KR101446659B1 - 덕트 흐름의 방향으로 각운동량을 발생시키기 위한 블레이드를 포함하는 정적 믹서 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 정적 믹서(1)는, 통로 흐름(3)의 방향(30)으로 흐름 소용돌이(300)를 발생시키기 위한 하나 이상의 베인 쌍(2; 2a, 2b)을 포함한다. 베인의 단부벽은 통로 흐름(3)에 대해 직각으로 연장되고, 통로(10)의 높이에 대해 평행하다. 하류로 따르는 흐름면은 오목하게 반대 방향으로 굽혀진다. 각각의 베인(2a, 2b)은, 단부벽(20), 볼록 측벽(21), 및 오목 측벽(22)을 포함하는 공기역학적으로 디자인된 본체로서 형성된다. 상기 단부벽은 볼록 형상 또는 선두 에지의 형상을 가진다. 상기 측벽들에 대해 직각으로 배치된 상기 베인의 단면은, 특히 항공기 날개의 단면과 유사한 형상을 가진다.
통로 흐름, 흐름 소용돌이, 베인 쌍, 베인, 본체, 단부벽, 볼록 측벽, 오목 측벽, 흐름면.
Description
본 발명은, 통로 흐름(3)의 방향(30)으로 흐름 소용돌이(300)를 발생시키기 위한 하나 이상의 베인 쌍(2; 2a, 2b)을 포함하며, 2개 이상의 상기 베인(2a, 2b) 각각은 공기역학적으로 디자인된 본체로서 이루지며, 단부벽(20), 볼록 측벽(21), 및 오목 측벽(22)을 포함하는, 정적 믹서에 관한 것이다. 이러한 베인 쌍은 소용돌이 유도 정적 믹서 요소이다. 통로 특히 사각형 통로 내의 단면에서 서로 인접하는 그러한 베인 쌍 복수개의 베인 쌍은 소용돌이 유도 정적 믹서를 형성한다. 일반적으로, 베인 쌍은 "층" 상에서 서로의 다음에 배치되지만, 2개 이상의 "층"에서 서로의 다음에 및 서로의 위에 격자 형상으로 배치될 수도 있다.
2차 유체는 예를 들면 소용돌이 유도 정적 믹서 요소를 사용하는 1차 유체에 혼합되어야 한다. 이와 관련하여, 1차 유체는, DeNOX 플랜트에서 촉매에 의해 질소가 제거되는 산화질소를 함유하는 폐기 가스일 수 있고, 2차 유체는, 암모니아 또는 암모니아/공기 혼합물 형태의 첨가제로서 계량된다. 2차 유체를 1차 유체에 혼합시키는 것은 DE-A-195 39 923 C1으로부터 공지된 장치인 통로 흐름을 위한 정 적 믹서를 사용하여 압력 손실이 적으면서 필요한 균질화에 의해 달성될 수 있다. 온도 및/또는 농도 균형의 형태만의 균질화는 소용돌이 유도 정적 믹서 요소에 의해서도 달성될 수 있다.
공지되어 있는 장치에서, 주 흐름 방향인 통로 흐름의 방향으로 소용돌이의 발생이 증진되도록 유체가 통과하는 통로에 2개 이상의 소용돌이 발생 에어리얼(areal) 베인이 배치된다. 선두 측에서 전방면에 있는 베인의 단부벽은, 주 흐름 방향에 대해 수직이고 통로의 높이(또는 짧은 쪽)에 대해 평행한 튜브에 고정된다. 이러한 고정 튜브는 낮은 통로 벽을 상부 통로 벽에 연결시킨다. 추가적 계기가 튜브에 합체될 수 있다. 튜브에 공급되는 2차 유체는 복수개의 노즐에 의해 1차 유체에 분배될 수 있다. 2개의 베인은 서로 어긋나고 V자 형상으로 고정 튜브에 부착된다. 단부벽으로부터 시작하여, 베인은 선두 측에서 오목 표면을 구비하도록 반대 방향으로 굽혀진다. 주 흐름 방향을 따른 베인 단면은 가변 길이방향 크기 및 가변 정렬을 구비한다. 특수한 형상으로 인해, 1차 소용돌이 형태의 전체 통로 높이에 걸쳐 혼합을 일으키는 소용돌이는 통로 흐름에서 발생된다.
