KR200270595Y1 - 수처리용 교반기 날개 - Google Patents

Abstract

본 고안은 수처리용 교반기 날개에 관한 것으로, 응집지 내에서 형성되는 플록을 점진적으로 큰 플록으로 성장시키고 성장된 플록은 깨지지 않도록 하기 위한 목적으로 수처리시에 사용되고 있는 혼화 및 응집기로서의 역할을 수행하기 위한 교반기 날개(임펠러)의 구조를 새롭게 디자인하여 임펠러의 기계적인 회전에너지가 지(池)내의 전 구역에 걸쳐 균등한 크기의 에너지로 유체에 전달되어 형성된 플록을 점차 크게 형성시킬 수 있도록, 교반기 축(1)에 복수개의 교반 날개(2)가 방사상으로 부착된 것에 있어서, 교반 날개(2)는 뿌리부분(24)에서 끝부분(23)으로 갈 수록 피치가 감소되도록 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 소정의 각도씩 다단으로 소정의 각도씩 절곡형성시킨 것이며, 본 고안의 교반날개(2)는 곡면(air foil)을 지니고 있는 기존의 날개에 비하여 제작도 용이하여 직사각형 형상을 지닌 부재를 이용하여 3번 절곡하여 제작하므로 주물을 이용한 곡면부 등의 작업이 없는 점과 프로펠라형 날개와 같이 부재가 많이 소요되지도 않으면서 효과는 동일한 축류형 흐름을 지니게 된다.

Description

수처리용 교반기 날개 {agitator hydrofoil for water treatment}

본 고안은 수처리용 교반기 날개에 관한 것으로, 구체적으로는 정수장에서는 응집지 내에서 형성되는 플록을 점진적으로 큰 플록으로 성장시키고 성장된 플록은 깨지지 않도록 하기 위한 목적으로, 하수처리장에서는 임펠라의 기계적인 에너지를 이용하여 조내의 각지점의 유체에 일정한 크기의 에너지를 부과함으로서 침적된 물질을 지(池)사상부로 부양시키는 등 수처리시에 사용되고 있는 혼화 및 응집용 교반기로서의 역할을 수행하기 위한 교반기 날개(임펠러)의 구조를 새롭게 디자인하여 임펠러의 기계적인 회전에너지가 지(池)내의 전 구역에 걸쳐 균등한 크기의 에너지로 유체에 전달되어 형성된 플록을 점차 크게 형성시킬 수 있도록 한 것이다.

정수장 및 하수처리장에서의 교반기의 역할은 매우 중요하다. 임펠러의 형상을 이떤 형식을 사용하느냐에 따라서 처리대상수의 수질에 지대한 영향을 초래하는 것은 물론이고, 운영시에 발생될 수 있는 문제점이나 운영관리 측면에서도 중요한부분을 차지하고 있다. 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같은 기존의 수처리용으로 사용되어 온 임펠러는 수처리 전문용으로는 개발되지 않은 일반적인 교반기로서, 이들은 지내에서의 속도에너지의 편차가 커서 이들 교반기를 수처리장에서 응집용으로 사용할 경우에는 임펠러가 회전함에 따라서 임펠러의 날개 끝부분인 팁 부근에서 최고의 속도에너지를 지니고, 지의 벽부분이나 바닥면 부분에서는 낮은 속도에너지가 유체에 전달됨으로 인하여 응집에 필요한 교반에너지가 균등하게 유체에 전달되지 못함에 따라서 많은 양의 속도편차가 지내에서 발생되어 왔다.

이로 인하여 속도가 빠른 부분에서는 형성된 스컴이 유체의 과도한 전단력에 의하여 파손되는 현상이 발생하며, 속도가 느린 부분 혹은 사구역에서의 응집이 되지 않는 등의 문제로 인하여 수처리에 지대한 영향을 미치게 되어 수처리 효율의 저하를 유발하여 왔다.

본 고안은 응집지 내에서 형성되는 플록을 점진적으로 큰 플록으로 성장시키기 위한 목적으로 수처리시에 사용되고 있는 혼화 및 응집기로서의 역할을 충분히 수행시키기에 적합한 교반기 날개를 개발하는데 있다.

즉, 정수장 및 하수처리장에서 사용되는 교반기가 지내에서 균등한 속도에너지를 부여할 수 있는 유체의 속도편차가 적은 날개구조를 갖도록 함으로써 혼화지에서는 빠른 시간내에 약품과 처리대상수가 혼합되도록 하고, 응집지에서는 약품에 의하여 형성된 미세한 플록이 큰 크기의 플록으로 형성되도록 함으로써 혼화 및 응집 효과의 향상을 도모할 수 있도록 하는데 있다.

