KR20040098481A - 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐수처리에 사용되는 산기장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공기가 토출되는 산기장치의 출구를 개선하여 산기장치의 산소전달 효율을 증대시킨 것으로서, 공기가 들어오는 입구와, 상기 입구를 통해 유입된 공기가 회전 소용돌이(vortex)와 음향공진을 생성하는 챔버와, 상기 챔버의 하면 중앙부에 설치되며 상부로 갈수록 그 직경이 증가하고 그 수평단면의 외주가 원형이고, 상기 입구로부터 유입되는 공기의 회전을 원활하게 하는 가이드와, 상기 챔버와 가이드와의 틈에 의하여 링 형상으로 형성되고, 회전 소용돌이로 만들어진 공기가 상기 챔버에 의해서 발생되는 음향에너지를 얻으면서 수중으로 공급되는 출구로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치를 제공한다.

Description

회전력과 음향공진을 이용한 산기장치{AIR DISTRIBUTER USING ROTATION AND ACOUSTIC RESONANCE}

본 발명은 음향공진을 이용한 산기장치에 관한 것으로, 특히 폐수처리장의 산소 공급장치에 있어서 회전 소용돌이와 공진에 의한 음향에너지를 이용하여 산소의 용해도를 증가시켜 산소전달 효율을 향상시키는 음향공진을 이용한 산기장치에 관한 것이다.

산기장치는 일종의 기체와 액체간의 상이한 두 물질간의 산기나 물질전달 장치에 관한 것으로서, 두 물질간의 접촉면적을 넓게 하거나, 평형상태를 이루고 있는 물질의 상태를 불안정안 상태로 만들어 물질과 물질의 경계층인 경막(境膜)을 얇게 하면 된다. 특히, 액체에 산기되는 기체를 분산(分散)시키면, 액체와 기체의 접촉 면적이 넓어지므로, 기체의 액체로의 전달(용해)이 촉진된다.

이러한 산기장치 중, 진동을 이용하여 물질을 분산시키는 장치가, 미국특허번호 3,108,743호(William L. Drayer 등에게 허여)에 "액체를 무화하기 위한 진동장치(Vibratory apparatus for atomizing liquids)"라는 제목으로 게재되어 있고, 미국특허번호 3,917,233호(Warren A. Blower 등에게 허여)에 "진동기(Vibrator)"라는 제목으로 게재되어 있다.

또한, 산기관의 기능을 개선하기 위한 한국 특허 또는 실용신안 공보 중에는 한국 특허등록번호 10-0206746(음향공진을 이용한 산기장치), 한국 특허등록번호 10-0223986(회전력과 음향공진을 이용한 산기장치), 실용신안공개번호 1999-0022292(쌔들조립형 에어플렉스 디스크 멤브레인 산기관), 특허공개번호 2002-0094444(신속설치 및 제거가 가능한 폭기조의 산기장치), 특허공개번호 2002-0039419(호기성 생물 정화처리를 위한 산소공급장치), 특허공개번호 2000-0060833(오폐수처리용 산기장치), 특허공개번호 2000- 0008181(산기장치), 실용신안등록번호 20-0296762(산기장치), 실용신안등록번호 20-0270103(싸이클론 산기장치), 특허공개번호 1998-081904(특허등록번호 10-02892300, 챔버내부에 나선형 가이드 홈이 형성된 음향공진형 기체 용해장치), 실용신안등록번호 20-0229182(균일기포발생 산기관), 실용신안등록번호 20-0229181(기포합체 방지용 원뿔형 산기관) 등이 있다. 그러나 이들은 장치가 지나치게 크고 설치와 제작에 어려움이 있는 경우, 산기 성능이 떨어지는 경우, 기본적으로 장치가 크고 복잡하며 유지에 어려움이 있는 경우, 복잡한 구조를 가지고 있기에 제작에 어려움이 있으며 경제성이 떨어지는 경우 등의 문제점이 있다.

예를 들면, 한국 특허등록번호 10-0223986(회전력과 음향공진을 이용한 산기장치)은 내부가 비어있는 원통형의 몸체에 있어서, 밑면의 중심부에 내부공간이 환형이 되도록 형성된 내부기둥과, 상기 몸체의 측면에 외부공기가 접선 방향으로 유입되는 입구로 구성되어, 회전력과 음향공진을 이용하여 산소의 용해도를 증가시켜 줌으로써 산소전달 효율을 개선할 목적으로 본 출원인에 의하여 출원된 것이나, 회전만으로는 산소전달 효율이 다소 부족하고 산기장치로부터 토출되는 공기가 수직으로 상승해버리는 문제점이 있다.