박벽 시트 메탈로부터 베인이 형성되는 해결방안은 몇 미터의 범위의 크기가 큰 믹서에서 특히 기술적으로 실제적이 아닌데, 그것은 크기가 큰 믹서가 DE 195 39 923 C1에 보여진 바와 같이 발전소의 DeNOX 플랜트, 쓰레기 소각 플랜트 등에 일반적이었기 때문이라는 것이 입증되었다. 이것은 몇 가지 이유가 있는데, 한편으로는, 그러한 베인은 매우 쉽게 변형될 수 있어, 규정된 크기에 따른 제작이 거의 불가능하다는 것이다. 그러한 믹서의 운반, 및 특히 거친 조건 하에 있는 건설 현장에서 통상적으로 발생하는 큰 흐름 채널 예를 들면 배연 채널에서의 그러한 믹서의 조립은 따라서 상당한 주의를 필요로 한다. 더욱이, 재료 강도 계산에서, 높은 속도 및 난류가 큰 유동성 매체 하에서 작동되는 베인은, 연성 구조가 사용될 때, 진동하는 경향이 있다는 것이 입증되었다. 그러한 진동은 심각한 손상을 발생시켜 어떠한 상황에서도 피하여야 한다.
종래기술과 관련된 이들 문제를 피하기 위해, 종래기술에 따른 베인은 후벽 시트 메탈로 이루어져야 하는데, 그것은 몇 밀리미터의 벽 두께를 가진 시트 메탈로 이루어져야 하는 것을 뜻한다. 그러한 시트 메탈 벽 두께는, 필요한 크기 및 형상을 가지는 그러한 후벽 시트 메탈은 거의 기계적으로 가공 불가능하며 특히 압연 불가하다는 사실로 인해, 여러 가지 제작 문제를 일으킨다. 고려해야 할 다른 단점은, 특히 베인의 길이가 1미터 이상의 범위에 있으면, 후벽 시트 메탈로 이루어지는 베인의 매료 소모량이 크다는 것이다. 이러한 재료 소모는 한편으로는 높은 재료 비용을 발생시킨다. 다른 한편으로는, 높은 재료 소모는, 믹서가 대형 배연 채널에 장착될 때, 적정 믹서의 무게를 크게 한다. 그러한 배연 채널은 관습적으로 박벽 시트 메탈로 구성되며, 따라서, 그러한 박벽 시트 메탈로 이루어지는 벽은 지지 기능이 제한된다. 그러한 무거운 믹서를 장착하기 위해, 배연 채널은 복잡한 추가 지지 구조에 의해 보강되어야 한다.
불충분하지만 종래기술에 따라 강도를 증가시키는 추가적 가능성이 DE 195 39 923 C1에도 보여졌다.
이러한 이점을 가진는 실시예에서, 튜브에 대해 직각으로 직립하는 보강 플 레이트는 베인 쌍의 2개의 표면을 연결한다. 보강 플레이트는 공기역력학적 안정 및 기계적 안정을 위한 작용을 한다. 그러나, 이러한 증가된 강도는, 보강 플레이트의 반대쪽에 놓이는 베인의 자유로운 측부 에지가 이러한 수단에 의해 보강될 수 없고, 따라서, 배연 흐름에 의해 유도되는 소용돌이로 인해 베인의 바람직하지 않은 진동이 다음에 설명되는 바와 같이 지속된다는 사실로 인해, 단면이 큰 배연 채널을 위한 베인에 적합하지 않다.
복수개의 베인 쌍은, 통로 단면에 걸쳐 첨가제의 전체적 혼합을 가능하게 하는 대응하는 수의 1차 소용돌이를 유도한다. 이와 관련하여, 1차 소용돌이의 회전의 방향이 기본적이다. 동일한 방향으로 회전하는 인접 소용돌이들은 함께 협동하여, 이들 소용돌이를 유도하는 베인 쌍의 활성 영역에 걸쳐 연장되는 롤(roll)을 형성한다. 소용돌이들이 반대 방향으로 회전되면, 개별 활성 영역에서 더욱 양호한 혼합이 이루어지지만 전체 혼합은 감소된다. 이러한 경우에, 전체 혼합을 향상시키기 위한 추가적 안내 요소(DE-A-195 39 923 참조)에 의해 인접 소용돌이들 사이에 혼합 커플링이 발생될 수 있다.
