KR100915659B1 - 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건설폐기물로 분류되는 순환골재를 공급하며 상승 와류와 하강 와류를 개별적으로 또는 동시에 조성하여 다양한 밀도를 갖는 순환골재의 이동 경로를 예측하여 선별할 수 있도록 하는 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치 및 그 방법에 관한 것이다.

본 발명은 상부로부터 하부를 향해 점차 직경이 좁아지는 거꾸로 된 원뿔 형태의 드럼으로 내부에 유체를 수용하고 수용된 유체로부터 와류를 형성하는 것으로, 하단부에는 유체가 인입되는 유입구(11)를 형성하고, 상기 유입구(11)를 통해 인입되며 내측이 중공된 관로 형태의 유출구(12)가 내부에 수직으로 설치된 와류 탱크(10)와; 상기 와류 탱크(20)의 일측에 형성되는 것으로 유체를 수용하고 수용된 유체를 와류 탱크(10) 측으로 공급하는 것으로, 와류 탱크(10) 및 공급 탱크(20) 하부는 유체가 이동할 수 있도록 상호 연결된 형태를 갖으며, 공급 탱크(20) 내에 수용된 유체의 수위는 와류 탱크(10) 내에 수용된 유체의 수위보다 상향 위치하도록 설치되는 공급 탱크(20)와; 와류 탱크(10) 하부에 위치하여 유체로부터 부유물을 분류한 후 유체만을 저장하는 것으로, 상기 와류 탱크(10)에 유체를 공급하는 펌프(31)와, 상기 공급 탱크(20)에 유체를 공급하는 펌프(21)와 각각 연결되어 저장된 유체를 공급하는 저장 탱크(30)와; 상기 유출구(12)와 저장 탱크(30) 사이에 형성되어 와류 탱크(10)로부터 배출된 부유물과 유체 중 부유물만을 걸러내는 것으로, 통상의 걸름망 형태로 이루어진 분류기(40);로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치 및 그 방법{Specific gravity sorting device of the circulating aggregate using a swirl and that method}

본 발명은 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건설폐기물로 분류되는 순환골재를 공급하며 상승 와류와 하강 와류를 개별적으로 또는 동시에 조성하여 다양한 밀도를 갖는 순환골재의 이동 경로를 예측하여 선별할 수 있도록 하는 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치 및 그 방법에 관한 것이다.

건설폐기물은 밀도 2.6 정도의 골재와 밀도 2.3의 콘크리트, 그리고 그 이하의 밀도를 갖는 다양한 혼합물이다. 이와 같이 폐콘크리트 중에는 다양한 밀도와 형태를 갖기 때문에 여러 가지 방법으로 분리하는 것이 가능하다. 현재 활용되고 있는 분리 방법 중 폐콘크리트 중의 이물질을 분리하는 방법에는 다음과 같은 것들이 있다.

인력 선별(手選; Hand picking)은 광물을 인력에 의하여 선광하는 것을 말한다. 최근 인건비를 절약할 목적으로 인력 선별하지 않고 중액 선별과 같은 기계적 방법으로 전환하고자 하나 아직도 인력선별을 유용하게 이용하고 있다.

비중 선별법(比重選鑛法; gravity separation)은, 유색광물과 폐콘크리트와 폐건자재 또는 유용광물 사이에 충분한 비중차이가 있으며 광물입자의 크기가 거의 비슷한 경우에는 비중 차에 의한 입자의 낙하속도의 차를 이용하여 선별이 되며, 비중선광에서는 입자에 작용하는 외력으로서 수력을 이용하는 습식법과 풍력을 이용하는 건식법도 있다.

도 1은 종래 비중 선광기의 일종인 지그(jig)를 나타낸 것이다. 탱크 내에 고정된 체(screen) 상에 광석을 공급하고 반대 측의 피스톤으로 물을 상하로 운동시키면 비중이 작은 입자는 상부로, 비중이 큰 입자는 하부로 이동하여 모이므로 이들 각각을 따로 분리할 수 있다. 비중 선광의 적용 입도는 조립의 경우는 2~20mm, 세립은 200mesh 정도이다. 이와 같은 풍력과 수력 선광들을 이용하면 건설폐기물 속에 함유된 비중이 낮은 목재류, 폐플라스틱류 등을 효과적으로 제거할 수 있다.

자력선별법(磁力選鑛法; magnetic separation)은, 자성광물과 비자성 광물은 그 자성의 차이를 이용하여 자장을 적용하여 분리된다. 강자성인 자철광은 비자성인 폐콘크리트로부터 자선분리가 용이하며 자철광이나 사철 등에 응용되는 선광법이다. 건설폐기물속에 함유된 철편류 특히 폐콘크리트에 함유된 철근을 제거하는데 효과적인 방법이지만, 비중에 따른 선별이 어려운 단점이 있다.

중액선별법(重液選鑛法; heavy media separation)은, 비중선광법의 일종으로 광석중의 유용광물과 폐콘크리트의 중간 정도의 비중을 갖는 액체(중액)를 만들어 여기에 광석을 넣어 비중이 작은 불순물을 띄우고 비중이 큰 콘크리트는 가라앉게 하여 분리하는 방법이다.

중액을 만들 경우에는 0.5mm 정도의 중액재를 물에 타서 현탁한 의중액(擬重液)으로 한다. 의중액을 만들기 위해 물에 현탁시키는 재료를 중액제(重液材 또는 重質; materials for suspension)라고 하며 대개 Fe-Si 합금, 황철석, 방연석, Fe-Si과 자철광과의 혼합물이 사용된다.

