KR101340889B1 - 관내 유동 혼합용 믹서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관내 유동 혼합용 믹서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 본체프레임에 격자형태로 배치되어 형성된 각 유체통과공의 내측 가장자리에 설치되는 날개체의 설치 방향 및 경사 각도에 의해 관내를 통과하는 복수 개의 유체를 자연스럽게 일방향으로 선회시켜 다단 스월 형태의 유도 유동이 발생하게 함으로써 유체에 대한 혼합 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 관내 유동 혼합용 믹서에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 복수 개의 유체가 통과하는 관내에 고정 설치되고 복수 개의 유체통과공이 격자형태로 배치되어 관통 형성된 본체프레임; 및 상기 본체프레임의 유체통과공의 내측 가장자리에 상기 유체가 흘러나가는 방향으로 경사지게 돌출 설치되어 상기 유체를 일방향으로 회전 유도하는 것으로, 상기 본체프레임의 일측에서 선회방향으로 일정하게 구획시킨 복수 개의 영역으로 구분되되, 이웃하는 다른 영역에서의 설치 방향과는 직교되는 방향으로 설치된 복수 개의 날개체;를 포함하여 구성되어, 상기 관내를 통과하는 상기 유체를 자연스럽게 일방향으로 선회시켜 스월 형태의 유도 유동이 발생하게 하여 상기 유체를 혼합할 수 있게 됨을 특징으로 하는 관내 유동 혼합용 믹서를 기술적 요지로 한다.

Description

관내 유동 혼합용 믹서{Mixer for fluid mixing in the pipe}

본 발명은 관내 유동 혼합용 믹서에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관내에 고정 설치되어 관내를 통과하는 기체와 액체 또는 기체와 기체 등으로 조합되는 복수 개의 유체를 균일하게 혼합시켜 배출되도록 하는 관내 유동 혼합용 믹서에 관한 것이다.

[문헌 1] 국내 특허공개 제10-2009-0021357호, 2009.03.03.자 공개.

[문헌 2] 미국 특허공개 제2011/0174407호, 2011.07.21.자 공개.

일반적으로 관내 유동 혼합용 믹서(Mixer)는 혼합, 교반, 추출, 증류, 가스 흡수, 용해, 방산, 유화, 열교환, 분립체 혼합 등의 목적을 달성하기 위해 화학 공업, 종이 펄프 공업, 석유화학 공업, 제약 공업, 반도체 공업, 광파이버 제조 공업, 에너지 산업, 환경 관련 산업 등의 많은 분야에서 사용되고 있다.

특히, 관내 유동 혼합용 믹서는 선박 엔진 등에서 발생하는 배기가스 중에 포함되어 대기 환경을 오염시키고 인체에 유해한 질소산화물 등의 유해물질을 줄이기 위하여 많이 사용되고 있다.

즉, 배기가스를 촉매제와 함께 관내를 통과시키면서 상호 혼합하여 촉매반응을 유도함으로써 질소산화물 등을 인체에 무해하고 대기 환경에 영향을 주지 않는 질소와 수증기 등으로 환원시켜 배출하는 것이다.

상기와 같이 관내 유동 혼합용 믹서는 관내를 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서는 복수 개의 유체를 균일하게 혼합할 수 있는 우수한 혼합 성능을 발휘할 필요성이 요구되고 있는데, 이를 위해 문헌 1 내지 문헌 2와 같은 다양한 형태의 관내 유동 혼합용 믹서가 개발되고 있다.

상기 문헌 1은 덕트 흐름의 방향으로 각운동량을 발생시키기 위한 블레이드를 포함하는 정적 믹서에 관한 것으로서, 이는 통로, 상기 통로의 내부에 일정간격을 두고 수직으로 설치되고 볼록한 형상을 가진 복수 개의 단부벽, 및 상기 단부벽의 양측에 각각 통로의 흐름 방향으로 오목하게 굴곡을 이루는 베인이 설치된 복수 개의 베인 쌍으로 구성되어, 통로를 통과하는 복수 개의 유체에 흐름 방향으로 소용돌이를 발생시켜 혼합하고자 한 구조이다.

그리고 상기 문헌 2는 관내에 설치된 원형프레임, 상기 원형프레임의 내측에 설치된 격자틀, 두 개의 단위날개로 구성되어 격자틀에 일정간격으로 상하좌우 상호 교차되게 설치되되 관내를 통과하는 유체의 흐름 방향에 대하여 하나의 단위날개는 상향으로 다른 하나의 단위날개는 하향으로 경사지게 설치된 복수 개의 날개체로 구성되어, 소용돌이 없이 빠른 속도로 유체를 혼합하고자 한 구조이다.