1차 소용돌이에 추가하여, 2차 소용돌이도 고정 튜브의 뒤 및 에러리얼 베인의 자유 에지에서 형성된다. 2차 소용돌이는 국부 혼합에 긍정적으로 기여하지만, 압력 손실 및 바람직하지 않은 진동 효과를 발생시킨다. 2차 소용돌이의 발생이 적어도 부분적으로 방지될 수 있으면 이로울 것이다.
본 발명의 목적은, 압력 손실 및 진동 효과의 면에서 향상되는 소용돌이 유도 정적 믹서를 제공하는 것이다. 이러한 목적은, 통로 흐름(3)의 방향(30)으로 흐름 소용돌이(300)를 발생시키기 위한 하나 이상의 베인 쌍(2; 2a, 2b)을 포함하며, 2개 이상의 상기 베인(2a, 2b) 각각은 공기역학적으로 디자인된 본체로서 이루지며, 단부벽(20), 볼록 측벽(21), 및 오목 측벽(22)을 포함하고, 상기 베인 쌍(2)의 베인들(2a, 2b)의 단부벽은 통로 흐름에 대해 직각으로 연장되고, 하류로 따르는 상기 베인들(2a, 2b)의 흐름면들이 오목하게 구부러져서, 서로 반대 방향으로 연장되고, 상기 단부벽(20)은 볼록 형상을 가지며, 상기 베인(2a, 2b)은 경량 구조 형상의 본체를 형성하고 있는, 정적 믹서(1)에 의해 충족된다.
본 발명의 정적 믹서는, 통로 흐름의 방향으로 흐름 소용돌이를 발생시키기 위한 하나 이상의 베인 쌍을 포함한다. 베인의 단부벽은 통로 흐름에 대해 직각으로 연장되고, 이하에서 간략히 높이라고 지칭되는 통로의 짧은 면에 대해 평행하다. 하류로 따르는 흐름면은 오목하게 반대 방향으로 굽혀진다. 각각의 베인은, 단부벽, 볼록 측벽, 및 오목 측벽을 포함하는 공기역학적으로 디자인된 본체로서 형성된다. 상기 단부벽은 볼록 형상을 가진다. 상기 측벽들에 대해 직각으로 배치된 상기 베인의 단면은, 특히 항공기 날개의 단면과 유사한 형상을 가진다.
종속항 2 내지 종속항 10은 본 발명에 따른 믹서의 바람직한 실시예에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 믹서를 도시한다.
도 2는 이러한 믹서의 베인 쌍을 약간 단순화된 도면으로 도시한다.
도 3은 도 2의 베인 쌍의 투명도이다.
도 4는 베인의 단면도이다.
이하에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 본 발명에 따른 믹서(1)는 믹서 요소(2)로서 하나 이상의 베인 쌍을 포함하는데, 믹서 요소(2)에 의해, 축이 통로 흐름(3)의 방향으로 향하는 흐름 소용돌이(300)가 통로(10) 내의 통로 흐름(3)에서 발생된다. 통로(10)의 상면(10a)과 하면(10b)은 통로(10)의 높이를 정의한다. 베인 쌍(2)은 제1 베인(2a)과 제2 베인(2b)을 포함한다. 베인들(2a, 2b)의 단부벽(20)이 통로 흐름에 대해 직각으로 연장되고, 통로(10)의 높이에 대해 평행하다. 하류로 따르는 베인들(2a, 2b)의 흐름면들이 서로 반대 방향으로 오목하게 구부러져 있고, 단부벽(20)은 볼록 형상을 가진다. 통로(10)의 축은, 소용돌이(300)가 향하는 통로 흐름(3)의 주 흐름 방향(30)(도 3)을 정의한다.
