KR101855371B1 - 대칭 유동을 이용한 다상유체 분리장치 - Google Patents

대칭 유동을 이용한 다상유체 분리장치 Download PDF

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충북대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 원통 형상의 프레임과, 외부로부터 다상유체가 유입되며, 상기 프레임의 상호 대칭적인 측면 위치에 적어도 두 방향 이상으로의 접선방향으로 연결되어 형성되는 유입구와, 상기 프레임의 내측으로부터 상면을 관통하여 형성되고, 상기 유입구를 통해서 유입되어 상기 프레임 내측에서 나선형 회전유동하는 다상유체 중 원심력 및 중력에 의해 유체가 분리되어 유출되는 유체 유출구와, 상기 프레임의 하측에 형성되고, 상기 유입구를 통해서 유입되어 상기 프레임 내측에서 나선형 회전유동하는 다상유체 중 원심력 및 중력에 의해 입자가 분리되어 유출되는 입자 유출구로 이루어져서, 대칭적인 구조로 프레임에 결합되는 유입구로 인하여 다상 유체의 나선형 회전유동에 의한 원심력이 증가하여 유체와 입자의 분리효율을 보다 향상시킬 수 있는, 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치를 개시한다.

Description

대칭 유동을 이용한 다상유체 분리장치{Device of Separating Particle and Liquid of Particle Flow by using Symmetric Flow}
본 발명은 다상유체 분리장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유체와, 미세먼지 또는 침전물이 혼합된 다상유체를 원심 분리하는 다상유체 분리장치에 관한 것이다.
청정 공기 또는 수자원이 요구되는 분야의 공학 응용 분야에서 유체에 혼합된 입자상 물질, 예컨대 미세먼지 또는 침전물 등을 분리하는 관련 기술은 분리 성능 및 유지관리의 효율성이 매우 중요하다. 통상적인 화학적 처리나 막(membrane) 분리 기술은 장시간 또는 대용량 처리에 따른 유지관리에 많은 어려움이 따르고 있어 이를 대체할 수 있는 기술 개발이 진행되고 있으며, 유체의 회전에 따른 분리 효과를 이용한 기술의 활용이 증대되고 있다.
전술한 원심분리를 이용한 선회류 분리장치(vortex separator)가 도 1에 예시되어 있다. 예시된 바와 같이, 반응조 내부에 접선방향으로 다상의 유체를 유입시켜 분리장치 내벽을 따라 선회류(나선형 회전유동)(vortex)를 형성시켜 비중이 유체보다 무거운 고형물의 입자는 회전력에 의하여 가장자리로 분리되는 동시에 중력에 의한 침전이 되어 하부 유출구로 빠져나가게 되고, 걸러진 유체는 상부 유출구를 통하여 유출되어 분리되는 원리이다(도 1의 출처는 Downstream Defender®의 HDVS입니다. 관련홈페이지는 www.hydro-international.biz입니다).
하지만, 비대칭적인 유입구(inlet) 및 유출구(outlet) 구조로 인하여 다상유체의 원심력이 제한적이고 이로 인해 유체와 입자의 분리효율이 정체되는 문제점이 있었다.
실용신안등록 제20-0358547호 (2004.08.02.) 공개특허 제10-2004-0047756호 (2004.06.05.)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전술한 바와 같은 유입구 및 유출구의 비대칭적인 구조를 대칭적인 구조로 변경 설계하여 다상유체의 원심력을 증가시켜서 유체와 입자의 분리효율을 향상시킬 수 있는 대칭 유동을 이용한 다상유체 분리장치를 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 원통 형상의 프레임과, 외부로부터 다상유체가 유입되며, 상기 프레임의 상호 대칭적인 측면 위치에 적어도 두 방향 이상으로의 접선방향으로 연결되어 형성되는 유입구와, 상기 프레임의 내측으로부터 상면을 관통하여 형성되고, 상기 유입구를 통해서 유입되어 상기 프레임 내측에서 나선형 회전유동하는 다상유체 중 원심력 및 중력에 의해 유체가 분리되어 유출되는 유체 유출구와, 상기 프레임의 하측에 형성되고, 상기 유입구를 통해서 유입되어 상기 프레임 내측에서 나선형 회전유동하는 다상유체 중 원심력 및 중력에 의해 입자가 분리되어 유출되는 입자 유출구로 이루어지는, 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치를 제공한다.
