KR101586256B1 - 유동 혼합 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

유동 혼합 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 유동 혼합 장치는 전방에서 유입되는 유동에 대향하고, 그 측면에 소수성을 가지는 표면처리부가 형성된 실린더를 포함한다.

Description

유동 혼합 장치 및 방법{Apparatus and method for mixing flow}
본 발명은 유동 혼합 장치 및 방법에 관한 것이다.
화학공정로, 핵연료봉 서브채널, 마이크로 반응로, 마이크로 열교환기 등과 같이 화학반응을 수행하거나 열교환을 수행하는 장치의 경우, 화학반응 또는 열교환을 촉진하기 위해 유동의 혼합을 이용할 수 있다. 즉, 의도적으로 유동의 혼합을 유도하고, 이 과정에서 화학반응 및 열교환을 촉진할 수 있다.
도 1은 종래 유동 혼합 장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 일반적인 실린더 주위를 흐르는 유동의 속도 분포를 나타내는 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 통상적으로 유동의 혼합을 위한 장치는 상호 이격 배치되는 복수의 실린더(10), 일명 실린더 어레이를 포함한다.
실린더(10) 주위를 흐르는 유동(cross-flow)은 마이크로 스케일에서부터 매크로 스케일까지 다양하며, 이러한 유동 특성은 장치의 성능과 안정성에 영향을 미친다.
먼저, 화학반응 또는 열교환 성능 측면에서는 실린더(10) 주위를 흐르는 유동에 의한 혼합(mixing)은 중요하다. 유동이 실린더(10) 주위를 흐르면서 실린더(10) 표면에서 유동박리(separation)를 일으키는데, 이로 인해 실린더(10) 뒤쪽에 넓은 재순환영역(recirculation region)(R)이 발생한다.
재순환영역(R)은 유동의 흐름이 정지되거나 매우 느린 영역으로 실린더(10) 후류(wake)의 혼합을 저해할 수 있다. 따라서 실린더(10) 후방에서의 유동의 혼합을 향상시키기 위해 재순환영역(R)의 크기를 줄이고 혼합영역(M)의 크기를 키우는 것이 중요하다.
한편, 장치의 안정성 측면에서는 실린더(10) 일면과 타면에서 번갈아가면서 박리되는 유동현상에 의해서 실린더(10)가 진동(flow-induced vibration)을 하게 된다. 이러한 진동이 장시간 지속이 되면 장치의 안정성을 저해하는 요인이 될 수 있다. 따라서 이러한 진동을 줄이기 위해서 유동박리를 지연시키기 위한 방법이 필요하다.
현재까지 상기 목표를 달성하기 위해서 많은 방법들이 제시되었지만, 추가적으로 외부에서 입력되는 많은 양의 에너지가 필요한 방법이거나 실린더의 형상을 크게 변형시켜야 하는 방법이기 때문에 실제로 적용된 예는 많지 않다. 따라서 이러한 단점들을 극복하고 실린더 어레이 주위 유동의 혼합을 증가시키면서 유동에 의한 고체진동을 줄이기 위한 방법이 필요하다.
본 발명의 실시예는, 실린더 후방에서의 혼합 작용이 향상된 유동 혼합 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전방에서 유입되는 유동에 대향하고, 그 측면에 소수성을 가지는 표면처리부가 형성된 실린더를 포함하는, 유동 혼합 장치가 제공될 수 있다.
상기 표면처리부는 접촉각이 150도 이상 180도 미만이 되도록 소수성 표면처리될 수 있다.
상기 표면처리부는, 상기 실린더의 단면의 전후 방향 중심선을 기준으로 최대폭을 가지는 최대폭부를 포함하는 소정의 영역에 걸쳐 형성될 수 있다.
상기 실린더의 단면은 원형이며, 상기 영역은 상기 최대폭부를 중심으로 하고, 그 중심각이 40도를 가질 수 있다.
