KR20110129521A - 디스크형 중유 유화장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스크형 중유 유화장치로서 상세하게는 대형 저속 디젤엔진의 연료로서 사용되는 중유 중에 수십 내지 수백 미크론의 크기인 아스팔텐 슬러지와 수분 입자를 수 미크론이 되도록, 미세화의 능력을 고도화하여 슬러지가 연료계통 필터와 연료분사펌프 및 분사밸브에 퇴적되는 장애를 방지할 뿐 아니라 원심분리청정과정에서 아스팔텐이 분리 제거되는 손실을 저감시키기 위한 장치로서 정지 디스크와 회전 디스크의 사이에 형성되는 0.05mm의 틈새에서 발생하는 강한 전단력을 이용하여 미세화시키는 중유 유화장치이며, 한편 상기 중유 유화장치의 축봉장치인 미케니컬 시일에서 마찰열로 인하여 고무링의 열화되어 발생하는 손상 누설에 대비하여 안전한 사용이 가능하게 하기 위하여 라버린스 링을 통하게 하여 압력을 강하시키고, 시일에 작용하는 압력을 낮춤으로써 마찰열량을 감소시키고 누설 유체를 미케니컬 시일의 마찰부 외측으로 흐르게 한 후 방출하여 저압측으로 반환시킴으로써 냉각유 기능을 하게 함과 동시에 미케니컬 시일의 건조운전을 근본적으로 방지하는 축봉장치를 가진 중유 유화장치이다.

Description

디스크형 중유 유화장치{disk type heavy oil homogenizer}

본 발명은 디스크형 중유 유화장치에 관한 것으로, 상세하게는 연료준비장치로서 디젤엔진의 연료 공급계통에서 중유 중의 아스팔텐 슬러지 또는 수분의 미세 균질화를 고도화시키는 유화장치에 관한 것이다.

중유 중의 아스팔텐은 잔사유와 경유의 혼합유인 중유를 대형 디젤엔진의 연료로서 사용할 때에 혼합과정 및 저장과정에서 지속적으로 발생하며 조대화되어 슬러지를 형성하게 되므로 연료유 필터와 연료유계통에 퇴적되며, 연료분사밸브의 노즐을 폐색시키고 실린더 내에서의 연소를 악화시킨다.

또한, 슬러지에 많이 포함되는 회분과 입자는 연소 후 피스톤 링과 실린더 라이너를 마멸시키는 원인이 된다. 그런데 중유 중에 1~2% 함유된 아스팔텐은 고도로 탄화된 탄수화물로서 조악하기는 하지만 그 자체는 발열량을 갖는 에너지원이다.

아스팔텐을 디젤엔진에서 안전하게 사용할 수 있도록 연료화하는 장치로서 유화장치는 중유 중에 포함된 덩어리 상태의 아스팔텐과 수분을 미세하게 분쇄하여 중유 중에 현탁시킴으로써 연료유 필터와 연료유 펌프, 분사밸브 등에서의 퇴적을 방지하며, 종국에는 연소실 내에서의 완전연소를 도와주기 위하여 사용된다.

그러나 유화장치는 슬러지 중의 경질의 입자, 이를테면 촉매 입자들을 분리하는 기능이 없기 때문에 유화장치의 다음 단계에서 입자와 연료유의 밀도 차이를 이용하여 원심청정 분리하여 제거하여야 한다.

그런데 기존의 유화장치에 의하여 처리된 5~10미크론 크기의 비교적 큰 아스팔텐 덩어리들은 아스팔텐이 연료유보다 밀도가 조금 높기 때문에 원심분리기에서 분리되어 제거되므로 열발생원으로 이용할 수가 없고 손실이 되어버리는 폐단이 있었다.

유화장치의 회전축은 전동기에 의하여 구동되는 것이 불가피하다. 그런데 이 회전축이 관통하는 부분의 축봉장치로 많이 사용되어 온 미케니컬시일은 가열된 연료유의 온도와 시일 링의 회전 마찰열에 의하여 열화되어 연료유가 누설할 위험이 있고, 그 결과 주변의 오손, 심지어는 화재를 일으킬 위험이 있다. 이에 대응하여 구동축과 피동축이 분리되고 대신 영구자석에 의하여 구동되는, 마그네틱 클러치형 유화장치가 사용되기도 한다.

