KR102385108B1 - 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법 - Google Patents

능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다상물질 분리장치에 있어서, 다상물질이 유입되는 유입단을 갖는 유입부; 상부가 상기 유입부과 연결되며, 내부에 상기 다상물질에 와류를 발생시키는 능동형 와류발생기를 갖는 와류발생관; 상부가 상기 와류발생관과 연결되며, 상기 능동형 와류발생기에 의해 와류가 발생된 상기 다상물질이 유입되는 사이클론 본체; 상기 사이클론 본체 하부와 연결되며, 와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 분리배출되는 배출부; 상기 사이클론 본체 내부에 구비되어, 상기 다상물질에서 상기 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 토출되는 분리토출유닛; 및 상기 분리토출유닛에 의해 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하는 감지기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치에 관한 것이다.

Description

능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법{An active uniflow separator for multi-phase matters}
본 발명은 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 기체, 액체, 고체가 두 가지 이상의 상으로 혼합되어 있는 다상유체에서 각 상들을 효과적으로 분리할 수 있는 장치에 관한 것이다.
종래에는 물질 분리장치로 유체역학 방식의 사이클론 집진기술, 전기식 및 정전분무 집진기술, 여과지를 이용하는 필터식 집진기술이 사용되었다. 종래의 전기식 및 여과식 물질 분리 기술은 유체가 고온고압이거나 유체의 오염이 심한 경우, 부식성/독성/급격한 반응성 등이 있는 유체에는 사용이 어려운 한계가 존재한다.
사이클론은 원심력을 이용하여 기체-고체 혼합물 중에서 고체입자를 분리할 수 있는 장치로서 다른 집진장치에 비해 적은 비용으로 효과적인 집진이 가능하고 설치가 쉬워 널리 사용되고 있다. 사이클론에서 유입되는 기체-고체 혼합물을 분리할 수 있는 가장 주된 기동력(driving force)은 사이클론 유입구를 통해 접선(tangential) 방향으로 유입되는 기체-고체 혼합물의 원심력과 중력이며, 사이클론으로 주입되는 기체-고체 혼합물의 속도, 사이클론 내통경(inside diameter), 사이클론의 길이, 보텍스 파인더(vortex finder)의 형상(직경, 높이) 등에 의해 집진(포집) 효율이 달라진다.
유체역학방식의 경우 고온고압 및 다상 유체의 물리화학적 상태(점도, 표면장력, 밀도, 형상 및 크기, 반응성 등)에 관계없이 사용이 가능하나 형상이 고정된 관계로 포집최적화 조절이 어려운 한계가 존재한다.
대한민국 공개특허 10-2019-0123827 대한민국 등록특허 10-1845044 대한민국 등록특허 10-1672637 대한민국 공개특허 10-2015-0106580
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 단일흐름 집진기 원리를 응용하여 유량 조절이 가능한 송풍기능을 적용함으로써 보다 경박단소하고 다양한 유체 상황에 능동적으로 대응할 수 있는 다상 물질 분리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공기역학적인 다상 물질 분리기능과 유체와 함께 흐르는 입자 또는 유체의 특성을 감지함으로써 물질 분리장치의 성능을 제어할 수 있는, 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 유체의 체류시간과 차압을 조절하고 유체가 포함하고 있는 이상(discrete-phase) 물질의 상태 및 특성을 감지하여 유속을 제어함으로써 능동적(active)이고 효율적인 물질 분리를 실현하여 기존 유체역학적 입자분리장치인 역류형(Lapple-type) 사이클론과 단일흐름(uniflow) 사이클론 집진기의 수동적(passive) 기능의 한계점을 개선할 수 있는 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 경박단소하고 능동적인 단일흐름 다상 물질 분리장치로써 여러 상의 물질이 혼합된 유체의 특성을 감지할 수 있는 장치로써 1) 유량변화 및 혼합유체의 특성에 따른 분리성능을 제어할 수 있고, 2) 유량제어기능을 분리장치에 합침으로써 독립적인 물질분리 기능을 수행할 수 있으며, 이를 통해 연소설비(보일러, 소각로 등) 집진장치, 열설비 기수분리장치, 하천 및 바다에서의 부유물질(미세플라스틱 등) 제거장치 등으로 기존 집진기 또는 물질 분리장치의 적용범위를 넓힐 수 있는 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 다상물질 분리장치에 있어서, 다상물질이 유입되는 유입단을 갖는 유입부; 상부가 상기 유입부과 연결되며, 내부에 상기 다상물질에 와류를 발생시키는 능동형 와류발생기를 갖는 와류발생관; 상부가 상기 와류발생관과 연결되며, 상기 능동형 와류발생기에 의해 와류가 발생된 상기 다상물질이 유입되는 사이클론 본체; 상기 사이클론 본체 하부와 연결되며, 