KR20020013705A - 기액공급장치 - Google Patents

Abstract

(과제) 간단한 구조로 충분한 용존산소의 공급 및 에어 리프트효과를 갖는 기액공급장치를 제공한다.

(해결수단) 기액공급장치는, 흡입관(1), 토출관(2), 확대관(3), 공급관(4), 흡기관(5), 흡기량 조절밸브(6), 펌프(7), 개구판(8), 스크루(9), 스로틀밸브(10), 등으로 구성되고, 필요에 따라 확대관(3) 등에 교반부재가 설치되는 장치이다.

(효과) 펌프로 기액유체를 흐르게 하고, 스크루로 공기를 중심측에 모아서 개구판에 균일적으로 공급하고, 확대관으로 급팽창시켜서 분단하고, 확대관 및 공급관에서 공기용해를 위한 시간을 설정하고, 스로틀밸브로 압력조절하여 가압에 의해 용해도를 변화시키도록 하고, 이들의 총합작용으로 수중으로의 공기의 용해도를 대폭적으로 향상시키고, 용존산소가 많은 기액유체를 공급하거나, 미소기포화하여 에어 리프트효과를 발휘하는 기액유체를 공급할 수 있다.

Description

기액공급장치{SUPPLYING DEVICE FOR A LIQUID CONTAINING A GAS}

본 발명은 액체에 기체를 가해서 기액유체로 하여 공급하는 기액공급장치에 관한 것으로, 특히 에어 리프트작용 및 산소공급작용에 의해 기능저하된 수역(水域)을 재생시키는 기술로서 적합하게 이용된다.

액체중에 기체를 용해시키는 기술로서는, 예를 들면, 자흡식(自吸式) 펌프로 연못에서 물을 양수함과 동시에 대기를 흡인하여 혼입탱크에 넣고, 이것으로부터 흡인하여 연못물과 대기를 산소포화 탱크로 보내넣고, 자흡식 펌프의 토출압력으로 가압하여 포화상태로 하고, 이 물을 연못에 방출하도록 한 양식연못용 산소보급장치가 제안되어 있다(일본 실개평2-78064호 명세서 및 도면참조). 이 장치에서는, 산소포화 탱크로부터의 출수량을 조정함으로써 그 안의 압력치를 변동시켜, 가압에 의해 포화상태로 하도록 하고 있다.

그렇지만, 이와 같은 장치에서는, 흡입한 물과 산소를 단순히 펌프로 혼합시켜서 탱크에 넣는 것뿐이므로, 수용액을 포화상태의 근방까지 도달시키는 것이 용이하지 않고, 산소용해량이 부족하거나 산소를 충분히 용해시키기 위해서 장시간이 걸린다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 종래기술에 있어서 상기 문제를 해결하고, 단시간에 기체를 액체중에 고농도로 용해시키거나 미소기포로서 균일적으로 존재시켜, 피처리수중에서의 기체공급 및 에어 리프트작용이 가능한 기액공급장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

도 1은 본 발명이 적용된 기액공급장치의 전체구조의 일예를 도시하는 설명도이다.

도 2는 상기 장치의 토출관 이후의 실제의 배관상태의 일예를 도시하는 일부단면을 포함하는 측면도이다.

도 3은 상기 장치에 사용가능한 펌프의 일예를 도시하는 단면도이다.

도 4는 상기 장치에 사용가능한 개구판의 일예를 도시하는 평면도이다.

도 5는 상기 장치에 교반부재를 설치한 때의 구조예를 도시하는 단면도이다.

도 6 (a) 및 (b)는 상기 교반부재의 날개부분을 도시하는 사시도이고, 그 중 (b)는 (a)의 구조를 보다 명료하게 한 도면이다.

도 7은 공기공급부분의 다른 구조예를 도시하는 설명도이다.

도 8은 교반부재에 있어서 기액유체의 흐름상태의 설명도이다.

도 9는 공급관으로부터 배출된 기액유체의 외관상태를 도시하는 설명도이다.

도 10은 상기 설명도에서 압력을 높인 때의 상태를 도시하는 도면이다.

도 11은 상기 설명도에서 압력을 더 높인 때의 상태를 도시하는 도면이다.

도 12는 상기 설명도에서 압력을 더 높인 때의 상태를 도시하는 도면이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1; 흡입관(관상의 유로) 2; 토출관(관상의 유로)

3; 확대관(관상의 유로) 4; 공급관(관상의 유로)

5; 흡기관(기체공급계) 6; 흡기량조정밸브(기체공급계)

7; 펌프(펌프, 일정용량형의 펌프) 8; 개구판(개구판, 다공판)

9; 스크루(선회부재)

10; 스로틀밸브(유로단면 축소수단, 유로단면 조절수단)

11; 교반부재 12; 우선회날개(제 1 선회날개)

13; 좌선회날개(제 2 선회날개) 12a,12b; 제 1 선회날개의 양단

13b,13a; 대응하는 제 2 선회날개의 양단 20; 압축기(기체공급계)

21; 송기관(기체공급계)

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해서, 청구항 1의 발명은, 액체에 기체를 가해서 기액유체로 하여 공급하는 기액공급장치에 있어서,

상기 액체와 상기 기액유체가 흐르게 되는 관상의 유로와, 상기 액체에 상기 기체를 가하도록 상기 유로의 상류측 위치에 접속된 기체공급계와, 상기 액체와 상기 기액유체를 공급가능하도록 상기 유로의 일정위치에 설치된 펌프와, 상기 상류측 위치 또는 상기 일정위치중의 어느 하나의 하류측의 위치의 하류측에 상기 유로의 단면적을 급변시키도록 설치된 개구판과, 이 개구판의 근방에서 상기 상류측에상기 기액유체를 선회시키도록 설치된 선회부재와, 이 개구판으로부터 상기 기액유체가 시간을 들여서 흐르도록 간격을 두고, 상기 유로에 설치되어 이 유로의 단면적을 축소가능한 유로단면 축소수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