바람직하게는, 상기 유체 유출구와 상기 입자 유출구 사이에 형성되고, 상기 유체 및 입자의 분리효율성을 향상시키는 분리판을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 분리판은 상기 유체 유출구 하단에 소정 크기의 콘 형상로 결합되어 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 분리판은 상기 유체 유출구 및 상기 입자 유출구로부터 각각 이격되어 접시 형상로 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 접시 형상의 분리판의 중앙에는 상기 입자가 관통하는 소정 크기의 홀이 형성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 프레임은 상단 프레임과 하단 프레임으로 분리되어 상호 이격 거리가 조절되도록 구성되며, 상기 상단 프레임에 상기 유입구가 결합 형성되며, 상기 하단 프레임에 상기 입자 유출구, 상기 유체 유출구, 및 상기 분리판이 결합 형성되고, 상기 유입구로 유입되는 다상유체의 유속을 측정하여 상기 프레임 내부의 유량을 산출하는 센서와, 상기 센서에 의해 산출된 유량에 따라 상기 상단 프레임과 상기 하단 프레임의 이격 거리를 제어하는 모터를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 상단 프레임과 상기 하단 프레임 사이에서 상기 다상유체를 수밀하는 제1 패킹과, 상기 유체 유출구와, 상기 유체 유출구가 관통하는 상기 상단 프레임의 상면 사이에서 상기 다상유체를 수밀하는 제2 패킹을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 입자 유출구의 개방율을 조절하는 밸브를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 유입구는, 상기 프레임의 상호 대칭적인 측면 위치에 네 방향의 접선방향으로 연결되어 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 대칭적인 구조로 프레임에 결합되는 유입구로 인하여 다상 유체의 나선형 회전유동에 의한 원심력이 증가하여 유체와 입자의 분리효율을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 선회류 분리장치의 구조를 예시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3의 (a) 내지 (c)는 도 2의 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치의 단면을 개략적으로 각각 도시한 것이다.
도 4의 (a) 및 (b)는 도 2의 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치의 다상유체의 유량에 따른 작동을 개략적으로 각각 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 전술한 특징을 갖는 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 의한 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3의 (a) 내지 (c)는 도 2의 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치의 단면을 개략적으로 각각 도시한 것이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치는, 원통 형상의 프레임(110)과, 다상유체가 유입되는 유입구(120)와, 유체가 분리 유출되는 유체 유출구(130)와, 입자가 분리 유출되는 입자 유출구(140)와, 유체와 입자를 효율적으로 분리하는 분리판(150)으로 구성될 수 있다.
프레임(110)은 원통 형상으로 형성되어서 후술하는 유입구(120)를 통해서 유입되는 다상유체가 유속에 의해 선회류(나선형 회전유동)를 형성하는 내부 공간을 제공한다. 여기서, 다상유체란 입자성 물질(입자)과 유체성 물질(유체)이 혼합된 상태의 유체를 의미한다.
유입구(120)는 프레임(110)의 상부측에 인접하여 형성되며, 외부로부터 다상유체가 유입되는 경로를 형성하고, 프레임(110)의 상호 대칭적인 측면 위치에 적어도 두 방향 이상으로의 접선방향으로 연결되어 형성된다.
예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 유입구(120)는 프레임(110)의 상호 대칭적인 측면 위치에 네 방향의 접선방향으로 연결되어 형성될 수 있는데, 제1 내지 제4 유입구(120a 내지 120d)는 프레임(110)의 중심을 기준으로 상호 90도 대칭적인 측면에 각각 형성될 수 있다.
한편, 프레임(110) 내부에서 대칭 유동, 즉 대칭적인 나선형 회전유동을 형성할 수 있는 유입구(120)의 대칭 구조라면 그 형상 및 수는 특별히 제한적이지 않으며, 프레임(110)의 상호 대칭적인 측면 위치에 적어도 두 방향 이상으로의 접선방향으로 연결되어 형성될 수 있다.
유체 유출구(130)는, 프레임(110)의 내측으로부터 상면을 관통하여 형성되고, 유입구(120)를 통해서 유입되어 프레임(110) 내측에서 나선형 회전유동하는 다상유체 중 다상유체의 유속에 의한 원심력 및 중력에 의해 분리된 유체를 상부로 유출시킨다. 즉, 유입구(120)로 유입되는 다상유체의 유속에 의한 강한 수압에 의한 나선형 회전유동에 의해서 유체 유출구(130)로 유체의 상부로의 분리 유출이 일어나게 되므로, 유체 유출구(130)는 프레임(110)의 상측에 형성되어야 한다.
