KR20060036468A

KR20060036468A - 액체용 유동 채널

Info

Publication number: KR20060036468A
Application number: KR1020067001580A
Authority: KR
Inventors: 알로이즈 우벤
Original assignee: 알로이즈 우벤
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2004-03-20
Publication date: 2006-04-28
Also published as: CA2533042A1; US20070017588A1; IL173185A0; NO20060842L; EP1649173A1; CN1833109A; IS8317A; DE10333477A1; JP2006528750A; BRPI0412883A; MXPA06000733A; AR046398A1; EG23928A; AU2004267143A1; ZA200600103B; US7487799B2; WO2005019658A1

Abstract

이 발명은 액체용 유동 채널에 관한 것이다,

본 발명의 목적은 액체 또는 기체용 유동 채널을 제공하는 것으로, 유동에서 가능한 한 낮은 손실, 특히 낮은 마찰 손실이 발생하는 디자인이다. 본 발명의 추가적인 목표는 상이한 유동 영역이 설정되는 액체용 유동 채널을 제공하는 것이다.

유동 채널을 형성하는 적어도 하나의 벽이, 액체가 유동할 때 축 방향과 접선 방향의 유동성분을 동시에 가지는 적어도 하나의 유동 영역이 발생되는 형상으로 된 것을 액체용 유동 채널의 특징으로 한다.

Description

액체용 유동 채널{FLOW CHANNEL FOR LIQUIDS}

이 발명은 액체용 유동 채널에 관한 것이다.

알려진 바와 같이 일상생활의 다양한 영역에서 액체 또는 기체도 폭 넓은 다양한 형상들의 유동 채널을 통과한다. 그 점에서의 목적은 빈번하게 물질 및/또는 에너지를 운반하는 것이다. 액체용 유동 채널의 실례는 예를 들면 가내 기술 , 공정, 또는 에너지 기술에서의 파이프, 또는 예를 들면 증기 터빈이나 오수 처리 설비와 같은 유체 유동 기계에서의 유동 채널이다. 생물학 분야에서 유동 채널은 예를 들면 혈액을 운반하는 혈관의 형태로 구체화된다.

최신 기술의 관심이 다음 공보들을 향해 있다: DE 198 06 513; WO 01/18406 A1; WO 00/38591 A2; US No 2 935 906 및 US No 1 958 577.

유동 채널을 통과하는 유동의 결정적인 특성 파라미터는, 실질적으로 마찰과 방향의 변화에 의해 좌우되고 드래그 저항 계수와 같은 표준화된 특성 값의 형태로 표현되는 유동 저항이다. 이 유동 저항을 고려하는 것은 파이프 라인과 같은 유동 채널을 디자인하고, 펌프 혹은 다른 압력 생성 유닛을 설계함에 있어서 중요하다.

예를 들어 펌핑(pumping)을 위한 소모 에너지의 양과 궁극적으로 설치를 위한 에너지 소모가 가능한 한 낮게 유지되기 위해서, 유동의 측면에서 발생하는 유 동 저항과 마찰 손실은 가능한 한 최소화되어야만 함이 이해될 것이다. 그 점이 유동 채널의 디자인에 있어 고려되는 것이다.

본 발명은 유동 채널을 형성하는 적어도 하나의 벽이, 액체가 유동할 때 축 방향과 접선 방향의 유동 성분을 동시에 가지는 적어도 하나의 유동 영역이 발생된다는 점에서, 본 명세서의 서두에서 설명한 종류의 유동 채널에서의 목적을 달성한다.