또한, 특허공개번호 1998-081904(특허등록번호 10-0289230, 챔버내부에 나선형 가이드 홈이 형성된 음향공진형 기체용해장치)는 폐수처리의 산소공급장치에 있어서 챔버 내벽 면에 나선형 가이드 홈을 형성하여 회전을 용이하게 한 것이나, 가이드 홈이 설치된다고 하여 공기의 수중체류시간이 증가되지는 않는다.

이들 중에 대표적인 예로서 종래의 산기장치가 도1, 도2a 및 도2b에 도시되어 있는데, 이러한 산기장치가 폐수처리장에서 사용되는 것을 예로 들어 설명한다.

먼저 도1을 설명한다. 도1은 종래의 산기장치의 사시도이다. 산기장치는 도1과 같이 접속구 몸체(1), 고정대(2, 2') 및 파이프(3)로 구성되어있다. 접속구 몸체(1)를 통하여 들어온 압축공기가 파이프(3)의 미세구멍을 통과하면서 작은 공기방울을 형성하여 물속으로 공급된다. 이때, 파이프(3)는 별도의 구멍이 있는 것이 아니라 세라믹이나 폴리에틸렌을 이용하여 파이프를 만들 때 미리 미세구멍이 생성되도록 제작된 것이다. 그러나 이 장치는 단순히 공기를 미세구멍으로 통과시키는 장치로 공기방울을 균일한 크기로 작게 만들 수 있다는 장점에도 불구하고 폭기조의 일시적인 운전정지 시에 미세구멍이 폐수 중의 슬러지나 수생식물의 번식에 의하여 막혀서 그 기능을 상실하므로 잦은 보수 및 세척을 해야만 하는 심각한 문제가 있다. 이외에도 이와 유사한 기술의 산기장치가 보급되어 있으나 기본적으로 유사한 문제점인 잦은 보수 및 세척의 문제를 극복하지 못하고 있다.

이런 문제점을 극복하기 위하여 본 출원인은 도2a 및 도2b와 같은 산기장치를 개발하여 특허출원하여 특허등록번호 10-206746(음향공진을 이용한 산기장치)을 특허등록 받은 바 있다. 도2a 및 도2b는 챔버(4)의 접선방향으로 설치된 입구(5)로 들어온 압축공기가 챔버(4) 내부에서 회전 소용돌이(vortex)가 되어 출구(6)로 빠져나가게 된다. 압축공기가 출구(6)를 통하여 수중으로 방출될 때 압축공기와 산기장치 주위 물과의 압력차에 의하여 특정 주파수(F)에서 공진이 발생하게 되며, 상기 공진으로 인하여 음향에너지가 물속으로 전달되면서 공기방울에서 물로의 물질전달 저항을 감소시켜 산소의 용해속도를 증가시킨다.

도2a 및 도2b에 나타낸 기존 음향공진 산기장치에 의한 주파수(F)는 다음과 같다.

(1)

여기서 음향공진의 크기 및 주파수는 챔버(4)내 마찰로 인한 공기의 회전속도 감소와 연관된 계수(K), 챔버하부의 직경(d1), 챔버 높이(h), 산기장치로 유입된 압축공기의 압력(Pair), 산기장치 출구에서의 물의 압력(Pwater)에 의해 좌우된다. 또한 C는 음속으로 기체와 물이 산기된 상태의 음속이나 실제 음향공진 산기장치의 작동조건에서는 공기가 대부분의 매질을 차지하기 때문에 압축공기 중의 음속에 가깝다. 또한 계수 K는 산기장치에 따라 실험에 의해 측정된다.

그러나, 상기에서도 설명한 바와 같이, 도1과 같은 종래의 산기장치의 경우 미세구멍이 막혀 잦은 보수 및 세척을 해야만 하는 문제가 있고, 높은 운전비용 등의 문제점이 있다. 또한, 이와 같은 문제점을 극복하기 개발된 도2a 및 도2b의 기존 음향공진 산기장치는 보수 및 세척의 필요성은 거의 없으나, 기포가 수중에 체류하는 시간이 적거나, 작은 음향공진 에너지 등으로 인한 낮은 산소전달효율의 문제점을 갖고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 공기의 회전 소용돌이와 음향공진을 더욱 효과적으로 발생시킴으로써 산소전달 효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

도1은 종래의 파이프를 이용한 산기장치의 사시도.