그러나 마그네틱 클러치는 누설 자속 및 철손에 의한 전기적 에너지 손실이 크고 연료유 내에서 회전하는 피동 축 측 영구자석 로터와 케이싱 사이의 유체 마찰 손실이 크기 때문에 동력 손실이 많으며 기구가 복잡하여지는 만큼 제작비도 고가로 되는 문제점이 있다.

중유를 원심청정 처리하는 과정에서 아스팔텐이 분리 제거되는 손실량을 감소시키기 위하여서는 원심분리청정기를 통과하는 동안 아스팔텐과 중유의 밀도 차에 의한 침강 시간을 길게 할 필요가 있다.

아스팔텐의 침강 시간은 아스팔텐 미세 덩어리의 크기가 작아질수록 길어지기 때문에 본 발명에서는 종래의 유화기에서 5 미크론의 수준으로부터 2미크론 수준으로까지 미세화 능력이 향상된 유화장치를 실현한다.

마그네틱 클러치에 비하여 비교적 염가인 종래의 미케니컬 시일을 안전하게 사용하기 위하여서는, 미케니컬 시일에 기름이 적셔지지 않고 건조 상태로 회전하는 과실운전이 방지되어야 하고, 마찰열의 발생량을 최소화하여야 하며 그 마찰 부를 냉각하는 기능이 있어야 한다.

본 발명에서는 마그네틱 클러치의 사용에 의하지 않고 저렴하면서도 안전하게 운전할 수 있는 미케니컬 시일형의 유화장치를 실현한다.

중유 중의 아스팔텐 슬러지를 미세화하기 위하여 정지 디스크와 회전 디스크를 마주보도록 설치하고, 그 사이의 틈새로 기름을 회전원판의 반경 방향으로 안 측에서 밖으로 흐르게 하며 회전 디스크는 고속회전시킨다.

정지 디스크와 회전 디스크의 틈새는 유입부가 0.5mm이며 점점 좁아져서 0.05mm로 되어 일정한 틈새를 유지하다가 다시 틈새가 0.2mm까지 확대하는 모양을 가진다.

그리고 점점 좁아지는 구간에는 다수의 방사상 슬롯을 형성한다. 슬롯이 형성되어 있으며 점점 좁아지는 틈새 구간은 기름의 원활한 공급을 가능하게 하며 유체의 충돌과 와류에 의한 아스팔텐의 분쇄를 행하고, 0.05mm의 좁은 틈새 구간에서는 강한 전단력에 의한 아스팔텐의 분쇄를 행하며, 0.05mm로부터 0.2mm까지 확대하는 틈새 구간에서는 0.05mm의 좁은 틈새의 교축작용에 의하여 발생한 압력강하를 확산에 의하여 회복시키는 기능을 행한다.

미케니컬 시일의 손상은 마찰 부를 기름이 적셔지지 않은 건조 상태로 회전시키는 과실 운전과 마찰 부의 발생 열에 의한 고무링 열화가 주된 원인이 되고 있다. 이를 방지하기 위하여서는 마찰부에 항상 기름이 적셔지는 구조와 마찰에 의한 발열량을 최소화하고 발생한 열을 흡수하여 외부로 신속히 수송하여 내는 구조가 필요하다.

마찰열의 양은 마찰력과 마찰속도의 상승적에 비례하며, 이 중 마찰력을 감소시키기 위하여서는 마찰부의 수직력을 감소시킬 필요가 있다. 이를 위하여 유화장치의 유체가 미케니컬 시일에 유도되는 중도의 축에 동심상의 리버린스 링을 설치하고 라버린스 링을 통하여 누설하여 나온 유체를 미케니컬 시일의 마찰부 부근에서 장치의 외부로 방출하게 함으로써 라버린스 링을 통하여 나가는 유체의 에너지를 감소시키어 미케니컬 시일에 작용하는 압력을 대폭 낮출 수가 있으며, 따라서 마찰 부에 작용하는 수직력을 작게 하면 발열량을 감소시킬 수가 있다.

또한, 유체를 저압 위치로 방출시키기 전에 마찰부의 주변 외 측을 따라 흐르게 하면 표면에서 대기로의 방열에만 의존하던 경우에보다 냉각효과가 획기적으로 좋아진다. 뿐만 아니라 기름이 마찰 부 부근에 흘러들어와서 저압 위치로 빠져나가기 때문에 마찰 부는 항상 기름이 적셔지는 것이다.

