KR101266402B1 - 강제회전식 기액분리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베인에 의해 1차로 수증기가 회전하며 구동력에 의한 회전체의 회전으로 더욱 고속화된 상태로 수증기를 회전시켜 분리의 효율을 증대시킬 수 있는 강제회전식 기액분리기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상부측에는 수증기가 유입, 배기되는 유입구와 배기구가 마주보게 형성되고, 하부에는 고형물이나 물이 배출되는 배출구가 형성된 몸체를 구성하고, 상기 몸체의 상부면에는 구동모터의 구동으로 회전하는 회전축의 하부에 회전체가 함께 회전되도록 덮개로 덮어져 구성하며, 상기 회전체를 감싸며 몸체의 내면에 고정되게 베인을 설치 구성하여, 상기 유입구을 통해 고압으로 공급되는 수증기가 베인을 통과하면서 몸체의 내부로 유입시 1차 회전되며, 구동모터의 구동력으로 회전하는 회전체에 의해 수증기가 2차로 더욱 빠르게 회전하도록 구성하여; 수증기가 1차로 베인에 접촉되어 회전하면, 구동력에 의한 회전체의 회전으로 더욱 빠르게 2차로 회전되어 기체와 액체 및 고형물을 효과적으로 분리할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

강제회전식 기액분리기{A forcible rotating gas-liquid separator}

본 발명은 강제회전식 기액분리기에 관한 것으로, 특히 베인에 의해 1차로 수증기가 회전하며 구동력에 의한 회전체의 회전으로 더욱 고속화된 상태로 수증기를 회전시켜 분리의 효율을 증대시킬 수 있는 강제회전식 기액분리기에 관한 것이다.

일반적으로, 기액분리기는 주로 발전공정분야에 널리 사용되며, 주로 스팀터빈으로 유입되는 과열증기 중에 수분을 제거하는 설비로서 열 설비 중에서 보일러, 발전설비 등에 널리 사용되며, 증기의 이송배관 상에 응축되는 수분을 제거하기 위하여 배관라인 중에 설치한다. 또한, 보일러 상(上)드럼(증기드럼) 내부에 내재되어 증기 중에 포함된 수분을 제거하여 양질의 증기를 생산하는데 사용한다. 주로 사용되는 증기는 과열증기를 대상으로 하며, 증기터빈의 효율증가 및 내구성 증대를 위하여 설치하는 설비이다.

종래의 기액분리기는 고도의 수분제거가 필요치 않는 과열 증기를 대상으로 하기 때문에 주로 단단의 원심력 또는 판형을 사용하며, 원자력 발전의 경우 초임계압의 증기 생산을 위하여 원심력, 스크류식 및 파형 등을 사용한다. 주로 분리 효율은 약 90% 정도이다. 주로 원자력 발전에 사용되는 기액분리기는 응축수를 포함한 증기가 터빈에 들어가면 터빈 효율을 현저하게 저하시키므로 응축수를 제거하는 장치이다. 비등수형 원자로에서는 노심을 나온 기수 혼합증기는 수직방향으로 상승하여 원자로 상부에 있는 기액분리기로 유도된다. 여기서 증기는 선회류(旋回流)가 되어 원심분리작용에 의하여 수분은 바깥쪽으로, 증기는 안쪽으로 분리한다.

응축수를 제거한 증기는 증기건조기를 통과하여 원자로용기 상방 배관에서 증기 터빈으로 유도된다. 분리된 포화수는 노심 상부의 수중으로 환류(還流)한다. 가압수형 원자로에서는 증기발생기에서 발생한 증기와 물의 혼합물은 기액분리기로 들어가 같은 원리로 증기와 포화수가 분리되어 증기는 습분분리기를 통과하여 증기발생기 상방 배관에서 증기 터빈으로 유도되며, 스크루형의 기액분리기와 파(波)형의 습분분리기로 구성되어 있다. 기수 분리 장치부를 내장하는 상부 동에는 그 정상부에 주증기관이, 또 전열관군보다 위의 원통동부에 주급수관이 연결되어 있다.

배관 중에 발생되는 응축수를 분리하기 위한 기액분리기는 증기속도별로 기수분리 효율이 틀려지며, 형식에 따라서도 달라진다.

한편, 일일 200톤(ton) 이상의 소각용량을 가진 대규모 폐기물 소각설비의 경우에는 과열기를 장착한 수관식 폐열보일러가 설치되어, 폐열보일러에서 발생되는 고온,고압의 포화 또는 과열증기(super heated steam)는 전량 근접지역의 열병합 발전소에 공급되거나, 자체 배압증기터빈에 공급되어 여기서 생산되는 전기를 이용하여 소각장내의 전력에 충당하는 것이 일반적이다.

