KR101267878B1 - 고압상태의 선회유동을 이용한 입자분리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압상태의 선회유동을 이용한 입자분리장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 압력손실을 최소화하면서 3중 선회유동에 의해 가스내 고체입자를 분리하고 분리된 고체입자와 가스는 동일한 방향으로 진행되면서 배출이 이루어지는 입자분리장치에 관한 것이다.
본 발명의 고압상태의 선회유동을 이용한 입자분리장치는, 고압으로 이송되는 혼합가스로부터 가스와 고체입자를 분리하는 입자분리장치에 있어서, 하단은 상광하협의 원추부를 형성하고, 밀폐된 상단 측면에는 축중심에서 외측으로 편향되도록 유입구를 형성하여 혼합가스가 내벽면을 따라 선회하면서 유입되도록 하고, 중간부분에는 내주면에 축을 중심으로 환형태로 돌출되는 내경협소부를 형성하여 유로 내경을 변화시키도록 한 수직관체인 본체관과; 상기 본체관 내부의 상단면으로부터 길이방향으로 돌출된 봉체로 유입된 혼합가스가 선회하도록 유도하는 선회유도코어와; 상기 본체관의 중심에 배치되고 내경협소부 영역에 입구를 위치시켜 고체입자가 분리된 가스를 외부로 배출시키는 가스배출관과; 상기 본체관의 원추부하단에 형성되어 개폐가 이루어지는 배출밸브;를 포함하여 구성된다.

Description

고압상태의 선회유동을 이용한 입자분리장치{APPARATUS FOR SEPARATING PARTICLES USING SWIRL FLOW OF HIGH PRESSURE STATE}

본 발명은 고압상태의 선회유동을 이용한 입자분리장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 압력손실을 최소화하면서 3중 선회유동에 의해 가스내 고체입자를 분리하고 분리된 고체입자와 가스는 동일한 방향으로 진행되면서 배출이 이루어지는 입자분리장치에 관한 것이다.

기체와 고체입자 등 서로 다른 두 상의 혼합물을 원심력으로 분리하는 장치 중 대표적인 것이 사이클론이다. 특히 배가스에 포함된 분진을 원심력으로 분리 제거하는 사이클론 집진기술은 철강공정, 소각공정, 시멘트공정, 연소공정, 제지공정, 코크스공정 등 대부분의 분진 발생공정에 적용되는 등 산업현장에 널리 사용되고 있다.

이러한 사이클론은 대표적으로 상부원통부와 하부원추부로 구성되는 본체와, 상기 본체 하부에 연통 설치되는 포집챔버와, 상기 상부원통부에 일부 내입되어 가스를 외부로 배출시키는 배출관과, 상기 상부원통부의 측면과 연통되어 분진이 혼합된 혼합가스를 선회되도록 유입하는 유입관으로 구성된다.

상기 종래 사이클론은 유입관을 통해 혼합가스를 본체 내부로 유입하고, 유입된 혼합가스는 본체 내벽을 따라 선회하면서 하강하게 된다. 이때 본체의 상부원통부 단면적은 상기 유입관의 단면적은 보다 크기 때문에 유입된 혼합가스의 유속은 일시적으로 급감하게 되어 유속에 의해 이동되는 분진입자가 1차적으로 분리된다. 또한, 선회하면서 회전력에 의해 잔여 분진을 외측 방향 즉, 본체 내벽으로 밀어내게 되어 기체로부터 분진을 분리하게 된다. 상기 분진을 분리한 기체는 선회된 중앙을 통해 재상승하여 배출관을 통해 배출되고, 분리된 분진은 본체 내벽을 따라 하강하여 포집챔버로 포집된다.

상기한 구성에서 혼합가스는 유입관을 통해 사이클론의 본체 내부로 유입될 때 이동되는 유로의 단면적이 급속하게 확장되고, 하강 후 상승하여 나가는 배출관에서는 단면적이 급속하게 축소되어 이송압력을 급감시키게 된다.

