KR20130139203A - 고압펌프와 인력발생장치(引力發生裝置) 및 와류발생장치(渦流發生裝置)를 이용한 습식 모래이송장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매립재료(埋立材料)로 모래를 사용하여 매립하는 지역이 모래를 공급하는 지역과 멀리 떨어져 있는 경우, 모래이송을 쉽게 할 수 있는 습식 모래이송장치 및 그 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 고압펌프와 회전현상 발생방치, 인력(引力)발생장치, 테이퍼 관, 노즐 파이프, 유도 파이프 등을 적절하게 연결설치하고 가동하여 모래이송능력을 향상시키는 것과 함께, 배사관(排沙管) 내부로 이송되는 공기와 해수(海水) 및 모래를 대상으로, 회전식 와류발생장치 가동으로 발생하는 나선형 와류(渦流)흐름에 의해 배사관 내면에서 중심방향으로 공기→해수(海水)→모래 순으로 유체(流體)들이 배치되고, 이로 인하여 해수(海水)와 모래가 배사관(排沙管) 내면(內面)과 직접 접촉하지 않게 되어 해수(海水)와 모래의 배사관(排沙管) 내면과의 직접마찰에 의한 에너지손실을 획기적으로 줄일 수 있으므로, 상대적으로 낮은 동력을 이용하여 모래를 원거리까지 이송함으로써 공사기간은 물론이거니와 공사비용을 대폭 절감할 수 있는 매우 유용한 습식(濕式) 모래이송장치 및 그 방법을 개시한다.
이러한 습식 모래이송장치 및 그 방법은, 출원인에 의해 기 특허 취득(등록번호: 10-0672815-0000, 10-0994242-0000)한 “수상 모래포설장치 및 그 방법”과 연계되었을 경우 시너지효과가 극대화될 수 있음은 명확하다.

Description

고압펌프와 인력발생장치(引力發生裝置) 및 와류발생장치(渦流發生裝置)를 이용한 습식 모래이송장치 및 그 방법{Sand transfer apparatus and method with high pressure water pump and attractive force generators and vortex fluid generators}

본 발명은, 모래를 매립하여 유용한 토지를 조성하는 건설현장을 대상으로, 모래를 이송하는 공정에 적용되는 기술 및 장치이며, 특히 해상에서 모래 운반선으로부터 직접 모래를 공급받아, 원거리에 있는 매립대상지역까지 모래를 이송하고 포설할 수 있다.

본 발명을 현실화시키기 위하여 적용된 배경기술은 유체역학적인 원리가 이용되며, 특히, 유체(流體)의 연속방정식과 베르누이 정리는 가장 중요하게 사용되고, 인력발생장치(引力發生裝置) 내부의 대기(大氣)중으로 분사된 후, 유도 파이프 내부로 회전하며 빠른 속도로 이송되는 해수(海水)에 의하여, 해수(海水) 몸체와 인접한 주변에서 발생하는 공기 및 모래의 난류(亂流)현상과 인력(引力)현상을 이해하기 위한 실증적인 유체역학적 원리들과, 그리고 회전식 와류(渦流)발생장치에 의해, 배사관 내면에서 가장 큰 회전력을 갖으며 나선형태로 발생하는 와류(渦流)의 작용으로 배사관 내부에서 나타나는 공기와 해수 및 모래의 거동을 이해하기 위한 중력과 원심력 및 마찰력에 대한 이론과 기술이 사용된다.