도2a는 종래의 음향공진을 이용한 산기장치의 단면도.

도2b는 도2a의 A-A' 단면도.

도3은 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 수평단면도.

도4a는 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 수직단면도.

도4b는 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 다른 실시예의 산기장치의 수직단면도.

도5는 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 평면도.

도6은 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 측면도.

도7은 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

14 : 챔버

15 : 입구

16: 출구

17 : 가이드

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 공기가 토출되는 출구를 산소의 전달효율을 증가시키도록 설계한 것으로서, 공기가 들어오는 입구와, 상기 입구를 통해 유입된 공기가 회전 소용돌이(vortex)와 음향공진을 생성하는 챔버와, 상기 챔버의 하면 중앙부에 설치되며 상부로 갈수록 그 직경이 증가하고, 그 수평단면의 외주가 원형이고, 상기 입구로부터 유입되는 공기의 회전을 원활하게 하는 가이드와, 상기 챔버와 가이드와의 틈에 의하여 링 형상으로 형성되고, 상기 회전 소용돌이로 만들어진 공기가 상기 챔버에 의해서 발생되는 음향에너지를 얻으면서 수중으로 공급되는 출구로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치를 제공한다. 본 발명에서는 가이드가 상부로 갈수록 그 직경이 증가함에 따라, 공기가 토출되는 출구의 간격이 좁아져서 토출되는 기포의 크기가 줄어들고 토출속도가 증가하여, 결국 산소전달효율이 향상된다.

또한, 본 발명에서 상기 챔버의 내주면은 상부로 갈수록 그 직경이 증가하고, 상기 챔버와 가이드와의 틈에 의하여 형성되는 출구의 방향은 수평방향에 근접하도록 형성하는 것이 바람직하다. 챔버의 내주면은 상부로 갈수록 그 직경이 증가함에 따라, 기포가 넓게 토출되고, 출구의 방향이 수평방향에 근접하게 됨에 따라 기포가 토출될 때에 수평 방향으로 토출되므로 기포의 수평 이동성이 증가하여 기포의 수중 체류시간이 증가하여, 결국 산소전달효율이 향상된다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하면서 아래에서 설명한다. 본 발명은 아래의 구체적인 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도3은 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 수평단면도이고, 도4a 및 도4b는 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 수직단면도이고, 도5는 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 평면도이고, 도6은 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 측면도이고, 도7은 본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치의 사시도이다.

본 발명의 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치는 기존의 음향공진 산기장치의 챔버(4)와 유사한 기능을 가진 챔버(14)와, 추가로 설치되며 유입되는 공기의 회전을 원활하게 하는 가이드(17)로 구성된다. 상기 챔버(14)에는 외부로부터 공기가 유입되는 입구(15)가 형성되어 있고, 상기 챔버(14)와 가이드(17)와의 틈에 의하여 출구(16)가 형성된다. 상기 가이드(17)는 상부로 갈수록 그 수평단면의 직경이 증가하여 공기가 토출되는 출구(16)는 그 간격이 좁아지고, 그 수평단면의 외주는 원형이 바람직하다. 상기 챔버(14)는 상부가 개방되어 있고 내부가 비어 있는 원통형이다. 또한, 도4a 및 도4b에서 도시된 바와 같이 상기 챔버(14)의 상부는, 상기 가이드(17)와 출구를 형성함에 있어서 출구의 방향을 수평으로 형성하기 위하여 출구(16) 근처에서 챔버의 내주 직경이 증가하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 출구(16)는 도6 또는 도7에서 도시된 바와 같이 링 또는 도넛츠 형상이 바람직하고, 상기 챔버(14)의 내주면은 도4a 및 도4b에서 도시된 바와 같이 상부로 갈수록 그 직경이 증가하고, 상기 챔버(14)와 가이드와(17)의 틈에 의하여 형성되는 출구의 방향은 수평방향에 근접하도록 형성하는 것이 바람직하다. 도4a에서는 가이드(17)가 약 45도 각도로 형성되어 출구도 비슷한 각도로 되어 있는데, 도4b에서는 가이드(17)가 거의 수평에 가깝게 형성되어 있다. 출구 방향이 수평에 근접할수록 기포의 수중 체류시간이 증가하는 효과가 있다.