입자 유출구(140)는, 테이퍼 형상으로 형성된 프레임(110)의 하측에 형성되고, 유입구(120)를 통해서 유입되어 프레임(110) 내측에서 나선형 회전유동하는 다상유체 중 다상유체의 유속에 의한 원심력 및 중력에 의해 분리된 입자를 하부로 유출시킨다. 즉, 유입구(120)로 유입되는 다상유체의 유속에 의한 강한 수압에 의한 나선형 회전유동을 하는 입자는 중력에 의해서 입자 유출구(140)로 입자의 하부로의 분리 유출이 일어나게 되므로, 입자 유출구(140)는 프레임(110)의 하부에 형성되어야 한다.
한편, 입자 유출구(140)의 개방율을 조절하는 밸브(미도시)를 추가로 구성할 수 있다. 즉, 다상유체의 입자상 체적비(volume fraction of particle phase), 입자 직경, 후술하는 분리판(150)의 형상에 따라 분리효율이 상이하므로, 분리효율을 향상시키기 위해서 밸브로 입자 유출구(140)이 개방율을 조절할 수 있다.
또한, 도 3의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 유체 유출구(130)와 입자 유출구(140) 사이에는 다상유체 중 유체 및 입자의 분리효율성을 향상시킬 수 있는 분리판(150), 예컨대 접시 형상의 분리판(150a) 및 콘 형상의 분리판(150b)을 추가 형성할 수 있다.
즉, 분리판(150)은 유체 유출구(130) 하단에 소정 크기의 콘 형상로 결합되어 형성될 수 있거나(150a), 유체 유출구(130) 및 입자 유출구(140)로부터 각각 이격되어 접시 형상로 형성될 수 있다(150b).
한편, 접시 형상의 분리판(150b)의 중앙에는 입자가 관통하는 소정 크기의 홀(h)이 형성될 수 있는데, 홀(h)은 접시 형상의 분리판(150b) 상부에 입자가 누적되는 것을 방지하고 입자의 분리효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 분리판(150)은 유체와 입자의 분리시 입자의 재비산을 방지하고, 프레임(110) 내부 공간을 유체 영역과 입자 영역으로 분리하여 유체가 유체 유출구(130)로 쉽게 유출되도록 한다.
전술한 바와 같은 구성에 의해서, 프레임(110)에 대해 대칭적인 유입 구조를 갖는 유입구(120)에 의해서 다상유체는 대칭적인 나선형 회전유동을 하게 되어 원심력이 증가하게 되고, 다상유체는 원심력 및 중력에 의해서 유체는 중앙 영역에서 상측 방향으로 회전유동하게 되어서 프레임(110)의 중앙 영역에 형성된 유체 유출구(130)를 통해서 유출되게 되고, 입자는 외곽 영역에서 하측 방향으로 회전유동하게 되어서 프레임(110)의 하측에 형성된 입자 유출구(140)를 통해서 유출되게 된다. 즉, 대칭적인 구조로 프레임(110)에 결합되는 유입구(120)로 인하여 다상 유체의 나선형 회전유동에 의한 원심력이 증가하여 유체와 입자의 분리효율을 향상시킬 수 있다.
도 4의 (a) 및 (b)는 도 2의 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치의 다상유체의 유량에 따른 작동을 개략적으로 각각 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 프레임(110)은 상단 프레임(110a)과 하단 프레임(110b)으로 분리되어 상호 이격 거리가 조절되도록 구성될 수 있다. 즉, 프레임(110)에 대한 접선 방향으로의 유입구(120)로 유입되는 프레임(110) 내부의 다상유체의 유량이 최대일 경우에만 나선형 회전유동이 발생하여 다상유체의 분리 효과가 유효하고 유량이 최대가 아닌 경우에는 분리 효과가 유효하지 않으므로, 상단 프레임(110a)의 상면과 하단 프레임(110b)의 하면 사이의 이격 거리가 조절되어 유량을 최대로 유지하도록 구성될 수 있다. 부언하자면, 유입구(120)로 유입되는 다상유체의 유속에 의한 강한 수압에 의해서 유체 유출구(130)로 유체의 상부 유출이 일어나게 되는데, 프레임(110) 내부에 공기층이 있으면 정수압의 형성으로 유체의 상부 유출이 거의 불가능하므로, 공기층을 제거할 수 있도록 프레임(110)은 상단 프레임(110a)과 하단 프레임(110b)의 이격 거리를 조절할 수 있다.