기존의 일반적인 모래이송방법은 덤프트럭을 이용하거나, 벨트 컨베이어를 지상에 설치하여 모래야적장에서 매립지까지 운반하는 방법을 주로 이용하였다. 그러나 덤프트럭에 의한 모래운반은 매립지역이 연약할 경우 매립지 내로 진입할 수 없고, 운반거리가 원거리일 경우 모래운반비의 급격한 상승을 야기한다. 또한 매립지(埋立地) 인근 해안가에 바지선을 정박시키고 바지선위에 벨트 컨베이어를 설치하여 모래를 이송하는 방법이 있으나, 설치비가 고가이고 매립대상지까지 거리 및 지형의 변동에 취약하며, 유지보수를 위해 많은 시간과 비용이 투입되는 단점과, 단위시간당 이송능력이 제한되는 단점이 있다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0835584호 “준설된 점성토의 파쇄 후 이송방법”과 대한민국 등록특허공보 제10-0812820호 “매립토 이송장치”의 이송원리는 원심펌프의 이송원리를 이용한 것으로, 물과 혼합된 토사나 모래가 펌프의 임펠러를 통과하면서 임펠러의 회전운동에 의해 형성된 압력과 속도를 이용하여 배사관을 통해 이송되어 최종적으로 토출되는 방식으로, 배사관을 통해 이송되는 과정 중에 발생하는 배사관 내 마찰력과 공동현상(空洞現象 cavitation)등 여러 가지 유속저하 요인으로 이송거리 및 단위 시간당 모래 이송능력에 한계가 있는 것이 현실이다. 또한, 대한민국 등록특허공보 제10-00502290호 “강압 습식 보강부재 포설장치 및 그의 방법”에서 주장하는 이송원리는 매립재(埋立材)를 투입하는 호파 하단에 설치된 이젝터(Ejector)의 인입부에 토출부 단면적이 줄어드는 원추형 관을 펌프에서 연결되는 배관에 연결하여 설치하여, 배관 내를 흐르는 물의 압력과 유속을 고압과 고속으로 증가시켜 이젝터 내부를 흐르게 하여 발생하는 진공현상을 이용하여 매립재를 공기와 함께 이젝터 토출부와 연결된 배사관 내로 흡입되게 하고, 매립재와 고압수가 혼합된 혼합층은 공기층에 의한 공동현상이 발생되면서 배사관 내에서 마찰이 없는 상태로 매립재(埋立材)를 원거리까지 이송할 수 있다고 하였다. 그러나 호파와 이젝터가 연결되어 있고, 호파를 통하여 매립재가 투입되는 개방형 구조로 이젝터 내부에 진공현상을 발생시킬 수가 없는 기술적 모순을 내포하고 있으며, 매립재와 고압수가 혼합된 혼합층 내부에 있는 공기의 공동현상에 의해 배사관 내부가 마찰이 없는 상태가 된다는 논리는 공기의 자중이 물이나 매립재보다 현저하게 작아 배사관 내부 상단으로 모이며, 오히려 공동현상에 의해 배사관의 수명을 단축시키는 작용을 하며, 가장 무거운 매립재(埋立材)는 습윤 상태로 배사관 하부로 침강(沈降)되어 이송되므로 매립재와 배사관과의 마찰력이 발생할 수밖에 없는 현실을 왜곡한 이론임에 틀림없다. 그리고 대한민국 등록특허공보 제10-0735797호 “연약지반 보강용 습식 모래포설장치”의 이송원리는 펌프의 작동을 통해 배사관 내로 흐르는 물에 모래를 투입하여 이송 및 포설하는 장치로 특정한 기술이 서술되어 있지 않다.

본 발명은, 모래를 매립재료(埋立材料)로 사용하는 경우, 상기한 종래의 기술 및 장치들이 내포하고 있는 모래의 이송거리 및 이송능력의 한계를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명을 이용하면 단위시간당 모래이송능력을 획기적으로 향상시키고, 모래이송거리가 최대 20 킬로미터 이내에서는, 거리와 관계없이 모래를 이송할 수 있도록 하기 위한 습식 모래이송장치 및 그 방법을 개시한다.

본 발명은, 과제의 해결을 위하여, 벨트 컨베이어에 의해 일정속도로 호파(Hopper)를 통해 공급되는 모래와 대기중에 있는 공기를, 고압펌프로부터 해수(海水)를 이송하는 파이프의 구경(內徑)을 축소하여 해수(海水)의 이동속도를 높이고, 인력발생장치(引力發生裝置) 내부의 대기(大氣)중으로 해수를 고속으로 분사하고 유도 파이프 내부로 통과시키는 방법으로 인력발생장치(引力發生裝置) 내부에서 난류현상과 인력(引力)을 발생시키고, 회전식 와류(渦流)발생장치 작동효과로 기 발생한 인력(引力)을 더욱 증가시키며, 난류현상과 인력(引力)작용으로 호파를 통해 공급되는 모래와 공기를 유도 파이프 내부로 원활하게 이송되도록 하며, 회전식 와류(渦流)발생장치를 이용하여 배사관 내부(內部)로 이송되는 공기와 해수 및 모래를 대상으로 해수(海水)이송방향으로 배사관 내면(內面)에서 회전반경과 회전력이 가장 큰 나선형태의 와류(渦流)를 발생시킴으로써 일어나는 공기와 해수 및 모래의 거동효과를 이용하여, 배사관 내면과, 모래와 해수가 혼합된 혼합유체와의 마찰력을 최소화하는 방법으로 원거리에 있는 매립 대상지역까지 모래를 쉽게 이송할 수 있게 하였다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 모래를 매립재료로 이용하는 매립공사를 대상으로 매립대상지와 모래공급 지역이 원거리로 떨어져 있을 경우, 배사관 내면에서 배사관 중심방향으로 회전반경이 줄어드는 와류형태의 거동을 보이며 고속으로 이송되는 유체의 자중으로 인한 효과로 배사관 내부에 해수(海水)와 모래가 혼합된 혼합유체와 배사관 내면 사이에 공기층을 형성시킴으로써, 혼합유체가 배사관 내면(內面)과 직접 접촉되지 않고 이송될 수 있게 하여, 마찰에 의한 에너지손실을 최소화하는 방법으로, 높은 효율로 원거리까지 모래이송을 가능하게 할 수 있으며,

