KR101840868B1 - 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치 - Google Patents

다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파이프 형태의 몸체부 내부에 형성되고, 유체가 흐르는 벤츄리 공간부, 상기 벤츄리 공간부의 목 부분에 장착된 다공성 튜브, 및 상기 다공성 튜브를 에워싸는 직경 확대 공간을 형성하고, 상기 직경 확대 공간에 외부로부터 연통하도록 상기 몸체부를 관통하여 공기 유입관이 형성된 공기 공급부를 포함하며, 유체(물)가 벤츄리 공간부를 통과하면 대기압과 벤츄리 공간부의 목 부분의 압력차에 의해 공기 공급부와 다공성 튜브를 통해 공기가 유체 속으로 공급되고, 상기 벤츄리 공간부의 목 부분을 통과하는 물의 빠른 속도에 의해서 공기가 가늘게 부셔져서 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 1.9 ≤ VL / di ≤ 2.0, 0.08 ≤ Pt / di ≤ 0.1, β = aVb 등의 수식들을 통해서 벤츄리 관을 제작하기 때문에, 유체가 벤츄리 공간부를 통과하는 경우에도, 난류 등의 동 변화 발생이 적고, 파이프 내부에서 물의 정체(체류) 영역이 발생하지 않아서 파이프의 내부 마모 부분이 발생하지 않으며, 그에 따른 장치의 내구성이 우수하고, 안정적으로 미세 기포를 대량 발생시킬 수 있는 우수한 효과를 얻을 수 있다.

Description

다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치{APPARATUS FOR PRODUCING MICRO BUBBLES BY USING A VENTURI PIPE WITH POROUS TUBE THEREIN}
본 발명은 압력 소실이 작은 벤츄리 관을 사용하여 공기방울을 발생시키는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세히는 유체(물)가 벤츄리 관을 통하여 공급됨에 있어서 베르누이의 원리에 의해 압력이 낮아지는 벤츄리 관의 목 부분에 다공성 튜브를 통해 대기 중의 공기를 공급해 주게 되면, 대기압과 벤츄리 관 목 부분의 압력차에 의해 공기가 다공성 튜브를 통해 벤츄리 관 내부로 흘러서 유체 속으로 공급되고, 그 결과 벤츄리 관의 목 부분에서 물의 빠른 속도에 의해 공기가 가늘게 부셔져서 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 공기방울 발생장치, 또는 마이크로 버블 발생기 등의 응용제품은, 현재 폐수처리뿐만 아니라 가정용 샤워기, 의료기 세척용 장비 등 다양한 분야에 적용되고 있다.
예를 들면, 대한민국 등록특허공보 제10-0635382호의 "오리피스 산기장치"가 제안되어 있다.
이와 같은 종래 기술은 축산폐수 처리시설, 오폐수 처리시설이나 양어장 등에서 사용되며, 특히 공기의 용존율을 높이기 위하여 공기방울을 잘게 부수는 방법에 있어서, 공기 스트림 자체의 충돌과 오리피스(또는 벤츄리 관) 원리에 의하여 산기장치 본체부의 공간부 내로 흡입되는 물과 공기방울의 충돌을 이용한 산기장치에 관한 것이다.
이와 같은 종래 기술의 산기장치는 내부 공간부, 상 방향으로 형성된 배출부, 그리고 저면부에 형성된 물 유입구를 갖는 본체부, 상기 본체부의 배출부 형성방향에 대하여 교차하는 형성방향을 갖는 공기유입로가 형성된 연결관, 및 상기 연결관의 공기 유입로가 상기 본체부의 내부 공간부와 만나는 교차점에 배열되어 상기 공기유입로에서 한줄기로 유입된 공기를 두 방향으로 분할되도록 두 출구가 형성되어 있는 분기 부재를 포함하여 이루어져서, 상기 분기 부재에 의하여 분할된 공기 스트림이 상기 본체부의 내부 공간부에서 충돌하여 상승하면서 1차적으로 공기방울이 분쇄되면서 상기 배출부로 방출되는 상승 공기 흐름을 형성함에 따라 상기 본체부의 물 유입구에서 물이 흡입되어 상기 공기와 충돌하여 2차적으로 공기방울을 잘게 부수는 역할을 한다.