정전선별법(靜電選鑛法; electrostatic separation)은, 정전 선별기는 정진 유도형(예: Blake-Moorsher 형)과 코로나 방전형(예: Huff형)으로 나누어진다. 도 2a는 전자를, 도 2b는 후자를 나타낸 것이다. 전자의 경우는 감응에 의하여 고압으로 대전된 금속 롤 표면에 작은 광석을 공급해주면 전도성 광물은 전도에 의해 같은 부호로 대전되어 튕겨 나가지만, 부도체 광물은 대전이 안 된 채로 중력에 의하여 떨어져 내려간다.

코로나 방전형의 경우는 접지된 롤의 가까이에 고압으로 대전된 가는 금속선이나 빗 모양으로 된 첨극(尖極) 들을 직선으로 놓으면 여기에서 롤의 방향으로 전기가 분사된다. 그러면 이 전기에 의하여 도체인 광물은 감응되나 받은 전기를 바로 롤로 유출시켜 약간의 영향을 받거나 혹은 무감응 상태로 떨어져 내려가고 부도체광물은 금속 선과는 반대부호로 대전된 롤 면에 붙은 채로 돌다가 솔에 씻겨져 떨어진다는 단점이 있다.

부유선별법(浮游選鑛法; flotation)은, 도 3에 도시한 바와 같이 부유선별기의 예로서 부유선별기조작으로는 미분광석의 혼합수용액, 즉 광액(鑛液; pulp)에 포수제를 넣어 유용광물을 선택적으로 소수성으로 만들고, 이어서 파인유(pine 油)와 같은 기포제를 넣은 광액에 공기를 불어 넣어서 기포를 발생시키면 충분히 소수성으로 된 광물은 기포에 부착하여 액면에 떠오르므로 표면의 거품을 긁어모으면 부선된 광물만을 채취할 수 있다. 반면에 친수성의 광물은 기포에 부착되지 않고 광액 중에 그대로 남아 있으므로 침광(沈鑛)으로서 분리, 채취된다. 부선법은 산화광물, 규산염광, 기타 비황화광, 석탄 등의 선광법으로 널리 쓰이고 있지만, 콘크리트는 친수성을 띠기 때문에 적용하기 힘들다는 단점이 있다.

도 4는 국내에서 실용화되어 있는 수조를 통한 이물질 제거 방식(건설신기술 126호)의 기본 개념을 나타낸 것이다. 본 방식은 수조에 파쇄된 폐콘크리트를 투입하고, 투입한 폐콘크리트를 컨베이어로 반대측으로 이동시키면서, 컨베이어의 하부에서 기포를 발생시켜 비중이 낮은 이물질을 부상시키고, 용수는 골재의 흐름과 직각방향으로 순환하여 부유한 이물질을 제거하는 방식이다.

이 방식은 폐목재, 폐비닐, 폐스티로폼 등과 같이 비중이 낮은 이물질을 제거하는데 유효한 것으로 알려져 있지만, 부유력이 낮기 때문에 비중이 매우 낮은 것만을 제거할 수 있는 단점이 있다.

종래 부유선별법은 두 가지 방식으로 분류할 수 있다. 하나는 단순히 물의 부력에 의존하는 것으로 부력에 의한 부상을 허용하기 위해서는 시간이 걸리기 때문에 플랜트가 커지는 문제가 있다. 이의 개선된 방식으로는 기포를 발생시켜 부유력을 높이는 방식이지만, 기존의 부유선별법은 부유력이 낮고 체류시간이 한정되어 있을 뿐만 아니라 골재와의 이동 경로가 동일하기 때문에 비중이 1.0에 근접하는 것을 부유시키기 어렵다는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 종래의 결점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 상·하부의 지름이 다른 원통내에서 상승 와류와 하강 와류를 발생시키고 이 상승 와류와 하강 와류가 각각 또는 동시에 제공되는 것에 의해 폐콘크리트에 포함된 상대적으로 중량이 가벼운 물질을 부유하게 하여 분리하는 구조 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 와류의 순환에 의해 발생하는 상승력을 이용하기 때문에 기존의 단순 부력 방식이나 기포 부력 방식에 비하여 부유력이 매우 크고, 골재와 이물질은 동일하게 투입되지만 이물질 분류 내에서 다른 이동경로를 갖도록 유도함으로써 비중이 1.0 이상의 것도 부유하게 하여 분류하는 것이다.

본 발명은 상승 와류((Rising Current)와 와류(Vortex) 또는 하강 와류를 이용하여 순환골재에 포함된 이물질을 분리하기 위한 것으로,

상승 와류는 중력방향으로 침강하고자 하는 비중 1.0 이상의 물질의 침강하지 않고 부유하도록 하며, 하강 와류는 수직방향의 물질의 움직임을 수평으로 분산하여 부유하기에 요구되는 충분한 시간을 제공함과 동시에 연속공정에서 후속 물의 투하에 의해 발생하는 부유 장애를 제거하기 위한 용도로 사용하는 것이다.

상승 와류는 높은 비중에 의한 순환골재(고체물질)의 분리에 매우 효과적이며, 정지된 또는 정상적인 유체의 이동에 비하여 하강 와류는 매우 많은 수송에너지를 가지기 때문에 다양한 물질이 혼합된 건설폐기물로부터 이물질을 제거하는 공정으로 매우 적합한 기술적 환경을 제공하는 것이다.