또한 본 발명은, 인력발생장치(引力發生裝置)를 효과적으로 제작하는 것과 함께 회전식 와류발생장치(渦流發生裝置)의 작동을 통해, 인력발생장치(引力發生裝置) 내부에서 발생하는 난류현상과 인력(引力)의 강도를 증진시켜, 단위시간당 유도 파이프 내로 유입되는 모래의 양을 증가시킬 수 있으므로, 단위시간당 모래이송능력을 획기적으로 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명과 관련하는 습식 모래이송장치를 나타내기 위한 개략적인 설명도이며,
도 2는 본 발명과 관련하는 고정식 회전현상 발생장치에 대한 개략적인 설명도이며,
도 3은 본 발명과 관련하는 모래공급용 호파와 인력발생장치(引力發生裝置)를 개략적으로 나타내기 위한 설명도이며,
도 4는 본 발명과 관련하는 인력발생장치(引力發生裝置) 주위에서 이송되는 해수(海水)를 대상으로 일어나는 여러 변화를 설명하기 위한 개략적인 설명도이며,
도 5는 인력발생장치(引力發生裝置) 내부에서 모래 및 공기가 해수(海水)의 빠른 이동속도와 회전(回轉)운동으로 인해 발생하는 난류현상 및 인력작용(引力作用)에 의한 거동을 설명하기 위한 설명도이며,
도 6은 본 발명과 관련하는 회전식 와류(渦流)발생장치를 개략적으로 나타내기 위한 설명도이며,
도 7은 본 발명과 관련하는 회전식 와류발생장치에 설치되는 와류발생용 날개를 설치하는 방법을 예시하기 위한 설명도이며,
도 8은 본 발명과 관련하는 회전식 와류(渦流)발생장치를 통과하기 전과 후의 배사관(排沙管) 내의 모래, 해수(海水), 공기의 거동(擧動)을 설명하기 위한 설명도이다.

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 실현하기 위하여, 첨부한 도면에 의해, 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 습식 모래이송장치 전체를 개략적으로 나타내어 설명하기 위한 것으로, 본 발명 장치는 크게 고압펌프(100)와, 양수용(揚水用) 파이프(101)와, 고압펌프에서 공급되는 해수(海水)를 운반하는 해수(海水)운반용 파이프(102)와, 해수운반용 파이프(102) 내의 해수(海水)를 회전시키기 위한 고정식 회전현상발생장치(103)와, 해수운반용 파이프와 노즐 파이프에 연결되어 해수(海水)의 속도를 증가시키기 위한 테이퍼 관(104)과, 고속으로 회전하며 이송되는 해수(海水)의 형상을 유지하기 위한 노즐 파이프(105)와, 모래가 공급되는 호파(107)와, 호파 하단에 설치되어 회전하면서 고속으로 분사되는 해수(海水)에 의해 발생한 난류(亂流)현상과 인력(引力)에 의해 공기와 모래를 원활하게 유도 파이프(108) 내(內)로 유도하여 해수(海水)와 혼합되도록 작용하는 인력발생장치(引力發生裝置)(106)와, 해수(海水)와 함께 모래와 공기가 흡입되는 것을 유도하고 와류를 발생시키는 유도 파이프(108)와, 유도 파이프(108)를 통해 이송된 공기 및 콤프레사와 연결된 압축공기 공급용 파이프(901)로부터 공급되는 압축공기를 함께 이용하여 해수와 모래가 혼합된 혼합유체(混合流體)를 고속(高速)으로 회전시켜 고 에너지의 와류(渦流)를 발생시키는 회전식 와류발생장치(109)와, 배사관(110) 등으로 이루어진다.

상기 고압펌프(100)는 최대 발생압력을 20.0 기압(氣壓)까지 생성시킬 수 있고, 펌프 임펠러(Impeller)의 분당 회전수가 최대 1800회까지 발현가능한 특수펌프를 사용한다. 이는 해수(海水)와 모래가 혼합된 혼합유체(混合流體)를 원거리(遠距離)까지 이송하기 위한 필요에너지를 충분히 공급하기 위한 필수조건이다.

상기 고정식 회전현상 발생장치(103)는 고압펌프(100)에서 공급되어 해수운반용 파이프(102) 내(內)를 흐르는 해수(海水)를, 일정 길이의 배관 내부에 설치된 1개의 회전현상 발생용 날개(201)를 통과시키면서, 강제적으로 회전을 일으키게 하여, 호파 하단의 인력발생장치(引力發生裝置) 내부(內部)를 통과하는 해수(海水)를 회전하게 함으로써, 인력발생장치(引力發生裝置) 내(內)를 회전하지 않고 통과하는 해수(海水)에 의해 발생하는 난류(亂流)와 인력(引力)보다 더욱 증가한 크기의 난류와 인력(引力)을 발생시키는 효과를 얻는 장치이다.

상기 테이퍼 관(104)은, 유체의 연속방정식에 의거하여, 해수의 이동속도를 증가시키기 위해 관의 단면적을 원추형태로 축소된 형태를 가지며, 손실수두(損失水頭)를 고려하지 않을 경우, 축소되기 전의 관로의 면적과 단면적이 축소되기 전의 관로를 흐르는 유체속도의 곱은 축소 후의 관로의 면적과 축소된 관로 내를 흐르는 유체속도와의 곱과 같다는 유체의 연속방정식 원리에 따라 해수의 이동속도를 증가시킨다.

