관(200)과 유출관(300)을 접속시키는 곡관(400)으로 이루어지며, 곡관(400)은 감속곡관부(420), 증속곡관부(440), 와류부(460)로 구성된다. 그러나, 감속곡관부(420)의 단면형상은 도 6의 단면(1-1) 내지 단면(4-4)에 도시된 바와 같이, Y축의 길이가 점차적으로 Z축의 길이에 비해 상당히 길어진다는 점에 차이가 있다. 이러한 차이에도 불구하고, 실시예 3의 속도분포와 크기도 실시예 1 및 실시예 2와 거의 유사하게 나타남을 알 수 있다.

본 발명에 따른 분체 수송관용 곡관은 전술한 실시예에 국한하지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 분체 수송관용 곡관에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 단면적이 커지는 감속곡관부와 와류장과 같은 유동막을 생성시키는 와류부가 형성됨으로써 곡관의 외측벽면에서의 분체 속도를 현저히 감소시켜 곡관의 내마모성을 한층 더 향상시킬 수 있다.

둘째, 상대적으로 고압영역인 와류부의 영향과 감속곡관부 및 증속곡관부의 진원 형상에서 비진원 형상으로 변함에 따라 곡관 내측벽면에서의 분체 속도가 외측벽면보다 상대적으로 커서, 곡관의 내면을 따라 거의 평행한 상태로 유동하게 된다. 따라서, 곡관의 외측벽면으로 입사되는 분체의 충돌입사각이 0°에 가깝게 되어 충돌로 인한 마모가 거의 발생되지 않는다.

셋째, 충돌입사각을 줄이는 효과는 곡관의 출구측 속도가 곡관의 입구측 속도에 거의 같아지도록 함으로써 분체의 수송을 원활히 할 수 있다.

넷째, 와류부의 단면적이 단부로 갈수록 작아지고 비진원 형태의 단면형상을 취함으로써 와류부 내로 유입된 분체가 소용돌이치면서 와류가 발생되면서 유동막이 형성된다. 이 유동막은 와류부의 입구측에 넓게 분포됨으로써 외측벽면을 보다 확실히 보호할 수 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 유입관과 유출관을 접속시키기 위한 분체 수송관용 곡관에 있어서,

   상기 유입관으로부터 유입되는 분체의 속도를 감소시키기 위해 상기 곡관의 입구측으로부터 단면적이 점증적으로 커지고, 단면 형상은 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수직축의 길이가 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수평축의 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 감속곡관부;

   상기 감속곡관부로부터 유입되는 상기 분체의 속도를 증가시키기 위해 상기 곡관의 출구측까지 단면적이 점증적으로 작아지는 증속곡관부;

   상기 감속곡관부로부터 분체의 일부가 유입되어 와류가 생성되도록 상기 증속곡관부와 경계를 이루는 상기 감속곡관부의 일부에서 분기되어 돌출되며 단면적이 점증적으로 작아지는 와류부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 분체 수송관용 곡관.
3. 제 2항에 있어서, 상기 곡관의 곡률 중심선의 중심은 상기 수직축의 중심 아래쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 분체 수송관용 곡관.
4. 제 2항에 있어서, 상기 와류부의 단면형상은 상기 와류부의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수직축의 길이가 상기 와류부의 곡률 중심선의 중심을 통과하는 수평축의 길이보다 더 긴 것을 특징으로 하는 분체 수송관용 곡관.
5. 제 4항에 있어서, 상기 와류부의 곡률 중심선의 중심은 상기 수직축의 중심 아래쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 분체 수송관용 곡관.
6. 제 4항에 있어서, 상기 와류부의 곡률 중심선의 중심은 상기 수직축의 중심 위쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 분체 수송관용 곡관.