상기 실린더는 복수로 제공되고, 상기 복수의 실린더는 상호 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 측면에 소수성을 가지는 표면처리부가 형성된 실린더를 제공하는 단계; 및 전방에서 상기 실린더에 대향하는 유동을 제공하는 단계를 포함하는, 유동 혼합 방법이 제공될 수 있다.
상기 표면처리부는 접촉각이 150도 이상 180도 미만이 되도록 소수성 표면처리될 수 있다.
상기 표면처리부는, 상기 실린더의 단면의 전후 방향 중심선을 기준으로 최대폭을 가지는 최대폭부를 포함하는 소정의 영역에 걸쳐 형성될 수 있다.
상기 실린더의 단면은 원형이며, 상기 영역은 상기 최대폭부를 중심으로 하고, 그 중심각이 40도를 가질 수 있다.
상기 실린더는 복수로 제공되고, 상기 복수의 실린더는 상호 이격되어 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 유동이 유입되는 실린더의 측면에 소수성을 가지는 표면처리부를 형성함으로써, 실린더 후방에서의 혼합 작용이 향상된다.
도 1은 종래 유동 혼합 장치를 나타내는 도면이고,
도 2는 일반적인 실린더 주위를 흐르는 유동의 속도 분포를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 혼합 장치를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 혼합 장치에 포함된 실린더들 중 하나에 대한 측면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더의 단면에 대한 변형례를 나타내는 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더 주위의 유동의 속도 분포를 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더와 대비되는 다른 실린더 주위의 유동의 속도 분포를 나타내는 도면이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더 어레이를 설명하기 위한 도면이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 혼합 방법의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 혼합 장치를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 유동 혼합 장치(100)는, 상호 이격되어 배치된 복수의 실린더(110)를 포함한다. 복수의 실린더(110)를 일명 실린더 어레이라고 한다. 실린더(110)는 기둥 형상을 가지며, 속이 꽉 차거나 빈 형태를 가질 수 있다.
실린더 어레이는 유체를 수용하는 유체 수용부(미도시)의 내부에 배치될 수 있다. 이때, 실린더 어레이는 전체적으로 또는 부분적으로 유체에 잠길 수 있다. 전방에서 실린더 어레이로 유동(F)이 유입되면, 이 유동(F)은 실린더(110)를 지나며 실린더(110) 후방에서 혼합된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 혼합 장치에 포함된 실린더들 중 하나에 대한 측면도이고, 도 5는 도 4의 AA단면을 나타내는 도면이다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 실린더(110)는 전방에서 유입되는 유동(F)에 대향하도록 배치된다.
실린더(110)는 도 4에 도시된 바와 같이 도시된 바와 같이 원형 단면을 가질 수 있다. 대안적으로 실린더(110)는 도 6에 도시된 바와 같이 유선형 단면을 가질 수 있다. 이외에도 실린더는 다양한 형상의 단면을 가질 수 있음은 물론이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 실린더(110)의 측면에는 소수성을 가지는 표면처리부(120)가 형성된다. 소수성을 갖는 표면처리부(120)는 실린더(110)의 측면을 따라 이동하는 유동(F)의 유동박리를 지연시킨다. 유동박리가 지연되면 실린더(110)의 후방에서 발생되는 와류의 크기가 작아지고 이에 따라 재순환영역(R)의 크기가 작아진다. 재순환영역(R)이 작아지면 혼합영역(M)이 커져 결국 실린더(110) 후방에서의 혼합 작용이 향상된다.
실린더(110) 표면에 대한 소수성 처리는 공지된 다양한 방법에 의해 수행될 수 있으며 이에 대한 설명은 생략한다.
표면처리부(120)는 접촉각이 150도 이상 180도 미만이 되도록 소수성 표면처리될 수 있다. 이 경우, 표면처리부(120)는 초소수성을 가진다. 이러한 초소수성을 가지는 표면처리부(120)는 유동(F)의 유동박리를 더욱 지연시킨다.
도 5를 참조하면, 표면처리부(120)는 실린더(110)의 단면의 전후 방향 중심선(La)을 기준으로 최대폭을 가지는 최대폭부(Pm)를 포함하는 소정의 영역(Q)에 걸쳐 형성될 수 있다.