상기 노즐 파이프(105)는 고정식 회전현상 발생장치(103)와 테이퍼 관(104)을 통과하고 노즐 파이프(105) 내(內)를 회전하면서 고속으로 흐르는 해수(海水)의 형상이, 인력발생장치(引力發生裝置) 내부의 대기(大氣) 중에 퍼지는 확산현상(擴散現狀)을 일으키지 않고서 유도 파이프(108) 내(內)로 이동될 수 있도록 하는 역할을 수행하며, 대기(大氣) 중에 해수(海水)의 몸체형상이 유지되는 거리는 인력발생장치(引力發生裝置)의 크기를 결정하는 요인이므로, 노즐 파이프(105)의 길이는 중요한 고려 사항이 된다.

상기 인력발생장치(引力發生裝置)(106)는, 노즐 파이프(105)를 통과한 고속의 해수(海水)가 인력발생장치(106) 내부의 대기(大氣) 중으로 방출(放出)되고 유도 파이프(108) 내(內)로 이송되는 과정을 통하여, 고압펌프에서 발생시킨 해수(海水)의 압력이 대기압 수준으로 낮아지고, 베르누이 정리에 의해, 변화된 압력 차(差)에 비례하는 에너지가 해수(海水)의 이동속도를 증가시키며, 이렇게 변화된 이동속도와 회전력을 갖는 해수(海水)의 흐름으로 인하여 인력발생장치(引力發生裝置) 내부(內部)에 있는 공기 및 모래에 난류(亂流)현상과 유도 파이프(108) 내(內)로 끌려 들어가는 인력(引力)이 발생되며, 작은 인력(引力)으로도 쉽게 모래와 공기를 유도 파이프(108) 내부로 이송되게 하는 역할을 수행한다.

상기 호파(107)는 경사면의 경사각도가 65도 이상을 유지하며, 1개 이상의 벨트 컨베이어에서 공급되는 모래가 자중(自重)에 의해 호파의 경사면에 적체되지 않고 인력발생장치(106)에 공급되도록 제작된다.

상기 유도 파이프(108)는 인력발생장치(引力發生裝置)(106)를 통과한 해수(海水)와 호파에서 공급되는 모래 및 공기를 통과시키므로, 노즐 파이프(105)의 단위면적보다 큰 면적으로 형성되며, 유도 파이프(108) 내에서 모래와 해수가 혼합된 혼합유체를 제외한 공간으로 공기가 흡입되며, 단위시간당 흡입되는 모래와 공기의 양은 유도 파이프(108)의 길이에 따라 큰 영향을 받고, 유도 파이프(108) 내부(內部)에서 공기와 혼합유체는 와류현상이 발생한다.

상기 회전식 와류발생장치(渦流發生裝置)(109)는 모터 및 지지프레임 등이 포함된 별도의 독립적인 장치로 제작될 수 있으며, 유도 파이프(108)를 통해 분사되는 혼합유체와 공기, 콤프레사와 연결된 압축공기 공급용 파이프(901)를 통해 공급되는 공기를 혼합하여 외부 케이스와 케이스 내부에 장착된 6개 이상의 와류 발생용 날개(미 도시됨)를 고속으로 회전시키는 동작에 의해, 배사관 내면(內面)의 인접부위에서 가장 큰 회전력과 회전반경을 갖으며, 유체의 자중과 마찰력에 의한 감소효과로 인하여 배사관 중심부로 갈수록 회전반경이 줄어드는 형태로 회전하는 와류(渦流)를 발생시킴으로써, 배사관 내면(內面)과 접한 공간으로 가장 가벼운 공기층이 형성되며, 공기층을 제외한 배사관 안쪽 부위에 해수(海水) 단면이 형성되며, 가장 무거운 모래는 형성된 해수 단면의 내부중심부에 집적(集積)되는 형태를 이루며, 이로 인해 배사관 내면과 해수(海水)와 모래가 혼합된 혼합유체와의 마찰이 최소화됨으로써, 같은 초기속도의 와류(渦流)동작을 하지 않는 혼합유체의 이송가능거리보다 최대 5배 이상 이송거리를 향상시킬 수 있다. 그러나 배사관을 설치할 때 고려되는 지반높이 변화 등 여러 가지 현실적으로 혼합유체의 속도를 떨어뜨리는 요인들과 배사관 연결플랜지 부위의 공기 누출 등에 의하여 배사관 내부에 형성된 공기층의 유지거리가 짧아질 경우, 공기층이 유지되는 거리를 확인하여 회전식 와류발생장치(渦流發生裝置)(109)를 추가로 설치하여 사용할 수 있다.

상기 배사관(110)은 강관이나 폴리에틸렌계통의 플라스틱 관 및 준설용 고압호스를 사용할 수 있으며, 배사관 내부에 요철(凹凸)형태가 있는 것은 사용하지 않는 것이 좋다. 또한, 배사관의 내경은 해수운반용 파이프(102)의 구경(內徑))보다 크지 않는 구경(內徑))의 파이프를 사용하는 것이 유리하며, 해수운반용 파이프(102)의 구경(內徑)보다 더 큰 구경의 파이프를 사용할 경우, 배사관 내벽에 형성해야 할 공기층의 두께가 커짐에 따라 많은 양의 공기가 추가로 필요하며, 공기층을 유지할 수 있는 와류(渦流)의 회전력이 부족할 경우, 해수와 모래가 혼합된 혼합유체의 자중(自重)으로 인한 침강(沈降)현상으로 원형의 공기층이 파괴될 수 있기 때문이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자들이 본 발명의 실시가 가능한 범위 내에서 설명된다.