본 발명에 따라, 각각의 베인(2a, 2b)은, 단부벽(20), 볼록 측벽(21) 및 오목 측벽(22)을 포함하는 공기역학적으로 디자인된 본체로서 이루어진다. 측벽(20, 21, 22)에 대해 횡방향인 베인 단면은 가변 정렬되고 길이방향으로 연장된다. 측벽(20, 21, 22)은 특히 항공기 날개의 단면과 유사한 형상을 가진다. 베인 단면의 정렬은, 도 3에 도시된 바와 같이 각도(α) 및 각도(β) 사이에서 변한다. 이와 관련하여, 바람직하게 α는 β보다 작다. 볼록 단부벽(20)은 도시된 실시예(도 4)에서 기다란 실린더(20') 또는 튜브(23)이다. 보강판(26)(도 1)은 베인 쌍(2)의 향상된 기계적 안정성을 제공한다. 단부벽(20)은 도시된 실시예에서 볼록 형상을 가지지만, 먼지 입자가 퇴적될 수 없거나 매우 제한된 각도로만 퇴적될 수 있는 형상을 가질 수도 있다.
믹서 요소(2)의 베인(2a, 2b)은 경량 구조의 형태로 본체를 형성하고, 특히 중공 본체이다. 베인(2a, 2b)의 측벽은 바람직하게, 두께가 예를 들면 1mm이지만 더 작을 수 있고, 예를 들면 0.5mm일 수 있는 얇은 시트 메탈로 이루어진다. 안정화 연결 요소, 예를 들면 주름진 시트 메탈 스트립(24)(도 4 참조), 발포된(foamed) 본체(도시되지 않음) 또는 기둥은 측벽(2a, 2b)의 내면들 사이에 배치된다. 도 1에서, 기둥은 쇄선(27)으로 도시되었다.
경량 구조로 이루어진 베인(2a, 2b)은, 베인 높이가 1m(또는 더 크거나)이면, 주파수가 1 내지 10Hz 범위에 있는 고유 진동을 가지지 못 한다. 이러한 범위 밖에 있는 고유 진동은 통로 흐름(3)에 의해 여기되지 않으며, 특히 소위 플랙(flag) 진동이 여기되지 않는다("플랙 진동"은 바람 속에서의 플랙의 변동에 비교될 수 있는 흐름 유도된 진동이다). 베인의 공기역학적 형상으로 인해, 흐름의 유입시에, 통로 흐름(3)은, 베인 사이의 흐름 단면이 지속적으로 감소되는 정적 믹서 요소의 영역으로 진입한다. 이와 관련하여, 흐름의 운동 에너지의 증가는 압력 강하에 대응한다. 그 후에 흐름 단면은 확산기의 방식으로 팽창된다. 이와 관련하여, 압력은 운동 에너지의 실질적 소실 없이 다시 증가할 수 있다. 소실이 감소 된다는 것은, 예를 들면 플랙 진동이 여기되지 않게 하는 약하게 형성된 2차 소용돌이만 발생된다는 것을 뜻한다. 베인(2a, 2b)은, 변경된 기계적 성질로 인해 진동이 전혀 여기되지 않거나 진동의 여기가 적어도 더 높은 쪽 즉 중요하지 않은 진동 주파수 쪽으로 이동되도록, 경량 구조에 의해 보강된다.
인용된 DE-A-195 39 923에서, 믹서 요소의 가능한 구조 형상을 위해 박벽 본체, 특히 시트 메탈 또는 플라스틱으로 된 박벽 본체를 사용하는 것이 기술되어 있다. 이러한 실시예는, DeNox 플랜트에 자주 사용되는 것과 같은 대형 믹서(1m 이상의 통로 높이)의 구조에 대해, 강도 및 안정성에 대한 필요로 적절하지 않다. 이러한 문제는 본 발명에 따른 믹서(1)의 믹서 요소(2)에 의해 제거된다.
베인 표면을 따른 흐름 필드에 바람직하지 않게 영향을 주거나 먼지를 퇴적시켜 믹서(1)의 작용을 저하시키는 현저한 보강 구조 예를 들면 리브(rib)가 필요하지 않다.