그러나, 이와 같은 종래의 기술은 단지 공기 스트림 자체의 충돌 또는 공기 스트림과 산기장치 본체부의 공간부 내로 흡입되는 물의 충돌을 이용한 산기장치로서, 마이크로 크기 수준의 기포를 발생시키기에는 기술적으로 어려움이 있고, 대용량의 처리설비에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
이와는 다른 기술로는, 대한민국 등록특허공보 제 10-1264149호의 "디퓨저 노즐"이 제안되어 있다.
이와 같은 종래 기술은 마이크로 버블을 발생하는 디퓨저 노즐에 관한 것으로, 케이스 내부에 물을 공급하는 노즐 1과, 공기와 노즐 1에서 분사되는 물을 혼합하여 다층의 오리피스를 향하여 분사하는 노즐 2와, 외부에서 노즐 2에 공기를 공급하는 공기유입부 및 케이스 등으로 구성되어 압력을 가지는 공기와 물의 혼합유체를 다층의 오리피스 디스크 사이에 형성되는 가압과 감압 현상을 이용하고 마이크로 스케일의 공기방울을 만들어 물과 혼합시키는 노즐을 제공하는 것이다.
이 노즐은 기존에 마이크로 버블 발생 노즐에 비하여 많은 유량을 만들 수 있으며, 압력의 손실도 작은 장점이 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 기술은 다층의 오리피스 디스크 사이에 형성되는 가압과 감압 현상을 이용하는 복잡한 구조이기 때문에, 그 제작과정이 복잡하고, 물에 포함된 이물질이 다층의 오리피스 디스크 사이에 쉽게 퇴적되어 원하는 가압과 감압 현상을 안정적으로 얻기 어려워서 빈번한 교체 및 보수 유지를 필요로 한다.
한편, 이와는 다른 기술로는 도 1a에 도시된 바와 같이, 공기가 유입되는 파이프 내에 구(Ball)를 장착하여 공기방울을 발생시키는 산기장치(10)가 제안되어 있다.
이와 같은 종래 기술은 파이프(12) 내에 구(20)를 설치하고, 외부로 노출된 공기 공급 관(22)에 의해서 물이 흐르는 파이프(12) 내로 공기 방울을 공급하는 시스템이다.
그러나, 이러한 종래 기술은 실제 상용화하기 어려운 점이 파이프(12) 내에 구(20)를 설치하기가 어렵고, 특히 파이프(12) 내에 설치할 경우, 구(20)의 고정이 어렵고 미세 공기방울이 발생되지 않는 문제점이 있다.
이와는 다른 기술로는, 도 1b에 도시된 바와 같은 공기방울 발생장치(30)이다. 이러한 종래 기술은 구(20) 대신 오리피스 판(40)을 활용하여 외부공기를 흡입할 수 있도록 파이프(12) 내에 저압 부분을 만들었다는 점이다. 이와 같은 구조에서는 저압 부분을 통해서 외부로부터 자력으로 공기를 흡입하는 장점은 있으나 많은 양의 공기가 유입되지 않고 미세 공기방울을 기대하기 어렵다.
따라서 이와 같은 종래 기술은, 도 1a의 문제점, 즉 구(20)의 설치 어려움 및 파이프(12)를 통한 공기 흡입으로 파이프(12) 내에서 생성되는 공기 방울의 크기가 지나치게 크다는 점을 일부 개선하였지만, 오리피스 판(40)을 활용함에 따른 에너지 손실이 크다는 문제점과, 물의 유동과정 중에 발생하는 난류 등의 동 변화가 크고 그에 따라서 공기 흡입 조건이 미비하다는 점이 여전히 개선을 필요로 하는 문제점을 갖는 것이었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소시키기 위한 것으로서, 제작하기 용이하고, 보수 유지가 편리하며, 운전 중 유체(물)의 압력 손실이 적을 뿐만 아니라 유량 변동에도 흡입되는 공기의 량 및 발생하는 공기방울 크기의 변화가 적어서 대량으로 미세 기포를 생성시킬 수 있는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치를 제공함에 있다.