와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 분리배출되는 배출부; 상기 사이클론 본체 내부에 구비되어, 상기 다상물질에서 상기 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 토출되는 분리토출유닛; 및 상기 분리토출유닛에 의해 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하는 감지기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제1목적에 있어서, 분리토출유닛은, 상기 사이클론 본체 내부 중앙에 위치되어 상기 제2분리물질이 유입되는 유입관과, 상기 유입관과 절곡 연결되어 상기 사이클론 본체 외부로 돌출되어 상기 제2분리물질이 토출되는 토출관을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제1목적에 있어서, 상기 유입부와, 상기 와류발생관과, 상기 사이클론 본체와, 상기 유입관과, 상기 배출부는 동축상에 위치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제1목적에 있어서, 상기 와류발생관과, 상기 사이클론 본체와, 상기 유입관과, 상기 배출부는 동축상에 위치되고, 상기 다상물질은 상기 유입부를 통해 상기 와류발생관의 법선방향으로 유입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 다상물질 분리장치에 있어서, 다상물질이 수평방향으로 유입되는 유입단을 갖는 유입부; 일측면이 상기 유입부과 연결되며, 내부에 상기 다상물질에 와류를 발생시키는 능동형 와류발생기를 갖는 와류발생관; 일측면이 상기 와류발생관과 연결되며, 상기 능동형 와류발생기에 의해 와류가 발생된 상기 다상물질이 측면으로 유입되는 사이클론 본체; 상기 사이클론 본체 하부와 연결되며, 와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 분리배출되는 배출부; 상기 사이클론 본체 내부 중앙에 상기 사이클론 본체 길이방향을 따라 구비되어, 상기 다상물질에서 상기 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 토출되는 분리토출유닛; 및 상기 분리토출유닛에 의해 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하는 감지기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제2목적에 있어서, 상기 분리토출유닛은 직선관 형태를 가지고, 상기 유입부와, 상기 와류발생관과, 상기 사이클론 본체와, 상기 분리토출유닛은 수평방향 동축에 위치되며, 상기 배출부에 의한 제1분리물질의 배출방향은 중력방향인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 제2목적에 있어서, 분리토출유닛은 직선관 형태를 가지고, 상기 와류발생관과, 상기 사이클론 본체와, 상기 분리토출유닛은 수평방향 동축에 위치되며, 상기 다상물질은 상기 유입부를 통해 상기 와류발생관의 법선방향으로 유입되고, 상기 배출부에 의한 제1분리물질의 배출방향은 중력방향인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제1, 제2목적에 있어서, 상기 능동형 와류발생기는, 회전깃, 상기 회전깃을 회전시키는 구동부를 포함하고, 상기 감지기에서 측정된 상기 제2분리물질의 상태에 기반하여, 상기 구동부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 본 발명의 제1, 제2목적에 있어서, 감지기는 제2분리물질의 이상(discrete-phase)물질 상태, 입자크기, 입자의 상태, 및 상기 유입단과의 차압 중 적어도 어느 하나를 감지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 제1, 제2목적에 있어서, 제어부는 상기 감지기에서의 측정값을 기반으로 상기 구동부를 제어하여, 유속과 차압을 조절하여 분리성능을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 본 발명의 제1, 제2목적에 있어서, 제어부는 상기 감지기에서의 측정값을 기반으로 상기 다상물질이 반응물질인 경우, 상기 구동부를 제어하여, 반응시간과 체류시간을 조절하여 분리성능을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 다상물질 분리방법에 있어서, 능동형 와류발생기가 구동되는 단계; 유입단를 통해 다상물질이 유입부로 유입되는 단계; 상기 유입부과 연결된 와류발생관 내부에 구비된 능동형 와류발생기에 의해 상기 다상물질에 와류가 발생되는 단계; 상기 와류발생관과 연결된 사이클론 본체로, 상기 능동형 와류발생기에 의해 와류가 발생된 상기 다상물질이 유입되는 단계; 와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 사이클론 본체의 배출부를 통해 분리배출되는 배출부; 다상물질에서 상기 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 상기 사이클론 본체 내부에 구비된 분리토출유닛을 통해 토출되는단계; 분리토출유닛에 구비된 감지기가 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하는 단계; 및 제어부가 