따라서 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로 본 발명의 특허 청구범위는 아래에서 설명하는 실시 예들로 인하여 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명과 관련하는 고정식 회전현상 발생장치(103)를 설명하기 위해 예시한 도면으로서, 해수운반용 파이프(102)와 같은 구경(內徑))을 가진 일정 길이의 파이프 내부에 설치된 1개의 회전현상 발생용 날개(201)가 파이프의 내면(內面)을 따라 처음 위치와 끝 위치가 균일하게 같은 방향으로 꼬이는 형태로 변형되어 최종적으로 끝단이 90도 회전 이동되는 형태로 설치된다. 회전현상 발생용 날개(201)는 고압펌프에서 공급되는 해수(海水)의 높은 수압과 속도에 저항할 수 있도록 충분한 강성을 지니며, 직선으로 흐르는 고속의 해수 흐름을 회전형태의 고속 흐름으로 바뀌도록 유도하는 작용을 한다. 이 장치의 목적은 인력발생장치(引力發生裝置)(106) 내에서 해수(海水)를 고속으로 회전시킴으로써, 회전하지 않은 상태의 해수의 흐름에서 발생하는 난류현상과 인력(引力)보다 더 강한 난류현상과 큰 인력(引力)을 발생시킴으로써, 모래와 공기를 좀 더 쉽게 유도 파이프(108) 내부(內部)로 이송되도록 하기 위함이다.

도 3은 본 발명과 관련하는 모래공급용 호파(107) 하단에 인력발생장치(引力發生裝置)(106)를 설치하여 호파(Hopper)를 통해 공급되는 모래와 공기가 인력발생장치(106) 안으로 자연스럽게 공급되는 것과, 노즐 파이프(105)와 유도 파이프(108)가 인력발생장치(106)에 연결되는 구조를 설명하기 위해 예시한 도면으로서, 노즐 파이프(105)의 구경(內徑)은 유도 파이프(108)의 구경(內徑)보다 크지 않으며, 호파 4면의 경사는 최소 65도 이상으로 설치되어야 함을 설명한다.

도 4는 본 발명과 관련하는 인력발생장치(引力發生裝置)(106)의 주위에서 변화하는 해수의 압력과 속도를 관의 구경(內徑)과 함께 고려하여, 유체 연속방정식과 베르누이 정리를 이용하여, 각각의 변화를 해석하기 위해 예시한 도면으로서, 관내 마찰이나 형상계수 등의 손실수두(損失水頭)를 고려치 않고서 노즐 파이프(105) 내의 해수이동속도(Vb)를 산정하면,

π× (Da)²/4 × Va = π× (Db)²/4 × Vb : 연속방정식

여기에서 Da = 2.5Db 이면

Vb = (2.5)² × Va = 6.25Va 이다.

또한, 인력발생장치(引力發生裝置)(106)에서의 해수이동속도를 산정하기 위해 베르누이 정리를 고려하고, 압력은 노즐 파이프(105) 내의 해수압력(Pb)에서 대기압(1기압)으로 변화되는 효과로 인하여 노즐 파이프(105)를 지난 해수이동속도(Vc)는 노즐 파이프(105) 내의 해수이동속도(Vb) 보다 최소 약 30% 이상의 속도증가를 가져오며, 호파를 통해 초당 투입되는 모래가 유도 파이프(108)로 이송되어 혼합되는 것을 고려하고, 배사관(110) 구경(內徑)이 해수운반용 파이프(102) 구경(內徑) 보다 크지 않으므로, 손실수두를 고려하여도, 배사관(110) 내의 혼합유체 속도(Ve)는 해수(海水)운반용 파이프(102) 내의 해수이동속도(Va) 보다 최소 2배 이상 향상된다.

도 5는 본 발명과 관련하는 인력발생장치(引力發生裝置)(106) 내에서 각각의 유체들의 거동을 설명하기 위해 예시한 도면으로서, 해수(海水)가 회전하는 형태로 고속으로 인력발생장치(106) 내부의 대기(大氣)속으로 통과할 때, 인력발생장치(106) 내부에서 발생하는 공기 및 모래의 난류(亂流)현상과 인력(引力)발생으로 인하여 호파를 통해 공급되는 모래가 해수(海水)의 이동방향으로 유도 파이프(108) 내부로 인입(引入)되는 현상을 설명하는 것이다. 이때, 단위시간에 유도 파이프(108) 내로 이송되는 모래의 양과 인입되는 공기의 양은 해수(海水)의 이동속도와 노즐 파이프(105)의 구경(內徑), 인력발생장치(106)의 벽체 사이의 간격, 노즐 파이프 토출(吐出) 부위와 유도 파이프의 인입(引入) 부위 간 거리, 유도 파이프(108)의 길이, 와류(渦流)발생장치(109) 내의 해수의 회전력 등에 의해 영향을 받는다.