그리고 본 발명의 다른 목적은, 물의 유동과정 중에 발생하는 난류 등의 동 변화 발생이 적고, 파이프 내부에서 물의 정체(체류) 영역이 발생하지 않아서 파이프의 내부 마모 부분이 발생하지 않으며, 그에 따른 내구성이 우수하고, 안정적으로 미세 기포를 발생시킬 수 있는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 유체(물) 내부에 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있는 장치에 있어서,
파이프 형태의 몸체부 내부에 형성되고, 유체가 흐르는 벤츄리 공간부;
상기 벤츄리 공간부의 목 부분에 장착된 다공성 튜브; 및
상기 다공성 튜브를 에워싸는 직경 확대 공간을 형성하고, 상기 직경 확대 공간에 외부로부터 연통하도록 상기 몸체부를 관통하여 공기 유입관이 형성된 공기 공급부;를 포함하며,
유체(물)가 벤츄리 공간부를 통과하면 대기압과 벤츄리 공간부의 목 부분의 압력차에 의해 공기 공급부와 다공성 튜브를 통해 공기가 유체 속으로 공급되고, 상기 벤츄리 공간부의 목 부분을 통과하는 물의 빠른 속도에 의해서 공기가 가늘게 부셔져서 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치를 제공한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 벤츄리 공간부는 목 부분의 직후방에서 상기 몸체부를 관통하여 외부로 연장되는 압력 취출구를 추가적으로 포함하며, 상기 압력 취출구에는 압력 센서가 장착되어 벤츄리 공간부의 압력을 검출하는 것을 특징으로 한다.
가장 바람직하게는, 상기 압력 취출구는 벤츄리 공간부의 목 부분 직후의 내경 확대부 초입에 구비된다.
또한 본 발명은 바람직하게는, 상기 공기 공급부의 직경 확대 공간은 상기 다공성 튜브를 에워싸는 원통형 공간으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 벤츄리 공간부는 상기 벤츄리 공간부의 직경(D ≤ 100(mm))에 대해 아래의 범위 값을 가져서 공기 방울 발생을 최적화하며,
1.9 ≤ VL / di ≤ 2.0 (1)
여기서,
VL : 벤츄리 공간부의 목 부분의 길이
di : 벤츄리 공간부의 목 부분의 직경
인 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 바람직하게는, 상기 벤츄리 공간부 및 다공성 튜브는 상기 벤츄리 공간부의 직경(D ≤ 100(mm))에 대해 아래의 범위 값을 가져서 공기 방울 발생을 최적화하며,
0.08 ≤ Pt / di ≤ 0.1 (2)
여기서,
Pt : 다공성 튜브의 두께
di : 벤츄리 공간부의 목 부분의 직경
인 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 벤츄리 공간부는 상기 벤츄리 공간부의 직경비(β = di/D)와, 유체의 속도(V)에 대해 아래의 범위 값을 가져서 공기 방울 발생을 최적화하며,
β = aVb (8)
0.221 ≤ a ≤ 0.224
0.518 ≤ b ≤ 0.520
여기서,
di : 벤츄리 공간부의 목 부분의 직경
D : 벤츄리 공간부의 직경
인 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명은 바람직하게는, 상기 압력 센서에 의해서 검출된 절대 압력 범위는, 0.15 bar.A ~ 0.25 bar.A인 것을 특징으로 한다.
가장 바람직하게는, 상기 다공성 튜브는 요구되는 버블 사이즈에 따라 5 내지 30㎛인 평균 기공 직경을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치에 의하면, 유체(물)가 벤츄리 관을 통하여 공급되면, 유체가 통과하면서 베르누이의 원리에 의해 압력이 낮아지는 벤츄리 관의 목 부분에 위치한 다공성 튜브를 통해서 대기 중의 공기가 유입된다.
이때, 공기는 대기압과 벤츄리 관 목 부분의 압력차에 의해 다공성 튜브를 통해 벤츄리 관 내부를 흐르는 유체 속으로 공급되며, 그 결과 벤츄리 관의 목 부분에서 물의 빠른 속도에 의해 공기가 가늘게 부셔져서 미세한 공기방울을 대량으로 발생시키는 우수한 효과가 얻어질 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 벤츄리 관을 형성하는 몸체부 내의 벤츄리 공간부는 그 직경(D ≤ 100(mm))에 대해 아래의 범위 값을 가져서 공기 방울 발생을 최적화하며,
1.9 ≤ VL / di ≤ 2.0 (1)
0.08 ≤ Pt / di ≤ 0.1 (2)
β = aVb (8)
0.221 ≤ a ≤ 0.224
0.518 ≤ b ≤ 0.520 이다.