본 발명은 와류의 순환에 의해 발생하는 상승력을 이용하기 때문에 기존의 단순 부력 방식이나 기포 부력 방식에 비하여 부유력이 매우 크다는 효과를 제공하는 것이다.

본 발명은 골재와 이물질은 동일하게 투입되지만 이물질 분류 내에서 다른 이동경로를 갖도록 유도함으로써 비중이 1.0 이상의 것도 부유하게 하는 장점을 제공하며, 기본의 방식에 비하여 플랜트의 크기를 매우 줄이고 체류시간도 단축할 수 있는 효과를 제공하는 것이다.

본 발명은 상승 와류와 하강 와류를 이용하여 순환골재에 포함된 이물질을 분리하기 위한 것으로, 상승 와류는 높은 비중에 의한 고체물질의 분리를 돕고, 하강 와류는 매우 많은 수송에너지는 가지고 있어서 다양한 물질이 혼합된 건설폐기물로부터 이물질을 제거하여 효과적인 이물질의 제거를 가능하게 하는 것이다.

도 1 은 종래 지그 비중 선별기에 대한 설치상태도

도 2a 는 종래 정전 선별기의 전전 유도형에 대한 설치상태도

도 2b 는 종래 전전 선별기의 코로나 방전형에 대한 설치상태도

도 3 은 종래 부유 선별기에 대한 설치상태도

도 4 는 종래 부유 선별기에 대한 다른 설치상태도

도 5a 는 일반적인 강제 와류(회전성)에 대한 작용상태도

도 5b 는 일반적인 자유 와류(비회전성)에 대한 작용상태도

도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치의 구성을 개략적으로 나타낸 설치상태도

도 7 은 본 발명의 상승류의 조성을 위한 설치상태도

도 8 은 본 발명의 와류의 조성을 위한 설치상태도

도 9 는 본 발명의 상승 와류의 조성을 위한 설치상태도

도 10 은 본 발명의 하강 와류의 조성을 위한 설치상태도

도 11 은 본 발명의 상승 및 하강 와류의 조성을 위한 설치상태도

도 12 는 본 발명의 유체 이동 경로를 나타낸 설치상태도

도 13 은 본 발명의 비중 0.6 미만의 혼합물의 거동을 나타낸 설치상태도

도 14 는 본 발명의 비중 0.6∼1.4인 혼합물의 거동을 나타낸 설치상태도

도 15 는 본 발명의 비중 1.4 이상 혼합물의 거동을 나타낸 설치상태도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

10 : 와류 탱크 11 : 유입구

12 : 유출구 20 : 공급 탱크

21, 31 : 펌프 30 : 저장 탱크

40 : 분류기

이러한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부시킨 도면에 따라서 상세하게 설명하기로 한다.

종래 기술은 혼합물을 동일 장소에서 연속적으로 투하함으로써 이전에 투입된 혼합물에서 이물질이 부유하려는 순간 후에 투입된 혼합물에 의해 부유가 방해 받아 비중이 가벼운 이물질이 부유하지 못하고 다른 재료와 같이 하부에 적재되는 현상이 자주 발생한다.

이러한 현상을 제거하기 위해서는 투입 위치를 연속적으로 변화키는 방법과 투입된 혼합물이 수평방향으로 이동하도록 하는 방법을 생각할 수 있다. 상기 방법은 기계적으로 투입구를 이동하도록 하면 되지만 실용적으로 설치하는 것은 간단하지 않다. 반면 후술한 방법은 유체의 급격한 수평방향의 이동을 형성하면 되므로 어렵지 않게 설치할 수 있다. 가장 효율적인 것은 와류(상승 및 하강)를 형성하는 방법이다.

종래 기술에서 건설폐기물은 연속적으로 분리장치에 투입되어 이송장치에 적재되는데, 이물질이 완전히 제거되지 않은 상태에서 이송장치에 적재되었기 때문에 이송하면서 이물질을 제거하게 된다.

그러나 이송장치에 적재된 건설폐기물은 급격한 진동을 받도록 만들 수 없기 때문에 그 움직임이 정적이므로, 이물질이 효과적으로 상부로 분리하는 것이 용이하지 않다.

어떠한 재료를 분리하려면, 그 효율이 극대화 되도록 각 재료의 이동을 보다 합리적으로 구성하여야 한다. 건설폐기물에 혼합된 각종 이물질을 선별하기 위하여 개발된 부유방식의 기존기술의 경우 제거하고자 하는 이물질의 이동방향, 이용하고자 하는 순환골재의 이동방향, 그리고 이물질의 제거에 이용하는 유체(때로는 기체를 포함)의 이동방향이 서로 간섭을 받도록 구성되었다.

즉, 이물질의 이동선과 수분의 이동 벡터와 및 골재의 이동 벡터가 각각 직각을 이루도록 설계된 것이다. 이러한 방식으로는 부유하려는 이물질의 움직임이 다른 물질의 이동에 의해 간섭되기 때문에 이물질의 부유가 용이하지 않게 되어 효율이 떨어질 수 밖에 없다.