상기 감지기에서 측정된 상기 제2분리물질의 상태에 기반하여, 상기 능동형와류발생기를 제어하여, 유속을 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 감지하는 단계에서, 감지기는 제2분리물질의 이상(discrete-phase)물질 상태, 입자크기, 입자의 상태, 및 상기 유입단과의 차압 중 적어도 어느 하나를 감지하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 조절하는 단계에서, 상기 제어부는 상기 감지기에서의 측정값을 기반으로 상기 구동부를 제어하여, 유속과 차압을 조절하여 분리성능을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 조절하는 단계에서, 제어부는 상기 감지기에서의 측정값을 기반으로 상기 다상물질이 반응물질인 경우, 상기 구동부를 제어하여, 반응시간과 체류시간을 조절하여 분리성능을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 따르면, 종래의 단일흐름 집진기 원리를 응용하여 유량 조절이 가능한 송풍기능을 적용함으로써 보다 경박단소하고 다양한 유체 상황에 능동적으로 대응할 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 따르면, 공기역학적인 다상 물질 분리기능과 유체와 함께 흐르는 입자 또는 유체의 특성을 감지함으로써 물질 분리장치의 성능을 제어할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 따르면, 유체의 체류시간과 차압을 조절하고 유체가 포함하고 있는 이상(discrete-phase) 물질의 상태 및 특성을 감지하여 유속을 제어함으로써 능동적(active)이고 효율적인 물질 분리를 실현하여 기존 유체역학적 입자분리장치인 역류형(Lapple-type) 사이클론과 단일흐름(uniflow) 사이클론 집진기의 수동적(passive) 기능의 한계점을 개선할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 따르면, 경박단소하고 능동적인 단일흐름 다상 물질 분리장치로써 여러 상의 물질이 혼합된 유체의 특성을 감지할 수 있는 장치로써 1) 유량변화 및 혼합유체의 특성에 따른 분리성능을 제어할 수 있고, 2) 유량제어기능을 분리장치에 합침으로써 독립적인 물질분리 기능을 수행할 수 있으며, 이를 통해 연소설비(보일러, 소각로 등) 집진장치, 열설비 기수분리장치, 하천 및 바다에서의 부유물질(미세플라스틱 등) 제거장치 등으로 기존 집진기 또는 물질 분리장치의 적용범위를 넓힐 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치의 구성도,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치의 구성도,
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치의 구성도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치의 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치를 이용한 분리방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저 도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)의 구성도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)는, 전체적으로 유입부(20)와, 와류발생관(30), 사이클론 본체(10), 배출부(50), 분리토출유닛(60), 감지기(70) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
유입부(20)는 다상물질이 유입되는 유입단을 가지도록 구성되어 다상물질이 상부에서 중력방향으로 하부측으로 유입되도록 구성된다. 와류발생관(30)은 상부가 유입부(20)과 연결되며, 내부에 다상물질에 와류를 발생시키는 능동형 와류발생기(40)를 갖도록 구성된다. 이러한 능동형 와류발생기(40)는, 회전깃, 및 회전깃을 회전축 기준으로 회전시키는 구동부를 포함하여 구성된다. 회전깃의 형태는 유입되는 다상물질이 원심력을 갖도록 와류를 발생시킬 수 있는 형태라면 그 구체적인 형상, 재질 등은 제한되지 않는다.
사이클론 본체(10)는 상부가 유입부(20)와 연결되며, 능동형 와류발생기(40)에 의해 와류가 발생된 다상물질이 유입되도록 구성된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 직선부를 갖는 몸체와, 점진적으로 하부측으로 직경이 증가되는 상단부와, 하부측으로 직경이 감소되는 하단부를 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
그리고 사이클론 본체(10) 하부와 배출부(50)가 연결되고, 와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 분리배출되게 된다. 즉 다상물질인 유체는 관손실이 적은 최소한의 경로로 이동하면서 원심력에 의해 분리되어 중력방향으로 제1분리물질이 배출되게 된다.
또한, 사이클론 본체(10) 내부에 분리토출유닛(60)이 구비되어, 다상물질에서 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 토출되도록 구성된다.