본 발명은 이러한 수식들을 통해서 벤츄리 관을 제작하기 때문에, 벤츄리 공간부를 유체가 통과하는 경우에도, 난류 등의 동 변화 발생이 적고, 파이프 내부에서 물의 정체(체류) 영역이 발생하지 않아서 파이프의 내부 마모 부분이 발생하지 않으며, 그에 따른 장치의 내구성이 우수하고, 안정적으로 미세 기포를 대량 발생시킬 수 있는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
도 1a는 종래의 기술에 따른 구(ball)를 내장한 공기방울 발생장치를 도시한 단면도이다.
도 1b는 종래의 기술에 따른 오리피스 판(orifice plate)를 내장한 공기방울 발생장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치를 전체적으로 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치의 내부 구조를 도시한 종단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치에서 벤츄리 공간부와 다공성 튜브의 설계를 최적화하기 위하여 참고한 설명도이다.
도 5는 본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치에서 벤츄리 공간부의 목 부분 길이(VL: venturi L), 및 벤츄리 공간부의 목 직경[venturi R=di/2] 변화에 따른 흡입 공기량 변화를 도시한 그래프이다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치를 사용하여 얻은 결과로서, 다공성 튜브를 통해 흐르는 물속으로 공급되면서 빠른 물의 속도에 의해 가늘게 부셔져 미세한 공기방울이 물속으로 공급되는 것을 전산해석으로 표시한 화면들이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치(100)는 유체(물) 내부에 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있는 장치이다.
본 발명은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 파이프 형태의 몸체부(110) 내부에서 유체(물)가 흐르는 벤츄리 공간부(120)를 구비한다.
이와 같은 벤츄리 공간부(120)가 형성되는 몸체부(110)는, 예를 들면 3개의 부재, 또는 다수의 구성 요소들을 볼트(112) 조합하여 단일 구조물로 조립할 수 있다. 또한, 필요에 따라 몸체부(110)는 내부에 벤츄리 공간부가 형성되도록 일체형으로도 제조될 수 있음은 물론이다.
그리고 상기 벤츄리 공간부(120)는 목 부분(122)의 직후방에서 상기 몸체부(110)를 관통하여 외부로 연장되는 압력 취출구(130)를 추가적으로 포함한다.
이와 같은 압력 취출구(130)에는 압력 센서(미 도시)가 장착되어 벤츄리 공간부(120)의 내부 절대압력을 검출하게 되며, 이와 같은 압력 센서에 의해서 검출된 절대압력에 기초하여 유체의 공급 속도, 또는 유량 등을 조절하게 된다.
상기 압력 센서는 도 3에 도시된 바와 같이 벤츄리 공간부(120)의 중간 원통형 내경부분 직후의 내경 확대부 초입에 구비된다. 가장 바람직하게는, 최대 음압이 형성되는 내경 확대부 모서리가 최적의 위치지만, 제작상 용이하지 않아 그에 가장 가까운 위치에 홀가공을 하여 압력 센서를 구비한 것이다.
상기 압력 센서에 의해서 검출된 절대 압력 범위는, 바람직하게는 0.15 bar.A ~ 0.25 bar.A이며, 가장 바람직하게는 0.2 bar.A이다. 이와 같이, 절대 압력 범위를 0.15 bar.A 내지 0.25 bar.A로 설정하는 이유는 공기방울 형성에 필요한 적정량의 에어가 압력 차에 의해 흡입되도록 하기 위해서이다. 한편, 상기 절대 압력 검출값이 하한값, 즉 0.15 bar.A 미만일 경우에는 캐비테이션 및 역류가 발생하는 문제점이 있고, 절대 압력 검출값이 상한값, 즉 0.25 bar.A 초과일 경우에는 공기방울 형성에 필요한 에어양이 감소하는 문제점이 있다.
이와 같은 몸체부(110)는 그 내부의 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)에 다공성 튜브(140)를 장착한다. 이와 같은 다공성 튜브(140)는 요구되는 버블 사이즈에 따라 다양한 사이즈, 예컨대 5 내지 30㎛인 평균 기공 직경을 갖는 것을 사용한다.