청구항 2의 발명은, 액체에 기체를 가해서 기액유체로 하여 공급하는 기액공급장치에 있어서,

상기 액체와 상기 기액유체가 흐르게 되는 관상의 유로와, 상기 액체에 상기 기체를 가하도록 상기 유로의 상류측 위치에 접속된 기체공급계와, 상기 액체와 상기 기액유체를 공급가능하도록 상기 유로의 일정위치에 설치된 펌프와, 상기 상류측 위치 또는 상기 일정위치중에 어느 하나의 하류측의 위치의 하류측에 상기 유로의 단면적을 급변시키도록 설치된 개구판과, 제 1의 회전방향으로 선회하고 있는 제 1 선회날개와 상기 제 1의 회전방향의 반대방향으로 선회하고 있는 제 2 선회날개가 복수개 번갈아 형성된 교반부재로서 상기 제 1 선회날개의 양단과 대응하는 상기 제 2 선회날개의 양단이 상기 선회의 선회원상에서 위상을 어긋나게 한 상태로 형성되어 상기 개구판의 하류측의 상기 유로내에 설치된 교반부재와, 상기 개구판으로부터 상기 기액유체가 시간을 들여서 흐르도록 간격을 두고, 상기 유로에 설치되어 이 유로의 단면적을 축소가능한 유로단면 축소수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

청구항 3의 발명은, 청구항 1의 발명의 특징에 더하여, 제 1의 회전방향으로 선회하는 제 1 선회날개와 상기 제 1의 회전방향의 반대방향으로 선회하고 있는 제 2 선회날개가 복수개 번갈아 형성된 교반부재로서 상기 제 1 선회날개의 양단과 대응하는 상기 제 2 선회날개의 양단이 상기 선회의 선회원상에서 위상을 어긋나게 한 상태로 형성되어 상기 개구판의 하류측의 상기 유로내에 설치된 교반부재를 가지는 것을 특징으로 한다.

청구항 4의 발명은, 청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한항의 발명의 특징에 더하여, 상기 개구판은 적어도 3개의 구멍을 구비한 다공판인 것을 특징으로 한다.

청구항 5의 발명은, 청구항 1 내지 4중 어느 한항의 발명의 특징에 더하여, 상기 유로단면 축소수단은 상기 단면적을 변경가능하게 하는 유로단면 조절수단인 것을 특징으로 한다.

청구항 6의 발명은, 청구항 1 내지 5중 어느 한항의 발명의 특징에 더하여, 상기 펌프는 압력에 대하여 유량의 변동이 적은 용적형 펌프인 것을 특징으로 한다.

(발명의 실시의 형태)

도 1은 본 발명을 적용한 기액공급장치의 전체구성의 일예를 도시하고, 도 2는 그 토출관으로부터 하류측의 실제의 장치구조의 일예를 도시한다.

본 장치는, 액체인 물에 기체인 공기를 가하여 기액유체인 공기혼합수 및 공기용해수로 하여 공급하는 장치이고, 물과 기액유체가 흐르게 되는 관상의 유로인 흡수관(1), 토출관(2), 확대관(3) 및 공급관(4), 기체공급계로서의 흡기관(5) 및 흡기량 조정밸브(6), 펌프(7), 개구판(8), 선회부재인 스크루(9), 유로단면 축소수단이고 본 예에서는 유로단면 조절수단인 스로틀밸브(10), 등으로 구성되어 있다.

흡수관(1) 및 토출관(2)은, 통상 펌프(7)의 용량에 적합한 구경의 관이다.흡수관(1)에 공급되는 물은, 기액공급장치의 용도에 따라 정해지고, 예를 들면 호수의 오탁(汚濁)물질의 분해제거에 사용될 때에는 그 호수의 물이다. 흡수관(1)에는 흡입관(5)이 결합되므로, 결합점(A)의 상류측에서는 물만이 흐르고 하류측에서는 기액유체가 흐르는 것으로 된다. 토출관(2)도 통상 펌프(7)의 토출구와 동일한 구경의 관으로, 개구판(8)을 사이에 두고 장치하기위한 관이다. 단, 펌프(7)에 직접 개구판(8)을 장착하거나, 도 2와 같이 확대관(3)의 입구에 개구판(8)을 장착하고, 이 부분을 생략하는 것도 가능하다. 이 관에는 기액유체가 흐른다.

확대관(3)은, 개구판(8)으로 유로단면적을 급변시킬 수 있음과 동시에 기액유체를 흘릴 때의 체류시간이 얻어지도록, 흡입관(1) 및 토출관(2)보다 어느 정도 대구경의 관인 것이 바람직하다. 확대관(3)에는 초기조정 등의 목적으로 필요에 따라 공기빼기용의 밸브(3a)가 설치된다. 밸브(3a)는 플로트식의 자동밸브나 수동코크 등이어도 좋다. 축소관(4)은, 필요에 따라 기액유체의 체류시간을 더 설정하거나, 구경을 작게하여 스로틀밸브(9)로 죄이기 쉽게 하거나, 배출되는 기액유체의 흐름을 조정하거나 하기 위한 등의 목적으로 설치된다. 단, 이 부분을 충분히 짧게 하거나 생략하는 것도 가능하다.

흡기관(5)은, 물에 공기를 가하도록 유로의 상류측 위치로서 본 예에서는 상기와 같이 흡수관(1)의 결합점(A)에 접속되어 있어, 펌프(7)의 자흡능력에 의해 대기개방상태로 외기를 흡입한다. 이 경우, 펌프(7)가 정용적식의 나사펌프이면, 펌프자체가 충분한 자흡능력을 가지므로, 진공펌프 등을 추가 장비할 필요가 없고, 장치구성이 간단하게 된다. 또한, 도면에 있어서 2점쇄선으로 도시하는 바와 같이송풍기(51)를 설치하여 적극적으로 송기하도록 해도 좋다. 흡기량 조정밸브(6)로서는 통상 기계측 수동밸브가 이용된다. 단, 필요에 따라 원격 수동밸브 또는 자동제어밸브로 하는 것도 가능하다.