보다 구체적으로는 응집용 임펠러의 기계적인 회전에너지가 유체에 균등한 크기의 에너지로 유체에 전달되어 형성된 플록을 점차 크게 형성시키기 위해 형성된 플록과 플록이 서로 가볍게 연속적으로 접촉하도록 함으로써 큰 크기의 플록으로 성장시키는데 있다. 이와 같이 작은 크기의 플록을 연속적으로 유체에너지에 의하여 연속적으로 접촉시키기 위해서는 설치된 응집용 임펠러의 기계적인 에너지가 유체에너지로 변화될 때에 유체에너지가 지내에서 균등하게 분포될 수 있도록 해야만 형성된 플록은 깨지지 않으며, 작은 플록은 크게 성장시킬 수 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 교반기 축에 방사상으로 부착되는 복수개의 교반날개를 노즈의 내측에서 테일의 외측을 따라 대각선 방향으로 소정의 각도씩 다단으로 소정의 각도씩 절곡형성시킴으로써 회전시 지내에 전달되는 속도 및 압력에너지의 편차가 적도록 한 교반기 날개를 제공한다.

본 고안에서는 유체의 에너지를 상용 CFD(Computational Fluid Dynamics)용 전문 프로그램인 FLUENT Ver 5.3을 이용하여 각종 혼화 및 응집용으로 사용되고 있는 임펠러가 지내에 전파되는 에너지의 크기를 해석하였으며, 지내에 미치는 혼화 및 응집기의 최고와 최저속도의 분포에 대해서는 그래프로 나타내었다.

유체의 수리해석시 적용될 수 있는 방법으로는 MRF(Multiframe Reference Frame)방법과 Sliding Mesh(혹은 Moving Mesh)방법이 있으며, 이 2가지의 방법으로 해석한 결과를 그래프로 나타냄으로써 본 고안에 의한 교반 날개와 기존의 교반기날개의 성능을 비교할 수 있도록 하였다.

도 1은 종래 플랫 블레이드 터빈형(Flat Blade Turbine Type)교반기 날개를 도시한 3차원 도면,

도 2는 종래 핏치드 블레이드 터빈형(Pitched Blade Turbine Type)교반기 날개를 도시한 3차원 도면,

도 3은 종래 러스턴 터빈형(Rushton Turbine Type)교반기 날개를 도시한 3차원 도면,

도 4는 셔라우드 터빈형(Shroud Turbine Type)교반기 날개를 도시한 3차원 도면,

도 5는 본 고안에 의한 수처리용 교반기 날개의 사시도,

도 6은 본 고안에 의한 수처리용 교반기 날개의 전개도,

도 7은 본 고안에 의한 수처리용 교반기 날개의 평면도,

도 8은 MRF(Multi Frame Reference Frame)방법에 의한 기존 교반기 날개들과 본 고안에 의한 교반기 날개의 조내 물리적인 속도크기의 비교 그래프,

도 9은 Sliding Mesh에 의한 기존 교반기 날개와 본 고안의 교반기 날개의 조내 물리적인 속도크기의 비교 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 교반기 축 2 : 교반날개

21 : 노즈(nose) 22 : 테일(tail)

23 : 끝부분(tip) 24 : 뿌리부분(root)

25 : 제1면 26 : 제2면

27 : 제3면 28 : 제4면

이하, 본 고안을 첨부된 도면을 참고로 설명하기로 한다.

도 5는 본 고안에 의한 수처리용 교반기 날개의 사시도이고, 도 6은 본 고안에 의한 수처리용 교반기 날개의 전개상태도이며, 도 7은 본 고안에 의한 수처리용 교반기 날개의 평면도이다.

상기 도 5 내지 도 7에 도시한 바와 같이 본 고안은 교반기 축(hub; 1)에 방사상으로 부착되는 복수개의 교반날개(2)를 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 소정의 각도씩 다단으로 소정의 각도씩 절곡형성시킴으로써 회전시 지내에 전달되는 속도 및 압력에너지의 편차가 적도록 한 것이다.

상기 각 교반날개(2)는 교반기 축(1)과 직교하는 기본선에 대하여 후퇴된 경사각(도면상으로는 10°)을 이루면서 방사상으로 동일한 피치(pitch)를 갖도록 부착되며, 날개의 끝부분(tip; 23)에서부터 날개의 뿌리부분(root; 24)까지 동일한 날개두께를 갖고 있다.