또한, 상기 챔버(14)의 내주면에는 유입되는 공기의 회전을 원활하게 하기 위하여 나선상의 홈이 형성될 수 있다.

본 발명에서의 산기장치는 폐수처리 등에서 실제 사용될 경우에는 공기 또는 산소 공급장치와 체결되어 사용되므로 입구(15)측에는 적당한 체결수단을 형성할 수 있다. 체결수단으로서는 기존에 알려진 다양한 방법이 채용 가능하며, 예로서 입구(15)측에 암나사 또는 수나사를 형성하고 공기 공급기 측에는 수나사 또는 암나사를 형성하는 방법이 있다.

본 발명에서의 산기장치의 재질로서는 금속, 플라스틱 등 다양한 재질이 이용가능하며, 플라스틱의 경우가 가볍고 경제적이다. 본 발명의 산기장치의 제작은 기존의 다양한 제작 방법을 활용할 수 있는데 주조제작 방법이나, 부분적으로 주조제작하여 결합하는 방법 등이 간편하다.

일반적으로 산기장치의 성능을 나타내는 수온 20 ℃에서의 표준 산소전달효율(SOTE : Standard Oxygen Transfer Efficiency)은 아래 식 (2)로 표시된다.

(2)

표준 산소전달 효율을 파악하기 위해서는 기상으로부터 액상으로의 산소이동에 대하여 살펴볼 필요가 있다. 기상으로부터 액상으로의 산소이동에 대해서는 두개의 경막저항이 존재한다는 이중경막설이 일반적으로 받아들여지고 있으며 이 이론에 기초하여 아래와 같은 산소전달속도(dW/dt)에 대한 식 (3)이 도출된다.

dW/dt = kLa(Cs-C_l) (3)

W 산소이동량 (mol) t 시간 (min)

k_L액경막의 산소이동계수 (cm/min) a 기액 접촉면적 (cm²)

C_s액중의 용존산소포화농도 (mol/cm³) C_l액중의 용존산소농도(mol/cm³)

상기의 식에서 산소의 수중으로의 이동속도(dW/dt)는 기액 접촉면적 a와 액경막의 산소이동계수 k_L에 비례하는 것을 알 수 있다. 기체와 물의 접촉면적(기액접촉면적) a는 동일양의 기체의 경우에, 기체가 물속에서 미세화될수록 증가한다. 또한, 액경막의 산소이동계수 k_L은 기포와 물 사이 존재하는 경막의 두께에 반비례하고, k_L은 정적인 상태보다 와류 등에 의하여 불안정한 상태일수록 경막 두께가 얇아져서 경막저항이 감소하여 증가한다고 알려져 있다.

이상을 종합하여 보면, 표준 산소전달 효율을 증가시키기 위해서는 다음과 같은 방법이 일반적으로 고려되고 있다.

1. 물과 공기의 접촉면적을 증가시키기 위하여 미세 공기방울을 생성한다.

2. 물과의 접촉시간을 증가시키기 위하여 공기방울의 이동경로를 가능한 수평으로 하여 물속에서의 체류시간을 연장한다.

3. 기-액의 접촉면에 존재하는 평행상태를 불안정안 상태로 만들어 경계층인 경막(境膜)을 얇게 하기 위해서 공기방울에 에너지를 공급한다.

본 발명은 상기와 같은 세 가지의 원리를 적용하여 기존의 음향공진 산기관의 성능을 개선하도록 발명되었다.

본 발명의 산기장치의 작용에 대하여 살펴보면, 압축 공기는 챔버(14)에 접선방향으로 설치된 입구(15)를 통하여 산기장치로 들어오게 된다. 산기장치로 들어온 압축공기는 챔버(14)와 가이드(17) 사이의 챔버 내부(18)를 따라서 와류(vortex)회전하면서 출구(16)로 빠져나가게 된다. 출구(16)로 빠져나가는 공기는 챔버(14) 내부로 유입된 물과 혼합되어 기포형상으로 방출된다. 수중으로 방출되는 공기와 물의 압력차이에 의하여 주파수 공진이 발생하게 되며 상기 공진에 의한 음향에너지가 물속으로 전달되면서 기포에서 물로의 물질전달 저항을 감소시켜 산소의 용해속도를 높이게 된다.