그러므로 부유력을 향상하기 위해서는 이물질의 이동벡터와 유체의 이동 벡터를 동일하게 함으로써 이물질의 부유력을 향상시키고, 동시에 골재의 중력에 의한 침하력이 크기 때문에 골재의 이동 벡터와 유체의 이동벡터는 역으로 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상승 와류(Rising Current)와 와류(Vortex) 또는 하강 와류를 이용하여 순환골재에 포함된 이물질을 분리하고자 하는 것이다.

상승 와류는 중력방향으로 침강하고자 하는 비중 1.0 이상의 물질의 침강하지 않고 부유하도록 하며, 하강 와류는 수직방향의 물질의 움직임을 수평으로 분산하여 부유하기에 요구되는 충분한 시간을 제공함과 동시에 연속공정에서 후속 물의 투하에 의해 발생하는 부유 장애를 제거하기 위한 용도로 사용된다.

상승 와류는 높은 비중에 의한 고체물질의 분리에 매우 효과적이며, 또한 정지된 또는 정상적인 유체의 이동에 비하여, 하강 와류는 매우 많은 수송에너지를 가지고 있기 때문에 다양한 물질이 혼합된 건설폐기물로부터 이물질을 제거하는 공정으로 매우 적합한 기술적 환경을 제공한다.

이와 같은 상승 와류와 하강 와류에 관한 이론적인 배경을 개괄하면 다음과 같다.

상승 와류(Rising Current of Water)는, 물은 수증기에 비하여 밀도가 약 1,700배 높기 때문에 동일한 조건이라면 유동에 의해 어떤 고체물체를 이동시킬 경우 물에 의한 이동이 훨씬 크게 된다. 이러한 방식은 각종 플랜트에서 그 효율성이 입증되어 있으며, 대표적으로는 석탄입자를 이송하기 위하여 석탄입자를 물과 혼합하여 슬러리를 만든 후 배관을 통하여 이송하는 것과, 보일러에서 발생하는 각종 애쉬를 분쇄 후 야적장에 이송하기 위한 방식 등이 있다. 이와 같이 유체에 의한 물체의 이송은 매우 효율적인 방식이며, 기체에 의한 것보다 효율이 매우 높다.

유체를 수송 매체로 이용하는 경우 유체의 이동 방향은 중력의 수평 또는 중력방향으로 설정하는 것이 일반적이다. 이것은 유체와 유체속의 고체를 동시에 수직방향으로의 이송할 경우 높은 에너지가 요구되기 때문이다.

그러나 본 발명과 같이 여러 혼합물이 혼재된 것에서 일정한 비중의 것을 분리하는 분리기의 경우 유체의 이동 방향을 중력의 반대방향으로 설정하는 것, 즉 상승 와류(Rising Current)를 이용하는 것이 바람직하다. 부력과 연합된 상승 와류에 의해 비중이 낮은 것은 쉽게 부유하게 할 수 있고, 비중이 상대적으로 큰 것은 상승 와류나 부력에 상관없이 침강할 것이기 때문이다.

지구는 자전을 하기 때문에 지구상에서 운동하는 모든 물체는 이 자전의 영향을 받게 되어 북반구에서 운동하는 물체는 운동 방향에 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 힘을 받게 되는데 이를 코리올리(Coriolis Force)의 힘이라 하며, 이 힘 때문에 우리 가정의 세면대에서 물이 내려갈 때 북반구에서는 반시계 방향으로 돌면서 내려가고, 남반구에서는 시계 방향으로 돌면서 내려간다.

이와 같이 물이 회전할 때 생기는 원심력의 작용으로 회전하는 물은 바깥쪽으로 밀리는 힘을 받아 물의 중심에 공기 기둥이 생기게 되고, 물의 위쪽은 수압이 작고, 아래쪽은 수압이 크게 된다. 이러한 유체의 거동을 와류(Vortex)라고 한다.

이러한 와류는 자연 상태에서 자주 발생하는데, 기체의 경우 회오리바람, 물의 경우 소용돌이의 형태로 나타난다. 규모가 작은 회오리바람은 재미있는 구경거리가 되기도 하지만, 토네이도와 같이 그 규모가 큰 것은 재산이나 인명의 엄청난 피해를 초래하기도 한다. 바다에서 일어나는 회오리바람은 거대한 물기둥을 형성하기도 하는데 이것을 용오름이라고도 한다. 이와 같은 회오리바람(와류)은 기압의 급격한 변화에 의해 생기며, 이것은 피트병 속의 물이 갑자기 빠져나가면서 생기는 소용돌이와 같은 원리로 생기는 것이다.

와류현상은 기본적으로 강제와류와 자유와류로 구분할 수 있다. 강제와류는 물의 외부의 힘에 의해 형성된 것이고 자유와류는 좁은 틈을 다량의 물이 통과할 때 자연스럽게 발생하는 와류를 의미한다.

도 5a는 강제 와류(회전성) 흐름을 보여주는 것이고, 도 5b는 자유 와류(비회전성) 흐름의 예를 보여주는 것으로,

유체의 자유표면 위에서 본 유선들은 같은 중심을 갖는 원들이다. 흐름을 가시화하기 위하여 코르크를 액체에 띄워 대각선이 있는 사각형으로 나타나면. 두 흐름 모두 유체 입자들이 원형 경로를 따르는 와류들로 구성되어 있지만, 그 크기는 매우 다름을 알 수 있다.