본 고안의 교반날개(2)는 곡면(air foil)을 지니고 있는 기존의 날개에 비하여 제작시 간편한 장점도 지니고 있다. 즉, 직사각형 형상을 지닌 부재를 이용하여 3번 절곡하여 제작하므로 주물을 이용한 곡면부 등의 작업이 없는 점과 프로펠라형 날개와 같이 부재가 많이 소요되지도 않으면서 효과는 동일한 축류형 흐름을 지니고 있다.

즉, 본 고안의 교반날개(2)는 도 6에 도시한 바와 같이 축(1)쪽에 부착되는제1면(25)과, 이 제1면(25)에 대하여 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 전방으로 소정각도로 절곡형성되는 제2면(26)과, 이 제2면(26)에 대하여 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 전방으로 소정각도로 절곡형성되는 제3면(27)과, 이 제3면(27)에 대하여 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 전방으로 소정각도로 절곡형성되는 제4면(28)으로 이루어져 있으므로, 직사각형 부재를 설계된 각도로 3번 절곡시킴으로써 제작할 수 있고, 이를 교반기 축(1)에 용접이나 기타 볼트조립 등의 방법으로 부착하는 것에 의해 교반기 날개를 완성할 수 있다.

본 고안에 의한 교반날개는 상기 제2면(26), 제3면(27) 및 제4면(28)이 각각 전방 내측으로 소정각도씩 대각선방향으로 절곡됨으로써 각 면(25~28)이 이루는 피치가 점차로 감소됨으로써 교반날개의 뿌리부분(24)에서 끝부분(23)으로 갈 수록 피치가 감소되는 일반적인 축류형 프로펠러와는 정반대의 특이한 구조를 갖게 된다.

본 고안의 교반기 날개가 이와 같은 구조로 설계된 이유는 기존의 축류형 프로펠러가 날개의 뿌리부분에서 끝부분으로 갈 수록 피치가 증가하도록 설계되어 있어 날개의 끝부분이 최고의 속도에너지를 가지게 되어 지내에서의 속도에너지의 편차가 커지게 되고, 지내의 벽부분이나 바닥면 부분에서는 낮은 속도에너지가 유체에 전달됨으로 인하여 응집에 필요한 교반에너지가 균등하게 유체에 전달되지 못함에 따라서 많은 양의 속도편차가 지내에서 발생되던 것을 해소할 수 있도록 한 것이며, 본 고안에서는 날개의 반경이 증가함에 따라서 그 피치가 감소하도록제2면(26) 내지 제4면(28)을 소정의 각도로 다단으로 전방 내측을 향하여 대각선방향으로 절곡시킨 것이다.

이하에서는 본 고안의 교반기 날개와 기존의 교반기 날개를 비교설명함으로써 본 고안의 작용 및 효과에 대하여 설명하기로 한다.

본 고안과 대비하기 위하여 기존 날개로서 세계적으로 많이 사용되고 있는 축류형 날개의 형식으로는 프로펠러형(Propeller)형이 가장 많이 사용되고 있다. 그러나, 이 형식을 철강이나 주강 등의 메탈로 제작할 경유에는 날개의 폭이 넓어서 재료의 사용량이 많으며, 곡면부위가 많으므로 제작시 어려움이 있어 왔다.

또한, 기존에 수처리장에서 많이 사용되고 있는 임펠러는 수처리전문용 날개가 아니므로 일반적으로 적용되는 교반기가 많이 사용되고 있는 실정에 있다.

본 고안은 수처리용의 날개가 지녀야 할 지내의 에너지의 산포가 일정한 크기를 지니도록 고안된 수처리용에 적합한 날개이다. 즉, 형성된 플록을 더욱 큰 크기로 형성되게 하기 위하여 지내에서 균등한 크기로 에너지를 전파시킬 수 있어서 플록과 플록이 일정한 크기의 전단응력을 지니고 접촉함으로써 좀 더 큰 플록으로 형성되어 수처리의 효율을 높일 수 있는 용도로 개발되었다.

정수장 및 하수처리자에서 사용되고 있는 교반기의 역할은 혼화지에서는 빠른 시간내에 약품과 처리대상수가 적절히 혼합되도록 해야 하며, 응집지에서는 약품에 의하여 형성된 미세한 플록이 입자간의 접촉을 통하여 큰 크기의 플록으로 형성되도록 해야만 한다. 그러나, 정수장 및 하수처리장에서 사용되는 혼화기 및 응집기용으로 사용되는 기존 날개의 형상은 기계플랜트나 화학플랜트 등에서 일반적으로 사용되고 있는 교반기가 혼화기 및 응집기로 사용되고 있는 실정이다. 이로 인하여 날개 근처의 에너지량은 너무 커서 형성된 플록을 전단파괴시키며, 지의 하부나 벽면 부근에서는 에저지 전달량이 너무 적어서 입자와 입자가 상호 접촉하는 힘이 미약하거나 작용하지 못하게 되어 혼화 및 응집효과가 급격히 떨어지는 요인이 되어 왔다. 본 고안에서는 이와 같은 문제점을 해결하고자 지내에 전달되는 속도 및 압력에너지의 편차가 적은 날개의 형상을 개발하였다. 따라서 형성된 플록들에 미치는 에너지량을 지의 구석구석까지 거의 균등한 크기로 전달시켜서 작은 플록이 큰 크기의 플록으로 쉽게 형성되도록 할 수 있는 특성을 지닌다. 이와 같이 최고 속도 및 최저속도, 그리고 지내 속도벡터를 적분하여 속도편차를 구한 값들을 도 8 및 도 9에 각각 나타내었다.