도3과 도4a 및 도4b에서 도시된 바와 같이, 산기장치 내부로 유입된 공기는 가이드(17)가 상부로 갈수록 그 직경이 증가함에 따라, 공기가 토출되는 출구의 간격이 좁아져서 토출되는 기포의 크기가 줄어들고 토출속도가 증가한다. 기포들의 크기가 줄어들어 미세화되면 상기 항목 1에서와 같이 물과 공기의 접촉면적이 증가되어 산소전달효율을 향상된다.

또한, 상기 챔버(14)의 내주면은 상부로 갈수록 그 직경이 증가하고, 상기 챔버와 가이드와의 틈에 의하여 형성되는 출구의 방향은 수평방향에 근접하도록 형성되면, 기포가 토출될 때에 수평 방향으로 토출되어 기포의 수중 체류시간이 증가하여, 상기 항목 2에 의하여 결국 산소전달효율이 향상된다.

또한, 본 발명에서는 회전 가이드(17)가 설치되어 있으므로 기포의 회전력과 속도가 증가하고, 토출되는 기포의 수평이동 속도가 빨라지므로, 물속에서 기포의 체류시간 및 이동경로가 더욱 연장되어 상기 항목 2를 만족시켜 수중으로 녹아 들어가는 산소의 양이 증가한다. 또한, 기포의 토출 속도가 빨라지면, 기포와 물 사이의 경막이 얇아져서 상기 항목 3에 의하여 산소가 수중으로 녹아 들어가는 속도가 빨라진다.

상기와 같이 본 발명의 이중 음향공진 산기관은 기존의 음향공진 산기장치 보다 더욱 향상된 회전력 및 미세화된 기포의 생성을 통하여 기존의 음향공진 산기장치 보다 증가된 산소전달효율을 보여준다.

실제로 본 발명자들은 내부가 비어있는 원통형의 몸체에 있어서, 밑면의 중심부에 내부공간이 환형이 되도록 그 내부에 원통 막대만 설치된 형성된 산기장치(한국 특허등록번호 10-0223986, 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치)에 비하여 본 발명의 산소전달효율이 더 효과적인 것을 확인하였다.

본 발명에서의 산기장치는 폐수처리장치에서의 산소 공급이외에도 맥주 발효, 미생물 발효, 기타 폐수처리공정, 또는 그 밖의 화학공정 중에 산소와 같은 기체를 액체에 공급하는데 응용이 가능하다. 또한, 액체와 고체, 또는 액체와 액체 등과 같이 두 종류의 물질을 혼합하는 데에 사용이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 이중 공진관을 이용한 산기장치는 공기가 토출되는 출구를 개선함에 따라, 기포의 회전력과 수평이동속도가 증가하여, 기존의 음향공진을 이용한 산기장치들에 비하여 기체 기포를 매우 작게 할 수 있을 뿐만 아니라 기포가 종래의 산기장치들과 달리 수직으로 상승하지 않고 수평으로 이동하면서 상승하게 되기 때문에 수중에서의 체류시간이 길다. 또한, 수중의 공진과 빠른 수평이동에 의하여 기포와 물 사이의 경막 저항이 감소하여 산소 용해가 용이해진 것도 본 발명의 산기장치의 산소전달 효율이 높은 이유 중의 하나이다.

Claims (5)

1. 공기가 들어오는 입구와, 상기 입구를 통해 유입된 공기가 회전 소용돌이(vortex)와 음향공진을 생성하는 챔버와, 상기 챔버의 하면 중앙부에 설치되며 상부로 갈수록 그 직경이 증가하고 그 수평단면의 외주가 원형이고, 상기 입구로부터 유입되는 공기의 회전을 원활하게 하는 가이드와, 상기 챔버와 가이드와의 틈에 의하여 링 형상으로 형성되고, 상기 회전 소용돌이로 만들어진 공기가 상기 챔버에 의해서 발생되는 음향에너지를 얻으면서 수중으로 공급되는 출구로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 챔버의 내주면은 상부로 갈수록 그 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 챔버와 가이드와의 틈에 의하여 형성되는 출구의 방향은 수평방향에 근접하게 형성되는 것을 특징으로 하는 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 챔버 내면에는 유입되는 공기의 회전을 원활하게 하기 위하여 나선이 형성된 것을 특징으로 하는 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치.
5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버의 상부는 상기 가이드와 출구를 형성함에 있어서 출구의 방향을 수평으로 형성하기 위하여, 상기 챔버의 상부의 내주 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는 회전력과 음향공진을 이용한 산기장치.