또한, 본 발명은 다공성 튜브(140)를 에워싸는 직경 확대 공간(152)을 형성하고, 상기 직경 확대 공간(152)에 외부로부터 연통하도록 상기 몸체부(110)를 관통하여 공기 유입관(154)이 형성된 공기 공급부(150)를 포함한다.
이와 같은 공기 공급부(150)의 직경 확대 공간(152)은 상기 다공성 튜브(140)를 에워싸는 원통형 공간으로 이루어진 것으로서, 상기 다공성 튜브(140)의 원통형 외표면 전체를 통한 공기 유입을 용이하게 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치(100)는, 유체(물)가 상기 벤츄리 공간부(120)를 통과하면, 대기압과 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)의 압력차에 의해서 공기 공급부(150)의 공기 공급관(154), 직경 확대 공간(152) 및 다공성 튜브(140)를 통해 공기가 유체 속으로 공급된다.
이와 같은 경우, 상기 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)을 통과하는 유체는 빠른 속도에 의해서 유입된 공기가 가늘게 부셔져서 미세한 공기방울을 대량으로 발생시키게 된다.
본 발명에 따른 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치(100)에서, 벤츄리 공간부(120)를 통한 유체 흐름 도중에 미세 기포의 발생을 최적화하기 위한 조건을 아래와 같이 구하였다.
일반적으로 유량계로 사용되는 벤츄리 튜브의 경우, ISO 5167 국제 표준화 규격에 따라서 흡입각도 21도, 출구각도 7~15도, 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)의 길이(VL)인 경우, 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)의 직경(di)이 VL = di이 되도록 구속 조건을 두고 있다.
그러한 이유는 벤츄리 튜브의 내부를 통과하는 유체의 유동 손실이 가장 적으면서, 측정 시 나타나는 오차를 줄이기 위해 비선형 구간을 최소화하기 위한 설정 값이다.
그러나, 본 발명에 구비된 벤츄리 공간부(120)는 이러한 유량계가 아니라, 공기를 유입시켜서 미세 기포의 발생을 최적화하기 위하여 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)에는 다공성 튜브(140)를 설치한 공기방울 발생장치이다.
이 경우, 일반적인 벤츄리 튜브에서, 유체의 유동 저항을 최소화하기 위해 설치된 규정, 즉 흡입각도 21도, 출구각도 7~15도의 범위는 만족하도록 하겠지만, 목 부분(122)에 장착되는 다공성 튜브(140)의 설정은 다공성 튜브(140)의 특성을 고려하여 새롭게 설정하여야만 한다.
도 4는 본 발명에서 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치(100)에 구비된 벤츄리 공간부(120), 다공성 튜브(140) 및 공기 공급부(150)의 구조와 주요치수를 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 다양한 운전 조건에서 최적의 공기방울(많은 공기 흡입량, 미세한 공기 방울 사이즈)을 발생하는 장치를 구성하기 위해서, 벤츄리 공간부(120)의 흡입 및 배출관의 기울기를 각각 21도, 10도 조건으로 고정하였고, 이때 장치의 성능을 지배하는 설정 값으로서, β = di/D(di: 벤츄리 공간부(120)의 목 직경[venturi R=di/2], D: 벤츄리 공간부(120)의 직경), VL: 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122) 길이(venturi L), Pt: 다공성 튜브(140)의 두께 (porous tube thickness) 등을 설정하였다. 그리고, 본 발명에서는 이들 값들에 대한 유동 최적 해석을 통해 이들 값들을 설정하였다.
도 5는 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122) 길이(VL: venturi L), 및 벤츄리 공간부(120)의 목 직경[venturi R=di/2] 변화에 따른 흡입 공기량 변화를 도시한 그래프이다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 벤츄리 공간부(120)의 VL과 di를 변경하였을 때, 다공성 튜브(140)를 통해 관내로 흡입되는 공기의 량(= 흡입공기체적/공급유체 체적유량)을 계산한 결과가 도시되어 있다.