본 발명은 유체에 가하여지는 강한 와류와 0.05mm의 좁은 틈새에서 발생하는 강한 전단력을 이용하여 중유 중의 아스팔텐 덩어리를 강력하게 분쇄함으로써 아스팔텐 덩어리를 수 미크론의 크기로 잘게 미세화하여 종래에 원심청정처리할 때에 분리 제거되어 손실되는 아스팔텐의 량을 70% 이상 절감시킬 수 있게 한다.

미케니컬 시일의 고무 링으로 섭씨 150도까지 견디는 내열고무링(일명 바이톤링)을 사용하고 라버린스 링에 의하여 미케니컬 시일의 마찰부에 작용하는 압력을 대폭 낮춤으로써 마찰력을 작게 하여, 발생하는 마찰열을 감소시키고, 라버린스 링을 통과하여 나온 유체를 마찰부 외 측을 냉각하게 한 후 방출함으로써 마그네틱 클러치에 비교하여 상대적으로 저렴한 미케니컬 시일을 안전하게 사용할 수 있게 한다.

도 1 본 발명에 따른 유화장치의 조립상태 수직 종단면도
도 2 본 발명에 따른 유화장치의 조립상태 수평 종단면도
도 3 본 발명에 따른 유화장치의 조립상태 수직 횡단면도
도 4 본 발명에서 미세화 작용부 1조의 전개도
도 5 본 발명에서 미세화 작용부의 작용 개념도
도6 본 발명에서 축봉장치부의 작용 개념도

도 1, 도 2, 도 3에 의하여 본 발명의 유화장치의 구성을 설명한다.

본 발명의 유화장치(10)는 출구관 플랜지(1-1), 베드(1-2), 어댑팅 플랜지(1-3)로 구성된 본체(1)와,

입구관 플랜지(2-2)를 갖는 본체 커버(2-1)와, 정지 디스크(3-1)와 정지 간격 링(3-2) 및 정지 디스크 키(3-3)로 구성되는 미세화작용부 정지부분과,

회전 디스크(4-1)와 회전 간격 링(4-2), 연락공(4-3), 방사상 슬롯(4-4)으로 구성된 미세화작용부 회전부분과,

전부 원추 롤러베어링(5-1) 및 후부 원추 롤러베어링(5-2), 베어링 홀더(5-3), 커플링(5-4), 전동기(5-5), 키(5-6)로 구성된 축(5)과,

미케니컬 시일(6-1), 미케니컬 시일 커버(6-2), 냉각유 방출공(6-3), 냉각구(6-4), 냉각유 유입구(6-5), 라버린스 링(6-6), 라버린스 링 고정링 볼트(6-7)로 구성된 축봉장치부로 이루어진다.

상기 본체(1)는 상기 미세화 작용부를 내장할 수 있는 구조이며 축(5)과 동심원 상의 원통 내면에 축 방향으로 정지 디스크 키(3-3)(도 4 참조)를 끼우는 3개의 키홈(1-4)을 형성하고 있으며(도 3 참조), 상부에는 출구관 플렌지(1-1)로 내보내는 통로를 연결하고 있고, 하부에 본체(1)를 바닥면에 지지하는 베드(1-2)를 연결하며 후부에 전동기(5-5)와 결합할 수 있는 어댑팅 플렌지(1-3)를 연결할 수 있는 구조를 하고 있다.

본체 커버(2-1)는 상기 미세화작용부를 덮어주며, 전부 원추 롤러베어링(5-1)을 지지하고, 입구관 플렌지(2-2)에 연결되는 통로를 연결한다.

상기 미세화작용부 정지부분의 정지 디스크(3-1)(도 4 참조)는 중심이 원형으로 뚫려있고 외 측에는 본체(1)의 키홈(1-4)에 일 열로 끼워져 회전에 대하여 정지할 수 있는 3개의 정지 디스크 키(3-3)를 형성하고 있으며, 상기 정지 디스크(3-1)는 본 발명의 유화장치의 필요한 용량에 따라 필요한 만큼 다단으로 할 수가 있다.

중간 단에 설치되는 정지 디스크(3-1)들은 방사상의 슬롯(4-4)이 양면의 전주에 걸쳐서 형성되고, 양 단에 설치되는 것들은 안 쪽으로만 동일한 슬롯(4-4)이 형성된다. 상기 정지 디스크(3-1)들은 본체(1)의 원통 내부에 연하여 끼워지는 정지 간격 링(3-2)들과 교호로 설치됨으로써(도 1참조) 본체 커버(2-1)로부터 본체(1)의 내면에 이르기까지 일정한 간격을 유지하게 된다.