도 8은 3차원 수리해석방법중에서 MRF방법을 적용하여 해석한 결과를 나타낸 것이며, 도 9는 슬라이딩 메시방법에 의하여 해석한 결과를 나타낸 것이다.

각각의 해석방법에 따라서 본 고안에 의한 날개구조를 갖는 교반기가 가장 작은 속도 편차값을 지니고 있음을 알 수 있었다.

이들 결과는 MRF에 의한 해석결과와 슬라이딩 메시에 의한 해석결과가 거의 동일한 결과를 보여주고 있음을 확인할 수 있어서 해석결과에 대한 신뢰성이 높음을 알 수 있다. 해석시에 사용된 지내 절점(MESH)수는 약 12만개의 셀로 해석을 하였다.

이를 상세히 설명하면, 도 8 및 도 9에서는 혼화 및 응집용으로 국내 및 해외에서 수처리용으로 많이 사용되고 있는 FBT(Flat Blade Turbine), PBT(Pitched Blade Turbine), RUSHTON(Rushton Turbine), SHROUD(Shroud Turbine)와 본 고안에서 제시하는 새로운 날개 형태가 각 날개(임펠러)에 대한 지내에서의 최고속도와 최저속도, 그리고 이들의 평균속도와 속도의 편차에 대해서 나타내었다.

사용된 데이터로서는 지 전체에 대한 해석결과에 의한 디지털 데이터들을 적분시켜 구한 것이다. 도 8 및 도 9의 그래프에서 X좌표와 Y좌표는 각각 날개형식과 속도값을 나타내고 있으며, 각 날개형식에 대한 평균속도, 표준편차, 최저속도 및 최고속도의 시험치가 표시되어 있다.

상기 도 8 및 도 9의 그래프로 도시된 3차원 수리해석결과에 의하면, 본 고안에 의한 날개는 수처리에 사용되고 있는 기존의 날개들에 비하여 속도의 편차가 적어 수처리시 지 내부에 일정한 크기의 압력이나 속도를 부여할 수 있어서, 수처리시에 형성된 스컴이 과부하에 의하여 국부적으로 파손되거나 혹은 지내에 에너지의 전달량이 적어서 발생되는 응집불능이 되지 않는 수처리 전문용 날개로 사용될 수 있을 것으로 확인되었다.

이상 설명한 바와 같이 본 고안의 수처리용 교반기 날개는 직사각형의 금속판을 다단으로 절곡시키므로 간단하게 제작할 수 있어 제작비가 저렴하고, 혼화 및 응집지의 교반기로 사용될 때에는 지내 유체에너지를 고르게 분포시킬 수 있으므로 혼화 및 응집 효율을 높일 수 있어 수처리의 효율성을 제고시킬 수 있는 유용한 효과를 갖는다.

Claims (3)

1. 교반기 축(1)에 복수개의 교반 날개(2)가 방사상으로 부착된 것에 있어서,

   상기 교반 날개(2)는 뿌리부분(24)에서 끝부분(23)으로 갈 수록 피치가 감소되도록 설계된 것을 특징으로 하는 수처리용교반기 날개.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 교반날개(2)는 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 소정의 각도씩 다단으로 소정의 각도씩 절곡형성시킴으로써 뿌리부분에서 끝부분으로 갈 수록 피치가 감소되도록 한 것을 특징으로 하는 수처리용 교반기 날개.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 교반날개(2)는 교반기 축(1)쪽에 부착되는 제1면(25)과, 이 제1면(25)에 대하여 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 전방으로 소정각도로 절곡형성되는 제2면(26)과, 이 제2면(26)에 대하여 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 전방으로 소정각도로 절곡형성되는 제3면(27)과, 이 제3면(27)에 대하여 노즈(21)의 내측에서 테일(22)의 외측을 따라 대각선 방향으로 전방으로 소정각도로 절곡형성되는 제4면(28)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수처리용 교반기 날개.