KR102583441B1 - 축류식 사이클론 장치 - Google Patents

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
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Abstract

본 발명의 일 실시예는 상하의 축 방향으로 유입되는 유체로부터 입자를 분리하는 축류식 사이클론 장치로서, 상하 방향으로 중공이 형성되어 있는 케이싱; 상하 방향으로 중공이 형성되어 있으며, 적어도 일부가 상기 케이싱 내측에 배치되는 볼텍스 파인더; 및 상기 볼텍스 파인더의 외주면 측에 수평 방향에 대해 경사지게 연장되어 제공되는 복수의 가이드 베인;을 포함하며, 상기 가이드 베인은, 하면의 두께가 상면의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다.

Description

축류식 사이클론 장치{AXIAL FLOW CYCLONE APPARATUS}
본 발명은 축류식 사이클론 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 회전 유속을 향상시키기 위한 형상의 가이드 베인을 포함하는 축류식 사이클론 장치에 관한 것이다.
사이클론 장치는 유체에 회전 흐름을 형성하여 발생되는 원심력을 이용한 분리 장치 중 하나로서, 기상 또는 액상의 유체로부터 고체 입자를 분리시키는데 사용된다.
사이클론 장치는 유체의 유입 방향에 따라 접선 유입식 사이클론(vertical flow cyclone)과 축류식 사이클론(axial flow cyclone)으로 구분될 수 있다.
축류식 사이클론은 선회류, 즉 나선 유동의 형성을 위한 고정식 가이드 베인을 구비하는데, 유량 분배를 균일하게 유도할 수 있어 다중 사이클론(Multi-Cyclone) 장치를 구성하는데 주로 이용된다.
한편, 축류식 사이클론을 이용한 입자 분리 효율은 유체의 회전 유속과 연관이 되어 있는데, 이러한 유체의 회전 유속은 축류식 사이클론의 고정식 가이드 베인의 형상과 높은 상관 관계가 있다.
이에 따라 입자 분리 효율성 측면에서 유체의 회전 유속을 향상시킬 수 있는 고정식 나선 날개의 최적 설계가 요구되고 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 유체의 회전 유속을 향상시키기 위한 형상의 가이드 베인을 포함하는 축류식 사이클론 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예는 상하의 축 방향으로 유입되는 유체로부터 입자를 분리하는 축류식 사이클론 장치로서, 상하 방향으로 중공이 형성되어 있는 케이싱; 상하 방향으로 중공이 형성되어 있으며, 적어도 일부가 상기 케이싱 내측에 배치되는 볼텍스 파인더; 및 상기 볼텍스 파인더의 외주면 측에 수평 방향에 대해 경사지게 연장되어 제공되는 복수의 가이드 베인;을 포함하며, 상기 가이드 베인은, 하면의 두께가 상면의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가이드 베인은 상기 하면의 두께가 상기 상면의 두께보다 1.5 배 이상 3.5배 미만인 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 상기 가이드 베인의 수평 방향에 대한 경사 각도는 60 °내지 70 °인 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 상기 가이드 베인의 상면과 하면 사이의 상하 방향 최단 거리는 상기 케이싱의 내경의 0.2 배 내지 0.3 배인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체의 회전 유속을 향상시킬 수 있는 최적 형상의 가이드 베인을 제공하여 유체 내 입자의 분리 효율을 용이하게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축류식 사이클론 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 축류식 사이클론 장치의 단위 축류식 사이클론부의 실시예를 개략적으로 나타내고, CFD를 통해 유체의 회전 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른 단위 축류식 사이클론부(비교예)를 개략적으로 나타내고, CFD를 통해 유체의 회전 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 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 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 축류식 사이클론 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 축류식 사이클론 장치(100)는 상하의 축 방향(도 1 기준 y축 방향)으로 유입되는 유체로부터 입자를 분리하는 장치로서, 케이싱(110), 볼텍스 파인더(120) 및 가이드 베인(130)을 포함할 수 있다.
