KR100617980B1 - 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐을 구비한 이젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대용량의 원수에 소량의 약품을 혼화시키기 위한 이젝터의 노즐에 관한 것으로 더욱 상세하게 설명하면 보다 신속하게 원수와 약품이 혼화될 수 있는 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐을 구비한 이젝터에 관한 것이다.

본 발명에 따른 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐을 구비한 이젝터는 대유량원수관로내에 설치되는 콘형 노즐을 직경이 다른 두 개의 관을 사용하여 보다 작은 직경의 관을 상대적으로 큰 직경의 관내에 삽입하여 동심원상으로 배열되도록 조립된 구조의 이중관을 이용한 것인데, 상기 이중관에 의하여 형성된 동심원상으로 배열된 두 개의 관로에 원수에 혼화시키고자 하는 액상체의 약품과 가압수를 각각 유통하게 하되 상기 가압수의 유압을 상대적으로 높여 고압으로 분사하케 하여, 노즐 선단에 부압이 발생하도록 하여 약품이 빨려 나와 원수에 혼화되도록 한다.

상대적으로 저압의 유압을 갖는 약품이 효과적으로 원수 측으로 빨려나오도록 이중관의 내관의 선단을 외관의 선단보다 짧게 형성되도록 하며, 상기 이중관구조의 노즐로부터 분사되는 약품이 원수에 효과적으로 혼화되도록 하기 위하여 노즐의 선단 전방에 벤츄리관 형태의 이덕터를 설치한다.

Description

동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐을 구비한 이젝터 {Cone type nozzle with concentric circle dual pipe structure}

도 1은 본 발명에 따른 이젝터의 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐과 이덕터가 대유량원수관로에 설치된 상태의 부분사시도

도 2는 본 발명에 따른 구조가 구비된 노즐의 단면도

도 3a는 본 발명에 따른 구조의 노즐를 갖는 이젝터에서 A타입 분사방식을 취할 경우 유체흐름도.

도 3b는 본 발명에 따른 구조의 노즐를 갖는 이젝터에서 B타입 분사방식을 취할 경우 유체흐름도.

도 4a는 본 발명에 따른 구조의 노즐를 갖는 이젝터에서 A'타입 분사방식을 취할 경우 유체흐름도.

도 4b는 본 발명에 따른 구조의 노즐를 갖는 이젝터에서 B'타입 분사방식을 취할 경우 유체흐름도.

도 5a는 본 발명에 따른 노즐의 전방에 이덕터가 설치된 상태에서 A타입 분사방식을 취할 경우 유체의 흐름도

도 5b는 본 발명에 따른 노즐의 전방에 이덕터가 설치된 상태에서 B타입 분사방식을 취할 경우 유체의 흐름도

****도면의 주요부호에 대한 설명***

1 : 원수 2 : 약품 3 : 가압수

10 : 대유량원수관로 20 : 노즐

21 : 내관 22 : 외관

201 : 내관로 202 : 외관로

21a : 내관끝단부 22b : 외관끝단부

30 : 이덕터

본 발명은 상수도와 같은 대용량의 원수에 소량의 약품을 혼화시키기 위한 이젝터의 노즐에 관한 것으로 더욱 상세하게 설명하면 보다 신속하게 원수와 약품이 혼화될 수 있는 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐을 구비한 이젝터에 관한 것이다.

상수도 정수처리방식에는 원수 수질에 따라 소독만 하는 간이처리 방식과, 원수를 비교적 얇은 사층을 통과하여 천천히 여과하는 완속여과 방식, 그리고 원수층에 포함된 현탁물질을 미리 약품처리에 의해 응집시킨 후 침전 여과하는 급속여과 방식이 있다. 원수에 부유하는 탁질중 입경이 0.01mm 이상인 입자는 보통의 침전으로 제거가 가능하다. 그러나 입경이 1㎛ 이하인 콜로이드(colloid)상 입자는 거의 침전되지 않음은 물론 대부분 여과지의 사층을 그대로 통과한다. 그러므로 급속여과 방식의 경우에는 도입된 원수중의 현탁 콜로이드 입자를 침전 및 여과가 가능한 플록(flock) 형태로 응집하여야 하며, 이러한 응집의 전처리 단계로서 응집용 약품을 투입 혼화하는 과정이 수반되는 것이다. 또한 완속여과 방식에 있어서도 원수의 탁도가 30도 이상으로 되면 침전 후의 탁도가 여전히 높고 여과층의 폐색기간이 빨라지므로 여과효율을 높이기 위해 응집용 약품의 주입설비가 필요한 경우도 있다.