놀랍게도 본 발명에 따른 유동 채널에 의해, 벽의 형상에 기초하여, 축 방향과 접선 방향 유동 성분을 가진 유동이 적어도 부분적으로 발생되고, 따라서 유동 저항은 종래의 유동 채널과 비교하여 주목할 정도로 감소된다는 것이 유동 실험에서 발견되었다. 유동 저항의 감소는 바람직하게 유동에서의 에너지 손실, 압력 손실 그리고 저항 계수가 감소되게 한다. 그러므로 종래의 유동 채널의 경우보다 더 낮은 펌프 출력이 액체의 소정의 체적 유동이나 질량 유동을 생산하기 위해 필요하다. 그러한 방법으로, 예를 들면, 파이프 라인의 경우에서, 적용되는 펌프 출력이 현저하게 감소될 수 있다. 또한, 유체 유동 기계, 수력 발전소 등에서, 유동 손실 또한 본 발명에 따라서 감소될 수 있고 그러므로 효율성의 수준이 증가될 수 있다.

바람직하게 순환하는 나선형 유동은 부분적으로 혹은 전체적으로 발생된다. 실험 연구는 더 낮은 유동 저항과 유동 손실이, 유동 채널을 통해서 일종의 순환하는 나선형 유동을 유발하는 벽의 형상에 의해서 발생한다는 것을 보여 주었다.

특히 바람직한 실시예에 따라서, 본래 완전히 한번 감기는 튜브 부분의 길이(파장)가 유동 채널의 단면 영역의 최소 2분할선의 길이에 대한 소정의 비율에 있고, 이는 6에서 7 영역, 바람직하게 6.44의 영역인 것이 제안된다. 유동 단면의 비원통형의 형상과 축 방향으로의 비틀림 혹은 감김으로 인하여, 구조적으로 단순한 방식으로 낮은 수준의 유동 저항을 가지고 축 방향과 접선 방향 성분을 가진 적어도 부분적으로 나선형과 같은 유동을 생성할 수 있다.

실험을 기초로, 파장과 단면 영역의 크기 사이의 상기 특정 비율로, 바람직하게 낮은 저항 계수가 얻어질 수 있음이 발견되었다. 구조적인 관점으로부터 그리고 유동 기술에 의해서 특히 바람직한 실시예는, 유동 튜브의 자유 유동 단면이 실질적으로 타원형이 되도록 유동 채널을 한정하는 벽이 형성된다는 점에서 구별된다. 유동 단면의 자체의 비틀림을 동시에 가진 타원형 형상은 특히 유동 튜브에서 잘 충족될 수 있다.

바람직하게, 유동 단면의 단축의 길이에 대한 타원형 유동 단면의 장축의 길이의 비율은 1보다 현저하게 크고, 바람직하게는 약

보다 클 것이 제안된다. 그러한 방법으로 이 유동 채널의 저항 계수 역시 최소화될 수 있다.

추가적인 바람직한 실시예에 있어서, 유동 단면이 유동 방향으로 감소하거나 증가하는 것이 제안된다. 그러한 방법으로, 본 발명에 의한 장점을 유지하는 동안, 유동 조건 각각 특히 유동 속도를 증가하거나 감소하는 것이 가능하다.

본 발명은 또한, 채널 내부에서 액체가 유동할 때 실질적으로 두 개의 유동 영역이 발생되고, 서로 침투하지 않거나 또는 거의 서로 침투하지 아니하고 이중나선의 형상으로 휘감겨 있도록 디자인되는 액체용 유동 채널에 의해서, 목적을 달성하거나 더욱 향상된다.

유동 채널의 형상과 실질적으로 두 개의 유동 영역을 가지는 유동에 의해서, 낮은 수준의 유동 저항을 얻는 것이 가능하여, 궁극적으로 펌프 출력이 감소하고 유체 유동 기계의 효율의 수준이 향상된다. 게다가 유동의 상이한 상(phase)들, 예를 들어 상이한 액체들은, 부분적으로 분리된 관계로 유동 채널을 통해서 통과될 수 있거나 혹은 유동 채널을 통해서 유동할 때 적어도 부분적으로 상이한 상들로 나누어진다. 이러한 분리는, 예를 들면, 밀도 또는 점성 등의 상이한 물성치를 가지고 바람직하게 유동 단면의 소정의 영역에서 움직이는 액체의 상이한 성분들에 의해 일어나므로, 혼합물의 구성 성분으로의 분리가 일어날 수 있다.