반면에, 일일 10 내지 100톤 규모의 소각용량을 가진 중소형 폐기물 소각설비의 경우에는 수관식 폐열보일러에서 발생되는 저온, 저압의 포화증기는 전량 대기 중으로 배출되거나, 일부 응축복수기를 이용하여 보일러 급수용으로 재활용하고 있는 것이 일반적이다. 이러한, 폐열보일러는 중소용 폐기물 소각설비에서 발생하는 폐열을 회수하거나, 연소가스의 방지시설에 가해지는 부하를 감소시키기 위하여 연소가스를 100도 내지 180도까지 냉각시킨다. 폐열보일러에서 배출되는 포화증기는 1 내지 7기압으로 시간당 1 내지 5톤이 배출되는데, 이러한 포화증기의 일부분은 동절기의 난방용으로 폐기물연소용 공기의 예열에 이용되는데 이는 전체 발생 증기량의 10% 정도에 불과하다.

이와 같이 대부분의 포화증기는 대기로 방출된다. 10 내지 100톤 규모의 소각설비가 국내에서만 3500여기가 설치되어 가동중이라는 사실을 고려할 때, 엄청난 양의 에너지가 낭비되고 있다는 점을 알 수 있다. 따라서, 에너지 재생 및 비용 차원에서 이를 이용할 필요성이 절실하다.

기존의 기액분리기는 증기터빈으로 유입되는 과열증기 중의 배관, 각 설비 등의 냉각에 의한 응축수를 분리하는 설비이다.

그러나, 폐기물 소각설비에서 대기 중으로 배출되는 저질의 포화증기나, 공정에 사용되고 남는 잉여증기를 이용하여 기존의 기액분리기를 이용하여 증기터빈을 돌릴 경우, 효율저하는 물론 물에 의한 터빈의 손상 등 많은 문제를 초래하게 한다.

따라서, 포화증기를 이용하여 터빈발전을 하기 위해서는 포화증기 중의 수분을 제거하는 고 효율의 기액분리기가 요구된다.

또한, 상기 포화수증기에서 수분이나 고형물질과 같은 이물질을 분리하기 위해서는 포화수증기를 빠른 속도록 회전시켜야 할 경우 회전력이 충분하지 못하여 많은 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

이로써, 공급되는 포화수증기의 공급 속도에 의해 1차적으로 회전력을 유도한 후 동력을 이용하여 고속으로 회전하는 별도의 회전체의 회전작동으로 포화수증기에서 수분 및 고형물과 같은 이물질을 효과적으로 분리할 수 있는 기수 분리기가 절실하게 요구되는 실정이다.

[참고문헌]

1. 등록특허 10-0741679호, 3단 원심력을 이용한 증기용 기수분리기

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로 수증기가 1차로 베인에 접촉되어 회전하면서 구동력에 의한 회전체의 회전으로 더욱 빠르게 2차로 회전되어 원유 증기와 수분 및 이물질을 효과적으로 분리할 수 있도록 하는 강제회전식 기액분리기를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고, 본 발명의 다른 목적은 몸체가 깔때기 형태로 이루어져 원심회전력 및 회전 와류를 더욱더 빠르게 발생시킬 수 있도록 하는 데 있다.

더불어, 본 발명의 또 다른 목적은 몸체가 깔때기 형태로 이루어져 수증기에 함유된 수분이나 고형물질을 하부로 원활하게 수집하여 수분은 재활용하고 고형물은 배출할 수 있어 기체의 순도를 증대시킬 수 있도록 하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 포화수증기 내에 함유된 수분이나 고형물을 억제할 뿐만 아니라 기타 다른 여러 가지 공정에서 기화된 기체 중의 수분이나 고형물질의 제거가 필요한 곳에도 적용가능하도록 하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 증발농축장치의 전열부에서 원액을 뜨거운 증기열로 증발시켜 분리된 증발된 수증기에서 고형물과 액체, 순수 기체를 분리하는 기액분리기에 있어서, 상부측에는 수증기가 유입, 배기되는 유입구와 배기구가 마주보게 형성되고, 하부에는 고형물이나 물이 배출되는 배출구가 형성된 몸체를 구성하고, 상기 몸체의 상부면에는 구동모터의 구동으로 회전하는 회전축의 하부에 회전체가 함께 회전되도록 덮개로 덮어져 구성하며, 상기 회전체를 감싸며 몸체의 내면에 고정되게 베인을 설치 구성하여, 상기 유입구을 통해 고압으로 공급되는 수증기가 베인을 통과하면서 몸체의 내부로 유입시 1차 회전되며, 구동모터의 구동력으로 회전하는 회전체에 의해 수증기가 2차로 더욱 빠르게 회전하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 강제회전식 기액분리기를 제공한다.