이러한 이송압력의 감소는 단순 배기중의 분진제거분야에서는 문제가 없지만, 이송기체를 순환시켜 연속적으로 사용되는 분야에서는 급감되는 압력만큼 보충해야하는 문제점이 있다.

따라서, 상기 압력손실을 최소화하면서 기체로부터 분진을 분리 제거할 수 있는 새로운 개념의 입자분리장치에 대한 연구가 필요하다.

이에 본 발명에 따른 고압상태의 선회유동을 이용한 입자분리장치는,

혼합가스유입관과 연통되는 유입구의 단면적과 본체관 상부의 단면적을 동일 또는 유사하게 형성하여 혼합가스의 유입과정에서 유로 단면적 변동을 줄여 이동되는 혼합가스의 이송압력 손실을 최소화하면서 입자 분리가 이루어지도록 하는 입자분리장치의 제공을 목적으로 한다.

상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 고압상태의 선회유동을 이용한 입자분리장치는,

고압으로 이송되는 혼합가스로부터 가스와 고체입자를 분리하는 입자분리장치에 있어서, 하단은 상광하협의 원추부를 형성하고, 밀폐된 상단 측면에는 축중심에서 외측으로 편향되도록 유입구를 형성하여 혼합가스가 내벽면을 따라 선회하면서 유입되도록 하고, 중간부분에는 내주면에 축을 중심으로 환형태로 돌출되는 내경협소부를 형성하여 유로 내경을 변화시키도록 한 수직관체인 본체관과; 상기 본체관 내부의 상단면으로부터 길이방향으로 돌출된 봉체로 유입된 혼합가스가 선회하도록 유도하는 선회유도코어와; 상기 본체관의 중심에 배치되고 내경협소부 영역에 입구를 위치시켜 고체입자가 분리된 가스를 외부로 배출시키는 가스배출관과; 상기 본체관의 원추부하단에 형성되어 개폐가 이루어지는 배출밸브;를 포함하여 구성된다.

상기 해결수단에 의한 본 발명의 고압상태의 선회유동을 이용한 입자분리장치는,

혼합가스유입관과 연통되는 유입구의 단면적과 본체관 상부의 단면적을 동일 또는 유사하게 형성하여 단면적 차에 의해 본체관으로 유입되는 혼합가스의 압력손실을 최소화하였다.

또한 본체관 내주면을 따라 하향으로 선회하는 가스는 내경협소부에서 내측상향으로 방향 전환하여 이동되고 선회유도코어의 단부에 부딪쳐 하향 이동하여 가스배출관을 통해 배출하는 등 3중선회유동에 의해 원심력으로 고체입자를 효율적으로 분리시키는 장치의 제공이 가능하게 되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자분리장치를 도시한 수직단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 입자분리장치를 도시한 수평단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 입자분리장치를 도시한 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 입자분리장치를 도시한 구동과정을 도시한 개략도.
도 5는 본 발명의 주요부에서의 작용과정을 도시한 상태도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 입자분리장치의 주요부를 도시한 개략도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 입자분리장치의 수직단면 개략도이고, 도 2는 수평단면개략도이다. 참조한 바와같이 본 발명의 입자분리장치(10)는 원통체의 본체관(20)과, 상기 본체관의 상단에 형성된 선회유도코어(30)와, 상기 본체관 내부의 가스를 외부로 배출시키는 가스배출관(40)과, 상기 본체관 하단에 설치되어 분리된 고체입자를 외부로 배출시키는 배출밸브(50)를 포함하여 구성된다.

상기 본체관(20)은 원통체로 하단은 상광하협의 원추부(21)로 형성되어 그 단부에 배출밸브(50)가 장착된다. 또한, 밀폐된 상단 측면에는 혼합가스를 유입하는 유입관과 연통설치되는 유입구(22)가 형성되는데, 상기 유입구(22)는 도 2를 참조한 바와같이 본체관(20) 중심에서 외각으로 편향된 부분에 위치하게하여 유입되는 혼합가스가 본체관의 내벽면을 따라 선회하도록 한다.