펌프(7)는, 물과 기액유체를 공급가능하게 유로의 일정위치로서 흡입관(1)과 토출관(2) 사이에 설치되어 있다. 펌프(7)의 유량은 본 장치의 사용조건에 적합하게 정해진다. 토출압력으로서는, 게이지압력(이하 동일)으로 통상 5×10⁵Pa(0.5Mpag) 정도로 좋으나, 양수하는 경우나 기액유체의 사용장소까지의 파이프라인이 긴 경우에는 거기에 맞추어 높은 압력으로 된다. 필요하면 부스터 펌프를 설치하도록 하여도 좋다.

펌프(7)로서는, 상기와 같은 압력으로 안정되게 송수할 수 있는 형성의 것이면 좋고, 용적식 펌프나 고양정 원심펌프 등이 사용된다. 특히 압력에 대하여 유량변화가 적음과 동시에 변화가 직접적인 용적형의 펌프가 바람직하다. 이와 같이 펌프로서는, 예를 들면 도 3에 도시하는 바와 같이, 금속제의 1축 편심 1조나사로 이루어지는 단면 원형의 로터(71)를 2조나사로 단면 타원의 공간을 형성하고 있는 합성고무제의 스테이터(72)내에서 회전시켜서 기액유체를 연속해서 압송시키도록 한 특수구조의 회전용적형 1축 편심 나사펌프가 적합하게 사용된다. 단, 통상의 구조의 나사펌프나 기어펌프 등, 다른 형식의 용적형 펌프를 사용하여도 좋은 것은 물론이다.

개구판(8)은, 상류측의 위치인 펌프(7)의 위치 또는 일정위치인 흡수관(1)의상기 A점의 흡기위치의 어느 하류측의 위치의 하류측, 따라서 본 예에서는 펌프(7)의 하류측에 설치되어 있다. 이와 같은 위치에서 개구판(8)을 설치함으로써, 개구판(8)에 기액유체를 흐르게 할 수 있다.

도 4는 후술하는 실험에서 사용한 7종류의 개구판을 도시하고 있다. 개구판(8)은, 1개 또는 복수개의 구멍(8a)을 구비하고 있어, 도시한 바와 같이, 유로의 단면적을 급변시킴과 동시에 개구수에 맞게 물흐름을 다수로 나누도록 설치되어 있다. 구멍(8a)의 크기는, 구멍이 1개인 오리피스에서는, 그 구멍(8a)의 직경을 토출관(2)의 1/5~1/3 정도로 확대관(3)의 1/20~1/10 정도의 크기이다. 다공판에서는, 이것과 같은 정도의 개구면적율로 한다. 또한, 상기의 범위외의 것을 사용하는 것도 가능하다. 구멍(8a)의 개수는, 본 장치를 실제로 사용할 때의 제조건에 의해 정해지는데, 후술하는 바와 같이 구멍수에 의해 기체의 용해량이 상이하게 되므로, 원수(原水)의 용존기체량이 적은 때에는, 예를 들면 7개의 구멍의 다공판이 사용된다. 또한, 구멍(8a)의 개수는 이것보다 크게 하여도 좋다.

스크루(9)는, 개구판(8)의 근방에서 상류측인 토출관(2)에 기액유체를 선회시키도록 설치되어 있다. 스크루(9)로서는, 예를 들면 스크루컨베이어의 스크루를 1∼2피치분 만큼 절단한 것을 사용할 수 있다.

스로틀밸브(10)는, 개구판(8)에서 기액유체가 시간을 들여서 흐르도록 간격을 두고 유로인 본 예에서는 공급관(4)에 설치되고, 이 유로의 단면적을 축소가능하게 하고 또한 변경가능하게 한다. 이것에 의해, 이 위치로부터 공급관(4)의 상류측부분 및 확대관(3)내의 기액유체의 압력을 목적으로 하는 압력으로 유지할 수 있다. 또한, 예를 들면 기액공급장치가 어개(魚介)류의 수조에 공기를 보내는 특정의 정해진 설비로 전용되는 경우에는, 스로틀상태가 일정하면 되기 때문에, 스로틀밸브 대신에 오리피스 등의 일정 스로틀기구를 사용해도 좋다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 기액 공급장치의 다른 예를 도시한다. 그 중에서 도 5는 확대관의 전후의 전체적 구조를 도시하고, 도 6은 교반부재의 일부분의 구조를 도시한다.

본 예의 장치에서는, 도 1의 장치의 확대관(3)의 안에 교반부재(11)가 설치되어 있다. 교반부재(11)는, 제 1의 회전방향인 도면의 상단의 확대관(3)에 있어서 좌측(하단에서는 우측)에서 보아 시계방향으로 선회하고 있는 제 1 선회날개로서의 우회전날개(12)와 제 1의 회전방향과 반대방향인 반시계방향으로 선회하고 있는 제 2 선회날개로서의 좌회전날개(13)가 복수개 번갈아 형성된 부재이다. 그리고, 우회전날개(12)의 양단(12a 및 12b)과 대응하는 좌회전날개(13)의 양단(13a 및 13b)은 선회의 선회원인 도면에서 단면A-A 위치의 원상에서 본 예에서는 상하위치에 180°위상을 어긋나게 한 상태로 형성되어 있다.

이들의 좌우회전날개(12,13)는, 본 예에서는 각각 반 피치씩 분할되고 보스(14)와 일체형성되어 있어, 각각이 축(15)상에서 조립되어 있다. 이와 같이 형성된 교반부재로서는, 스크루(9)와 동일하게, 우회전 및 좌회전의 컨베이어스크루를 이용하여 제작되어 있다. 따라서, 스크루(9)와 동일하게, 극히 간단한 구조로 저렴한 것이다. 또한, 이와 같은 교반부재는 다른 임의의 적당한 방법으로 제조가능한 것은 말할 것 도 없다. 교반부재(11)는, 필요에 따라 도 1의 기액공급장치에장비되는데, 도 1에서 스크루(9)를 생략한 장치에도 장착가능하다. 또, 확대관과 함께 또 이것 대신에, 공급관(4)에 설치되는 것도 가능하다. 토출관(4)에 설치된 경우에는, 기액유체의 통과유속이 빨라지므로, 저항은 크게 되지만 기액혼합이 한층 더 촉진되어 기체를 액체중으로 한층 더 빨리 용해시킬 수 있다.