그러나 상기 문헌 1과 문헌 2는 유체의 유동 흐름을 단순히 좌우 방향 또는 상하 방향으로만 유도하는 구조임에 따라, 관내를 통과하는 유체는 제대로 혼합되지 않은 상태로 배출되어 원하는 목적을 달성할 수 없는 문제점이 있다. 이에 따라 관내를 통과하는 유체의 유동 흐름을 효과적으로 제어하여 균일하게 혼합할 수 있는 기술에 대한 연구가 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 관내를 통과하는 복수 개의 유체를 더욱 균일하게 혼합할 수 있도록 복수 개로 구성되는 날개체의 방향을 영역별로 다르게 적용하여 유체의 유동 흐름을 일방향으로 선회시켜 자연스럽게 스월 형태로 유도하는 구조를 가진 관내 유동 혼합용 믹서를 제공하는 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 관내 유동 혼합용 믹서는, 복수 개의 유체가 통과하는 관내에 고정 설치되고 복수 개의 유체통과공이 격자형태로 관통 형성된 본체프레임; 및 상기 본체프레임의 유체통과공의 내측 가장자리에 상기 유체가 흘러나가는 방향으로 경사지게 돌출 설치되어 상기 유체를 일방향으로 회전 유도하는 것으로, 상기 본체프레임의 일측에서 선회방향으로 일정하게 구획시킨 복수 개의 영역으로 구분되되, 이웃하는 다른 영역에서의 설치 방향과는 직교되는 방향으로 설치된 복수 개의 날개체;를 포함하여 구성되어, 상기 관내를 통과하는 상기 유체를 자연스럽게 일방향으로 선회시켜 스월 형태의 유도 유동이 발생하게 하여 상기 유체를 혼합할 수 있게 됨을 특징으로 한다.

상기 날개체는 30~60°의 경사 각도로 설치됨을 특징으로 한다.

상기 날개체는 상기 본체프레임의 중심부에서 가장자리부까지 원주방향으로 일정하게 구획시킨 복수 개의 영역으로 구분되되, 상기 본체프레임의 중심부에서 가장자리부로 갈수록 경사 각도가 상대적으로 증가하는 다단 형태로 구성되어, 상기 관내를 통과하는 상기 유체를 자연스럽게 일방향으로 선회시켜 다단 스월 형태의 유도 유동이 발생하게 하여 상기 유체를 혼합할 수 있게 됨을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은, 날개체의 설치 방향이 선회방향으로 일정하게 구획된 복수 개의 영역별로 다르게 구성되어 관내를 통과하는 복수 개의 유체를 자연스럽게 일방향으로 선회시켜 스월 형태의 유도 유동을 발생시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명은, 날개체의 경사 각도가 원주방향으로 일정하게 구획된 복수 개의 영역별로 다르게 설치되어 관내를 통과하는 복수 개의 유체를 자연스럽게 일방향으로 다단 선회시켜 다단 스월 형태의 유도 유동을 발생시키는 효과도 있다.

이를 통해 본 발명은, 적절한 혼합 반경과 거리로 관내를 통과하는 복수 개의 유체를 균일하게 혼합하여 배출되도록 함으로써 질소산화물을 저감시키고자 하는 등의 다양한 목적을 용이하게 달성할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 도시한 정면 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예를 도시한 후면 사시도.
도 3은 혼합 성능 해석을 위한 해석 모델을 도시한 측면도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 혼합 상태를 나타낸 CFD 분석도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 농도 균일도를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 압력을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단 스월 형태의 유도 유동을 도시한 예시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 혼합 상태를 나타낸 CFD 분석도.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 농도 균일도를 나타낸 그래프.

본 발명에 따른 관내 유동 혼합용 믹서는, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 목적 등을 위해 사용되는 것으로 관내를 통과하는 복수 개의 유체(기체와 액체 또는 기체와 기체 등으로 조합됨)를 균일하게 혼합하는 장치이다.

특히, 본 발명에 따른 관내 유동 혼합용 믹서는, 관내를 통과하는 복수 개의 유체를 일방향으로 선회시켜 스월 형태의 유도 유동이 발생하게 함으로써 충분한 선회 반경과 거리를 제공하여 우수한 혼합 성능을 발휘할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이러한 특징은, 관내 고정된 본체프레임에 격자형태로 관통 형성된 복수 개의 유체통과공의 내측 가장자리에 설치되는 날개체의 설치 방향을 본체프레임의 일측에서 선회반경으로 일정하게 구획된 복수 개의 영역별로 다르게 적용한 구조에 의해 달성된다.