응집용 약품은 플록형성을 위한 응집제와 pH 조절을 위한 알칼리제, 그리고 응집보조제로 구분된다. 응집제로는 황산알루미늄이나 폴리염화알루미늄 등의 알루미늄염이 주로 사용된다. 알칼리제로는 소석회나 소오다회 또는 액체가소정 소오다 등이 사용되며, 응집보조제로는 활성규산과 수도용 알긴산 소오다 등이 사용된다. 이밖에 냄새 제거를 위한 분말활성탄 등 원수수질의 조건에 따라 여러 가지 약품이 사용되는 것이다.

최근 수질관리에 컴퓨터 제어시스템을 도입하는 가장 큰 목적이 정수처리용 약품의 자동주입에 있음을 볼 때, 약품의 자동주입은 약품혼화지에서 가능한 빨리 균일한 혼화가 이루어진다는 전제조건 하에서만 가능하다. 즉, 혼화기능이 불량하여 응집제가 불균일하게 혼화된 상태로 원수가 응집지에 유입되면, 플록의 응집율이 낮고 침전효율이 떨어지므로 결국 여과지의 부담이 대단히 커져 정상적인 수질 관리가 어렵게 된다. 또한 응집침전지는 통상 2지(池) 이상이 병행으로 설치 운영되는데, 이 경우에 응집 및 침전효과가 각 지마다 다르게 나타나면 불균등한 침전 으로 인한 여과지의 부담이 더욱 커진다. 따라서 정수처리용 약품은 원수중에서 모든 현탁물질과 골고루 반응하여 각 응집ㆍ침전지에서 균등한 침전효과를 얻기 위해서도 균등하게 혼화되어야 한다.

원수 중에 투입된 약품은 이론적으로 투입 후 혼화시간이 길어야 균등하게 혼화될 수 있으나 응집용 약품은 특성상 수중에서 가수분해 되어 현탁 콜로이드 입자와 중합반응을 일으키는 속도가 대단히 빠른 특성을 가지고 있으므로 약품 투입 즉시 가능한 빠른 시간 내에 순간적으로 균등하게 확산시킬 수 있어야 한다.

예로써, 정수처리시설에서는 유입되는 대유량의 원수에서, 물 속의 불순물을 제거하기 위하여 정수약품을 10mg/ℓ∼100mg/ℓ정도로 미량을 주입하고 있으며, 이 정수약품 중에 어떤 약품의 성질은 순간적으로 짧은 시간 내에 균일하게 확산되지 않으면, 가수분해되어서 포리머를 형성하는 등으로 약품의 효능이 떨어지는 성질도 있으므로 1초 이내 또는 가능한 한 짧은 시간 내에 균일하게 혼화되어야 한다고 정수약품의 혼화에 관해 연구한 학자들이 보고하고 있다. 어떤 약품은 균일하게 확산된 다음 일정한 체류시간을 요하는 것도 있다.

이 급속혼화공정을 달성하는 수단으로서는 급속교반조작이 반드시 필요하다. 즉 급속교반의 목적은 정수약품인 응집제를 처리수중에 신속하고 균일하게 확산시키는 것이다. 황산알미늄이나 염화제2철과 같은 금속염응집제를 사용할 때에는, 이들 응집제가 1초이내에 가수분해되며, 콜로이드입자에 흡착되는 것도 거의 동시에 일어나기 때문에 효과적인 급속교반이 특히 중요하다. 이론적으로는 금속염응집제의 확산을 몇분의 1초 이내에 완료시켜야 하며, 이 때문에 실제로 설계할 때에는 될 수 있는 한 단시간인 1∼2초 이내에 완료되도록 하고 있다.

급속교반은 정수처리에 있어서 중요한 공정이지만, 일반적으로 많은 정수장에서는 30∼40%정도 과잉으로 응집제를 사용하므로서 급속교반기를 사용하지 않더라도 양호하게 물을 생산할 수도 있다.

따라서 급속교반은 정수처리를 위해서 절대적으로 필수적이며 없어서는 아니 된다는 문헌이 많이 있음에도 불구하고, 많은 기존의 정수장에서는 앞에서 설명한 바와 같이 과잉으로 약품을 주입방법으로 실시하고 있다.