도 6은 본 발명과 관련하는 회전식 와류(渦流)발생장치(109)를 설명하기 위해 예시한 도면으로서, 전체 습식 모래이송장치를 가동하는 순서를 통해 설명하면, 첫 번째로 회전식 와류발생장치(109)를 가동하여 배사관 내부에 유체의 흐름방향으로 회전반경이 줄어드는 와류(渦流)형태의 공기 흐름을 형성시키고, 2번째로 고압펌프를 작동시켜 이송된 해수(海水)가 회전식 와류발생장치(109)를 통과한 후, 배사관 내부를 흐르는 공기층 내부로 와류형태로 흐르게 하며, 최종적으로 호파를 통하여 공급된 모래가 인력발생장치(106)에서 발생한 난류현상과 인력(引力)으로 인하여 유도 파이프(108) 내로 이송되어 해수와 혼합되며, 회전식 와류발생장치(109)를 통과하면서 발생한 와류(渦流)형태의 회전력에 의해, 배사관 중심부에서 배사관 벽체 방향으로 모래→해수→공기 순서의 원형의 단면을 형성하여 고속의 와류형태로 이송되는 거동을 나타낸다. 위 2번째 과정에서부터 콤프레사를 가동하여 압축공기 공급용 파이프(901)를 통하여 필요한 공기를 공급하여 배사관 내벽에 공기층이 원활하게 형성되도록 한다. 또한 인력발생장치(106)를 통과하여 배사관 내로 유입되는 공기 및 혼합유체의 압력은 대기압 수준으로 낮아져 있으나, 회전식 와류발생장치(109)의 작동으로 배사관 내벽에 형성된 와류(渦流)형태의 흐름을 나타내는 공기층은 배사관 내벽과 혼합유체 층 사이에서 대기압 이상의 압력을 갖도록 변화되고, 회전식 와류발생장치(109)를 통과하면서 유도 파이프(108) 내로 흡입될 때의 속도보다 더욱 빠른 이동속도를 가지나, 모래와 해수가 혼합된 혼합유체의 이송속도보다는 낮은 이송속도를 갖게 되어 공기층이 유지될 수 있다. 그러므로 배사관 내벽 전체에 공기층이 형성되지 않는 상태로 배사관 내(內)를 고압으로 충만(充滿)하게 흐르는 유체의 흐름에서 발생하는 공동현상(空洞現象 cavitation)은 본 기술을 적용한 배사관 내부(內部)에서는 발생하지 않으므로, 공동현상으로 인한 배사관의 진동 및 여러 가지 하자(瑕疵)들이 발생하지 않으며, 해수(海水)와 모래가 혼합된 혼합유체의 자중(自重)으로 인한 혼합유체의 침강(沈降)현상을 혼합유체의 이동속도와 와류형태의 회전력이 조합된 합력(合力)의 작용으로 상쇄할 수 있는 조건을 만들어주면, 혼합유체를 쉽게 장거리까지 이송할 수 있다. 이를 위해 회전식 와류발생장치(109)의 분당 회전수가 충분히 크게 발현될 수 있는 고속 회전용 모터를 사용해야 하며, 모터의 회전력을 회전식 와류발생장치(109)에 전달하는 방식은 기어방식이나 체인방식 중 편리한 방법을 선택하여 사용할 수 있다.

도 7은 본 발명과 관련하는 회전식 와류발생장치(109)의 회전부위 내부와 회전부위 전면과 후면을 동시에 나타내어 와류발생용 날개(907)의 배치 및 거동을 설명하기 위해 예시한 도면으로서, 회전식 와류발생장치(109)의 내부에 와류발생용 날개를 6개 이상 설치하며, 각각의 와류발생용 날개(907)는 회전하는 원통형 케이스(Case) 선단부에 설치된 시작위치에서 원통형 케이스(Case) 내면을 점차로 이동되는 상태로 설치되어 최종적으로 원통형 케이스(Case) 후단부에서 날개 시작지점과 120도 이상 이동된 형태로 설치되며, 와류발생용 날개(907)의 크기는 혼합유체의 이동속도와 혼합유체의 자중(自重)에 의한 침강현상(沈降現狀)과 혼합유체 이송거리 등을 고려하여 결정되며, 이로부터 회전식 와류발생장치(109)의 회전부위를 가동하기 위한 모터의 필요출력이 결정된다. 또한, 혼합유체가 회전하며 고속으로 이송되므로, 회전식 와류발생장치(109) 회전부위의 분당 회전수가 작을 경우, 배사관 내부에서 해수와 모래가 혼합된 혼합유체와 공기가 불완전한 단면형태를 형성하여 혼합유체와 배사관 내면과의 마찰력을 발생시키며, 혼합유체의 내부에서 모래가 중심부에 완벽하게 집적(集積)되지 않는 현상이 발생되고, 현장에서 배사관 설치 및 가동 중에 발생되는 여러 가지 제약변수에 따라 혼합유체의 이송거리가 짧아질 수 있으므로, 회전식 와류발생장치(109) 회전부위의 분당 회전수를 충분히 크게 하는 것은 매우 중요하다.