여기서 상기 유입구(22)의 단면적과 본체관(20)의 상부 단면적은 1 : 1~3 의 비율로 형성하여 혼합가스가 이동되는 유로의 단면적 변경이 최소화되도록 할 수 있다. 상기 상부단면적은 선회유도코어의 단면적을 뺀 본체관 단면적이며, 유입구 단면적과 본체관 상부 단면적을 1:1로 형성하여 유로단면적의 변경없이 혼합가스의 이동이 이루어지도록 할 수 있다.

상기 본체관(20)의 중간부분에는 내경협소부(23)가 위치한다. 상기 내경협소부는 본체관 축을 중심으로 내벽면을 따라 환형태로 돌출된다. 상기 내경협소부는 도1의 단면도에서와 같이 유입구(22)가 형성된 상부로부터 점차적으로 돌출되고, 만곡부를 통과하면서는 점차적으로 내입되어 원래의 관체 내경으로 복귀한다.

이 때 상기 내경협소부(23)의 만곡부 돌출높이를 내경협소부 수직길이의 1/15 ~ 1/8 의 범위로 하여 완만하게 돌출되게 함으로써 내경협소부의 변곡에 의해 선회하는 혼합가스의 유동저항을 최소화하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 내경협소부(23)가 본체관의 중심축으로 돌출되는 길이도 본체관의 반경에 대해 1/8~1/3로 하여 내경협소부에 의해 본체관의 직경에 과도하게 축소되는 것을 방지해 고체입자의 배출이 용이하게 이루어지도록 한다.

다음으로 상기 선회유도코어(30)는 본체관(20)의 내부 상단면에서 길이방향 즉, 본체관의 축방향으로 돌출되어 있다. 상기 선회유도코어의 돌출길이는 유입구(22)의 수직길이를 커버할 수 있는 길이로 형성하여 유입구를 통해 유입되는 혼합가스가 선회유도코어와 본체관 내벽면에 의해 안내되어 선회이동이 이루어지도록 한다.

또한, 상기 가스배출관(40)은 일단은 본체관 내부에 위치하고 타단은 본체관 외부에 위치하여 본체관 내부에서 고체입자가 분리된 가스를 외부로 배출시킨다. 이러한 가스배출관은 도시된 바와같이 본체관(20)과 동일축을 갖도록 중심에 배치하고, 가스배출관의 단부는 내경협소부(23) 영역에 위치하며, 본체관의 하부에서 외부로 꺾이는 구조를 갖는다.

상기 가스배출관(40)과 본체관(20)의 결합구조는 도 1에 도시된 형태 이외에 도 3에서와 같이 본체관(20)을 수평으로 형성하되 본체관의 배출밸브(50)가 결합되는 단부측을 하부로 꺾어 형성하고, 가스배출관(40)을 수평으로 관통되어 외부로 배출되도록 구성할 수 있다. 이때에는 배출밸브측으로 소량의 가스가 배출되도록 함으로써 기체배출관의 입구측에서 분리된 고체입자가 배출밸브측으로 용이하게 이동되도록 할 수 있다.

상기 배출밸브(50)는 본체관의 원추부(21)에 포집된 고체입자를 배출하는 밸브로, 개구 또는 폐구에 의해 포집된 고체입자를 배출하거나, 스크류에 의해 정량씩 배출되게 하는 등 다양한 수단이 적용될 수 있다.

이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 입자분리장치(10)는 본체관(20)으로 유입된 혼합가스가 본체관 내벽을 따라 선회하면서 하강하고, 내경협소부(23) 구간에서 상승한 다음 선회유도코어(30)에 부딪쳐 하강하여 가스배출관(40)을 통해 배출되며, 내경협소부 구간에서 상승할 때 기체와 고체입자가 분리되어 고체입자는 자중에 의해 하강하고 기체만 상승하는 것이다.