일반적으로 지금까지는 혼화조에 원수가 들어 올 때, 약품을 주입하고서 기계식급속혼화기(급속교반기라고도 함)로 교반시키고 있었으며, 혼화조에서의 체류시간은 1∼5분 정도를 갖도록 환경부에서 제정 발간한 상수도시설기준에서 급속혼화조의 체류시간으로 정하고 있다. 지금까지 주로 채택하고 있는 기계식교반기는 손실수두에 관한 문제가 거의 없으므로, 일반적으로 급속교반의 유효한 방법이라고 보아 왔다.

실제로는 이렇게 미량의 응집제 등 정수약품을 대유량에 주입하였으므로 균일하게 혼화가 이루어지지 못하였으며, 아울러 단락류 현상으로 일부의 원수는 약품과는 만나지도 못하고 혼화조를 지나가는 등으로 순간적인 교반과 균일한 혼화를 달성하지 못하는 문제가 있었으며, 이에 따라 약품도 과다하게 소비되고 있었다. 즉 적절한 저류판이 없는 혼화조내에서의 기계식교반은 약품주입에 필요한 순간적인 교반을 할 수 없었으며, 또한 효과도 좋지 않았다.

반면에 수류자체의 에너지를 이용하는 방법에는 혼화지 내에 상하 또는 수평 우류(迂流)식이나 저류판을 설치하여 수류방향을 급변시켜 크게 난류를 일으키는 방식 등으로 투입된 약품을 확산시키는 방식과, 파아샬 플룸(partial flume) 방식이나 관로중에서 난류를 일으키는 방식, 그리고 노즐의 분사류에 의한 난류를 이용하는 방식 등이 있다.

이들 방식에 의하면 기계적 작동부분이 없으므로 고장이 없고 유지관리가 용이하지만, 설비에 탄력성이 없고 미리 정해진 유량범위 내에서만 적용된다.

상기 노즐의 분사류에 의한 난류를 이용한 방식으로써 가압수확산교반방법에는 대유량원수관로의 중앙에서 유수방향과 정반대의 방향으로 원추형(full cone)분사노즐에 의해 약품이 섞인 혼화수를 방사형으로 90˚내외의 각도로 분사시키는 방법으로 지금까지 개발된 방법 중에서는 가장 효과적인 방법이었다. 그러나 이 가압수확산교반방법 중에서 노즐부분의 앞 단계 즉 분사부에서 30cm보다 거리가 먼 거리의 지점에서 약품을 혼화수에 혼화시키게 되면, 약품주입지점에서부터 약 30cm를 지난 지점의 약품이 혼화된 압력수관로에 스러지 케익이 생겨서 약품주입관이 페색되므로 수처리를 종종 중단해야 하는 어려움이 있었고, 반면에 상기 가압수확산교반방법의 문제점을 해결하기 위해 대유량원수관로의 중앙에서 유수방향과 같은 방향으로 약품이 주입되는 원추형(full cone)노즐을 설치하여 대유량 원수관로에 흐르는 원수의 흐름에 의하여 원추형 노즐의 끝단 부분에 발생되는 부압(負壓)에 의하여 혼화시키고자 하는 약품이 빨려 나와 원수흐름에 유입되어 혼화되도록 하는 방법이 있을 수 있으나 이는 대용량의 원수에 소량의 약품을 혼화시키는 경우 이젝 터를 사용하여 약품 분사류를 원수에 투입한다 하여도 혼화능률이 낮아 부적절한 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 대유량원수관로에 설치되어 약품을 혼화시키는 경우 원수흐름과 동일한 방향으로 이젝터의 콘형 노즐을 설치하되, 상기 콘형 노즐구조를 동심원(同心圓)상의 이중(二重)관으로 하여 펌핑된 가압수와 약품이 노즐의 동심원상으로 구분된 각각 다른 관로를 통하여 분사되도록 하되, 혼화가 효과적으로 이루어지도록 하기 위해 상대적으로 고압으로 분사되는 가압수의 힘에 의하여 약품이 빨려 나와 원수에 혼화되게 하고자 함에 그 특징이 있다.

본 발명의 다른 목적으로 상기의 구조로 된 노즐의 선단 전방에 벤츄리관 형태의 이덕터(Eductor)를 설치하여 약품이 원수에 효과적으로 믹싱되도록 함에 특징이 있다.