도 5를 살펴보면 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122) 길이(VL)가 길어지면, 흡입 공기량이 증가한다는 것을 확인할 수 있으며(최대값 존재), 그리고 벤츄리 공간부(120)의 목 직경(di)이 감소하면 오히려 공기량이 증가함을 알 수 있다.
이때, 최대 공기량을 흡입하기 위해서는, VL 경우 최대값이 존재하므로, 그 최대 값을 갖는 길이를 결정하면 된다. 그러나 벤츄리 유량계에서처럼 이 경우에도 하나의 구속 조건(벤츄리 유량계의 경우 VL/di=1 로 구속)이 존재하게 되는데, 벤츄리 공간부(120)의 목 직경(di)이 감소하면 공기흡입량은 증가하지만, 목 부분(122)에서 발생하는 압력이 또한 감소하는 현상도 발생하게 된다. 이때 구속 조건은 포화증기압(2340Pa @atm) 이하가 되면 안 된다는 점이다.
이와 같은 도 5의 그래프의 계산 결과를 바탕으로, 이러한 구속 조건(목 부분(122)에서 최소 압력이 포화 증기압 이하가 되면 안 됨)과, 공급공기량을 최대로 만들어주는 목 부분(122)의 길이를 동시에 만족하는 식으로 아래의 식을 설정하였다.
즉, 상기 벤츄리 공간부(120)는 상기 벤츄리 공간부(120)의 직경(D ≤ 100(mm))에 대해 아래의 범위 값을 가질 경우 공기 방울 발생을 최적화한다.
1.9 ≤ VL / di ≤ 2.0 수식(1)
여기서,
VL : 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)의 길이
di : 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)의 직경이다.
이와 같은 수식(1)에서, 여기서, 상기 VL / di 값의 설정 범위는 상한치 이상에서는 캐비테이션이 발생하며, 하한치 이하로 내려가면 공기흡입량이 감소하기 때문에 바람직하지 않은 것이다.
또한, 본 발명에 구비된 다공성 튜브(140) 및 벤츄리 공간부(120)는 아래의 범위 값을 가질 경우 공기 방울 발생을 최적화한다.
0.08 ≤ Pt / di ≤ 0.1 수식(2)
여기서,
Pt : 다공성 튜브(140)의 두께
di : 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)의 직경이다.
그리고 본 발명은 벤츄리 공간부(120)의 직경비(β = di/D)와, 유체의 속도(V)의 상관 관계를 조사하여 기포 발생을 최적화한 구조이다.
이를 위하여, 본 발명은 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122) 입구와 출구 사이에서 아래와 같이 연속방정식 수식(3), 및 베르누이 방정식 수식(4)를 사용하여 공급유량(Q)과 벤츄리 공간부(120)의 직경비(β = di/D)의 관계식을 정리한다.
연속 방정식
Figure 112016044992717-pat00001
수식(3)
베르누이 방정식
Figure 112016044992717-pat00002
수식(4)
상기 수식(3) 및 수식(4)로부터
Figure 112016044992717-pat00003
이고, 아래와 같은 수식(5)를 얻을 수 있다.
Figure 112016044992717-pat00004
수식(5)
상기 수식(5)에서, 출구를 대기압으로 고정하고 목 부분(122)에서 포화 증기압을 고려할 경우, 아래와 같은 수식(6)을 얻을 수 있다.
Figure 112016044992717-pat00005
수식(6)
상기 수식(6)에서는, 유량계수 값(Cd)이 일정하다고 가정할 경우, 수식(1) 및 수식(2)의 관계식을 만족하는 다공성 튜브(140)를 삽입한 벤츄리 공간부(120)의 유체 공급속도(V)와 벤츄리 공간부(120)의 직경비(β = di/D) 사이의 관계식은 아래의 수식(7)과 같이 단일 변수를 가지는 함수로 표현할 수 있다.
Figure 112016044992717-pat00006
수식(7)
이들 사이의 함수를 최적화 해석을 통해 아래와 같은 함수로 구한다.
β = aVb 수식(8)
0.221 ≤ a ≤ 0.224
0.518 ≤ b ≤ 0.520
여기서,
di : 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)의 직경
D : 벤츄리 공간부(120)의 직경이다.