상기 미세화작용부 회전부분의 회전 디스크(4-1)는 중심부에 축(5)에 연하여 일 열로 끼워지며 키(5-6)에 의하여 축과 함께 회전하게 되고, 모두 방사상의 슬롯(4-4)이 양면의 전주에 걸쳐서 형성되며, 축(5)에 연하여 끼워지는 회전 간격 링(4-2)과 교호로 축에 연하여 설치됨으로써 일정한 간격을 유지하게 된다. 회전 디스크(4-1)도 다단으로 할 수가 있으며 정지 디스크(3-1)보다 1개 적은 개수로 된다. 따라서 미세화작용부의 배치는 도 4와 같이 정지 디스크(3-1)와 회전 간격 링(4-2)이 축 방향의 같은 위치에, 그 다음에 회전 디스크(4-1)와 정지 간격 링(3-2)이 같은 축 방향의 같은 위치에, 그 다음에 다시 정지 디스크(3-1)와 회전간격 링(4-2)이 같은 위치에 설치되는 순서로 정렬하여 반복되며, 정지 디스크(3-1)와 다음의 정지 디스크(3-1)의 사이 거리는 정지간격 링(3-2)에 의하여 결정되고 회전 디스크(4-1)과 다음의 회전 디스크(4-1)의 사이 거리는 회전간격 링(4-2)에 의하여 결정된다. 그 결과 회전 디스크(4-1)와 정지 디스크(3-1)의 사이에 일정한 틈새 이를테면 0.05mm의 간격을 유지할 수가 있다.

도 5는 1조의 정지 디스크(3-1)와 회전 디스크(4-1)로 이루어진 미세화작용부의 개념도를 나타내는 것이며 2 개의 정지 디스크(3-1)의 사이에 회전 디스크(4-1)가 축(5)에 의하여 회전하며 본체(1)에 의하여 포위되어 있는 구조로 되어 있다. 이러한 구조는 본 발명의 소요 용량에 따라서 그 단수를 필요한 만큼 병렬로 증가할 수 있다. 정지 디스크(3-1)와 회전 디스크(4-1)에 방사상으로 형성된 슬롯(4-4)들이 형성된 위치(a위치)의 정지 디스크(3-1) 면은 기름의 유입부(b위치)부터 간격이 0.5 mm로부터 점점 좁혀져서 0.05 mm로 되도록까지 경사지게 가공되며, 이어서 진행하는 구간(c위치)은 간격이 0.05 mm를 유지한 후 확산구간(d위치)에서는 간격이 0.05 mm로부터 0.2 mm로 확대되는 형상을 하고 있다. b위치에서는 슬롯(4-4)들이 있기 때문에 정지 디스크와 회전 디스크의 틈새 구석구석까지 기름을 신속히 공급함과 동시에 슬롯(4-4)들의 상대운동으로 말미암아 생기는 강한 충격과 와류에 의하여 1차로 아스팔텐 및 수분을 미세화시킨다. c위치에서 발생하는 전단력의 강도는 전단속도에 비례하며 간격에 반비례하므로 본 발명에서는 정밀도와 용량을 고려하여 0.05 mm를 취한다. d위치에서는 c위치의 틈새에서 강하된 압력에 해당하는 운동에너지를 확산에 의하여 다시 압력에너지로 환원시킴으로써 본 유화장치의 통과 전후의 압력강하를 최소화하는 기능을 한다. 그럼에도, c위치의 좁은 간격을 통과하는 용량이 제한적일 수밖에 없으므로 정지디스크(3-1)와 회전디스크(4-1)의 조의 수를 필요한 용량에 따라 얼마든지 증가시킬 수 있는 것이다. 이 과정에서 유체로서 유입된 중유 중의 아스팔텐 슬러지 덩어리는 수 미크론 크기의 미세한 덩어리로 쪼개어지고, 수분도 1미크론 이하의 크기로 분열되어 유화된다.

도 6에 의하여 축봉장치부의 미케니컬 시일(6-1)의 발열방지 개념을 설명한다. 유체는 후부 롤러 베어링(5-2)에서 화살표를 따라 흐르게 되며 우측으로 축(5)을 따라 스며나온 유체는 베어링 홀더(5-3)에 의하여 지지된 라버린스 링(6-6)을 통과하여야만 미케니컬 시일(6-1)로 흘러갈 수 있는 구조로 되어있다.