본 발명에 의한 유동 채널의 추가적인 개발은 각각의 유동 영역 내부에서 순서대로 다시 서로 얽히는 추가의 부 유동 영역이 생성되는 것을 제공한다. 그러한 방법으로 이 유동 조건은 더욱 향상될 수 있고 가능한 한 상기 분리 효과가 향상될 수 있다.

추가적인 바람직한 형상에 따라서, 이 두 개의 중심 유동 채널은 실질적으로 둥근 형상이고 주 유체 유동을 형성하고, 하나 또는 그 이상의 2차 유동이 상기 주 유동 중심들에 의해 차지되지 않은 유동 튜브 영역에서 발생되고, 주 유동과 2차 유동 영역 사이에서 유체 교환이 전혀 일어나지 않거나 또는 바람직하게는 단지 약간의 유체 교환이 일어나고, 전체 유체 유동에 있어서 외래 물체는 바람직하게는 이 2차 유동 영역에 운반된다. 그러한 방법으로 또한 유동의 고체와 액체 혹은 다른 액체 상들이 형성될 수 있다.

도 1은 유동 튜브에 설치된 유동 채널의 개략도이고,

도 2a) - f)는 본 발명에 의한 유동 채널의 상이한 예들을 도시하고,

도 3은 본 발명에 의한 유동 채널의 실험 측정 결과를 도시하고,

도 4는 상이한 유동 영역을 가진 유동을 도시하고, 이는 개략적으로 본 발명에 따른 유동 채널에서 예시되고 있으며,

도 5는 도 4에 도시된 유동의 개략 단면도이다.

이 발명은 다음의 도면을 참조하여 예를 매개로 실시예에 의해서 이하 기술된다:

도 1은 본 발명에 따른 유동 채널(4)이 설치된 유동 튜브(2)의 실시예의 측면도이다. 유체, 즉 액체 또는 가스는 튜브(2) 또는 유동 채널(4)을 통해서 유동할 수 있다. 이것은 또한 상이한 액체 성분들과, 입자 등과 같은 고체 물체를 가진 다중의 상(multi-phase)의 유동을 포함한다. 또한, 예를 들어, 액체, 가스 그리고 고체 성분을 가진 세 가지 상의 유동도 유동 채널(4)을 통해서 유동할 수 있다. 튜브(2)는 플라스틱 재료나 금속으로 제조될 수 있다.

튜브(2)는 바람직하게는 도 2a)와 2b)의 개략도에 도시된 바와 같이 유동 단 면이 실질적으로 타원형이 되는 형상을 가진다. 도 1이 개략적으로 도시하는 바와 같이, 튜브(2)는 본래 축 방향으로, 즉 길이 방향의 축(3)의 방향으로 감기거나 혹은 비틀어져 있다.

도 1에 도시된 튜브(2)의 부분에서, 비틀림의 범위는 튜브 부분의 예시된 길이에 걸쳐, 360도를 통해 완전한 1회전을 수행하는 선분(5)에 의해 예시된다; 한 번의 완전한 비틀림의 길이는 또한 여기에서 파장으로 언급된다. 도 1의 측면도에서 장폭과 단폭의 튜브 부분은 타원형 단면(도 2a)와 2b))과 비틀림에 의해 가능하다. 실질적으로 타원형인 유동 단면의 단축과 장축의 길이는 도 2a)와 2b)에 삽입되어 있다. 실험 연구에 의해 단축 b에 대한 장축의 길이 a의 비는 바람직하게

이상이어야 함이 발견되었다. 도 2a)에 도시된 튜브(2)의 벽의 형상은 도 2b)에 도시된 실시예의 벽의 형상과 비교하여 다소 덜 굴곡된 모습이다.