예컨대, 도 5와 같이 실린더(110)가 원형 단면을 가질 때, 표면처리부(120)는 최대폭부(Pm)를 중심으로 하고 그 중심각(a)이 40도를 가지는 영역(Q)에 걸쳐 형성될 수 있다. 여기서 중심각(a)은 표면처리부(120)가 형성되는 영역(Q)의 제 1 말단부(Pa)와 실린더(110) 단면의 중심(O)을 연결한 선분과 영역의 제 2 말단부(Pb)와 실린더(110) 단면의 중심(O)을 연결하는 선분 사이의 끼인각을 말한다.
이때, 최대폭부(Pm)와 실린더(110) 단면의 중심(O)을 연결한 선분과 제 1 말단부(Pa)와 실린더(110) 단면의 중심(O)을 연결하는 선분 사이의 끼인각은 20도이고, 최대폭부(Pm)와 실린더(110) 단면의 중심(O)을 연결한 선분과 제 2 말단부(Pb)와 실린더(110) 단면의 중심(O)을 연결하는 선분 사이의 끼인각은 20도일 수 있다.
이러한 영역(Q)에 걸쳐 표면처리부(120)가 형성되면, 실린더(110)의 측면 전체를 소수성 표면처리할 필요가 없이 충분한 유동박리 지연 효과를 얻을 수 있어 경제적이다.
한편, 도 6과 같이 실린더(110)가 유선형 단면을 가질 수 있다. 이 경우, 표면처리부(120)는 실린더(110')의 단면의 전후 방향 중심선을 기준으로 최대폭을 가지는 최대폭부(Pm)를 포함하는 소정의 영역(Q)에 걸쳐 형성될 수 있다. 이때, 실린더(110)의 측면 전체를 소수성 표면처리하지 않고 경제적으로 충분한 유동박리 지연 효과를 얻기 위한 표면처리부(120)가 형성되는 영역은 실험적, 수치해석적으로 결정될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더 주위의 유동의 속도 분포를 나타내는 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더와 대비되는 다른 실린더 주위의 유동의 속도 분포를 나타내는 도면이다. 참고로 본 실시예에 따른 실린더(110)와 대비되는 다른 실린더(210)는 그 측면에 소수성을 가지는 표면처리부(도 3의 120)가 형성되지 않는다.
도 7과 도 8을 비교하면, 본 실시예에 따른 실린더(110)의 후방에 형성된 재순환영역(R1)은 대비되는 다른 실린더(210)의 후방에 형성된 재순환영역(R2)에 비해 작다. 그리고 본 실시예에 따른 실린더(110)의 후방에 형성된 혼합영역(M1)은 대비되는 다른 실린더(210)의 후방에 형성된 혼합영역(M2)에 비해 크다. 따라서 본 실시예에 따른 유동 혼합 장치(100)는 실린더(110)의 후방에 형성된 재순환영역(R1)의 크기가 작고 혼합영역(M1)의 크기가 커져 결국 실린더(110) 후방에서의 혼합 작용이 향상된다. 혼합 작용이 향상되면 이를 이용한 화학반응 또는 열교환 성능이 향상될 수 있다.
나아가 본 실시예에 따른 유동 혼합 장치(100)는 실린더(110) 일측면과 타측면에서 번갈아가면서 박리되는 유동현상이 현저하게 줄어들어 실린더(110)의 진동(flow-induced vibration)을 효과적으로 저감시키고, 이로 인해 화학반응 또는 열교환을 위한 장치의 안정성이 향상된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 실린더 어레이를 설명하기 위한 도면이다. 도 9 및 도 7을 참조하면, 실린더 어레이로 유동(F)이 유입되면 이 유동(F)은 각 실린더(110)를 지나며 후방에서 혼합된다. 본 실시예에 따르면, 표면처리부(120)에 의해 실린더(110) 후방에서 발생하는 재순환영역(R1)의 크기가 감소하고, 이에 대응하여 이웃하는 실린더(110) 사이의 거리(d)가 감소할 수 있다.