본 발명의 제1실시예에서 분리토출유닛(60)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 사이클론 본체(10) 내부 중앙에 위치되어 제2분리물질이 유입되는 유입관(61)과, 이러한 유입관(61)과 절곡 연결되어 사이클론 본체(10) 외부로 돌출되어 제2분리물질이 토출되는 토출관(62)을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
또한, 토출관(62) 일측에 감지기(70)가 구비되어, 분리토출유닛(60)에 의해 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하게 된다.
그리고 제어부(80)는 감지기(70)에서 측정된 제2분리물질의 상태에 기반하여, 능동형 와류발생기(40)의 구동부를 제어하게 된다. 즉, 감지기(70)는 제2분리물질의 이상(discrete-phase)물질 상태(고상, 액상, 또는 기상), 이상 물질의 혼합정도, 물질의 입자크기, 입자의 상태, 및 유입단과의 차압 등을 감지하게 된다.
그리고 제어부(80)는 감지기(70)에서의 측정값을 기반으로 구동부를 제어하여, 유속과 차압을 조절하여 분리성능을 제어할 수 있다. 따라서
또한, 제어부(80)는 감지기(70)에서의 측정값을 기반으로 다상물질이 반응물질인 경우, 회전깃의 회전속도를 제어하여, 반응시간과 체류시간을 조절하여 분리성능을 제어하게 된다.
즉, 감지기(70)를 통해 물질 분리 상태를 감지하여 능동형 와류발생기(40)의 회전깃의 회전을 제어함으로써, 분리장치(100)가 최적의 성능(물질 분리 및 압력손실 등)을 유지할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명의 제1실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 유입부(20)와, 와류발생관(30)과, 사이클론 본체(10)와, 유입관(61)과, 배출부(50)는 모두 동축상에 위치됨을 알 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)의 구성도를 도시한 것이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 제1실시예와 동일한 구성을 포함하나, 다상물질의 유입방향이 와류발생기(40)의 길이방향에 수직인 즉 법선방향으로 다상물질이 유입되도록 구성됨을 알 수 있다
즉, 본 발명의 제2실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 와류발생관(30)과, 사이클론 본체(10)와, 유입관(61)과, 배출부(50)는 동축상에 위치되고, 다상물질은 유입부(20)을 통해 와류발생관(30)의 법선방향으로 유입되도록 구성됨을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)의 구성도를 도시한 것이다. 도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)의 구성도를 도시한 것이다.
본 발명의 제3실시예와 제4실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 수평방향과 평행한 방향으로 사이클론 본체(10)로 유입되도록 구성되며, 사이클론 본체(10)의 길이방향 역시 수평방향의 형태를 가지고 있다.
즉, 본 발명의 제3실시예에서 유입부(20)는 다상물질이 수평방향으로 유입되는 유입단을 갖도록 구성된다. 그리고 와류발생관(30)의 일측면은 유입부(20)와 연결되며, 내부에 다상물질에 와류를 발생시키는 능동형 와류발생기(40)를 갖도록 구성된다.
또한, 사이클론 본체(10)의 일측면은 와류발생관(30)과 연결되며, 능동형 와류발생기(40)에 의해 와류가 발생된 다상물질이 수평방향으로 유입되게 된다.
그리고 배출부(50)는 사이클론 본체(10) 하부와 연결되며, 와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 분리배출되게 된다. 즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 배출부(50)의 길이방향은 수직방향이고, 사이클론 본체(10)의 길이방향은 수평방향임을 알 수 있다.
그리고 분리토출유닛(60)은 사이클론 본체(10) 내부 중앙에 사이클론 본체(10) 길이방향을 따라 구비되어, 다상물질에서 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 토출되도록 구성된다.
또한, 본 발명의 제 3 및 제 4실시예에 따른 분리토출유닛(60)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 길이방향이 수평방향인 직선관 형태를 가지게 됨을 알 수 있다.
그리고 본 발명의 제3실시예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 유입부(20)와, 와류발생관(30)과, 사이클론 본체(10)와, 분리토출유닛(60)은 모두 수평방향 동축에 위치되며, 배출부(50)에 의한 제1분리물질의 배출방향은 중력방향임을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 제4실시예 역시 분리토출유닛(60)은 길이 방향이 수평방향인 직선관 형태를 가지고, 와류발생관(30)과, 사이클론 본체(10)와, 분리토출유닛(60)은 수평방향 동축에 위치되며, 다상물질은 유입부(20)을 통해 와류발생관(30)의 법선방향으로 유입되도록 구성되고, 배출부(50)에 의한 제1분리물질의 배출방향은 중력방향임을 알 수 있다.