도 7은 기액공급장치의 기체공급부분의 다른 예를 도시한다.

본 예에서는, 도 1의 장치의 흡기관(5)대신에, 유로의 상류측 위치로서 펌프(7)의 토출측인 토출관(2)의 B위치에 공기를 보내도록 압축기(20) 및 송기관(21)을 설치함과 동시에, 흡기량 조정밸브(6)를 압축기(20)의 공기흡입 끝에 설치하고 있다. 또한, 송기관(21)에는 송기압력을 일정하게 하도록 압력조정밸브 또는 감압밸브를 설치해도 좋다. 이 장치에서는, 흡수관(1)에는 물만이 흐르고, 공기가 펌프(7)를 통과하는 일없이, 송기관(21)의 접속점인 B위치 이후로부터 기액유체가 흐르는 것으로 된다.

압축기(20)의 압력 또는 감압밸브를 설치하는 경우에는 그 출구압력은 펌프(7)의 압력과 동일하다. 또한, 흡기량 조정밸브(6)를 도면에서 2점쇄선으로 도시하는 바와 같이 압축기(20)의 토출측에 설치하여, 토출공기가 빠지게 함으로써, 물의 흡기량을 조정하도록 하여도 좋다. 이와 같은 흡기계에 의하면, 장치코스트 및 운전시의 전력비는 다소 높게 되지만, 펌프(7)가 물만을 흡입, 토출하는 것으로 되므로, 펌프에 캐비테이션 현상이 전혀 발생하지 않고, 운전상태를 한층 더 안정되게 할 수 있다. 또 펌프(7)의 형식이나 그 송수부재의 재질선택의 자유도가 증가하는 등의 효과가 있다.

이상과 같은 기액공급장치는, 바다, 호수와 늪, 저수지, 하천, 등의 수질개선, 공장배수중의 부유물질이나 유분의 제거, 어개류 수조 등으로의 공기공급 등, 공기혼합수 및 공기용해수에 의해 물질의 부상작용 및 산소공급작용을 이용하는 여러가지 용도로 광범하게 적용된다. 이하에 본 장치를 상기와 같은 용도에 적용할 때의 운전방법 및 작용효과에 대하여 설명한다.

본 장치는, 예를 들면, 수중이나 수저에 오탁물질이나 유기물이나 해초류 등의 유해한 식물프랑크톤이 부유하거나 침전하고, 독특한 냄새를 발생시키는 것같은 사멸(死滅)상태에 가까운 저수지 등의 폐쇄성 수역의 재생에 적합하게 사용된다. 이때에는, 먼저 본 장치를 저수지의 근방에 설치하고, 흡수관(1)을 저수지의 안까지 유도 설치하여 취수가능하게 한다. 이 경우, 흡수 끝에 적당한 망 등의 스트레이너를 설치한다. 또, 공급관(4)을 저수지의 필요한 깊이위치까지 유도 설치한다. 이와 같은 물의 취수, 배수시에는, 흡입관(1) 및 공급관(4)에 적당한 플랙시블 호스 등이 접속된다.

이 상태에서 펌프(7)를 운전함과 동시에, 흡기량 조정밸브(6) 및 스로틀밸브(10)의 개방도를 조정한다. 본 장치의 운전으로서는, 이것만의 조작으로 족하므로, 극히 간단하게 되고, 통상의 작업자가 용이하게 실시할 수 있다.

펌프(7)를 운전하고 흡기조정밸브(6) 및 스로틀밸브(9)를 적당한 개방도로 하면, 펌프(7)는 그 양정에 대응한 수량(Q)을 흡입, 토출하고, 이것과 함께 공기량(q)을 흡입, 토출한다. 이 공기량(q)은, 펌프가 흡입하는 원수중의 용존산소(이하 「Do」로 나타내는 일이 있다)량이나, 기액유체가 이용되는 용도 등에 적합한 양으로 조정된다. 즉 예를 들면 원수의 Do치가 높을 때에는 q를 적게한다. 또, 용해도에 가까운 양 또는 이것을 넘는 양의 공기를 용해 또는 미소기포로 하여 혼합시킨 용존공기함유수를 제조할 때에는, 그것에 필요한 q를 많게 한다. 이와 같이 공급공기량(q)은 여러가지의 조건으로 상이하지만, 예를 들면 수중으로의 대기의 용해도에 상당하는 양에 여유를 가한 양으로 하여, 용적비로 Q의 2%정도로 된다. 또한 기액흡입은, 나사펌프(7)가 가지는 마이너스 수m 라고 하는 충분한 자흡능력에 의해 문제없이 행해진다.

흡입된 물과 공기는, 비교적 큰 덩어리의 공기와 물의 상태로 되는 기액유체로 되어 펌프(7)로부터 토출되고, 개구판(8)에 도달한다. 여기서, 토출관(2)에 스크루(9)가 설치되어 있을 때에는, 기액유체는 선회하면서 개구판(8)으로 향한다. 그리고, 비중이 큰 물이 토출관(2)의 외주측에 모이고, 공기는 중심방향으로 모여져서, 균일하게 안정된 상태로 연속적으로 구멍(8a)을 통과하는 것으로 된다. 그 결과, 기액유체내의 공기가 토출관(2)의 개구판(8)의 앞에서 상방으로 괴어서 큰 덩어리로 되고, 구멍(8a)에 간헐적으로 유입하는 것과 같은 불안정한 현상이 발생하지않고, 공기유량이 일정화하여 구멍통과상태가 안정되고, 그것에 의해 기포의 세립화가 촉진됨과 동시에, 운전소음이나 진동의 발생도 방지된다.