도 5a의 경우는 강제 와류에 해당한다. 여기서 주로 회전하는 용기와 점도의 작용에 의하여 액체는 마치 고체처럼 일정한 각속도로 회전한다. 따라서 유일한 속도 성분은 반지름에 따라 증가하는 로 주어진다. 1-2-3-4-5의 경로를 따라가면서 코르크는 반시계 방향의 각속도를 가리키면서 명확히 반시계 방향으로 회전하기 때문에 흐름은 회전성이다.

도 5b의 경우는 비점성 액체에서 나타나는 자유 와류에 해당한다. 유일한 속도성분은 반지름의 역수에 비례하여 나타난다. 즉, 이다. 1-2-3-4-5의 경로를 따라가면서 코르크는 와류도가 0인 방향을 가리키면서 자신의 방향을 유지하기 때문에 흐름은 비회전성이다.

일반적으로 분체의 분리에 많이 사용하는 사이클론 분리기의 경우, 그 중심부는 자유와류의 예이다. 하지만 분리기의 입구 부분의 좁은 영역에서 흐름은 입구 기체의 구동 효과 때문에 강제와류로 근사된다. 욕조나 씽크대에서의 물빠짐은 각방향의 속도가 물빠짐 구멍에 접근할수록 증가하기 때문에 자유 와류의 또 다른 예이다.

강제와류의 실제의 모습의 예는 하부에 설치한 회전날개에 의해서 발생시킨 것이다. 강제와류가 발생하는 동안에는 강제와류가 발생한 모든 물입자가 중심축을 기준으로 하여 똑같은 각속도를 가진다.

자유와류는 다량의 물이 자연스럽게 유출되는 과정에서 생기는 폭이 좁고 상하로 긴 공기층의 중심부를 가진 와류를 의미한다. 이 자유 와류 현상 속에서는 유선이 동심원운동을 하게 되며 유속은 회전축과의 반경에 반비례하여 변화한다.

도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로, 본 발명은 와류 탱크(10)와, 공급 탱크(20)와, 저장 탱크(30)와, 분류기(40) 및 펌프(21, 31)를 포함하여 구성된다.와류 탱크(10)는 상부로부터 하부를 향해 점차 직경이 좁아지는 거꾸로 된 원뿔 형태의 드럼으로 내부에 유체를 수용하고 수용된 유체로부터 와류를 형성하는 것이다.상기 와류 탱크(10)의 하단부에는 유입구(11)를 형성하여 공급 탱크(20)로부터 공급되는 유체가 인입되는 것이며, 상기 와류 탱크(10)의 유입구(11)를 통해서는 내측 방향으로 관로 형태의 유출구(12)가 인입되어 소정 높이로 수직 설치되는 것이며, 상기 유출구(12)는 내측이 중공된 관로 형태를 갖는 것으로 유체와 함께 부유물이 유출구(12)를 통해 배출되는 것이다.상기 공급 탱크(20)는 와류 탱크(20)의 일측에 형성되어 유체를 수용하고 수용된 유체를 와류 탱크(10) 측으로 공급하는 것으로, 와류 탱크(10) 및 공급 탱크(20) 하부는 유체가 이동할 수 있도록 상호 연결된 형태를 갖는 것이다.또한, 상기 공급 탱크(20) 내에 수용된 유체의 수위는 와류 탱크(10) 내에 수용된 유체의 수위보다 상향 위치하도록 하여 와류 탱크(10) 내에서는 자유 와류가 형성되도록 한다.상기 저장 탱크(30)는 와류 탱크(10) 및 공급 탱크(20) 하부에서 유체로부터 부유물을 분류한 후 유체만을 저장하는 것이며, 상기 분류기(40)는 유출구(12)와 저장 탱크(30) 사이에 위치하여 와류 탱크(10)로부터 배출된 부유물과 유체 중 부유물만을 걸러내는 것으로, 통상의 걸름망 등의 형태로 이루어진다. 즉, 상기 유출구(12)는 와류 탱크(10) 내의 일정 수면부위에 해당하는 유체와 부유물을 배출시키되, 분류기(40)를 통해 부유물만을 걸러내고 유체는 저장 탱크(30) 측으로 저장되는 것이다.또한, 상기 와류 탱크(10)는 저장 탱크(30)와 펌프(31)를 통하여 연결되고, 공급 탱크(20)와 저장 탱크(30)는 펌프(21)를 통하여 연결되어 있어서 저장 탱크(30)의 유체를 와류 탱크(10) 및 공급 탱크(20)에 각각 공급할 수 있도록 하였다.

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물속에 떠 있는 물질은 물의 흐름에 따라 이동하게 된다. 물의 이러한 고체물질의 수송능력은 매우 막강하여 자연환경의 큰 변화를 가져오는 원인이 된다.

본 발명은 물의 이러한 막강한 수송능력을 이용하여 부력을 극대화하는 것으로, 와류(상승와류 및 하강와류)를 발생시키고 이에 따라 부유물의 부력이 극대화되어 수면 상부측 유체 및 부유물을 배출시키는 것이다.상승와류는 유체가 와류 탱크(20)의 하단부에서 공급될 경우 와류가 상승하는 형태로 형성되는 것이며, 하강와류는 유체가 와류 탱크(20) 상단부에서 공급될 경우 와류가 하강하는 형태로 형성되는 것이다.