본 발명에 따른 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐을 구비한 이젝터는 대유량원수관로내에 설치되는 콘형 노즐을 직경이 다른 두 개의 관을 사용하여 보다 작은 직경의 관을 상대적으로 큰 직경의 관내에 삽입하여 동심원상으로 배열되도록 조립된 구조의 이중관을 이용한 것인데, 상기 이중관에 의하여 형성된 동심원상으로 배열된 두 개의 관로에 원수에 혼화시키고자 하는 액상체의 약품과 가압수를 각각 유통하게 하되 상기 가압수의 유압을 상대적으로 높여 고압으로 분사하케 하여, 노즐 선단에 부압이 발생하도록 하여 약품이 빨려 나와 원수에 혼화되도록 한다.

상대적으로 저압의 유압을 갖는 약품이 효과적으로 원수 측으로 빨려나오도록 이중관의 내관의 선단을 외관의 선단보다 짧게 형성되도록 하며, 상기 이중관구조의 노즐로부터 분사되는 약품이 원수에 효과적으로 혼화되도록 하기 위하여 노즐의 선단 전방에 벤츄리관 형태의 이덕터를 설치한다.

상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 고안에 따른 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐을 구비한 이젝터에 대하여 이하 첨부도면과 함께 상세하게 설명하기로 한다.

단, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 본 발명을 설명하기 위한 최선의 방법으로 선택한 개념으로 간주하고 본 발명의 기술적 내용을 파악함에 있어서 본 발명의 기술적 사상에 부합한 의미와 개념으로 적절히 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 이젝터의 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐과 이덕터가 대유량원수관로에 설치된 상태의 부분사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 구조가 구비된 노즐의 단면도이다.

본 발명에 따른 급속혼화용 이젝터의 콘형 노즐의 동심원상 이중관구조는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 원수(1)가 유통하는 대유량원수관로(10) 내에 설치된 이젝터의 콘형(Cone type) 노즐(20)의 구조가 직경이 다른 내관(21)과 외관(22)에 의하여 동심원상으로 배열 조립되어 이중관(二重管)을 형성하며, 원수(1)에 믹싱하고자 하는 약품(2)과 고압으로 분사되는 가압수(3)가 각각 동심원상으로 구 분된 관로를 따라 함께 분사되도록 하여 노즐(20)의 선단에 부압이 발생되어 상대적으로 낮은 유압을 갖는 약품(20)이 끌려나와 원수에 섞이도록 한 것이다.

상기 콘형 노즐(20)은 상술한 바와 같이 동심원상의 이중관으로 구성된 것으로 내측 중앙에 형성된 상대적으로 작은 내경을 갖는 내관(21)과 내관의 외측으로 내관을 수납하여 형성된 외관(22)에 의하여 관로(管路)가 내관로(201)와 외관로(202)가 형성되고 내관(21)의 끝단부(21a)가 외관(22)의 끝단부(22b)보다 짧게 구성된다.(도 3참조)

이같은 구성으로 된 노즐(20)은 상술한 바와 같이 액상체인 약품(2)이 고압으로 분사되는 가압수(3)과 함께 분사되는데, 고압의 가압수(3)가 외관로(202)를 통해 분사하도록 한 A타입 분사방식과, 고압의 가압수(3)가 내관로(201)를 통해 분사되도록 한 B타입 분사방식이 있고, 상기 두 분사방식의 변형으로 약품(2)에도 압력을 가하여 분사하는 방식인 A'분사방식과 B'분사방식이 있다.

상기 A타입 분사방식을 취하던지 B타입 분사방식을 택하던지 가압수(3)는 고압으로 분사되고, 약품(2)은 고속으로 분사되는 가압수(3)에 의하여 노즐(20)의 끝단부 부위에서 발생되는 부압(負壓)에 의하여 펌핑되어 원수(1)내로 분사되어 혼화된다.

도 3a와 도 3b는 각각 본 고안에 따른 이젝터에서 A타입 분사방식과 B타입 분사방식에 따른 노즐의 끝단부 부분의 유체흐름도이다.

A타입 분사방식을 택한 경우 도 3a에 도시된 바와 같이 약품(2)이 방출되는 노즐(20)의 내관로(201) 끝단부 전방 중앙 저속의 약품과 고속의 물 사이 공간에 부압(ΔP)이 발생되고, B타입 분사방식을 택한 경우 도 3b에 도시된 바와 같이 저속의 약품(2)이 방출되는 외관로(202)의 끝단부 전방의 공간에 링상으로 부압(ΔP)이 발생된다.