스로틀밸브(9)의 죄임의 정도는, Do를 크게 하든지 또는 에어 리프트효과가 큰 백탁수(白濁水:보얗게 흐린 물)를 얻든지 하는 등의 본 장치의 사용목적에 따라 상이한데, 통상 개구판(8)앞의 압력으로서 0.1~0.4Mpag 정도의 범위로 어느 것인가의 압력으로 설정된다. 또한, 펌프(7)가 이와 같이 공기를 흡입하여 압축하는경우에도, 펌프(7)가 나사펌프이면, 펌프내에서 급격한 압력변화가 일어나지 않기 때문에, 미소기포의 발생과 압괴(壓壞)에 의해 펌프재료가 침식되거나 진동하는 등의 캐비테이션현상은 일어나지 않는다. 또한, 원심펌프 등에서는, 필요에 따라 날개에 내식성이 있는 재료가 사용된다.

펌프(7)로 보내져서 스크루(9)에 의해 공기류가 균일화된 기액유체는, 개구판(8)의 구멍(8a)에서 대폭적으로 압축되어 흐르는 동시에 구멍의 수에 따라서 분류되고, 그 직후에 토출관(2)보다 더 구경이 큰 확대관(3)으로 들어가서 급격히 확대된다. 이 때, 기액유체내의 기포는, 개구판 통과시에 그 끝면에서 미세하게 분단되는 동시에, 단면이 급격하게 확대될 때의 감압팽창에 의해 변형되어 분단되고, 물의 흐름에 따라 확대관(3)내로 확산하고, 소기포로 되어 균일적으로 존재하게 된다.

확대관(3)내의 기액유체는, 개구판(8)에 의해 감압된 후 압력을 회복하고, 스로틀밸브(9)에 의해, 사용목적에 맞게 대기압∼0.3Mpag 정도의 범위중 어느 압력으로 유지된다. 그 결과, 사용목적에 적합하게 압력에 대응하여 공기용해도의 조정된 기액유체를 공급할 수 있다. 또한, 이와 같이 스로틀밸브(9)가 설치되어 있는 위치에 의해, 확대관(3) 및 공급관(4)의 일부분이 이 압력으로 유지되고, 기액유체가 가압상태에서 필요한 체류시간만 흐르게 되어 있다.

그 결과, 상기와 같은 작은 기포로 되어 물 흐름의 전체에 균일적으로 존재하는 공기와 물의 충분한 접촉시간이 얻어지고, 공기는 그 압력의 용해도에 가까운 정도로부터 이것을 어느 적당한 정도를 초과한 과포화의 상태까지 물에 용해된다.

확대관(3)내에 교반부재(11)가 설치되는 경우에는, 이것에 의해 기액유체가 충분히 교반되고, 공기의 용해도가 한층 더 크게 된다. 즉, 도 8에 도시하는 바와 같이, 기액유체는 먼저 우회전날개(12)내에 그 표면측 및 이면측에서 선(A₁,A₂)으로 도시하는 바와 같이 들어가고, 다음에 좌회전날개(13)에서는, 선(B₁,B₂)으로 도시하는 바와 같이 흘러, 도시한 점(P₁,P₂,P₃,P₄)근처의 위치에서 각각 분류, 합류, 분류 및 반전, 합류·분류 및 반전한다.

또, 점(Q) 근처의 각 날개의 중간위치에서는 유로가 넓고 점(Q')근처의 좌우날개의 조합위치의 근방에서는 유로가 좁게 되어 있어, 흐름이 확대축소된다. 그리고, 그 후에도 동일한 흐름상태를 반복하여 극히 난류로 되기 때문에, 기액유체가 충분히 교반되고, 기포가 변형분단되어 물과 접촉하는 표면적이 더 확대되고, 물속으로 공기가 용해되어 들어가는 것이 대폭으로 촉진된다.

또한, 관로중에서 유체를 교반하는 장치로서는, 판형상체를 180°비틀은 엘리먼트를 양끝이 교차하도록 연결형상으로 관내에 배치하고, 흐름의 분할 및 반전을 반복함으로써 유체를 교반하는 특수 믹서가 잘 알려져 있는데, 이 장치에서는, 유체의 난류상태가 불충분하기 때문에, 기체가 액체내로 용해되는 정도를 대폭적으로 향상하기까지에는 이르지 않는다.

운전중에 공기의 용해도를 변화시킬 필요가 있는 경우에는, 펌프(7)의 토출압력을 바꾸는 것으로 된다. 이 때, 펌프(7)가 일정한 용적형의 나사펌프이면, 펌프의 토출량을 20％ 정도까지의 적은 변동량으로 유지할 수 있다. 그 결과, 한번조정한 흡기량 조정밸브(6)를 그대로의 상태로 운전하여도, 기액비율을 허용범위로 유지할 수 있다. 또, 이 밸브를 재조정할 경우에도, 그 조정이 용이하다.

또 본 발명에서는, 공기를 물로 용해시키는 용기부분을 확대관(3) 등의 흐름이 있는 관상의 것으로 구성하여 있기 때문에, 탱크를 이용한 경우와 같이 공기가 물에서 완전히 분리된 기액 2층상태로 되는 일이 없다. 그리고, 공기는 입자형상으로 관내에 존재하고, 공기와 물의 접촉면적이 크게 되어 있다. 그 결과, 공기가 물에 용해되기 쉽고, 기액유체를 빨리 높은 용해도에 도달시킬 수 있다.

물에 용해된 공기 및 필요에 따라 미소기포로 되어 균일적으로 혼합한 공기를 가지도록 된 기액유체는, 스로틀밸브(9)로부터 공급관(4)으로 송출되고, 저수지의 목적으로 하는 장소로 배출된다. 이 경우, 기액유체가 스로틀밸브(9)에서 나오면 압력이 대기압까지 내려가기 때문에, 용해되고 있던 공기의 과포화부분이 미소기포로 되어 생성된다. 즉, 물에 용해된 공기량이 감소하고 혼합상태로 되어 있는 미소기포가 증가한다. 이와 같은 미소기포는, 용해되고 있던 공기로부터 생성된 것이므로, 수중에서 극히 균일적으로 존재하고 있다.