라버린스 링(6-6)은 축(5)의 주위에 다수 개의 요철(6-6-1)과 0.1mm의 틈새(도 6에 t로 표시)를 유지하도록 되어있기 때문에 요철의 각 단에서 압력에너지는 운동에너지로 변하고 또 거기서 와류의 마찰에 의하여 상기 운동에너지는 소실되어 결국 라버린스 링(6-6)의 전후에 큰 압력차를 발생하게 된다. 따라서 미케니컬 시일(6-1) 주변에 냉각유 방출공(6-3)을 설치하여 남은 압력을 저압 위치로 방출하게 되면 상기 미케니컬 시일(6-1)에 작용하는 마찰압력은 낮아지게 되며, 마찰열의 발생량은 최소화되고 누설의 위험도 획기적으로 감소된다.

한편 미케니컬 시일(6-1)로 유입되는 기름은 화살표와 같이 냉각유 유입구(6-5)를 따라서 상기 냉각유 방출공(6-3)의 반대편에 유도되며, 상기 미케니컬 시일(6-1)의 마찰부 외측에 형성된 냉각구(6-4)를 따라 흐르면서 마찰부에 발생하는 마찰열을 흡수하여 방출됨으로써 상기 미케니컬 시일(6-1)의 과도한 온도 상승을 방지하며, 따라서 수명을 대폭 연장할 수가 있다. 기름이 연속적으로 흐르는 구조로 되어있기 때문에 미케니컬 시일(6-1)의 마찰부가 건조된 상태로 운전될 위험은 원천적으로 방지된다. 방출된 누설유체는 본 발명의 유화장치의 상류에 설치되는 공급펌프 흡입 측 등과 같이 저압의 위치에 연결하여 순환하도록 구성하면 된다.

1. 본체
1-1 출구관 플렌지 1-2 베드 1-3 어댑팅 플렌지
1-4 키홈
2-1 본체 커버 2-2 입구관 플렌지
3-1 정지 디스크 3-2 정지간격 링 3-3 정지 디스크 키
4-1 회전 디스크 4-2 회전간격 링 4-3 연락공 4-4 방사상 슬롯
5 축
5-1 전부 원추 롤러베어링 5-2 후부 원추 롤러베어링 5-3 베어링 홀더
5-4 커플링 5-5 전동기 5-6 키
6-1 미케니컬 시일 6-2 미케니컬 시일 커버 6-3 냉각유 방출공
6-4 냉각구 6-5 냉각유 유입구 6-6 라버린스 링
6-6-1 라버린스링의 요철부
6-7 라버린스 링 고정 링 볼트

Claims (2)

1. 디스크형 중유 유화장치에 있어서,
   상기의 유화장치는 2 개의 정지 디스크(3-1)의 사이에 회전 디스크(4-1)가 축(5)에 의하여 회전하고, 본체(1)에 의하여 포위되어 있는 구조로 되어 있으며, 그 단수를 필요한 만큼 병렬로 증가할 수 있고 정지 디스크(3-1)와 회전 디스크(4-1)에 방사상으로 형성된 슬롯(4-4)들이 형성되는 것과,
   상기의 정지 디스크(3-1) 면이 기름의 유입부(b)부터 간격 0.5mm에서 점점 좁아져서 0.05mm로 되도록까지 경사지게 가공되며, 이어서 진행하는 구간(c)은 간격 0.05mm를 유지한 후 확산구간(d)에서는 간격이 0.05mm로부터 0.2mm로 확대되는 형상을 하고 있는 것을 특징으로 하는 디스크형 중유 유화장치.
   
2. 디스크형 중유 유화장치에 있어서,
   상기의 유화장치는, 축(5)의 주위에 다수 개의 요철(6-6-1)과 0.1mm의 틈새(t)를 유지하는 윈통형 구조의 라버린스 링(6-6)과 미케니컬 시일(6-1)이 형성되는 것과,
   상기의 라버린스 링(6-6)을 통과한 기름을 미케니컬 시일(6-1)의 마찰부 주변에 형성되는 냉각유 방출공(6-3)의 반대편으로 유도하는 냉각유 유입구(6-5)가 형성되는 것과,
   상기의 미케니컬 시일(6-1)의 마찰부 외주에 형성되어 냉각구(6-4)를 따라 흐르면서 마찰부에 발생하는 마찰열을 흡수하여 방출하는 냉각구(6-4)를 형성한 것을 특징으로 하는 디스크형 중유 유화장치.

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