상승 와류의 조성은 펌프(21)만 가동할 경우, 도 7에 도시한 바와 같이 와류 탱크(10)의 하부에 유체의 유입구(11)를 두고 수평/수직의 중앙부에 유출구(12)를 형성하여 펌프(21)를 가동하여 와류 탱크(20)의 하측면과 연결한 공급 탱크(20)에 수량을 공급함으로써 와류 탱크(10)의 하측면에서 상측면으로 흐르는 물의 상승 와류를 조성한다. 즉, 공급 탱크(20) 내의 수용공간에 펌프(21)를 통해 물을 계속 공급되면 수위가 상승하며 동시에 하부측 이동공간을 통해 물이 와류 탱크(20) 측으로 공급되며, 물 공급으로 와류 탱크(20) 내의 수위가 상승되면서 유출구(12)를 통해 물이 와류 현상을 나타내며 배출되고, 이때, 물은 와류 탱크(20)의 하단부에서 공급되는 형태로 상승와류가 형성되는 것이다. 또한, 물과 함께 수용된 수면측 부유물이 함께 배출되며, 분류기(40)에서 부유물을 분리한 후 유체는 저장 탱크(30)에 저장된다.

폐쇄된 공정 내에서 유체의 흐름은 펌프(21) → 공급 탱크(20) → 와류 탱크(10)의 하측면 유입구(11) → 와류 탱크(10) 하측면 유출구(12) → 분류기(40) → 저장 탱크(30)의 순서로 형성된다.

이때 상승 와류의 세기는 공급 탱크(20)의 수두와 와류 탱크(10)의 수두차(水頭差)에 비례하므로 펌프(21)의 용량을 크게 할수록 증가하게 된다. 또한 이때 공급 탱크(20)에서의 수두와 유출구(12) 상측면의 높이 차가 클 경우에는 와류 탱크(10)에서 자연스럽게 자유 와류가 형성되며, 그 회전 방향은 반 시계방향이다. 와류 탱크(10) 상측면의 유체의 이동은 자유 와류에 의해 외곽부보다는 중앙부에서 빠른 속도를 가지게 되므로 유체에 부유된 물질은 자체의 무게에 의해 침하되는 것이 아니라 유체의 이동과 함께 유출구(12)로 유입되게 된다.

수조 내에서 유체가 수평방향의 이동이 없고 수직방향의 이동만 있을 경우, 먼저 투입된 물질이 부유하려 해도 충분한 공간이 없기 때문에 후에 투입된 것에 의해 방해를 받아 부유할 수 없게 된다. 이때 수평방향으로의 이동을 적절히 부여하면 물질의 부유 공간을 조성할 수 있게 된다. 수평방향의 수송능력이 가장 큰 유체의 흐름은 와류이다.

와류는 도 8에서 펌프(31) 만을 가동할 경우 유체의 이동을 알 수 있는 바와 같이 와류 탱크(10)의 최 외곽에 연결된 펌프(31)를 가동함으로써 조성하였다. 이때 와류 탱크(10)에는 강제와류가 형성되며, 외곽의 수두가 높고 중앙부의 수두가 낮은 경사진 수두면을 형성하게 된다.

또한, 펌프(31)에 유입된 수량에 의해 와류 탱크(10)의 유입구(11)를 통하여 와류 탱크(10)로부터 공급 탱크(20)로 수량이 이동하지만, 와류 탱크(10)에 유입된 수량과 유출구(12)의 배출 수량은 평형상태에 도달하게 된다.

그러므로 평형상태에서의 수량의 흐름은 펌프(31)에서 와류 탱크(10)에 공급되고 다시 와류 탱크(10)의 하측에 형성한 유출구(12)를 통하여 분류기(40)에 공급된 후 다시 저장 탱크(30)의 순서로 형성된다.

평형상태에서 와류 탱크(10)에서의 와류는 거의 수평방향으로만 회전하지만, 펌프(31)로부터 유입된 수량이 유출구(12)를 통하여 외부로 배출되므로 와류 탱크(10)의 상부에서는 약간의 상승 와류가 형성되게 되며, 또한 수조내의 와류는 강제와류이므로 표면부의 유체의 흐름은 동일한 각속도를 갖게 되므로 외곽부(그림의 원에서의 위치)의 경우 속도가 빠르므로 침하하기 어렵지만, 중앙부로 갈수록 속도가 줄어들어 가장 중앙부(그림의 원에서의 위치)에서는 속도가 0으로 되어 침하하기 용이하게 된다.

앞에서 살펴본 바와 같이 펌프(21)에 의해 상승 와류를 조성할 수 있으며, 펌프(31)에 의해 와류를 조성할 수 있음을 알았으므로 펌프(21, 31)를 동시에 적용할 경우 상승 와류와 하강 와류를 동시에 발생시킬 수 있는 것이다.

도 9에 도시한 상승 와류의 형성을 통하여, 펌프(21, 31)를 동시에 적용하면, 와류 탱크(10)에서의 유체의 움직임은 자유와류와 강제와류가 혼합된 형태를 나타낸다. 와류 탱크(10)의 수주는 중앙부가 낮고 외곽부가 높은 가파른 경사를 갖는 수두면을 형성하고, 상측면의 유체의 이동은 강제와류일 때와 자유와류일 때의 중간형태로 거의 동일한 속도를 보이게 된다.

또한, 자유와류에 의한 유체의 이동은 하부로부터 유입된 유체에 의해 형성되는데, 이 상승류가 강제와류의 수평방향의 움직임을 약간 수직 방향으로 전환시키게 되어 전체적으로 상승 와류가 형성되게 된다. 상승 와류는 펌프(21, 31)를 모두 가동할 경우, 도 10에 도시한 바와 같이 유출구(12)의 주변을 따라 형성된다.