본 발명에 따른 유동 채널(4)을 통해서 액체가 유동할 때, 유동은 유동 채널(4)에서 발생되고, 축 방향에서의, 즉 축(3)의 방향에서의, 유동 성분을 가질 뿐만 아니라 축(3)에 대한 접선 방향에서의 유동 성분도 가진다. 그것은 유동 채널(4) 혹은 튜브(2)의 비틀린 형상에 기인한다. 그것이 도 1과 2a)에 화살표(7)에 의해 개략적으로 예시되어 있다. 그러므로 그것은 유동 채널(4)에서 실질적으로 튜브(2)를 통하여 순환하는 나선형의 유동을 발생시킨다.

도 2c)-f)에서 도시된 대안의 유동 단면은 축 유동 성분과 접선 유동 성분, 즉 유동 채널(4)에서 일종의 나선형 유동을 가진, 본 발명에 따른 유동의 결과를 동일하게 나타낸다. 도 2c)는 직사각형의 유동 단면을 도시하고, 도 2d)는 정사각 형의 유동 단면을 도시하고, 도 2e)는 삼각형의 유동 단면을 도시하고, 도 2f)는 팔각형의 유동 단면을 도시한다. 유동 단면 혹은 대응하는 유동 튜브(2)를 위한 육각형의 형상 또한 본 발명에 따라서 가능하다. 예를 통한 이들 실시예는 또한 바람직하게는 유동 단면이 본래 축 방향(축 3)으로 비틀려 있는 형상이다.

유동 단면(4)의 단면 영역의 최소 2분할선에 대한 파장의 비율은 6에서 7 영역의 소정의 비율이다.

본 발명에 따른 유동 채널의 실험 연구 결과가 도 3에 예시되어 있다. 종래의 원통형 튜브와 본 발명에 따라서 본래 비틀어진 타원형 튜브를 구비한 펌프의 출력의 측정이 실시되었고, 액체로써 물을 사용하였다. 예시에서 기록된 펌프 출력은 수직의 Y 축에 표시되고, 각각의 튜브를 통한 물의 유동량은 수평 X 축에 도시되어 있다. 곡선 8은 종래의 원통형 튜브의 상이한 체적 유동에 따른 기록된 펌프 출력을 도시하고, 곡선 10은 본 발명에 의한 타원형의 튜브의 상이한 체적 유동에 따른 펌프 출력을 비교하여 도시하고 있다. 원통형 튜브와 타원형 튜브 각각의 단면적은 일정하게 유지되었다. 본 발명에 따른 튜브의 곡선 10에 상당하는 기록된 펌프 출력은 동일 체적 유동으로, 종래 튜브의 경우보다 더 작은 것을 알 수 있다.

도 4와 5는 본 발명에 따른 추가적인 유동 채널과 거기에서 생성되는 유동의 개략도를 도시한다. 개략적으로 표시된 유동채널의 길이 방향의 축(3)에 대한 유동 채널에 관한 비틀림으로, 액체가 유동할 때, 우선 실질적으로 두 개의 더 큰 유동 영역(12, 14)이 발생되고, 유동 중에 이중 나선의 방식으로 휘감긴다. 이 영역(12, 14)의 섞이는 정도는 작다. 각각의 유동 영역(12, 14) 내부에서, 부 유동 영역(16, 18과 20, 22)이 각각 형성되고, 순서대로 다시 이중 나선의 방식으로 휘감긴다. 다시 한번 부 유동 영역(16-20)에서 서로 비틀린 부 유동 영역이 순서대로 생성된다.

도면이 나타내는 대로, 두 개의 주 유동 영역 혹은 중심 유동 채널(12, 14)은 실질적으로 둥근 단면 형상을 하고 있다. 중심 유동 채널(12, 14)에 접하여, 2차 유동 혹은 2차 유동 영역(24, 26)이 생성될 수 있고, 여기에 가능한 특정 성분, 예를 들어 고체 성분이 축적될 수 있다. 액체의 성분 부분의 분리는 이런 식으로 가능하다.