상기와 같이 본 발명에서 얻어진 수식(1) 내지 수식(8)들을 통해서 벤츄리 관을 제작하기 때문에, 본 발명은 벤츄리 공간부(120)를 유체가 통과하는 경우에도, 난류 등의 동 변화 발생이 적고, 파이프 내부에서 물의 정체(체류) 영역이 발생하지 않아서 파이프의 내부 마모 부분이 발생하지 않으며, 안정적으로 대용량의 공기를 유입시켜서 유체 내에 미세 기포를 대량 발생시킬 수 있게 된다.
도 6(a)에서 알 수 있듯이 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)을 물이 빠르게 지나가면 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)에서는 베르누이의 원리에 의해 압력이 낮아졌다. 이때 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)에 설치된 다공성 튜브(140)를 대기 중의 공기가 흡입되었으며, 공기는 압력차(대기압-벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122) 압력)에 의해 다공성 튜브(140)를 통해 흐르는 물속으로 공급되면서 빠른 물의 속도에 의해 가늘게 부셔져 미세한 공기방울이 물속으로 공급되었다.
도 6(b)는 전산해석을 통해서, 주어진 운전 조건에서 벤츄리 공간부(120)의 목 부위에 설치된 다공성 튜브(140)를 통해 공기가 공급되어지는 현상을 계산한 결과이다. 도 6(c)는 압력과 함께 표시된 그래프로서, 벤츄리 공간부(120)의 목 부분(122)에 형성되는 대기압 이하의 낮은 압력으로 인해 다공성 튜브(140)를 통해 공기가 흡입되는 현상을 자세히 확인할 수 있었다.
상기와 같이 본 발명은 상기의 수식(1) 내지 수식(8)들을 통해서 벤츄리 관을 설계 및 제작하기 때문에, 벤츄리 공간부(120)를 유체가 통과하는 경우에도, 난류 등의 동 변화 발생이 적고, 파이프 내부에서 물의 정체(체류) 영역이 발생하지 않아서 파이프의 내부 마모 부분이 발생하지 않으며, 안정적으로 미세 기포를 대량 발생시킬 수 있는 우수한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 상기에서 도면을 참조하여 특정 실시 예에 관련하여 상세히 설명하였지만 본 발명은 이와 같은 특정 구조에 한정되는 것은 아니다. 당 업계의 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술 사상 및 권리범위를 벗어나지 않고서도 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있을 것이다. 예를 들면, 설비 용량에 따라서, 일부 구성 요소들의 크기, 예를 들면 벤튜리 공간부의 직경(D) 등이 다소 달라질 수 있을 것이다. 그렇지만 그와 같은 단순한 설계적인 재료 수정 또는 변형 구조들은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속하게 됨을 미리 밝혀 두고자 한다.
10: 산기장치 12: 파이프
20: 구 22: 공기 공급 관
30: 공기방울 발생장치 40: 오리피스 판
50: 다공성 튜브(porous tube)
100: 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치
110: 몸체부 112: 볼트
120: 벤츄리 공간부 122: 목 부분
130: 압력 취출구 140: 다공성 튜브
150: 공기 공급부 152: 직경 확대 공간
154: 공기 공급관

Claims (9)

  1. 유체(물) 내부에 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있는 장치에 있어서,
    파이프 형태의 몸체부 내부에 형성되고, 유체가 흐르는 벤츄리 공간부;
    상기 벤츄리 공간부의 목 부분에 장착된 다공성 튜브; 및
    상기 다공성 튜브를 에워싸는 직경 확대 공간을 형성하고, 상기 직경 확대 공간에 외부로부터 연통하도록 상기 몸체부를 관통하여 공기 유입관이 형성된 공기 공급부;를 포함하며,
    유체(물)가 벤츄리 공간부를 통과하면 대기압과 벤츄리 공간부의 목 부분의 압력차에 의해 공기 공급부와 다공성 튜브를 통해 공기가 유체 속으로 공급되고, 상기 벤츄리 공간부의 목 부분을 통과하는 물의 빠른 속도에 의해서 공기가 가늘게 부셔져서 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있고,
    상기 벤츄리 공간부는 상기 벤츄리 공간부의 직경(D ≤ 100(mm))에 대해 아래의 범위 값을 가져서 공기 방울 발생을 최적화하며,
    1.9 ≤ VL / di ≤ 2.0 (1)
    여기서,
    VL : 벤츄리 공간부의 목 부분의 길이
    di : 벤츄리 공간부의 목 부분의 직경
    인 것임을 특징으로 하는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 벤츄리 공간부는 목 부분의 직후방에서 상기 몸체부를 관통하여 외부로 연장되는 압력 취출구를 추가적으로 포함하며, 상기 압력 취출구에는 압력 센서가 장착되어 벤츄리 공간부의 압력을 검출하는 것임을 특징으로 하는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 압력 취출구는 벤츄리 공간부의 목 부분 직후의 내경 확대부 초입에 구비되는 것을 특징으로 하는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 공기 공급부의 직경 확대 공간은 상기 다공성 튜브를 에워싸는 원통형 공간으로 이루어진 것임을 특징으로 하는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치.