구체적으로, 유입구(120)가 상단 프레임(110a)에 적어도 두 방향 이상으로의 접선방향으로 결합 형성되며, 하단 프레임(110b)에 입자 유출구(140), 유체 유출구(130), 및 분리판(150)이 결합 형성되고, 유입구(120)로 유입되는 다상유체의 유속을 측정하여 프레임(110) 내부의 유량을 산출하는 센서(미도시)와, 센서에 의해 산출된 유량에 따라 상단 프레임(110a)과 하단 프레임(110b)의 이격 거리를 제어하는 모터(미도시)를 추가로 구성할 수 있다.
즉, 다상유체의 유량에 따라 상단 프레임(110a)과 하단 프레임(110b)의 이격 거리가 센서 및 모터에 의해서 조절되어야 하는데, 유량이 최대 또는 많은 경우에는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상단 프레임(110a)과 하단 프레임(110b)의 이격 거리가 증가하게 된다. 또한, 유량이 최소 또는 적은 경우에는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상단 프레임(110a)과 하단 프레임(110b)의 이격 거리가 감소하여 프레임(110) 내부에 공기층이 형성되지 않도록 하여 다상유체의 원활한 나선형 회전유동을 유도하여 유체와 입자의 분리를 유효하게 할 수 있다.
한편, 상단 프레임(110a)과 하단 프레임(110b)의 이격 거리 조절은 유입구(120)가 형성된 상단 프레임(110a)의 하단 프레임(110b)에 대한 상승 및 하강으로 조절될 수 있다.
또한, 상단 프레임(110a)의 하단 프레임(110b)에 대한 상승 및 하강시, 프레임(110) 내부의 다상유체의 누수를 방지하기 위해서, 상단 프레임(110a)과 하단 프레임(110b) 사이에서 다상유체를 수밀하는 제1 패킹(161)과, 유체 유출구(130)와, 유체 유출구(130)가 관통하는 상단 프레임(110a)의 상면 사이에서 다상유체를 수밀하는 제2 패킹(162)을 추가로 구성할 수 있다.
이하, 후술하는 표 1 내지 표 3을 참조하여, 본 발명에 의한 대칭 유동을 이용한 다상유체 분리장치(이하, 선회류 분리장치(vortex separator))를 구현하기 위한 다상 유체의 유체 및 입자의 분리성능(분리효율)을 분석하기 위한 전산 해석을 통해 실험 결과를 상술하고자 한다.
선회류 분리장치는 입자상 유동을 분리하여 상부 유출구(유체 유출구)로 유체를 하부 유출구(입자 유출구)로 입자를 방출하는데, 유입된 다상 유체 중 유체가 상부로 유출되는 비율을 분리효율로 정의하고 결과를 비교하면 다음과 같다.
표 1을 참조하면, 입자상 체적비 10%와 입자 직경 2mm에 대하여 각 구조 별로 해석을 수행한 결과, 입자 분리효율은 모두 100%로 우수한 분리효율을 나타내며 유체 분리효율은 기본 구조가 가장 낮았다. 또한 그 다음으로 콘 구조(콘 형상의 분리판), 접시 구조(접시 형상의 분리판) 순으로 높았다. 이는 콘 구조와 접시 구조가 입자의 재비산을 막아주는 역할을 할 뿐만 아니라 유체 영역과 입자 영역을 분리하여 유체가 쉽게 상부 유출구로 빠져나가게 해주는 것을 알 수 있다.
각 구조에 따른 분리효율 비교(입자상 체적비 : 10%, 입자 직경 2mm)
입자 분리효율(%) 유체 분리효율(%)
기본 구조 100 48
접시 구조 100 63
콘 구조 100 57
표 2는 입자 직경 변화에 따른 비교 결과를 나타내는데, 입자상 체적비 10%에 대하여 입자 직경이 각각 0.01, 0.02, 0.2, 및 2mm 일 경우 해석을 수행한 결과를 나타낸다.
모두 입자 직경이 증가할수록 입자 분리효율과 유체 분리효율이 증가하며, 입자 분리효율은 콘 구조가 상대적으로 높고 유체 분리효율은 접시 구조가 상대적으로 높다.
입자 직경에 따른 접시 및 콘 구조의 분리효율(입자상 체적비 : 10%)
접시 구조 콘 구조
입자 직경(mm) 입자(%) 유체(%) 입자(%) 유체(%)
0.01 41 59 67 32
0.02 41 59 68 32
0.2 72 65 76 44
2 100 63 100 57
또한, 입자 직경이 2mm 일 경우에는 모두 100%로 높은 분리효율을 나타내지만 입자 직경이 작아질수록 접시 구조와 콘 구조의 차이가 뚜렷이 나타나며 콘 구조가 우수하다. 이를 통하여 높은 입자 분리효율이 요구될 때는 콘 구조를 이용하는 것이 더 유리할 수 있다.