저수지 등을 정화하는 경우에는, 유해한 피처리물을 제거하는 제 1 단계에서는 주로 기액공급장치의 에어 리프트작용을 이용하고, 저수지의 자연정화작용을 부활시키는 제 2 단계에서는 공기에 의한 산소공급작용을 이용한다. 그 때문에, 제 1 단계에서는, 흡기량 조정밸브(6)로 공급되는 공기량을 많게 하고, 스로틀밸브(9)로 관내의 압력을 높게 한다. 이것에 의해, 확대관(3)의 부분에서 공기의 용해량을 많게 하고, 스로틀밸브(9)를 나온 후에는, 균일하게 존재하는 미소기포로서의혼합공기량을 많게 할 수 있다. 그 결과, 이 기액유체를 저수지의 수중의 적당한 깊이의 위치로부터 분출시키면, 균일적으로 존재하는 다량의 미소기포가, 수중에 존재하는 오탁물질이나, 유기물이나 해초류 등의 유해한 식물 플랑크톤 등으로 이루어지는 피처리물에 부착하고, 에어 리프트작용에 의해 이들을 빠짐없이 누출시키지 않고 양호하게 포착하여 부상시킬 수 있다. 이와 같이 하여 수상으로 부상하고 집적·농축된 피처리물은, 예를 들면 진공장치 등에 의해 저수지로부터 용이하게 제거된다.

피처리물의 제거가 종료되면, 기액공급장치의 공기에 의한 산소공급작용을 이용한다. 즉, 흡기량 조정밸브(6)로 공급되는 공기량을 작게 하고, 스로틀밸브(9)로 죄이는 압력을 낮게 한다. 그 결과, 확대관(3)의 부분에서는, 미소기포의 혼합량 및 용해량이 작게 되지만, 스로틀밸브(9)를 나온 후에는, 흡입된 공기의 대부분이 용존공기의 상태로 유지되고, 혼합상태의 미소기포는 적고 또한 작은 치수로 된다. 그 결과, 이 기액유체가 저수지의 바닥으로부터 분출되면, 소량 또한 작은 치수의 미소기포가 에어 리프트작용을 하는 일없이, 용존공기를 함유한 물이 장시간 물바닥에 존재하고, 최초부터 존재하고 있는 주변의 물 및 유용한 미생물 등에 용존산소를 주어, 물바닥의 상태를 활성화시킨다. 그리고, 저수지전체에 대하여 이와 같은 운전을 지속시키므로써, 자연정화작용을 부활시키고, 악취의 발산 등을 완전히 없애고, 저수지를 청정한 상태로 재생시킬 수 있다.

또한 이상에서는, 본 장치를 저수지 재생에 적용한 예에 대하여 설명하였는데, 본 장치는 에어 리프트작용과 산소공급작용을 이용하는 여러가지의 용도에 사용된다. 또 본 장치는, 에어 버블링장치보다 확실하고 효율이 좋은 산소공급기능을 가지므로, 어개류의 사육수조에도 적합하게 적용된다.

본 발명자들은, 이상과 같이 기액공급장치를 사용하여 이하와 같은 각종 실험을 행하였다.

[실험1: 공기용해상태의 관찰]

다음과 같은 사양을 갖는 도 1 및 도 2에 도시하는 구성의 장치를 시험제작하고, 수중으로 방출한 기액유체중의 공기의 혼합용해실험을 행하고, 표 1의 결과를 얻었다.

[장치사양]

펌프의 정격유량×토출압력 ; 11㎥/h×0.6Mpa

흡입/토출관의 구경 ; 80mm

공급관의 구경 ; 40mm

확대관의 구경×길이 ; 300mm×약1.5m

개구판으로서의 오리피스의 구멍직경 ; 25.5mm

[실험결과] - 표 1

표 1에서, 수중방출시 기포상태의「백탁」의 정도는, 실험상태(1), (3), (5), (7)에 대하여 도 9∼도 12에 도시하는 바와 같이, 가압에 의해 한번 용해된 공기가 토출관(4)에 접속된 호스(4a)로부터 대기에 개방되므로써 과포화로 되고, 도면에서 희게 보이는 바와 같이 과포화분이 유백색의 혼합상태로 되어 있는 것을 의미한다. 또한, 실험상태(1), (2)에서는, 확대관(3)의 상방에 공기가 괴이고, 그 양이 안정되지않고, 공기빼기용의 밸브(3a)를 조금 개방하여 공기를 빼면서 운전하였다.

이 실험에 의하면, 공기량 조정밸브에 의해 공급공기량을 조정하고, 스로틀밸브에 의해 공기의 용해압력을 조정함으로써, 혼합기포의 양이나 입도를 가감하고, 필요에 따라 에어 리프트작용과 산소공급작용을 선택적으로 발생시키는 것이 명확하게 되었다.

[실험2; 스크루 유무의 효과의 확인]

실험1의 장치에 있어서, 개구판(8)을 직경 7.5mm 로 총면적 309.3mm²의 7개의 구멍을 가진 다공판으로 하고, 다공판 앞에 스크루(9)를 장착한 경우와 떼어낸 경우의 비교실험을 행하여, 표 2의 결과를 얻었다. 토수(吐水)의 Do치는, 스로틀밸브(10)를 나온 후의 기액유체를 샘플링하여 Do미터로 측정하였다.

[실험결과] - 표 2

이 실험에 의하면, 공기용해성능에 상당하는 값으로서, 펌프로 흡입한 원수인 하천물과 본 예의 장치로 처리한 후의 토수의 Do치의 차 또는 용해도 차가, 에어주입후 10분에서는, 1.9 가 2.2까지 약 16％ 올랐고, 또 25.2％가 28.4％까지 약 13％ 올랐으며, 에어주입후 20분에서도, 2.2가 2.4까지 약 9％ 올랐고, 또, 29.2％가 31.4％까지 약 7.6％ 올랐으며, 스크루를 장비했을 때에는 공기용해특성이 상당히 양호하게 되는 것이 확인되었다. 또한 육안검사에 의하면, 스크루 장착전에는, 개구판에 기포가 불규칙하게 난입하고 있었는데, 스크루 장착후에는 일정하게 양호한 상태로 들어가 있었으므로, 실제로는 상기 실험치보다도 더 양호한 효과가 얻어지는 것이 예상된다.