본 발명의 제3, 제4실시예에 따른 감지기(70) 역시, 제1, 제2실시예와 같이, 분리토출유닛(60)에 의해 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하도록 구성된다. 그리고 제어부(80)는 감지기(70)에서 측정된 상기 제2분리물질의 상태에 기반하여, 능동형 와류발생기(40)의 구동부를 제어하게 된다.
이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)를 이용한 분리방법에 대해 설명하도록 한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치(100)를 이용한 분리방법의 흐름도를 도시한 것이다.
먼저 능동형 와류발생기(40)가 구동되게 된다. 즉 구동부가 구동되어 회전깃이 회전축을 기준을 회전되게 된다(S1). 능동형 와류발생기(40)의 구동에 의해 다상물질이 유입부(20)로 유입되게 된다(S2).
그리고 유입부(20)과 연결된 와류발생관(30) 내부에 구비된 능동형 와류발생기(40)에 의해 다상물질에 와류가 발생되게 된다(S3). 다음으로 와류발생관(30)과 연결된 사이클론 본체(10)로, 능동형 와류발생기(40)에 의해 와류가 발생된 다상물질이 유입되게 된다(S4).
그리고 와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 사이클론 본체(10)의 배출부(50)를 통해 분리배출되고(S5), 또한, 다상물질에서 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 사이클론 본체(10) 내부에 구비된 분리토출유닛(60)을 통해 토출되게 된다(S6).
이러한 진행과정에서, 분리토출유닛(60)에 구비된 감지기(70)는 실시간으로 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하게 된다(S7). 즉 감지기(70)는 제2분리물질의 이상(discrete-phase)물질 상태, 입자크기, 입자의 상태, 및 상기 유입단과의 차압 중 적어도 어느 하나를 감지하게 된다.
그리고 제어부(80)는 감지기(70)에서 측정된 제2분리물질의 상태에 기반하여, 능동형와류발생기(40)를 제어하여, 유속을 조절하게 된다(S8).
즉, 제어부(80)는 감지기(70)에서의 측정값을 기반으로 능동형 와류발생기(40)의 회전깃의 회전속도를 제어하여, 유속과 차압을 조절하여 분리성능을 제어하게 된다.
또한, 제어부(80)는 감지기(70)에서의 측정값을 기반으로 다상물질이 반응물질인 경우, 상기 구동부를 제어하여, 반응시간과 체류시간을 조절하여 분리성능을 제어할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 종래의 단일흐름 집진기 원리를 응용하여 유량 조절이 가능한 송풍기능을 적용함으로써 보다 경박단소하고 다양한 유체 상황에 능동적으로 대응할 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 따르면, 공기역학적인 다상 물질 분리기능과 유체와 함께 흐르는 입자 또는 유체의 특성을 감지함으로써 물질 분리장치의 성능을 제어할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 따르면, 유체의 체류시간과 차압을 조절하고 유체가 포함하고 있는 이상(discrete-phase) 물질의 상태 및 특성을 감지하여 유속을 제어함으로써 능동적(active)이고 효율적인 물질 분리를 실현하여 기존 유체역학적 입자분리장치인 역류형(Lapple-type) 사이클론과 단일흐름(uniflow) 사이클론 집진기의 수동적(passive) 기능의 한계점을 개선할 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치 및 분리방법에 따르면, 경박단소하고 능동적인 단일흐름 다상 물질 분리장치로써 여러 상의 물질이 혼합된 유체의 특성을 감지할 수 있는 장치로써 1) 유량변화 및 혼합유체의 특성에 따른 분리성능을 제어할 수 있고, 2) 유량제어기능을 분리장치에 합침으로써 독립적인 물질분리 기능을 수행할 수 있으며, 이를 통해 연소설비(보일러, 소각로 등) 집진장치, 열설비 기수분리장치, 하천 및 바다에서의 부유물질(미세플라스틱 등) 제거장치 등으로 기존 집진기 또는 물질 분리장치의 적용범위를 넓힐 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10:사이클론 본체
20:유입부
30:와류발생관
40:능동형 와류발생기
50:배출부
60:분리토출유닛
61:유입관
62:토출관
70:감지기
80:제어부
100:능동형 단일흐름 다상물질 분리장치

Claims (15)

  1. 다상물질 분리장치에 있어서,
    다상물질이 수평방향으로 유입되는 유입단을 갖는 유입부;