첨가제 계량은, 통로(10) 내의 믹서 요소(2)의 앞에 배치되는 선량(dosing) 그리드에 의해 공지된 방식으로 수행될 수 있다. 그러나, DE-A-195 39 923에서 이미 제공된 바와 같은 믹서 요소(2)에 첨가제 계량이 합체될 때 비용의 절약이 크게 된다. 노즐이 베인의 기저부에 직접 배치되는 이러한 공지된 형태의 첨가제 계량과는 대조적으로, 흐름의 방향으로 향하거나 흐름의 방향에 대해 횡방향으로 향하는 첨가제의 각각의 공급을 위한 배출 개구를 구비하는 것이 더 바람직하다는 것이 입증되었다. 그러한 수단은 더 양호한 혼합 효과를 가져올 뿐만 아니라, 그러한 공급은 불균일 흐름에 대해 덜 민감하다. 따라서 단부벽(20) 내에 있거나 단부 벽(20) 근처 쪽에 있는 개구(42)는 합체된 첨가제 계량의 배출 개구로서 구비된다. 개구(42)는, 레이저에 의해 절단된 예를 들면 둥글거나, 사각형이거나 슬릿 형상일 수 있는 노즐, 보어 또는 오리피스이다. 계량될 첨가제는, 통로 흐름(3)을 통해 형성되는 1차 유체에 혼합될 2차 유체(4)(도 1)이다. 개구(42)는 각각, 주 흐름 방향(30)에 대해 배출각(σ)을 정의하는 2차 유체(4)의 공급 방향(40)을 정의한다. 이러한 배출각(σ)은, 60° 내지 170° 범위에, 바람직하게는 120° 내지 150°의 범위에 있는 편리한 값을 가진다. 모델 계산에 의한 CFD(계산에 의해 유체 역학) 연구는 σ에 대해 142.5°의 최적치를 산출하였다. 합체된 첨가제 계량은 또한, 측벽(21, 22)에 배치되는 2차 유체(4)를 위한 개구를 포함할 수 있다.
첨가제 계량의 개구(42)는, 모델 계산 또는 시행착오에 대해 이론적 또는 경험적으로 최적화된 레벨에서 간격을 두고 배치된다. 개구(42)는 예를 들면 쌍으로 또한 소용돌이(300)의 축에 대해 특수 대칭으로 배치된다. 그러나, 일반적으로, 모든 또는 대부분의 개구(42)는, 다른 간격을 가질 수 있는 다른 레벨에 위치된다.
개구(42)는 첨가제를 위한 공급 라인에 연결될 수 있거나, 첨가제는 베인 섹션의 중공 본체에 직접 공급된다.
특히 바람직한 실시예에서, 베인 쌍(2)의 측벽(21, 22)은, DE-A-195 39 923으로부터 공지된 바와 같고 튜브에 대해 직각인 보강판(도시되지 않음)에 의해 연결된다. 보강판이 형상이 사각형이고 직선적 변을 가지면, 에지는 오목 측벽(22)을 넘어 돌출된다. 향상된 혼합 효과는 압력 손실의 증가 없이 보강판의 그러한 돌출 에지에 의해 달성된다.
베인 벽(21, 22)은 적어도 부분적으로 금속, 세라믹 재료 및/또는 플라스틱으로 이루어진다. 금속 믹서 요소(2)는 세라믹 재료 또는 플라스틱으로 코팅될 수 있다.
본 발명에 따른 믹서를 사용하면, 통로(10)의 높이(짧은 쪽)가 0.5m보다 클 때, 바람직하게는 1m보다 클 때 특히 이롭다. 믹서 요소(2)(베인 쌍)는 바람직하게 통로(10)의 높이를 넘어 연장되고 층 상에 배치된다. 이러한 경우에, 믹서 요소(2)의 수는 따라서 실질적으로 통로 높이에 대한 통로 폭의 비와 동일하다. 이러한 수에 대한 대표적 값은 2 내지 8의 범위에 있다. 믹서 요소(2)의 수에 의존하여, 효과가 더 좋거나 덜 좋은 많은 수의 배치 변경이 발생할 수 있는데, 예를 들면 모든 믹서 요소(2)가 동일한 방향 또는 교대로 다른 방향으로 회전된다. 따라서, 어떤 상황에서 시작 조건으로서 주어진 온도 또는 농도의 동일하지 않은 분배로 인해 생긴 목적을 위해 믹서 요소(2)의 배치를 최적화하는 것이 가능하다. 베인 쌍(2)도 1개의 "층" 대신에 2개 이상의 "층_에 배치될 수 있고, "층"은 일반적으로 벽에 의해 서로 분리되지 않는다.