[실험3; 교반부재 유무의 효과의 확인]

실험2의 장치에 있어서, 스크루(9)를 설치하지 않고, 도 5 및 도 6에 도시하는 교반부재(11)를 장착한 경우와 떼어낸 경우에 대하여 비교실험을 행하고, 표 3의 결과를 얻었다.

[실험결과] - 표 3

이 실험에 의하면, 공기용해성능에 상당하는 값으로서, 펌프로 흡입한 원수인 하천물과 본 예의 장치로 처리한 후의 토수의 Do치의 차 또는 용해도차가, 에어 주입후 10분에서는, 2 데이터의 평균치로 비교하여, 1.3이 1.95까지 약 50％ 올랐고, 또, 17.5％가 26.6％까지 동일하게 약 52％ 올랐으며, 에어 주입후 20분에서도, 1.25가 2.25까지 약 80％ 올랐고, 16.7％가 30.7％까지 약 84％ 올랐으며, 교반부재(11)를 장비한 때에는 공기용해특성이 각별히 양호하게 되는 것이 확인되었다.

[실험4; 개구판의 구멍수의 효과의 확인]

실험2의 스크루 부착장치에 있어서, 개구판(8)의 구멍(8a)을 도 4에 도시하는 1개 에서 7개 까지 순차 교체하여 비교실험을 행하여, 표 4의 효과를 얻었다.

[실험결과] - 표 4

이 실험에 의하면, Do차 및 용해도차의 수치로부터 구멍수가 3개 이상에서 구멍수 증가의 효과가 명료하게 되고, 구멍수가 7개 이상에서는 더 효과가 큰 것이 명백하게 되었다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 청구항 1의 발명에 있어서는, 기액공급장치가 액체와 기액유체가 흐르는 관상의 유로를 주체로하여 구성되어 있으므로, 장치전체의 구조가 간단하게 됨과 동시에, 기액유체가 항상 흐름상태에 있기 때문에, 탱크와 같이 액상과 기상으로 분리시키지 않고, 항상 수중에서 균일분산된 기체의 소기포를 그 상태로 유지하고, 기액접촉면적을 확대하고, 액중으로의 기체의 용해속도를 빠르게 할 수 있다. 또 액체에 기체를 가하도록 유로의 상류측 위치에 기체공급계를 접속시키므로, 용해·혼합되어야 할 기체를 공급할 수 있다.

또, 액체와 기액유체를 공급가능하도록 하는 펌프를 설치하고 있으므로, 기체의 취입, 이들의 유로내로의 공급, 목적으로 하는 사용장소로의 공급 등을 가능하게 할 수 있다. 더욱이, 하류측의 소정위치에 유로의 단면적을 급변시키도록 개구판을 설치하므로, 유로 단면적의 축소로부터 확대하는 과정에서 기체를 미세절단·분리시키고, 액체흐름에 따라 작은 기포로서 액중에 균일분산시킬 수 있다. 그 결과, 액중으로의 기체의 용해반응을 촉진시킬 수 있다. 그리고 이 경우, 개구판의 근방으로부터 상류측으로 기액유체를 선회시키는 선회부재를 설치하여 있으므로, 비중이 큰 액을 외주측에 모으고 중심측에 기체를 수집하고, 기액유체를 개구판에 도입할 때에, 기체의 통과상태를 안정시켜, 기포의 균일 세립화나 운전시의소음이나 진동의 발생을 보다 완전하게 방지할 수 있다.

그리고 더욱이, 기액유체가 시간을 들여서 흐르도록 간격을 두고 유로 단면축소수단을 설치하므로, 균일분산한 소기포로서 존재하는 기체를 가압하여 압력을 올리고, 기체의 용해도를 크게 하여 많은 기체를 용해시킴과 동시에, 혼합상태로 잔존하는 기체를 한층 더 균일 분산시킬 수 있다. 또한, 시간을 들여서 흐르게 함으로써, 기액유체를 확실히 대략 용해도에 도달시킬 수 있다. 이 경우, 시간을 들인다 하더라도, 본 발명에서는 상기와 같이 기액접촉에 최적인 조건을 제공하고 있으므로, 보다 빨리 많은 기체를 액중에 용해시킬 수 있다.

이상과 같이, 청구항 1의 발명은, 관상의 유로구성, 펌프, 선회부재, 유로단면 급변수단 및 유로단면 축소수단의 채용에 의해, 이들의 상승적 효과에 의해, 간단한 구성으로 운전용이한 저코스트의 장치하에, 선택적으로 에어 리프트 또는 산소공급의 어느 하나의 작용을 이룰 수 있는 기액유체를 빨리 공급할 수 있다.

청구항 2의 발명에 있어서는, 서로 선회방향이 반대인 제 1 선회날개와 제 2 선회날개를 복수개 번갈아 선회원상에서 위상을 어긋나게 한 상태로 형성한 교반부재를 개구판의 하류측의 유로내에 설치하므로, 청구항 1의 발명의 선회부재와 함께, 또는 이것 대신에, 기체의 액체중으로 용해성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 즉, 제 1, 제 2 선회날개의 양단을 위상이 어긋나게 하여 형성하고 있으므로, 기액유체가 이들의 사이를 이동할 때에, 흐름방향이 반전함과 동시에, 분류, 합류 및 유로확대 축소에 의해 유속변화가 생기고, 극히 난류상태로 되기 때문에, 기액유체가 충분히 교반되고, 기포가 변형분단되어 물과 접촉하는 표면적이 더 확대되고,물속으로 공기가 용해해 들어가는 것이 대폭적으로 촉진된다. 이와 같은 기체용해도의 대폭적인 촉진효과는, 종래의 통상의 유체믹서로서는 얻을 수 없다.