놀랍게도 본 발명에 따른 유동 채널에 의해, 벽의 형상에 기초하여, 축 방향과 접선 방향 유동 성분을 가진 유동이 적어도 부분적으로 발생되고, 따라서 유동 저항은 종래의 유동 채널과 비교하여 주목할 정도로 감소된다는 것이 유동 실험에서 발견되었다. 유동 저항 감소는 바람직하게 유동에서의 에너지 손실, 압력 손실 그리고 저항 계수가 감소되게 한다. 그러므로 종래의 유동 채널의 경우보다 더 낮 은 펌프 출력이 액체의 소정의 체적 유동이나 질량 유동을 생산하기 위해 필요하다. 그러한 방법으로, 예를 들면, 파이프 라인의 경우에서, 적용되는 펌프 출력이 현저하게 감소될 수 있다. 또한, 유체 유동 기계, 수력 발전소 등에서, 유동 손실 또한 본 발명에 따라서 감소될 수 있고 그러므로 효율성의 수준이 증가될 수 있다.

Claims

유동 채널을 형성하는 적어도 하나의 벽이, 액체가 유동할 때 축 방향과 접선 방향의 유동성분을 동시에 가지는 적어도 하나의 유동 영역이 발생되는 형상으로 된 것을 특징으로 하는 액체용 유동 채널.
제1항에 있어서,

상기 벽은, 순환하는 나선형의 유동이 부분적인 방식으로 혹은 전체적으로 발생되는 형상으로 된 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유동 채널의 유동 단면이 비원통형이고 본래 축 방향으로 비틀려 있어, 액체가 유동할 때 나선형 유동이 적어도 부분적인 방식으로 발생되는 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제3항에 있어서,

본래 완전히 한 번 감기는 튜브 부분의 길이(파장)가 상기 유동 채널의 단면 영역의 최소의 2분할선의 길이에 대한 소정의 비율, 6에서 7 범위, 특히 바람직하게는 6.44의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유동 채널을 한정하는 벽이, 유동 튜브의 자유 유동 단면이 실질적으로 타원형이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 액체용 유동 채널.
제5항에 있어서,

상기 유동 단면의 단축에 대한 상기 타원형의 유동 단면의 장축의 길이의 비가 1보다 크고, 바람직하게는
이상인 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유동 단면이 유동 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유동 단면이 유동 방향으로 증가하는 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유동 단면이 사각형, 삼각형, 육각형, 또는 팔각형인 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

튜브의 형상인 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유동 채널은, 채널 내부에서 액체가 유동할 때 실질적으로 두 개의 유동 영역이 발생되도록 디자인되고, 상기 유동 영역은 서로 침투하지 않거나 또는 거의 서로 침투하지 아니하고 이중 나선의 방식으로 휘감게 되는 것을 특징으로 하는 액체용 유동 채널.
제11항에 있어서,

각각의 유동 영역 내부에서, 차례로 다시 서로 얽혀 있는 추가의 부 유동(sub-flow) 영역이 발생되는 것을 특징으로 하는 유동 채널.
제11항 또는 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

두 개의 중심 유동 채널은 실질적으로 둥근 단면 형상이고, 주 유체 유동을 형성하고, 하나 또는 그 이상의 2차 유동이 상기 주 유동 중심들에 의해 차지되지 않은 유동 튜브 영역에서 발생되고, 주 유동과 2차 유동 영역 사이에서 유체 교환이 전혀 일어나지 않거나 또는 바람직하게는 단지 약간의 유체 교환이 일어나고, 전체 유체 유동에 있어서 외래 물체는 바람직하게는 상기 2차 유동 영역에 운반되는 것을 특징으로 하는 유동 채널.