이같은 약품(2)이 방출되는 노즐의 끝단부에 발생되는 부압(ΔP)은 내관로(201) 또는 외관로(202)를 흐르는 약품(2)으로 하여금 대기압인 경우에도 약품(2)이 원수(1)가 흐르는 대유량원수관로(10)내로 유입되도록 한다.

본 고안에 따른 구조로 된 콘형 노즐에 의하여 달성되는 A타입분사방식의 경우와 B타입분사방식의 시험예는 표1과 같다.

<표 1>

	A타입분사방식	B타입분사방식
Qw(l/m)	242(Ain/Aout=2.8)	167(Ain/Aout=11.8)
QC(l/m)	17	14
△Pschemical(Pa)	-1810	-2360

도 4a와 도 4b는 상기 약품(2)에도 압력을 가한(펌핑한) 경우로 상기 A'분사방식과 B'분사방식에 따른 에 따른 노즐의 끝단부 부분의 유체흐름도이다.

이같이 약품(2)을 펌핑한 경우라 하더라도 가압수(3)의 분사압력에 비하여 매우 낮게 하므로, 약품(2)이 분사되는 관로 끝단에 부압(△P)이 발생하는데 그 크기는 상기 약품(2)을 펌핑하지 않는 경우에 비하여 높아 원수(1)에 믹싱되는 효과가 상대적으로 더 크다.

그리고 본 발명에 따른 동심원상의 이중관 구조로 된 노즐을 구비한 이젝터 는 상기한 바와 같이 원수(1)에 액상체(液狀體)의 약품(2)만을 혼화시키는데 사용되는 것에 한정되는 것은 아니고, 기체상(氣滯狀)의 약품(2)도 원수(1)에 혼화시키는데 사용될 수 있다.

이와 같은 구성 및 작용을 하는 본 발명에 따른 동심원상 이중구조의 콘형 노즐(20)의 선단에 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 벤츄리관 형태의 이덕터(30)를 설치하여 노즐로부터 분사되거나 빨려 나오는 약품(2)이 원수(1)에 효과적으로 혼화되도록 한다.

상기 이덕터(30)는 본 출원인의 선출원하여 등록시킨 실용신안등록 제331346호의 믹싱 이덕터와 동일한 구성으로 된 것으로 약품(2)을 빨아내면서 함께 분사되는 고압의 가압수(3)가 이덕터(30)의 내부측으로 고속분사되면 상대적으로 저유속으로 유통하는 원수(1)의 흐름에 변화를 부여하므로써 이덕터(30)에서 약품(2)과 원수(1)를 빨아들여 가압수(3)와 함께 분출하므로써 급속한 혼화가 이루어지도록 한다.

도 5a와 도 5b는 각각 본 고안에 따른 A타입 분사방식과 B타입 분사방식의 노즐의 전방에 상기 이덕터(30)가 설치된 경우 유체의 흐름도인데, 도 5a와 도 5b에 도시된 바와 같이 이덕터(30)가 설치됨으로 인하여 효과적인 혼화가 일어남을 알 수 있다.

본 발명에 따른 이젝터는 약품의 혼화를 더욱 활성화시키기 위하여 상기 이덕터의 전방에 디스크형 또는 콘형의 리플렉터를 설치할 수 있으며 비록 상세하게 첨부도면등에 도시하거나 설명하지 않고 있지만 이같이 리플렉터를 구비한 것도 본 고안의 권리범위에서 제외되는 것은 아니다.

이상과 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 구조로된 노즐을 구비한 이젝터에 의하여 대유량원수관내의 유동하는 원수에 액상 또는 기상의 약품을 공급하게 되면 고속으로 분사되는 가압수에 의하여 노즐의 선단에 형성된 부압에 의하여 약품이 빨려 나와 원수에 공급되므로 약품의 공급이 원활하면서 공급된 약품의 혼화가 상대적으로 급속히 이루어지며, 노즐의 선단에 이덕터를 설치하므로써 공급된 약품이 원수에 효과적으로 급속히 혼화된다.

Claims (3)

1. 원수(1)가 유통하는 대유량원수관로(10) 내에 설치된 것으로, 직경이 다른 내관(21)과 외관(22)이 동심원상으로 배열 조립되되, 상기 내관(21)의 끝단부(21a)가 외관(22)의 끝단부(22b)보다 짧게 형성된 콘형 노즐(20)과 상기 콘형 노즐의 선단 전방에 벤츄리관 형태의 이덕터(30)를 포함하여 구성된 동심원상 이중관구조로 된 콘형 노즐을 구비한 이젝터
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