도 8은 본 발명과 관련하여 공기와, 해수(海水)와 모래가 혼합된, 혼합유체가 회전식 와류발생장치(109)를 통과하기 전과 후의 배사관 내(內)의 거동을 설명하기 위해 예시한 도면으로서, 회전식 와류발생장치(109)를 통과하기 전의 혼합유체와 공기가 거동하는 모습을 회전식 와류발생장치(109)의 왼쪽에 표시하였으며, 회전식 와류발생장치(109)를 통과한 후의 혼합유체와 공기가 거동하는 모습을 회전식 와류발생장치(109)의 오른쪽에 표시하였다. 그림에서 알 수 있듯이 회전식 와류발생장치(109)를 통과한 후의 모래와 해수(海水)의 배사관 내 분포가 회전식 와류발생장치(109)를 통과하지 전보다 와류효과와 해수와 모래의 자중과 마찰력에 인한 회전력 감소로 인하여 배사관 중심으로 집적(集積)되어 있음을 알 수 있으며, 회전식 와류발생장치(109)의 가동으로 해수(海水)와 모래의 배사관 내의 이동속도가 향상되는 효과와 와류현상으로 배사관 내에서 해수와 모래가 차지하는 면적은 감소되고 공기층의 면적은 커졌음을 알 수 있다.

100: 고압펌프
101: 양수용(揚水用) 파이프
102: 해수운반용 파이프
103: 고정식 회전현상 발생장치
104: 테이퍼 관(원추형 관)
105: 노즐 파이프
106: 인력발생장치(引力發生裝置)
107: 모래공급용 호파(hopper)
108: 유도 파이프
109: 회전식 와류(渦流)발생장치
110: 배사관
201: 회전현상 발생용 날개
501: 회전하며 고속으로 분사되는 해수(海水)에 의해 주위 공간에서 발생하는 난류(亂流) 현상 모형
502: 회전하며 고속으로 분사되는 해수(海水) 모형
503: 호파를 통해 공급되는 모래 모형
504: 회전하며 고속으로 이송되는 해수(海水)에 의해 발생한 난류(亂流)현상과 인력(引力)으로 모래와 공기가 유도 파이프 내부로 이송되는 현상을 도시한 모형
901: 압축공기 공급용 파이프
902: 회전용 베어링(Bearing)
903: 회전식 와류발생장치용 기어(Gear)
904: 실링(Sealing) 밴드(Band)
905: 회전력 전달용 기어(Gear)
906: 동력전달용 모터
907: 와류발생용 날개
11: 배사관 내부에서 불완전한 와류(渦流)를 형성하며 회전하면서 흐르는 공기층 모형
12: 배사관 내부에서 불완전한 와류(渦流)를 형성하며 회전하면서 흐르는 해수(海水) 모형
13: 배사관 내부에서 불완전한 와류(渦流)를 형성하며 회전하면서 흐르는 해수 내부에서 넓게 퍼져서 이송되는 모래 모형
14: 고정식 회전현상 발생장치(103)에 의해 발생한 회전력 모형
15: 혼합유체가 유도 파이프(108)를 통과하면서 발생한 와류형태의 회전력 모형
16: 회전식 와류(渦流)발생장치(109)의 작동으로 확장되고 와류형태의 회전력이 증가한 공기층 모형
17: 회전식 와류(渦流)발생장치(109)의 작동으로 인한 이동속도 증가로 단면적이 축소되고 와류형태의 회전력이 증가한 해수 모형
18: 회전식 와류(渦流)발생장치(109)의 작동으로 인한 이동속도 증가로 단면적이 축소되고, 중심부로 향한 원심력 증가로 인하여 모래가 배사관 중심부로 집적(集積)된 상태의 모래 모형
19: 회전식 와류(渦流)발생장치(109)의 작동으로 발생한 와류형태의 회전력 모형
Pa,Va, Da: 해수(海水)운반용 파이프(102) 내에서의 유체의 압력, 속도, 파이프의 구경(內徑)
Pb,Vb, Db: 노즐 파이프(105) 내에서의 해수의 압력, 속도, 파이프의 구경(內徑)
Pc,Vc, Dc: 노즐 파이프(105) 토출(吐出)부위 전방에서의 해수의 압력, 속도
Pd,Vd, Dd: 유도 파이프(108) 내에서의 혼합유체의 압력, 속도, 파이프의 구경(內徑)
Pe,Ve, De: 배사관(110) 내에서의 혼합유체의 압력, 속도, 파이프의 구경(內徑)

Claims (4)