이상에서와 같이 본 발명은 수증기가 1차로 베인에 접촉되어 회전하면, 구동력에 의한 회전체의 회전으로 더욱 빠르게 2차로 회전되어 원유 증기와 수분 및 이물질을 효과적으로 분리할 수 있도록 하는 효과가 있다.

그리고, 몸체가 깔때기 형태로 이루어져 원심회전력 및 회전 와류를 더욱더 빠르게 발생시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

더불어, 몸체가 깔때기 형태로 이루어져 수증기에 함유된 수분이나 고형물질을 하부로 원활하게 수집하여 수분은 재활용하고 고형물은 배출할 수 있어 기체의 순도를 증대시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 포화수증기 내에 함유된 수분이나 고형물을 억제할 뿐만 아니라 기타 다른 여러 가지 공정에서 기화된 기체 중의 수분이나 고형물질의 제거가 필요한 곳에도 적용가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기액분리기가 적용된 증발농축장치의 부분 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 강제회전식 기액분리기를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 회전체를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 베인을 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 강제회전식 기액분리기의 작동도이다.

이에 상기한 바와같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 강제회전식 기액분리기는 증발농축장치(200)에서 원액을 뜨거운 증기열로 증발시켜 분리 증발된 수증기에서 고형물과 물, 순수 기체를 분리하도록 기액분리기(100)를 구성한다.

이러한, 상기 기액분리기(100)는 상부측에는 수증기가 유입, 배기되는 유입구(11)와 배기구(12)가 마주보게 형성되고, 하부에는 고형물이나 물이 배출되는 배출구(13)가 형성된 몸체(10)가 구성된다.

여기서, 상기 몸체(10)는 상부측은 공간 면적이 큰 회전공간(10a)이 일부분 존재하다 하부로 진행할수록 공간 면적이 작아지는 수집공간(10b)이 연장되어 깔때기 형상으로 구성된다.

즉, 상기 유입구(11)와 배기구(12)는 회전공간(10a)의 양측에 각각 구성되는 것이며, 배출구(13)는 수집공간(10b)의 하부에 결합 구성된다.

이때, 상기 유입구(11)는 증발농축장치(200)와 배관으로 연결된다.

여기서, 상기 증발농축장치(200)를 간단히 살펴보면 원액이 유입되면 가열되어 증발되는 수증기가 배관을 통해 유입구(11)로 공급되도록 구성된다.

아울러, 상기 배기구(12)에는 고형물 및 물이 분리된 순수 원액의 증기를 응측하기 위하여 응축기(300)로 공급하도록 연결되는 배관이 연결 구성된다.

그리고, 상기 배출구(13)의 하부에는 고형물을 드레인 배출시키는 드레인단(13a)이 형성되며, 배출구(13)의 일측면에는 수집된 물을 증발농축장치(200)로 재 공급하는 물공급단(13b)이 구성된다.

아울러, 상기 몸체(10)의 상부면에는 구동모터(20)의 구동으로 회전하는 회전축(21)의 하부에 회전체(30)가 함께 회전되도록 덮개(14)로 덮어져 결합된다.

이때, 상기 회전축(21)의 상부 끝단에는 구동모터(20)에 결합된 구동풀리(22)와 연결되는 벨트(23)가 연결되는 풀리(24)가 결합된다.

여기서, 상기 회전축(21)은 덮개(14)의 상부에 결합 고정되는 통 형상의 브라켓(25)을 관통하면서 지지되도록 구성된다.

더불어, 상기 브라켓(25)의 상부단과 내부에는 회전축(21)을 회전되도록 지지하기 위한 베어링이 결합되어 구성된다.

즉, 상기 덮개(14)와 회전축(21)은 베어링에 의해 회전되게 연결되며, 회전체(30)는 몸체(10)의 회전공간(10a)의 내부에 위치하게 된다.

그리고, 상기 회전체(30)는 회전축(21)과 연결되는 부분은 원통형의 연결부(31)이며, 상기 연결부(31)의 외주면을 따라 다수개의 날개(32)를 돌출되게 고정한다.