여기서, 유체는 액상 또는 기상의 유체일 수 있는데, 본 실시예에서는 기상의 유체(Gas)로 가정하며, 입자는 고체 입자(Solid)로 가정하기로 한다.
케이싱(110), 볼텍스 파인더(120) 및 가이드 베인(130)은 하나의 그룹을 형성하여 단위 축류식 사이클론부(100a, 100b, 100c)로 구분될 수 있다.
케이싱(110)은 상하 방향으로 중공이 형성되어 있어 중공 둘레의 외벽을 형성할 수 있다. 후술하게 될 볼텍스 파인더(120)와 케이싱(110) 사이에서는 유체 및 입자의 선회 흐름(선회류)이 형성된다.
유체보다 무거운 입자는 선회류 내에서 유체보다 큰 회전 반경을 그리면서 회전하게 된다. 입자는 케이싱(110)에 의해 정의되는 영역 내에서 회전하므로, 입자의 최대 회전 반경은 케이싱(110)의 내측 반경에 의해 정의될 수 있다.
케이싱(110)의 하부는 아래로 갈수록 좁아지도록 경사진 형상을 가질 수 있다. 케이싱(110)의 하부가 아래로 갈수록 좁아지는 형상을 갖는 것은 유체로부터 분리된 입자의 낙하를 유도하고 입자가 유체를 따라 볼텍스 파인더(120)로 배출되는 것을 막기 위함이다.
케이싱(110)의 상부는 볼텍스 파인더(120)의 적어도 일부를 수용하도록 형성될 수 있다. 케이싱(110)의 상부는 일정한 내경을 갖도록 형성될 수 있다. 케이싱(110)의 상부와 하부는 내경이 좁아지는 위치를 기준으로 구분될 수 있다.
케이싱(110)의 하단에는 입자 배출구(110a)가 형성될 수 있다. 유체로부터 분리된 입자는 입자 배출구(110a)를 통해 단위 축류식 사이클론부(100a, 100b, 100c)로부터 배출될 수 있다.
단위 축류식 사이클론부(100a, 100b, 100c)의 케이싱들(110)은 외부 케이스(150) 내측에 구비될 수 있다.
외부 케이스(150)의 하단에는 입자 배출구(150a)가 형성될 수 있으며, 각 단위 축류식 사이클론부(100a, 100b, 100c)로부터 배출된 입자는 입자 배출구(150a)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
볼텍스 파인더(120)는 입자와 분리된 유체를 배출시키도록 제공된다. 볼텍스 파인더(120)는 상하 방향으로 중공이 형성되어 있어 중공 둘레의 외벽을 형성할 수 있다. 볼텍스 파인더(120)의 적어도 일부는 케이싱(110) 내측에 배치될 수 있다.
볼텍스 파인더(120)의 하부는 아래로 갈수록 좁아지도록 경사진 형상을 가질 수 있다. 볼텍스 파인더(120)의 하부가 아래로 갈수록 좁아지는 형상을 갖는 것은 입자가 유체를 따라 볼텍스 파인더(120)로 배출되는 것을 막기 위함이다.
볼텍스 파인더(120)의 상부는 일정한 내경을 갖도록 형성될 수 있다. 볼텍스 파인더(120)의 상부와 하부는 내경이 좁아지는 위치를 기준으로 구분될 수 있다.
가이드 베인(130)은 볼텍스 파인더(120)의 외주면 측에 수평 방향(도 1 기준 x 축 방향)에 대해 경사지게 연장된 형태로 제공될 수 있다. 가이드 베인(130)은 볼텍스 파인더(120)의 원주 방향을 따라 복수 개 나열되어 제공될 수 있다.
가이드 베인(130)이 외주면 측에 수평 방향에 대해 경사지게 연장됨에 따라 단위 축류식 사이클론부(100a, 100b, 100c)의 유입구로 유입된 유체와 입자는 선회 흐름을 형성할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 축류식 사이클론 장치(100)의 단위 축류식 사이클론부(100a, 100b, 100c)의 실시예를 개략적으로 나타내고, CFD를 통해 유체의 회전 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
실시예의 형상 조건
볼텍스 파인더(120)의 상부 내경(Φ1) : 300 mm
볼텍스 파인더(120)의 하단부 내경(Φ2) : 200 mm
케이싱(110)의 상부 내경(Φ3) : 500 mm
케이싱(110)의 하단부 내경(Φ4) : 187.5 mm
케이싱(110)의 상단부와 가이드 베인(130)의 상면 사이의 간격(h1) : 100 mm
가이드 베인(130)의 상면과 하면 사이의 최단 거리(h2) : 100 mm
케이싱(110)의 상단부와 볼텍스 파인더(120)의 내경이 감소하기 시작하는 위치 사이의 거리(h3) : 300 mm
케이싱(110)의 상단부와 볼텐스 파인더(120)의 하단부 사이의 거리(h4) : 675 mm
케이싱(110)의 상단부와 케이싱(110)의 내경이 감소하기 시작하는 위치 사이의 거리(h5) : 1050 mm
케이싱(110)의 내경이 감소하기 시작하는 위치와 케이싱(110)의 하단부 사이의 거리(h6) : 1250 mm
가이드 베인(130)의 상면의 두께(d1) : 10 mm
가이드 베인(130)의 하면의 두께(d2) : 30 mm
가이드 베인(130)의 수평 방향에 대한 경사 각도(θ, 수평 방향에 대한 가이드 베인(130)의 상면의 중앙과 하면의 중앙을 연결하는 라인의 경사 각도) : 70 °
가이드 베인(130)의 수량 : 12 개
실시예의 유체 유동 조건