청구항 3의 발명은 청구항 1 및 2의 발명의 효과를 합해 가진 것이다.

청구항 4의 발명에 있어서는, 개구판을 적어도 3개의 구멍을 구비한 다공판으로 하므로, 청구항 1 내지 3의 발명의 효과에 더하여, 기액용해성을 한층 더 양호하게 할 수 있다. 즉, 개구판의 구멍수를 3개 이상으로 하면, 기액유체가 분할되는 것, 구멍을 나온 후에 흐름상태가 균일화하는 것 등의 효과에 의해, 기액의 분포상태가 양호하게 되고, 기액용해성이 향상된다.

청구항 5의 발명에 있어서는, 유로단면 축소수단을 단면적을 변경가능하게 하는 유로단면 조절수단으로 하므로, 기포의 입도조정을 한층 더 용이하게 행할 수 있다. 그 결과, 사용목적에 일치하는 기액유체의 제조를 한층 더 용이하게 할 수 있다.

청구항 6의 발명에서는, 이상의 발명에 있어서, 펌프를 압력에 대하여 유량의 변동이 적은 용적형 펌프로 하므로, 기체공급량을 일정량으로 조정하면, 공급하는 기액유체의 기액비율을 항상 대략 일정치로 할 수 있다. 기액유체중에 혼합상태로 존재하는 기체의 입도는, 공급기체가 많으면 크게 되고 적으면 작게 되고, 또 용해도에 상당하는 만큼의 양이면 입상태의 혼합기체는 극히 미소화되는 동시에 거의 존재하지않게 되지만, 일정한 용적형 펌프에 의해 기액비율을 목적으로 하는 일정치로 유지할 수 있으므로, 이 값을 조정함으로써, 기액유체중의 혼합상태에 있는 기포의 크기를 목적으로 하는 크기로 조정할 수 있다. 그 결과, 예를 들면 어느정도 큰 미소기포를 많게 하여 에어 리프트효과를 크게 하거나, 공기를 용해도의 근방 또는 조금 과포화상태로 하여 물바닥에 대하여 공기중의 산소공급효과를 크게 하는 등, 목적에 맞는 기액유체를 만들 수 있다.

또, 일정한 용적형 펌프는 그 자체가 큰 자흡능력을 구비하므로, 진공펌프 등을 부착한 자흡식 펌프로 할 필요는 없고, 구조가 간단하고 운전이 간단하게 된다. 또, 압축기 등의 승압기계가 없어도, 펌프의 흡입측으로부터 흡입시키므로써 기체를 공급할 수 있으므로, 장치구성을 간단하고 저코스트의 것으로 할 수 있다.

Claims (6)

1. 액체에 기체를 가해서 기액유체로 하여 공급하는 기액공급장치에 있어서,

   상기 액체와 상기 기액유체가 흐르게 되는 관상의 유로와, 상기 액체에 상기 기체를 가하도록 상기 유로의 상류측 위치에 접속된 기체공급계와, 상기 액체와 상기 기액유체를 공급가능하도록 상기 유로의 일정위치에 설치된 펌프와, 상기 상류측 위치 또는 상기 일정위치중에 어느 하나의 하류측의 위치의 하류측에 상기 유로의 단면적을 급변시키도록 설치된 개구판과, 이 개구판의 근방으로부터 상기 상류측으로 상기 기액유체를 선회시키도록 설치된 선회부재와, 이 개구판으로부터 상기 기액유체가 시간을 들여서 흐르도록 간격을 두고 상기 유로에 설치되어 이 유로의 단면적을 축소가능한 유로단면 축소수단을 갖는 것을 특징으로 하는 기액공급장치.
2. 액체에 기체를 가해서 기액유체로 하여 공급하는 기액공급장치에 있어서,

   상기 액체와 상기 기액유체가 흐르게 되는 관상의 유로와, 상기 액체에 상기 기체를 가하도록 상기 유로의 상류측 위치에 접속된 기체공급계와, 상기 액체와 상기 기액유체를 공급가능하도록 상기 유로의 일정위치에 설치된 펌프와, 상기 상류측 위치 또는 상기 일정위치중에 어느 하나의 하류측의 위치의 하류측에 상기 유로의 단면적을 급변시키도록 설치된 개구판과, 제 1의 회전방향으로 선회하고 있는 제 1 선회날개와 상기 제 1의 회전방향의 반대방향으로 선회하고 있는 제 2 선회날개가 복수개 번갈아 형성된 교반부재로서 상기 제 1 선회날개의 양단과 대응하는상기 제 2 선회날개의 양단이 상기 선회의 선회원상에서 위상을 어긋나게 한 상태로 형성되어 상기 개구판의 하류측의 상기 유로내에 설치된 교반부재와, 상기 개구판으로부터 상기 기액유체가 시간을 들여서 흐르도록 간격을 두고 상기 유로에 설치되어 이 유로의 단면적을 축소가능한 유로단면 축소수단을 갖는 것을 특징으로 하는 기액공급장치.
3. 제 1 항에 있어서, 제 1의 회전방향으로 선회하고 있는 제 1 선회날개와 상기 제 1의 회전방향의 반대방향으로 선회하고 있는 제 2 선회날개가 복수개 번갈아 형성된 교반부재로서 상기 제 1 선회날개의 양단과 대응하는 상기 제 2 선회날개의 양단이 상기 선회의 선회원상에서 위상을 어긋나게 한 상태로 형성되어 상기 개구판의 하류측의 상기 유로내에 설치된 교반부재를 갖는 것을 특징으로 하는 기액공급장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한항에 있어서, 상기 개구판은 적어도 3개의 구멍을 구비한 다공판인 것을 특징으로 하는 기액공급장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한항에 있어서, 상기 유로단면 축소수단은 상기 단면적을 변경가능하게 하는 유로단면 조절수단인 것을 특징으로 하는 기액공급장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한항에 있어서, 상기 펌프는 압력에 대하여 유량의 변동이 적은 용적형 펌프인 것을 특징으로 하는 기액공급장치.