아울러, 상기 날개(32)의 상/하부 끝단과 연결부(31)의 외주면에 테두리판(34)을 결합시켜 구성한다.

이렇게, 상기 날개(32)가 연결부(31)의 외주면에서 동심형 배치로 결합되고, 양 끝단에 테두리판(34)을 결합시켜 날개(32)와 날개(32) 사이에는 공간을 형성하게 되어 수증기가 연결부(31)의 내부로 유입되어 상승하는 순수한 기체와 혼합되는 것을 방지하며 수증기를 빠른 속도록 회전하기 위하여 구성된다.

아울러, 상기 연결부(31)에는 외주면을 따라 다수개의 유동홀(33)을 구성하여 분리된 순수한 기체가 배기구(12)을 통해 진공압을 형성하는 응축기(300)로 흡입되어 배기될 수 있도록 구성한 것이다.

즉, 상기 회전체(30)가 회전하면 날개(32)에 의해 몸체(10)의 내부에 존재하는 수증기가 회오리 형태로 회전하기 위한 구성이다.

그리고, 상기 회전체(30)를 감싸며 몸체(10)의 내면에 고정되게 베인(40)을 설치 구성한다.

이러한, 상기 베인(40)은 기울기를 가진 다수개의 베인날개(41)를 상하단이 관통되고 수평 단면이 동심원인 두 개의 원통형으로 이루어진 베인몸체(42)의 사이에 고정 구성한다.

이때, 상기 베인몸체(42)의 두 개의 원통형 중 가장 작은 원통형의 내주면에는 유입구(11)를 통해 유입되는 수증기를 베인날개(41)로 안내되도록 하며 상기 배기구(12)와 연통되는 연통홀(43)이 형성된 원통 형태의 안내관(44)을 수직 고정하여, 상기 안내관(44)이 회전체(30)를 감싸면서 덮개(14)에 밀착되도록 구성한다.

즉, 상기 안내관(44)은 원통 형상으로 구성된 것으로, 베인몸체(41)의 두 개의 원통형 중 가장 작은 원통형의 내주면에 결합되기 때문에, 상기 유입구(11)를 통해 유입되는 수증기는 안내관(44)에 접촉되어 베인(40)의 베인몸체(42) 내부로 유도되면서 베인날개(41)에 접촉되는 것이다.

이때, 상기 베인(40)은 유입구(11)을 통해 고속으로 공급되는 수증기가 베인날개(41)와 접촉하면서 몸체(10)의 내부로 유입시 회전되도록 구성하여, 초반 교반 속도를 증대시킬 수 있도록 구성한 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 기액분리기(100)를 사용하기 위해서는 우선 증발농축장치(200)가 가동을 해야 한다.

이러한, 상기 증발농축장치(200)에 원액이 유입되어 가열되면 증발되는 수증기(도 5의 실선 화살표)가 고온의 상태로 배관을 통해 유입구(11)로 공급된다.

이렇게, 상기 유입구(11)를 통해 고온으로 빠르게 유입되면, 수증기는 안내관(44)에 접촉되어 베인(40)의 베인몸체(42) 내부로 유도된 후 수증기가 베인(40)을 통과하면서 베인날개(41)를 접촉하여 회오리 형태로 몸체(10)의 회전공간(10a)과 수집공간(10b)으로 유입된다.

이후, 상기 구동모터(20)를 구동시켜 구동력이 구동풀리(22), 벨트(23), 풀리(24), 회전축(21)의 순서로 전달되어 회전축(21)을 회전시키게 된다.

다음으로, 상기 회전축(21)의 회전에 의해 회전체(30)가 함께 회전하게 된다.

아울러, 상기 회전체(30)가 회전하게 되면 연결부(31)의 하부에 결합된 날개(32)가 회전하면서 몸체(10)의 내부로 유입된 수증기를 회전시킨다.

이렇게, 상기 회전체(30)가 빠르게 회전하면서 일정 회전속도에 도달하면 수증기는 몸체(10)의 내부에서 회오리 형태로 빠르게 회전하게 된다.

이때, 상기 회오리 형태로 회전하는 수증기에 원심력이 함께 작용하게 되어 수증기에 함유되어 기체보다 비중이 큰 고형물과 물은 몸체(10)의 내벽에 접촉하면서 하부로 흘러 내려 배출구(13)로 이동하게 된다.