그러나 유출구(12)의 직경이 충분히 크지 않아 유입된 수량을 모두 배출시킬 수 없을 경우 상부에 유입된 물은 와류 탱크(10)의 외곽부를 통하여 하강하면서 도 10에 도시한 바와 같이 하강 와류를 형성하게 된다. 이때 와류 탱크(10)의 상부보다 하부가 단면이 작으므로 하강 와류는 하부일수록 회전속도가 커야 하지만, 전체적인 와류의 형성이 펌프(31)의 유량에 의해 조정된 강제와류이므로 거의 동일한 속도를 유지하고 있다.

이와 같이 형성된 상승 및 하강 와류는 펌프(21, 31)를 모두 가동할 경우, 도 11에 도시한 바와 같이 표현될 수 있다. 상승 와류에 의한 상승력은 와류 탱크(10)의 저면에서 유입된 수량에 의해 결정되는데, 유입된 수량의 대부분은 유출구(12)를 통하여 유출되고 일부의 수량에 의해 하강 와류가 형성되므로 상승 와류의 크기는 하강 와류의 크기보다 크게 된다.

와류 탱크(10)에 형성된 상승 및 하강 와류의 흐름을 개괄적으로 표현하면 펌프(21, 31)를 모두 가동할 경우, 12에 도시한 것과 같다.

이하에서 본 발명의 이용하여 다양한 비중을 갖는 혼합물인 건설폐기물의 분리 가능성을 검토하기 위하여 비중이 0.8 미만의 것과 비중 0.8∼1.4의 것 및 비중 1.4 이상의 것 등 3종류의 물체를 대상으로 투입 후 각각의 거동을 살펴보았으며, 아래의 실험 예를 통하여 상세하게 설명하기로 한다.

[실험예 1] 비중 0.8 미만 물체의 거동

비중이 0.8 미만의 물체는 비중이 매우 낮기 때문에 투입 직후 곧바로 부유하여 도 13에서 펌프(21, 31)를 모두 가동할 경우 비중이 다른 고체물질을 투하하였을 경우 와류 탱크(10)에서 a1, a2, a3의 경로를 따르며 배출되게 된다.

a1에서 a2로 이동할 경우에는 회전이 많지 않으나, a2에서 a3로 이동할 경우에는 많은 회전과 함께 이동하게 되며, 이와 같은 분리 효율 실험 결과는 표1과 같다.

[표 1] 분리 효율 실험 결과

물체의 비중	투입량(l)	분리량(l)	분리효율(%)	95% 분리 시간(sec.)	배출된 장치
0.2	1	1	100	28	유출구
0.4	1	1	100	90	유출구
0.6	1	1	100	132	유출구

[실험예 2] 비중 0.8∼1.4인 물체의 거동

도 14에 도시한 바와 같이 펌프(21, 31)를 모두 가동할 경우 비중이 다른 고체물질을 투하하였을 경우의 경로를 나타낸 것으로,

비중 0.8∼1.4 사이의 물체는 비중에 따라 약간 차이가 있지만, 와류 탱크(10)의 수면에 입사 시 곧바로 하강 또는 부유하지 않고 와류 탱크(10)에 형성된 와류에 따라 수조의 외곽부를 회전하게 된다.

와류 탱크(10)의 외곽부에 형성된 와류는 전술한 바와 같이 하강 와류이기 때문에 물체들은 서서히 하강하게 되는데, 와류 탱크(10)의 하부는 상부보다 단면적이 작고, 또한 상승 와류가 형성되어 있기 때문에 하강하는 물체는 자연스럽게 상승 와류를 만나게 되고 하강시보다 좀더 빠르게 상승하게 된다. 상승한 물체는 유출구(12)의 상면에 도달하면 급속하게 배수되게 된다.

물론 상승 와류의 크기에 따라 차이가 있지만, 비중 1.0∼1.4 정도 것도 분리 가능한 것을 실험적으로 확인하였다. 이러한 물체의 이동경로는 도 14에 도시한 바와 같이 b1 → b2 → b3 → b4 → b5 → b6로 나타낼 수 있다. 이동 경로 중에서 b1에서 b4까지의 회전은 느리지만, b4에서 b6까지의 회전은 매우 빠르게 진행됨을 확인할 수 있으며, 분리 효율 실험 결과는 표 2와 같다.

[표 2] 분리 효율 실험 결과

물체의 비중	투입량(l)	분리량(l)	분리효율(%)	95% 분리시간(sec.)	배출된 장치
0.8	1	0.90	90	30	유출구
1.0	1	0.95	95	32	유출구
1.2	1	0.95	95	43	유출구
1.4	0.80	0.73	91	50	유출구

[실험예 3] 비중 1.4 이상 물체의 거동

도 15는 펌프(21, 31)를 모두 가동할 경우 비중이 다른 고체물질을 투하하였을 경우 와류 탱크(10)에서의 고체물질의 이동 경로를 나타낸 것으로,

비중이 1.4 이상인 무거운 물체는 와류 탱크(10)에 형성된 와류의 영향을 상대적으로 적게 받게 되고, 비중이 증가할수록 더더욱 적은 영향을 받게 된다. 그러므로 비중이 큰 골재의 이동 경도 15에 도시한 바와 같이 c1에서 c4로 단순하다.