    일측면이 상기 유입부과 연결되며, 내부에 상기 다상물질에 와류를 발생시키는 능동형 와류발생기를 갖는 와류발생관;
    일측면이 상기 와류발생관과 연결되며, 상기 능동형 와류발생기에 의해 와류가 발생된 상기 다상물질이 측면으로 유입되는 사이클론 본체;
    상기 사이클론 본체 하부와 연결되며, 와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 분리배출되는 배출부;
    상기 사이클론 본체 내부 중앙에 상기 사이클론 본체 길이방향을 따라 구비되어, 상기 다상물질에서 상기 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 토출되는 분리토출유닛; 및
    상기 분리토출유닛에 의해 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하는 감지기;를 포함하고,
    상기 분리토출유닛은 직선관 형태를 가지고, 상기 유입부와, 상기 와류발생관과, 상기 사이클론 본체와, 상기 분리토출유닛은 수평방향 동축에 위치되며, 상기 배출부에 의한 제1분리물질의 배출방향은 중력방향이고,
    상기 능동형 와류발생기는, 회전깃, 상기 회전깃을 회전시키는 구동부를 포함하고, 상기 감지기에서 측정된 상기 제2분리물질의 상태에 기반하여, 상기 구동부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 감지기는 제2분리물질의 이상(discrete-phase)물질 상태, 입자크기, 입자의 상태, 및 상기 유입단과의 차압을 감지하고,
    상기 제어부는 상기 감지기에서의 측정값을 기반으로 상기 구동부를 제어하여, 유속과 차압을 조절하여 분리성능을 제어하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 분리토출유닛은 직선관 형태를 가지고,
    상기 와류발생관과, 상기 사이클론 본체와, 상기 분리토출유닛은 수평방향 동축에 위치되며, 상기 다상물질은 상기 유입부를 통해 상기 와류발생관의 법선방향으로 유입되고, 상기 배출부에 의한 제1분리물질의 배출방향은 중력방향인 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 감지기에서의 측정값을 기반으로 상기 다상물질이 반응물질인 경우, 상기 구동부를 제어하여, 반응시간과 체류시간을 조절하여 분리성능을 제어하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치.
  7. 제 1항에 따른 능동형 단일흐름 다상물질 분리장치를 이용한, 다상물질 분리방법에 있어서,
    능동형 와류발생기가 구동되는 단계;
    유입단를 통해 다상물질이 유입부로 유입되는 단계;
    상기 유입부과 연결된 와류발생관 내부에 구비된 능동형 와류발생기에 의해 상기 다상물질에 와류가 발생되는 단계;
    상기 와류발생관과 연결된 사이클론 본체로, 상기 능동형 와류발생기에 의해 와류가 발생된 상기 다상물질이 유입되는 단계;
    와류에 의한 원심력에 의해 분리된 제1분리물질이 중력에 의해 사이클론 본체의 배출부를 통해 분리배출되는 배출부;
    상기 다상물질에서 상기 제1분리물질이 분리된 제2분리물질이 상기 사이클론 본체 내부에 구비된 분리토출유닛을 통해 토출되는단계; 및
    상기 분리토출유닛에 구비된 감지기가 토출되는 제2분리물질의 상태를 감지하는 단계; 및
    제어부가 상기 감지기에서 측정된 상기 제2분리물질의 상태에 기반하여, 상기 능동형와류발생기를 제어하여, 유속을 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 감지하는 단계에서,
    상기 감지기는 제2분리물질의 이상(discrete-phase)물질 상태, 입자크기, 입자의 상태, 및 상기 유입단과의 차압 중 적어도 어느 하나를 감지하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    능동형 와류발생기는, 회전깃, 상기 회전깃을 회전시키는 구동부를 포함하고,
    상기 조절하는 단계에서,
    상기 제어부는 상기 감지기에서의 측정값을 기반으로 상기 구동부를 제어하여, 유속과 차압을 조절하여 분리성능을 제어하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 조절하는 단계에서,
    상기 제어부는 상기 감지기에서의 측정값을 기반으로 상기 다상물질이 반응물질인 경우, 상기 구동부를 제어하여, 반응시간과 체류시간을 조절하여 분리성능을 제어하는 것을 특징으로 하는 능동형 단일흐름 다상물질 분리방법.
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  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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