이후, 상기 배출구(13)에 수집된 고형물은 드레인단(13a)을 통해 하부로 배출 폐기 되고, 물은 물공급단(13b)을 통해 증발농축장치(200)의 상부로 재 공급한다.

한편, 상기 고속으로 회전하는 수증기 내에 존재하는 기체는 수직 상승하며 액체 및 고체와 분리된다.

이렇게, 상부로 이송한 기체(도 5의 점선 화살표)는 회전체(30)의 날개(32)와 응축기(300)의 진공펌프(301)에 의해 발생되는 진공 흡입력에 의해 배기구(12)를 통해 배기되어 응축기(300)로 유도 배출되어 응축기(300)에서 기체의 응축과정을 거치게 된다.

즉, 상기 기체는 몸체(10)의 내부에서 수직으로 상승하여 회전체(30)의 연결부(31) 중앙으로 유입된 후 유동홀(33)을 통해 안내관(44)의 연통홀(43)을 통과해 배기구(12)를 통해 배기되는 것이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

10 : 몸체 10a : 회전공간
10b : 수집공간 11 : 유입구
12 : 배기구 13 : 배출구
13a : 드레인단 13b : 물공급단
14 : 덮개 20 : 구동모터
21 : 회전축 22 : 구동풀리
23 : 벨트 24 : 풀리
25 : 브라켓 30 : 회전체
31 : 연결부 32 : 날개
33 : 유동홀 34 : 테두리판
40 : 베인 41 : 베인날개
42 : 베인몸체 43 : 연통홀
44 : 안내관 100 : 기액분리기
200 : 증발농축장치 300 : 응축기
301 : 진공펌프

Claims (5)

1. 증발농축장치(200)에서 원액을 뜨거운 증기열로 증발시켜 분리된 증발된 수증기에서 고형물과 액체, 순수 기체를 분리하는 기액분리기에 있어서,
   상부측에는 수증기가 유입, 배기되는 유입구(11)와 배기구(12)가 마주보게 형성되고, 하부에는 고형물이나 물이 배출되는 배출구(13)가 형성된 몸체(10)를 구성하고,
   상기 몸체(10)의 상부면에는 구동모터(20)의 구동으로 회전하는 회전축(21)의 하부에 회전체(30)가 함께 회전되도록 덮개(14)로 덮어져 구성하며,
   상기 회전체(30)를 감싸며 몸체(10)의 내면에 고정되게 베인(Vane:40)을 설치 구성하여,
   상기 유입구(11)을 통해 고속으로 공급되는 수증기가 베인(40)을 통과하면서 몸체(10)의 내부로 유입시 1차 회전되며, 구동모터(20)의 구동력으로 회전하는 회전체(30)에 의해 수증기가 2차로 더욱 빠르게 회전하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 강제회전식 기액분리기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 배출구(13)의 하부에는 고형물을 드레인 배출시키는 드레인단(13a)이 형성되며, 배출구(13)의 일측면에는 수집된 물을 증발농축장치(200)로 재 공급하는 물공급단(13b)을 구성하는 것을 특징으로 하는 강제회전식 기액분리기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 회전체(30)는 회전축(21)과 연결되는 부분이 원통형의 연결부(31)이며, 상기 연결부(31)의 외주면을 따라 다수개의 날개(32)를 돌출되게 고정하고,
   상기 날개(32)의 상/하부 끝단과 연결부(31)의 외주면에 테두리판(34)을 결합시켜 구성하는 것을 특징으로 하는 강제회전식 기액분리기.
4. 제 3항에 있어서, 상기 연결부(31)에는 외주면을 따라 다수개의 유동홀(33)을 구성하여 분리된 순수한 기체가 배기구(12)을 통해 진공압을 형성하는 응축기(300)로 흡입되어 배기될 수 있도록 구성하는 것을 특징으로 하는 강제회전식 기액분리기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 베인(40)은 기울기를 가진 다수개의 베인날개(41)를 상하단이 관통되고 수평 단면이 동심원인 두 개의 원통형으로 이루어진 베인몸체(42)의 사이에 고정 구성하고,
   상기 베인몸체(42)의 두 개의 원통형 중 가장 작은 원통형의 내주면에는 유입구(11)를 통해 유입되는 수증기를 베인날개(41)로 안내되도록 하며 상기 배기구(12)와 연통되는 연통홀(43)이 형성된 원통 형태의 안내관(44)을 수직 고정하여, 상기 안내관(44)이 회전체(30)를 감싸면서 덮개(14)에 밀착되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 강제회전식 기액분리기.

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