도 4를 참조한 바와같이 유입구(22)를 통해 본체관(20)의 내부로 유입된 혼합가스는 본체관의 내주면을 따라 선회하면서 하강하게 된다. 상기 선회하는 혼합가스에 포함된 고체입자는 원심력에 의해 최외측으로 밀려나 본체관 내벽을 따라 하강하게 된다.

도 1과 도 5를 참조한 바와같이 본체관은 하단의 배출밸브(50)를 폐구시키면 가스배출관(40) 입구(41)의 하부측 공간은 가스를 배출하는 수단이 없으므로 가스흐름이 차단되는 폐쇄공간(24)이 된다. 참고로 상기 폐쇄공간(24)은 기체의 흐름이 상대적으로 정체되어 있는 공간을 말하는 것이다. 즉, 가스배출관 입구(41)를 기준으로 상부공간은 가스가 가스배출관으로 유입되어 배출됨으로 가스유동이 활발하게 이루어지며, 가스배출관 입구 하부공간은 내부가스를 배출시키는 수단이 없으므로 정체되어 있다. 그러므로 상기 가스배출관의 입구 부분에서 가스유동이 활발한 영역과 정체된 영역이 구획된다. 상기 두 영역의 경계면(241)은 일정한 평면으로 형성되는 것이 아닌 유속에 의해 서로 작은 대류가 이루어지는 불규칙한 면으로 형성된다.

이에 상기 본체관(20)의 내주면을 따라 고속으로 선회하면서 하강하는 혼합가스는 폐쇄공간(24)과의 경계면(241)에 부딪쳐 상부로 방향을 전환하게 된다. 이 때 중량체인 고체입자는 대다수가 자중에 의해 하강하여 폐쇄공간으로 유입되어 하단의 원추부에 포집되며 기체성분만 상향으로 방향을 전환하여 진행된다.

또한, 본 발명의 본체관(20)에는 내경협소부(23)가 형성됨으로 선회하면서 수직 하강하는 1차선회류(251)는 돌출된 내경협소부(23)에 의해 방향이 중앙측으로 일정각도 틀어져서 하강되고, 틀어진 상태에서 폐쇄공간의 경계면(241)과 부딪쳐 방향이 전환된 2차선회류(252)는 1차선회류의 내측공간을 통해 상향으로 이동된다. 즉, 상기 내경협소부(23)는 수직하강하는 1차선회류(251)를 본체관 중심축방향으로 일정각 이격시켜 폐쇄공간 경계면에 부딪친 2차선회류(252)가 1차선회류(251)와 중첩되지 않고 1차선회류의 내부공간을 통해 상향 이동되도록 한 것이다.

이와같이 상승되는 2차선회류(252)는 선회유도코어의 단부에 부딪쳐 진행방향을 하강으로 전환하게 된다. 상기 방향이 전환된 3차선회류(253)는 가스배출관의 입구를 통해 본체관의 외부로 배출된다.

상기 2차선회류(252)와 3차선회류(253)에서도 원심력이 작용함으로, 1차선회류에서 분리되지 않은 잔여 고체입자가 2차선회류 또는 3차선회류를 따라 이동되면서 원심력에 의해 외측의 1차선회류 또는 2차선회류로 순차적으로 밀려나 분리되는 등 3중 선회류에 의해 고체입자의 분리가 이루어진다.

상기한 바와같은 작용은 가스배출관(40)의 입구(41) 위치가 매우 중요하다. 즉, 가스배출구의 위치에 따라 폐쇄공간의 경계면(241)이 설정되고, 폐쇄공간의 경계면이 내경협소부(23)의 어느 위치에 형성되는지가 결정되기 때문이다.