다시 말해, 본 실시예에 따른 실린더 어레이의 경우, 도 8에 도시된 다른 실린더(210)로 이루어진 실린더 어레이의 경우에 비해, 이웃하는 실린더(110) 사이의 거리(d)가 더 많이 감소할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 이웃하는 실린더(110) 사이의 거리(d)와 실린더(110) 직경(D)는 다음과 같은 관계식을 가질 수 있다.
D < d ≤2D
이러한 관계식 하에서, 각 실린더(110)는 이웃하는 실린더(110)의 재순환영역(R)의 영향을 받지 않는 상태로 최대한 근접하여 배치될 수 있어, 실린더 어레이 전체의 혼합 작용을 극대화할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동 혼합 방법의 순서도이다. 이하, 도 10 및 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 실시예에 따른 유동 혼합 방법을 설명한다.
먼저, 측면에 소수성을 가지는 표면처리부(120)가 형성된 실린더(110)가 제공된다(S110). 표면처리부(120)는 접촉각이 150도 이상 180도 미만이 되도록 소수성 표면처리될 수 있다.
표면처리부(120)는, 실린더(110)의 단면의 전후 방향 중심선을 기준으로 최대폭을 가지는 최대폭부(Pm)를 포함하는 소정의 영역(Q)에 걸쳐 형성될 수 있다. 실린더(110)의 단면이 원형인 경우, 표면처리부(120)가 형성되는 영역(Q)은 최대폭부(Pm)를 중심으로 하고, 그 중심각이 40도를 가질 수 있다.
이러한 실린더(110)는 복수로 제공되어 실린더 어레이를 구성할 수 있다. 복수의 실린더(110)는 상호 이격되어 배치된다.
이후, 전방에서 실린더(110)에 대향하는 유동(F)이 제공된다(S130). 이 경우, 유동(F)은 실린더(110)를 지나 실린더(110) 후방에서 혼합되는데, 실린더(110) 측면에 형성된 표면처리부(120)에 의해 유동박리가 지연됨으로써, 재순환영역(R)이 작아지고 혼합영역(M)이 커져 실린더 어레이의 혼합 작용이 향상된다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 유동 혼합 장치
110 : 실린더
120 : 표면처리부

Claims (10)

  1. 전방에서 유입되는 유동에 대향하고, 그 측면에 소수성을 가지는 표면처리부가 형성된 실린더를 포함하고,
    상기 표면처리부는,
    상기 실린더의 단면의 전후 방향 중심선을 기준으로 최대폭을 가지는 최대폭부를 포함하는 소정의 영역에 걸쳐 형성되는, 유동 혼합 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 표면처리부는 접촉각이 150도 이상 180도 미만이 되도록 소수성 표면처리되는, 유동 혼합 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실린더의 단면은 원형이며,
    상기 영역은 상기 최대폭부를 중심으로 하고, 그 중심각이 40도를 가지는, 유동 혼합 장치.
  5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더는 복수로 제공되고,
    상기 복수의 실린더는 상호 이격되어 배치되는, 유동 혼합 장치.
  6. 측면에 소수성을 가지는 표면처리부가 형성된 실린더를 제공하는 단계; 및
    전방에서 상기 실린더에 대향하는 유동을 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 표면처리부는,
    상기 실린더의 단면의 전후 방향 중심선을 기준으로 최대폭을 가지는 최대폭부를 포함하는 소정의 영역에 걸쳐 형성되는, 유동 혼합 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 표면처리부는 접촉각이 150도 이상 180도 미만이 되도록 소수성 표면처리되는, 유동 혼합 방법.
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 실린더의 단면은 원형이며,
    상기 영역은 상기 최대폭부를 중심으로 하고, 그 중심각이 40도를 가지는, 유동 혼합 방법.
  10. 제6항, 제7항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 실린더는 복수로 제공되고,
    상기 복수의 실린더는 상호 이격되어 배치되는, 유동 혼합 방법.
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