케이싱(110)의 상단부를 통해 유입되는 기체의 유량은 2.312715 kg/s 및 기체의 유속은 19.793268 m/s 로 가정하였다.
도 3은 종래기술에 따른 단위 축류식 사이클론부(비교예)를 개략적으로 나타내고, CFD를 통해 유체의 회전 유속 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면이다.
비교예의 형상 조건
가이드 베인(13)의 상면의 두께(d1')와 하면의 두께(d2')를 모두 10 mm로 동일하게 설정한 것 외의 형상 조건은 모두 실시예 형상 조건과 동일하게 가정하였다.
비교예의 유체 유동 조건
케이싱(11)의 상단부를 통해 유입되는 기체의 유량은 2.312715 kg/s 및 기체의 유속은 19.793268 m/s 로 가정하였다.
가이드 베인의 하부에서의 유체의 유속 분포를 살펴보면, 확연히 종래기술에 따른 단위 축류식 사이클론부(10)보다 본 발명의 실시예에 따른 단위 축류식 사이클론부(100a, 100b, 100c)에서의 유체의 유속이 더 크게 나타나는 것으로 확인된다.
이를 바탕으로, 가이드 베인(130)은 하면의 두께(d2)가 상면의 두께(d1)보다 더 두껍게 형성되는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.
다음의 표에는 비교예 및 여러가지 실시예에 따른 단위 축류식 사이클론부의 설정 및 CFD를 이용한 시뮬레이션 해석 결과를 나타내었다.
비교예 및 실시예에서의 가이드 베인의 상면의 두께는 10 mm로 모두 동일하게 설정하고, 나머지 형상 조건 및 유동 조건은 전술한 바와 동일하다.
단면 1의 위치는 가이드 베인의 하면과 대응되는 위치이고, 단면 2의 위치는 단면 1로부터 하방으로 50 mm 이격된 위치이며, 단면 3의 위치는 단면 2로부터 하방으로 50 mm 이격된 위치이다.
비교예와 실시예 1 내지 7을 비교해보면, 가이드 베인의 상면 두께보다 하면 두께가 더 두꺼우면, 유체의 최대 회전 유속 및 평균 회전 유속 모두 증가하는 것으로 확인되었다.
한편, 볼텍스 파인더의 상단부 내경에서의 압력과 케이싱의 상단부 내경에서의 압력 차이인 차압은 비교예보다 실시예 1 내지 7에서 모두 증가하였으나, 가이드 베인의 상면 두께 대비 하면의 두께의 두께 비율이 1.5 배 수준에서 3배 수준까지는 차압이 점점 감소하는 경향을 띄다가 3.5배부터는 급격히 증가하는 것이 확인되었다.
이를 바탕으로, 가이드 베인(130)은 하면의 두께(d2)가 상면의 두께(d1)보다 1.5 배 이상 3.5 배 미만인 것이 바람직하며, 하면의 두께(d2)가 상면의 두께(d1)보다 3배 이상 3.4배 이하인 것이 더욱 바람직할 수 있다.
한편, 가이드 베인(130)의 수평 방향에 대한 경사 각도(θ)는 55 °내지 75 °, 더욱 바람직하게는 60 °내지 70 °일 수 있다. 경사 각도(θ)가 작아질수록 유체의 회전 유속이 빨라지고 차압이 증가할 수 있기 때문에, 가이드 베인(130)의 하면 두께 증가로 인한 회전 유속 증가 효과는 크지 않은 반면 오히려 차압이 증가하는 효과는 커질 수 있기 때문이다.
또한, 가이드 베인(130)의 상면과 하면 사이의 상하 방향 최단 거리(h2)는 케이싱(110)의 상부 내경(Φ3)의 0.2 배 내지 0.3 배인 것이 바람직하다. 가이드 베인(130)의 상면과 하면 사이의 상하 방향 최단 거리(h2)가 소정 길이 이상으로 길어지는 경우에는 유체의 회전 유속 증가 효과는 크지 않고 오히려 차압만 증가될 수 있기 때문이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유체의 회전 유속을 향상시킬 수 있는 최적 형상의 가이드 베인, 즉 하면의 두께가 상면의 두께보다 더 두껍게 형성되는 가이드 베인을 제공하여 유체 내 입자의 분리 효율을 용이하게 향상시킬 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100 : 축류식 사이클론 장치
110 : 케이싱
120 : 볼텍스 파인더
130 : 가이드 베인

Claims (4)

  1. 상하의 축 방향으로 유입되는 유체로부터 입자를 분리하는 축류식 사이클론 장치로서,
    상하 방향으로 중공이 형성되어 있는 케이싱;
    상하 방향으로 중공이 형성되어 있으며, 적어도 일부가 상기 케이싱 내측에 배치되는 볼텍스 파인더; 및
    상기 볼텍스 파인더의 외주면 측에 수평 방향에 대해 경사지게 연장되어 제공되는 복수의 가이드 베인;을 포함하며,
    상기 가이드 베인은,
    하면의 두께가 상면의 두께보다 1.5 배 이상 3.5 배 미만으로 더 두껍게 형성되며, 상기 가이드 베인의 수평 방향에 대한 상면 중앙과 하면 중앙을 연결하는 라인의 경사 각도는 60 °내지 70 °인 것을 포함하는 축류식 사이클론 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 베인의 상면과 하면 사이의 상하 방향 최단 거리는 상기 케이싱의 내경의 0.2 배 내지 0.3 배인, 축류식 사이클론 장치.
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