즉, 날개체의 설치 방향을 본체프레임의 선회반경으로 좌측 영역, 상측 영역, 우측 영역, 하측 영역으로 구분하여, 좌측 영역에서는 상향으로, 상측 영역에서는 우향으로, 우측 영역에서는 하향으로, 하측 영역에서는 좌향으로 구성함으로써, 유체를 일방향으로 회전 유도한 구조이다.

따라서 복수 개의 유체는 상기 날개체의 설치 방향에 의해 일방향으로 선회되어 자연스럽게 스월 형태의 스월 형태의 유도 유동을 발생하게 되므로 상호 균일하게 혼합된 상태로 관내를 통과하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 도시한 정면 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예를 도시한 후면 사시도이며, 도 3은 혼합 성능 해석을 위한 해석 모델을 도시한 측면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 혼합 상태를 나타낸 CFD 분석도이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 농도 균일도를 나타낸 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 압력을 나타낸 그래프이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단 스월 형태의 유도 유동을 도시한 예시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 혼합 상태를 나타낸 CFD 분석도이며, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 날개체의 경사 각도별 농도 균일도를 나타낸 그래프이고,

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 관내 유동 혼합용 믹서(100)는, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 본체프레임(10)과 복수 개의 날개체(20)를 포함하여 구성되어 관내에 설치되어 관내를 통과하는 복수 개의 유체를 혼합하게 된다.

먼저, 상기 본체프레임(10)은 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개의 유체통과공(11)이 격자형태로 관통 형성된 것으로, 이는 복수 개의 유체가 통과하는 관내에 고정 설치되는 것이다.

여기서 본체프레임(10)은 관내에 수평 방향으로 통과하는 유체의 흐름 방향과 직교되는 방향에서 작용하여 유체를 균형감 있게 유도 유동할 수 있도록 관내에 수직으로 기립 설치되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 날개체(20)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 복수 개로 구성되어, 상기 본체프레임(10)의 각 유체통과공(11)의 내측 가장자리에 유체가 흘러나가는 방향으로 돌출되게 설치되는 것이다.

즉, 날개체(20)는 각 유체통과공(11)을 동시에 통과하는 복수 개의 유체에 대한 흐름 저항을 일정한 방향으로 작용시켜 상기 유체의 유동 흐름을 물리적으로 변화시켜 혼합하는 역할을 하는 것이다.

이때 날개체(20)는 본 발명의 일실시예에 따라 유체가 일방향으로 회전 유동하도록 본체프레임(10)의 중심부를 기준으로 하여 선회방향으로 일정하게 구획시킨 복수 개의 영역으로 구분되어 이웃하는 다른 영역의 설치 방향과 직교되는 방향으로 설치되는 것이 바람직하다.

즉, 본체프레임(10)의 중심부에서 가장자리부의 각 모서리를 직선으로 잇는 4개의 사선을 경계로 하여 좌측 영역, 상측 영역, 우측 영역, 및 하측 영역으로 구분하고, 상기 좌측 영역의 날개체(20)는 상방으로 경사지게 설치되고 상기 상측 영역의 날개체(20)는 우방으로 경사지게 설치되며 상기 우측 영역의 날개체(20)는 하방으로 경사지게 설치되고 하측 영역의 날개체(20)는 좌방으로 경사지게 설치된다.

따라서 유체통과공(11)을 통해서 흘러나가는 복수 개의 유체는 각 영역별로 다른 방향으로 경사지게 설치된 복수 개의 날개체(20)의 유도 작용에 의해 자연스럽게 일방향으로 선회되면서 적절한 반경과 거리를 갖는 스월 형태의 유도 유동이 발생하여 상호 균일하게 혼합된다.

단, 날개체(20)의 경사 각도는 30~60°로 구성되는 것이 바람직한데, 이는 도 3에 도시된 해석 모델에 본 발명의 일실시예를 적용시켜 얻은 도 4의 CFD 분석도와 도 5의 농도 균일도(CUI)를 통해 확인할 수 있다.

이때 CFD 분석도는 해석 모델의 선단부에서 스프레이를 분사한 상태에서 얻은 것이고, 농도 균일도는 스프레이를 분사한 상태에서 본 발명을 지난 하류부 3개 지점에서 혼합도를 계산하여 얻은 것이다.

도 4 및 도 5에 나타난 바와 같이 모든 날개체(20)의 경사 각도를 각각 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 및 80°로 가변하여 얻은 CFD 분석도와 농도 균일도를 살펴보면, 날개체(20)의 경사 각도가 30°이상일 때 농도 균일도가 75%이상으로 유체에 대한 혼합성능이 우수하게 나타남을 확인할 수 있다.