비중이 크므로 높은 위치에너지를 가지고 있어 와류 탱크(10)의 유체에 입사시 곧바로 부유하지 않고 신속하게 침하하지만, 점차 와류의 영향에 의해 수평 방향의 이동을 받게 되면서 완만하게 침하하게 되며, 분리 효율 실험 결과는 표 3과 같다.

[표 3] 분리 효율 실험 결과

물체의 비중	투입량(l)	분리량(l)	분리효율(l)	95% 분리 시간(sec.)	배출된 장치
1.8	1	0	0	10	와류 탱크 저면
2.0	1	0	0	8	와류 탱크 저면
2.3	1	0	0	5	와류 탱크 저면

본 발명은 폐콘크리트를 공급하여 상승 와류와 하강 와류를 이용하여 순활골재에 포함된 이물질을 분리하는데 다양하게 적용할 수 있는 것이다.

Claims (6)

1. 상부로부터 하부를 향해 점차 직경이 좁아지는 거꾸로 된 원뿔 형태의 드럼으로 내부에 유체를 수용하고 수용된 유체로부터 와류를 형성하는 것으로, 하단부에는 유체가 인입되는 유입구(11)를 형성하고, 상기 유입구(11)를 통해 인입되며 내측이 중공된 관로 형태의 유출구(12)가 내부에 수직으로 설치된 와류 탱크(10)와;

   상기 와류 탱크(20)의 일측에 형성되는 것으로 유체를 수용하고 수용된 유체를 와류 탱크(10) 측으로 공급하는 것으로, 와류 탱크(10) 및 공급 탱크(20) 하부는 유체가 이동할 수 있도록 상호 연결된 형태를 갖으며, 공급 탱크(20) 내에 수용된 유체의 수위는 와류 탱크(10) 내에 수용된 유체의 수위보다 상향 위치하도록 설치되는 공급 탱크(20)와;

   와류 탱크(10) 하부에 위치하여 유체로부터 부유물을 분류한 후 유체만을 저장하는 것으로, 상기 와류 탱크(10)에 유체를 공급하는 펌프(31)와, 상기 공급 탱크(20)에 유체를 공급하는 펌프(21)와 각각 연결되어 저장된 유체를 공급하는 저장 탱크(30)와;

   상기 유출구(12)와 저장 탱크(30) 사이에 형성되어 와류 탱크(10)로부터 배출된 부유물과 유체 중 부유물만을 걸러내는 것으로, 통상의 걸름망 형태로 이루어진 분류기(40);로 이루어지는 것을 특징으로 하는 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별장치.
2. 펌프(21)를 통하여 저장 탱크(30) 내에 수용된 유체를 공급 탱크(20) 측으로 공급하는 단계;

   와류 탱크(10) 및 공급 탱크(20) 하부는 유체가 이동할 수 있도록 상호 연결된 형태를 갖는 것으로, 공급 탱크(20) 내에 수용된 유체가 수압에 의해 와류 탱크(10)의 유입구(11)를 통하여 와류 탱크(10) 내측으로 공급되고, 유체가 와류 탱크(10)의 하단부에서 공급됨에 따라 수용된 유체에서는 상승와류가 형성되는 단계;

   상기 와류 탱크(10)에 건축폐기물이 소정량 공급되며 상승 와류에 의해 분류되어 물과 함께 부유물이 유출구(12)를 통하여 배출되는 단계;

   상기 유출구(12)에 연결한 분류기(40)를 통하여 부유물은 분류되고 용수는 저장 탱크(30)에 공급되는 단계를 통하여 유체의 이동으로 순환골재를 선별함을 특징으로 하는 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별방법.
3. 펌프(31)를 통하여 저장 탱크(30) 내에 수용된 유체를 와류 탱크(10)의 상부로 공급하여 강제로 하강 와류를 형성하는 단계;

   와류 탱크(10)에 건축폐기물이 소정량 공급되고 와류에 의해 물과 함께 수면측에 떠있는 부유물이 유출구(12)를 통하여 배출되는 단계;

   상기 유출구(12)에 연결한 분류기(40)를 통하여 부유물은 분류되고 유체는 저장 탱크(30)에 공급 저장되는 단계를 통하여 유체의 이동으로 순환골재를 선별함을 특징으로 하는 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별방법.
4. 공급 탱크(20) 내에 수용된 유체가 수압에 의해 와류 탱크(10)의 유입구(11)를 통하여 와류 탱크(10) 내측으로 공급되고, 유체가 와류 탱크(10)의 하단부에서 공급됨에 따라 수용된 유체에서는 상승와류가 형성되는 단계;

   펌프(31)를 통하여 저장 탱크(30) 내에 수용된 유체를 와류 탱크(10)의 상부로 공급함에 따라 하강 와류를 형성하는 단계;

   상기 상승 및 하강 와류를 동시에 발생하며 와류 탱크(10)에 건축폐기물이 소정량 공급되고 와류에 의해 물과 함께 수면측에 떠있는 부유물이 유출구(12)를 통하여 배출되는 단계;

   상기 유출구(12)에 연결한 분류기(40)를 통하여 부유물은 분류되고 용수는 저장 탱크(30)에 공급하는 단계를 통하여 유체의 이동으로 순환골재를 선별함을 특징으로 하는 와류를 이용한 순환골재의 비중 선별방법.
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