따라서, 상기 가스배출관의 입구(41)는 본체관의 내경협소부(23)의 영역에 위치하되, 내경협소부 중 본체관의 유입구측인 상부의 굴곡 시작부분(231)에서 최대돌출부인 만곡부(232) 사이에 위치하도록 한 것이다. 더욱 바람직하게는 만곡부(232)를 기준으로 굴곡시작부분(231)까지의 거리에서 1/4~1/2 되는 지점에 위치시켜 굴곡시작부분에서 진행각도가 일정각 이격된 제1선회류가 폐쇄공간의 경계면에 부딪치도록 하는 것이다.

아울러 본 발명의 입자분리장치(10)는 도 6을 참조한 바와같이 상기 가스배출관 입구 상부의 내경협소부(23) 영역에 상협하광의 원뿔대관인 입자배출방지대(60)를 더 형성할 수 있다.

상기 입자배출방지대(60)는 내경협소부의 굴곡이 시작되는 부분(231)과 가스배출구의 입구(41)를 연결하는 선상에 위치하도록 하여 내경협소부의 돌출된 굴곡에 부딪친 후 방향이 불규칙하게 전환된 고체입자가 가스배출관 입구로 유입되는 것을 차단한다. 또한, 상기 입자배출방지대(60)는 폐쇄공간의 경계면(241)에 부딪쳐 방향이 전환되는 가스의 이동 경로의 직경보다 작은 직경으로 형성하여 가스이동을 방해하지 않으면서 경로를 벗어나 중심측으로 유동되는 가스를 주이동방향으로 선회하도록 유도한다.

따라서, 상기 입자배출방지대(60)는 하강하는 1차선회류를 상승시키는 방향전환에 일부 기여하여 본체관 내부의 가스유동이 원활히 이루어지도록 하고, 내경협소부의 돌출면에 부딪쳐 가스배출관의 입구로 유입되는 고체입자를 차단하여 입자분리율을 증가시킬 수 있는 것이다.

10 : 입자분리장치
20 : 본체관
21 : 원추부 22 : 유입구
23 : 내경협소부 24 : 폐쇄공간
231 : 굴곡시작부 232 : 만곡부
241 : 경계면 251~253 : 1~3차 선회류
30 : 선회유도코어
40 : 가스배출관
41 : 입구
50 : 배출밸브
60 : 입자배출방지대

Claims (4)

1. 고압으로 이송되는 혼합가스로부터 가스와 고체입자를 분리하는 입자분리장치에 있어서,
   하단은 상광하협의 원추부(21)를 형성하고, 밀폐된 상단 측면에는 축중심에서 외측으로 편향되도록 유입구(22)를 형성하여 혼합가스가 내벽면을 따라 선회하면서 유입되도록 하고, 중간부분에는 내주면에 축을 중심으로 환형태로 돌출되는 내경협소부(23)를 형성하여 유로 내경을 변화시키도록 한 수직관체인 본체관(20)과;
   상기 본체관 내부의 상단면으로부터 길이방향으로 돌출된 봉체로 유입된 혼합가스가 선회하도록 유도하는 선회유도코어(30)와;
   상기 본체관의 중심에 배치되고 내경협소부 영역에 입구(41)를 위치시켜 고체입자가 분리된 가스를 외부로 배출시키는 가스배출관(40)과;
   상기 본체관의 원추부 하단에 장착되어 개폐가 이루어지는 배출밸브(50);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입자분리장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유입구(22)와 본체관(20)의 상부 단면적은 1 : 1~3 의 비율로 형성하는 것을 특징으로 하는 입자분리장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 본체관 내부의 가스배출관 입구(41)는 내경협소부의 유입구 방향 굴곡 시작부분에서 만곡부 사이에 위치하도록 한 것을 특징으로 하는 입자분리장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 가스배출관 입구 상부인 내경협소부(23)의 영역에는 상협하광의 원뿔대관인 입자배출방지대(60)를 형성하여 원심력으로 분리된 고체입자가 가스배출관 입구로 유입되는 것을 방지하고 가스의 선회방향을 내측상부로 유도하는 것을 특징으로 하는 입자분리장치.
   

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