  5. 삭제
  6. 유체(물) 내부에 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있는 장치에 있어서,
    파이프 형태의 몸체부 내부에 형성되고, 유체가 흐르는 벤츄리 공간부;
    상기 벤츄리 공간부의 목 부분에 장착된 다공성 튜브; 및
    상기 다공성 튜브를 에워싸는 직경 확대 공간을 형성하고, 상기 직경 확대 공간에 외부로부터 연통하도록 상기 몸체부를 관통하여 공기 유입관이 형성된 공기 공급부;를 포함하며,
    유체(물)가 벤츄리 공간부를 통과하면 대기압과 벤츄리 공간부의 목 부분의 압력차에 의해 공기 공급부와 다공성 튜브를 통해 공기가 유체 속으로 공급되고, 상기 벤츄리 공간부의 목 부분을 통과하는 물의 빠른 속도에 의해서 공기가 가늘게 부셔져서 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있고,
    상기 벤츄리 공간부 및 다공성 튜브는 상기 벤츄리 공간부의 직경(D ≤ 100(mm))에 대해 아래의 범위 값을 가져서 공기 방울 발생을 최적화하며,
    0.08 ≤ Pt / di ≤ 0.1 (2)
    여기서,
    Pt : 다공성 튜브의 두께
    di : 벤츄리 공간부의 목 부분의 직경
    인 것임을 특징으로 하는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치.
  7. 유체(물) 내부에 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있는 장치에 있어서,
    파이프 형태의 몸체부 내부에 형성되고, 유체가 흐르는 벤츄리 공간부;
    상기 벤츄리 공간부의 목 부분에 장착된 다공성 튜브; 및
    상기 다공성 튜브를 에워싸는 직경 확대 공간을 형성하고, 상기 직경 확대 공간에 외부로부터 연통하도록 상기 몸체부를 관통하여 공기 유입관이 형성된 공기 공급부;를 포함하며,
    유체(물)가 벤츄리 공간부를 통과하면 대기압과 벤츄리 공간부의 목 부분의 압력차에 의해 공기 공급부와 다공성 튜브를 통해 공기가 유체 속으로 공급되고, 상기 벤츄리 공간부의 목 부분을 통과하는 물의 빠른 속도에 의해서 공기가 가늘게 부셔져서 미세한 공기방울을 대량으로 발생시킬 수 있고,
    상기 벤츄리 공간부는 상기 벤츄리 공간부의 직경비(β = di/D)와, 유체의 속도(V)에 대해 아래의 범위 값을 가져서 공기 방울 발생을 최적화하며,
    β = aVb (8)
    0.221 ≤ a ≤ 0.224
    0.518 ≤ b ≤ 0.520
    여기서,
    di : 벤츄리 공간부의 목 부분의 직경
    D : 벤츄리 공간부의 직경
    인 것임을 특징으로 하는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 압력 센서에 의해서 검출된 절대 압력 범위는, 0.15 bar.A ~ 0.25 bar.A인 것을 특징으로 하는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다공성 튜브는 요구되는 버블 사이즈에 따라 5 내지 30㎛인 평균 기공 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 다공성 재질의 벤츄리 관을 활용한 공기방울 발생장치.

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CN112642310A (zh) * 2020-12-08 2021-04-13 中国石油化工股份有限公司 微气泡发生装置、微气泡发生控制方法及装置
KR102565368B1 (ko) * 2021-10-12 2023-08-08 지효근 나노버블발생장치용 연결장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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