Claims (15)
- 통로(10)를 통과하는 통로 흐름(3)의 방향(30)으로 흐름 소용돌이(300)를 발생시키기 위한 하나 이상의 베인(vain) 쌍(2; 2a, 2b)을 포함하는 정적 믹서(1)로서,상기 베인 쌍은 2개 이상의 베인(2a, 2b)을 포함하고, 상기 베인(2a, 2b) 각각은 공기역학적으로 디자인된 본체로서 이루어지며, 단부벽(20), 볼록 측벽(21), 및 오목 측벽(22)을 포함하고,상기 베인 쌍(2)의 베인들(2a, 2b)의 단부벽(20)이 통로 흐름에 대해 직각으로 연장되고, 하류로 따르는 상기 베인들(2a, 2b)의 흐름면들이 서로 반대 방향으로 오목하게 구부러져 있고, 상기 단부벽(20)은 볼록 형상을 가지고,상기 베인(2a, 2b)은 중공(hollow) 본체를 형성하고 있는,정적 믹서.
- 제1항에 있어서,상기 측벽들에 대해 직각으로 배치된 단면은 2개의 변을 가지고, 2개의 변 중 하나의 변의 길이가 다른 하나의 변의 길이보다 긴, 정적 믹서.
- 제1항에 있어서,상기 베인(2a, 2b)의 상기 측벽들(21, 22)은 두께를 가진 박막 시트 메탈로 만들어져 있고,안정화 연결 요소가 상기 측벽들의 내면들 사이에 배치되어 있으며,상기 연결 요소는 기둥, 주름진 시트 메탈 스트립(24) 또는 발포된 본체에 의해 형성되어 있는, 정적 믹서.
- 제1항 또는 제3항에 있어서,상기 중공 본체는 1 내지 10 Hz의 범위를 벗어나는 고유 진동수를 가져서, 상기 통로 흐름(3)에 의해 상기 고유 진동수 범위 내에서 진동이 여기될 수 없는, 정적 믹서.
- 제1항에 있어서,통합된 첨가제 계량의 복수개의 개구(42)가 상기 베인 벽들(20, 21, 22)에 배치되어 있고,계량될 첨가제(4)는, 통로 흐름(3)을 형성하는 1차 유체에 혼합될 2차 유체인, 정적 믹서.
- 제5항에 있어서,상기 개구(42)는 상기 단부벽(20)에 또는 상기 단부벽 근처의 면에 배치되어 있으며,튜브에 대해 직각인 보강판이 상기 베인 쌍의 측벽들을 연결하고 있고, 혼합 효과를 향상시키기 위해 상기 오목 측벽(22)을 넘어 돌출되어 있는, 정적 믹서.
- 제6항에 있어서,상기 개구(42)는, 주 흐름 방향(30)에 대해 배출각(σ)를 정의하는 2차 유체의 공급 방향(40)을 정의하고 있으며,상기 배출각은 60 내지 170°의 범위에 있는 값을 가진, 정적 믹서.
- 제1항에 있어서,상기 베인 벽(21, 22)은 적어도 부분적으로, 금속, 세라믹 재료, 및 플라스틱 중 적어도 하나의 재료로 만들어진, 정적 믹서.
- 제1항에 있어서,상기 통로(10)의 짧은 면은 0.5 m 보다 크고,상기 베인 쌍(2)은 층 상에 배치되어 있고, 상기 통로의 상기 짧은 면을 넘어 연장되어 있거나, 2개 이상의 층 상에 배치되어 있는, 정적 믹서.
- 제3항에 있어서,상기 시트 메탈의 두께는 0.5 내지 1 mm 인, 정적 믹서.
- 제5항에 있어서,상기 개구(42)는 노즐 또는 보어인, 정적 믹서.
- 제7항에 있어서,상기 배출각은 120 내지 150°의 범위에 있는, 정적 믹서.
- 제9항에 있어서,상기 통로(10)의 상기 짧은 면은 1 m 보다 큰, 정적 믹서.
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