또한, 접시 구조는 입자 직경에 비교적 영향을 받지 않고 우수한 유체 분리효율을 내고 있으며, 그에 비하여 콘 구조는 비교적 변동이 크다. 접시 구조와 콘 구조 모두 체적비가 증가할수록 분리효율이 낮아지는 경향이 있으며 이는 체적비가 클수록 유체의 흐름 특성이 입자상과 함께 움직이려는 성향 때문일 수 있다. 따라서, 유체의 분리 효율을 높이고자 하는 경우 접시 구조가 보다 적합할 수 있다.
표 3은 접시 구조에 입자가 쌓이는 것을 방지하고자 접시 구조 가운데 원형의 구멍을 내어 기본 형태와 비교한 결과를 나타낸다. 즉, 구멍의 크기가 커질수록 입자의 분리효율은 증가한다.
밸브 개방율에 따른 분리 효율
입자상 체적비(%) 입자 직경(mm) 밸브 개방율(%) 입자(%) 유체(%)

1
0.2
 0 8 65
25 93 55
56 94 49
100 95 44
표 1 내지 표 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 결과적으로, 입자 분리효율은 접시 구조가 보다 유리하며, 유체 분리효율은 콘 구조가 보다 유리할 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
110 : 프레임 110a,110b : 상단, 하단 프레임
120(120a 내지 120d) : 유입구
130 : 유체 유출구 140 : 입자 유출구
150 : 분리판 150a : 접시 형상의 분리판
150b : 콘 형상의 분리판 161 : 제1 패킹
162 : 제2 패킹

Claims (9)

  1. 원통 형상의 프레임;
    외부로부터 다상유체가 유입되며, 상기 프레임의 상호 대칭적인 측면 위치에 적어도 두 방향 이상으로의 접선방향으로 연결되어 형성되는 유입구;
    상기 프레임의 내측으로부터 상면을 관통하여 형성되고, 상기 유입구를 통해서 유입되어 상기 프레임 내측에서 나선형 회전유동하는 다상유체 중 원심력 및 중력에 의해 유체가 분리되어 유출되는 유체 유출구;
    상기 프레임의 하측에 형성되고, 상기 유입구를 통해서 유입되어 상기 프레임 내측에서 나선형 회전유동하는 다상유체 중 원심력 및 중력에 의해 입자가 분리되어 유출되는 입자 유출구; 및
    상기 유체 유출구와 상기 입자 유출구 사이에 형성되고, 상기 유체 및 입자의 분리효율성을 향상시키는 분리판을 포함하며,
    상기 프레임은 상단 프레임과 하단 프레임으로 분리되어 상호 이격 거리가 조절되도록 구성되며,
    상기 상단 프레임에 상기 유입구가 결합 형성되며,
    상기 하단 프레임에 상기 입자 유출구, 상기 유체 유출구, 및 상기 분리판이 결합 형성되고,
    상기 유입구로 유입되는 다상유체의 유속을 측정하여 상기 프레임 내부의 유량을 산출하는 센서와, 상기 센서에 의해 산출된 유량에 따라 상기 상단 프레임과 상기 하단 프레임의 이격 거리를 제어하는 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 분리판은 상기 유체 유출구 하단에 소정 크기의 콘 형상로 결합되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치.
  4. 제1항에서,
    상기 분리판은 상기 유체 유출구 및 상기 입자 유출구로부터 각각 이격되어 접시 형상로 형성되는 것을 특징으로 하는, 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치.
  5. 제4항에서,
    상기 접시 형상의 분리판의 중앙에는 상기 입자가 관통하는 소정 크기의 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는, 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에서,
    상기 상단 프레임과 상기 하단 프레임 사이에서 상기 다상유체를 수밀하는 제1 패킹과,
    상기 유체 유출구와, 상기 유체 유출구가 관통하는 상기 상단 프레임의 상면 사이에서 상기 다상유체를 수밀하는 제2 패킹을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치.
  8. 제1항에서,
    상기 입자 유출구의 개방율을 조절하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치.
  9. 제1항에서,
    상기 유입구는, 상기 프레임의 상호 대칭적인 측면 위치에 네 방향의 접선방향으로 연결되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 대칭유동을 이용한 다상유체 분리장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP5206381B2 (ja) * 2008-12-09 2013-06-12 パナソニック株式会社 集塵装置

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