1. 양수(揚水)용 파이프와 고압펌프, 해수운반용 파이프, 고정식 회전현상 발생장치, 테이퍼 관, 노즐 파이프 등을 거치면서 고속과 고압으로 회전하며 이송되는 해수(海水)를 인력발생장치 내(內)의 대기 중에 분사시키고 유도 파이프 내부로 흐르게 하는 공정과 함께, 인력발생장치 내에서 대기압 수준으로 변화된 해수의 압력차(壓力差)와 비례하여 더욱 증가한 이동속도를 갖고서 회전하는 해수(海水)의 거동으로 발생한 난류현상과 인력(引力)작용으로 인하여, 호파를 통해 공급되는 모래와 공기가 유도 파이프를 통해 배사관 내부로 이송되는 것을 포함한 공정;
   회전식 와류발생장치의 가동에 의해 배사관 내면(內面)에서 회전반경과 회전속도가 가장 크며, 유체가 이송되는 방향으로 회전반경과 회전속도가 줄어드는 나선형 와류(渦流)를 형성시켜, 배사관 내면(內面)에서 배사관 중심방향으로 단계적으로 공기층과 해수(海水)와 모래가 혼합된 혼합유체층을 형성하는 공정;
   배사관 내부에 형성된 해수(海水)와 모래의 혼합유체 및 공기의 나선형 와류형태의 고속 흐름을 이용하여 모래와 해수(海水)가 혼합된 혼합유체와 공기를 원거리까지 이송하는 공정을 포함하는 습식 모래이송방법.
2. 청구항 1에 있어서, 양수(揚水)용 파이프와 고압펌프, 해수운반용 파이프, 고정식 회전현상 발생장치, 테이퍼 관, 노즐 파이프 등을 거치면서 고속과 고압으로 회전하며 이송되는 해수(海水)를 인력발생장치 내(內)의 대기 중에 분사시키고 유도 파이프 내부로 흐르게 하는 공정과 함께, 인력발생장치 내에서 대기압 수준으로 변화된 해수의 압력차(壓力差)와 비례하여 더욱 증가한 이동속도를 갖고서 회전하는 해수(海水)의 거동으로 발생한 난류현상과 인력(引力)작용으로 인하여, 호파를 통해 공급되는 모래와 공기가 유도 파이프를 통해 배사관 내부로 이송되는 것을 포함한 공정은, 고압펌프 작동으로 발생한 해수(海水)의 이송속도를 해수(海水)를 이송하는 파이프의 내부면적을 점진적으로 축소하여 향상시키고, 고정식 회전현상 발생장치를 이용하여 해수의 흐름을 회전하며 고속으로 이동하는 형태로 변형시키고, 인력발생장치(引力發生裝置) 내부에서 회전하며 고속으로 이동하는 해수(海水)가 유도 파이프 내부로 통과하는 방법과 회전식 와류발생장치 작동에 의한 영향으로 발생하는 난류현상 및 인력(引力)을 이용하여 호파를 통해 공급되는 모래와 공기를 노즐 파이프(105)로부터 분사되는 해수(海水)와 함께 유도 파이프(108) 내부(內剖)로 이동될 수 있도록 인력발생장치(106)를 특수하게 제작하는 것을 특징으로 하는 습식 모래이송장치 및 그 방법.
3. 청구항 1에 있어서, 회전식 와류발생장치의 가동에 의해 배사관 내면(內面)에서 회전반경과 회전속도가 가장 크며, 유체가 이송되는 방향으로 회전반경과 회전속도가 줄어드는 나선형 와류(渦流)를 형성시켜, 배사관 내면(內面)에서 배사관 중심방향으로 단계적으로 공기층과 해수(海水)와 모래가 혼합된 혼합유체층을 형성하는 공정은, 유도 파이프를 통해 배사관 내부로 이송되는 공기 및 고속으로 이송되는 모래와 해수(海水)의 혼합유체에 콤프레사로 부터 압축공기를 추가로 공급하는 것과 회전식 와류발생장치의 작동을 통해 대상유체들을 강제로 고속으로 회전시킴으로써, 배사관 내면 부근에서 가장 큰 회전반경과 회전력을 발생시키고, 유체의 자중과 마찰력에 의한 감소효과로 인해 배사관 중심부로 갈수록 회전반경과 회전속도가 줄어드는 나선형와류를 형성시켜, 이송되는 유체(流體)의 자중차이(自重差異)에 의해 배사관 내면(內面)에서 배사관 중심부 방향으로 공기층과 해수와 모래가 혼합된 혼합유체 단면이 형성되고, 형성된 혼합유체 단면의 중심부에 모래가 집적(集積)된 상태를 유지하며, 공기와 혼합유체가 배사관 내를 회전하면서 고속으로 이송되는 것을 특징으로 하는 습식 모래이송장치 및 그 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 배사관 내부에 형성된 해수(海水)와 모래의 혼합유체 및 공기의 나선형 와류형태의 고속 흐름을 이용하여 모래와 해수(海水)가 혼합된 혼합유체와 공기를 원거리까지 이송하는 공정은, 회전식 와류발생장치의 작동으로 발생한 나선형 와류 흐름에 의해 형성된 공기층과 해수(海水)와 모래가 혼합된 혼합유체 는 각자 형성된 압력과 부피를 갖고서 이송되며, 배사관 내부의 공기층과 혼합유체 의 경계면에서는 양자(兩者)의 힘의 균형을 유지되는 상태로 각자의 형태를 유지할 수 있으며, 이로 인하여 해수(海水)와 모래의 혼합유체와 배사관 내면(內面)은 양자(兩者) 사이에 존재하는 공기층을 매개체로 하여 서로 격리되어 있으므로 직접적인 마찰이 일어나지 않으며, 해수(海水)와 모래의 혼합유체가 배사관 중심부위에서 고속으로 이송될 때, 혼합유체의 이송 중에 발생하는 혼합유체와 배사관 내면과의 마찰에 의한 에너지 손실을 최소화할 수 있으므로, 모래를 해수(海水)와 혼합한 상태로 원거리까지 이송하는 것이 가능함을 특징으로 하는 습식 모래이송장치 및 그 방법.

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