단, 날개체(20)의 경사 각도가 70°, 및 80°에서도 경사 각도 60°와 대등한 혼합성능을 나타내지만, 도 6에 도시된 바와 같이 60°를 초과한 경사 각도에서는 압력이 400pa이상이 되면서 배압이 상승하여 유체의 배출이 원활하지 못하므로 30~60°의 경사 각도가 가장 바람직한 것을 확인할 수 있다.

여기서 날개체(20)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 상기한 구성에 더하여 본체프레임(10)의 중심부에서 외측 가장자리부까지 원주방향으로 일정하게 구획시킨 복수 개의 영역마다 경사 각도를 다르게 설치한 다단 형태로도 구성할 수 있다.

즉, 도 7의 (a)와 같이 본체프레임(10)의 중심부에 이르는 거리에 원주방향으로 날개체(20)를 1단, 2단, 및 3단 등으로 구분하여 각 단마다 날개체(20)의 경사 각도를 다르게 구성한 것이다.

따라서 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 관내를 통과하는 복수 개의 유체에는 혼합 반경과 거리가 다른 다단 스월 형태의 유도 유동이 발생하게 됨으로써 유체의 혼합을 더욱 균일하게 할 수 있다.

단, 각 단의 날개체(20)의 경사 각도는 혼합성능을 위해 본체프레임(10)의 중심부에서 가장자리부로 갈수록 상대적으로 증가하는 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

즉, 1단의 날개체(20)는 2단의 날개체(20)보다 큰 경사 각도로, 2단의 날개체(20)는 3단의 날개체(20)보다 큰 경사 각도로 설치되는 것이 바람직하다. 이는 도 3에 도시된 해석 모델에 본 발명의 다른 실시예를 적용시켜 얻은 도 7의 CFD 분석도와 도 8의 농도 균일도(CUI)를 통해 확인할 수 있다.

도 8과 도 9에 나타난 바와 같이, 각 단의 날개체(20)의 경사 각도가 30°, 45°, 60°일 때가 60°, 45°, 30°일 때와 30°, 60°, 30°일 때보다 상대적으로 혼합성능을 향상됨을 확인할 수 있다. 이는 외각으로 갈수록 반경이 커지면서 가장 이상적인 혼합성능을 발휘하는 60°의 경사 각도를 가진 날개체(20)의 개수가 증가하기 때문이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 관내 유동 혼합용 믹서는, 복수 개의 날개체의 설치 방향과 경사 각도를 선회반향과 원주방향으로 구획된 영역별로 다르게 구성함에 따라, 관내를 통과하는 복수 개의 유체를 자연스럽게 일방향으로 선회시켜 다단 스월 형태의 유도 유동이 발생하게 함으로써, 더욱 향상된 혼합 성능을 발휘할 수 있다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예 뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

10: 본체프레임 11: 유체통과공
20: 날개체 100: 관내 유동 혼합용 믹서

Claims (3)

1. 복수 개의 유체가 통과하는 관내에 고정 설치되고 복수 개의 유체통과공(11)이 격자형태로 배치되어 관통 형성된 본체프레임(10); 및
   상기 본체프레임(10)의 유체통과공(11)의 내측 가장자리에 상기 유체가 흘러나가는 방향으로 경사지게 돌출 설치되어 상기 유체를 일방향으로 회전 유도하는 것으로, 상기 본체프레임(10)의 일측에서 선회방향으로 일정하게 구획시킨 복수 개의 영역으로 구분되고, 이웃하는 다른 영역에서의 설치 방향과는 직교되는 방향이면서 30~60°의 경사 각도로 설치되되 상기 본체프레임(10)의 중심부에서 가장자리부까지 원주방향으로 일정하게 구획시킨 복수 개의 영역으로 구분되어 상기 본체프레임(10)의 중심부에서 가장자리부로 갈수록 경사 각도가 상대적으로 증가하는 다단 형태로 구성된 복수 개의 날개체(20);를 포함하여 구성되되,
   상기 복수 개의 영역은, 본체프레임(10)의 중심부에서 가장자리부의 각 모서리를 직선으로 잇는 4개의 사선을 경계로 하여 좌측 영역, 상측 영역, 우측 영역, 및 하측 영역으로 구분되어,
   상기 관내를 통과하는 상기 유체를 일방향으로 선회시켜 다단 스월 형태의 유도 유동이 발생하게 하여 상기 유체를 혼합할 수 있게 됨을 특징으로 하는 관내 유동 혼합용 믹서.
   
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