KR20140065745A - 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치 - Google Patents

강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치 Download PDF

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Abstract

미세 버블 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대용량 버블이 요구되는 해수담수화 시스템의 가압부상 공정에 적합한 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치에 관하여 개시한다.
본 발명은, 공기와 물을 공급받아 혼합시킨 후 혼합수를 공급하는 가압탱크; 상기 가압탱크에 공기를 압송하는 압축기; 상기 가압탱크에 물을 공급하는 원심펌프; 상기 펌프전단에서 물을 공급받아 추가적으로 가압하는 왕복동펌프; 상기 가압탱크에서 공급되는 혼합수가 유입되는 혼합수 유입구와, 상기 혼합수 유입과와는 다른 방향에 배치되어 상기 왕복동펌프에서 공급되는 고압의 압력수가 공급되는 압력수 주입구와, 상기 혼합수와 압력수가 혼합된 물이 배출되는 배출구를 가지며, 상기 혼합수와 압력수를 혼합시키는 이젝터; 상기 이젝터와 연결되며, 상기 이젝터로부터의 상기 압력수와 혼합수가 서로 충돌하면서 섞이도록 하여 이류체를 생성하는 충돌식 이류체 생성부; 처리수(물)와 일부의 공기도 흡입하여 고압수를 만들어 버퍼탱크로 보내고, 이젝터를 통해 공급할 수 있게 연결하는 왕복동펌프장치, 가압탱크 수위와 연동하여 자동밸브 제어를 통해 최소의 압축공기가 공급 장치;를 포함하는 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치를 제공한다.

Description

강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치{FORCED FLUIDS COLLISION INJECTION TYPE MICRO BUBBLE INSTRUMENT}
본 발명은 미세 버블 발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대용량 버블이 요구되는 해수담수화 시스템의 가압부상 공정에 적합한 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치에 관한 것이다.
공기, 산소 및 오존 가스를 미세한 버블로서 포함하는 물을 활용하는 분야가 증가되고 있다. 예를 들면 미세한 오존 가스 버블을 포함한 물은 세정이나 폐수의 정화에 활용될 수 있고, 다량의 산소 가스 버블이 포함된 물은 역세척이나 담수, 호수 등의 정화에 활용될 수 있다.
일반적으로 공기 방울로서의 버블은 미세한 산기 장치 또는 기타 장치에 의해서 수중에서 수압과 공기의 전단력, 압력변화에 의해 생성되는데, 이는 압력, 공기량, 물의 점도 및 수온과 밀접한 관계가 있다.
일반적으로 산기 장치에 의한 버블은 직경 500㎛ 이상의 버블 사이즈로 수중에서 생성된다. 하지만 이정도 사이즈로는 물의 세정이나 폐수의 정화 등에 산소 전달 역할만 가능하고, 미세기포의 부상을 활용한 처리는 곤란하다.
따라서 통상의 산기 장치 이외에 별도의 미세 버블을 발생시키기 위한 장치들이 개발되고 있다.
대용량 해수담수화시스템 가압 부상 공정에 사용되는 방법은 물과 일정 이상 압력을 가지는 공기를 가압탱크에서 혼합시키고, 혼합수를 일반적인 오리피스 노즐을 통해서 100마이크로 이하의 작은 미세 버블을 발생시키는 가압방식이다. 본 발명은 기존 가압부상 공정에 함께 적용할 수 있는 장치인 수위 변동형 압축공기 주입 공정과 왕복동 펌프의 자흡원리를 응용하여 소량의 공기와 물을 고압수로 공급할 수 있는 강제 유체 충돌식 미세버블 발생장치를 개발하여, 미세 버블의 생성을 효율적으로 하기 위한 장치이다.
관련선행기술로는 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2011-0087943호(공개일자 2011년 8월 3일) '충돌식 미세 버블 발생 장치'가 있다. 이 기술은 외부의 공기를 주입하여 충돌식 미세 버블을 발생시키는 방법이다.
가압방식 기술에 선행기술을 도입하기에는 혼합수 흐름이 안정적이므로 압력수가 받는 압력보다 높은 압축공기가 필요하므로 운전비용의 증가가 예상된다.
본 발명의 목적은 미세 버블을 효율적으로 생성시킬 수 있는 미세 버블 발생장치를 제공하기 위한 것이다. 이를 위해서 압축공기만을 주입할 수 있는 수위 연동제어형 설비와 일부의 공기와 물인 유체를 고압수로 제공할 수 있는 왕복동 펌프형 강제 주입형 장치를 이용한다.
본 발명의 다른 목적은 대용량 버블이 요구되는 해수담수화시스템의 가압부상 공정에 고효율 미세 버블 발생장치를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치는, 가압시킨 공기와 물을 공급받아 혼합시키는 가압탱크; 상기 가압탱크에 공기를 압송하는 압축기; 상기 가압탱크에 물을 공급하는 원심펌프; 상기 원심펌프 전단으로부터 물을 공급받아 추가적으로 가압하는 고압 왕복동펌프; 왕복동펌프 가압탱크 하부에서 배출되는 혼합수, 상기 원심펌프에서 일부 공급받는 물을 왕복동 펌프를 통해서 공기가 녹아있는 혼합수를 가압된 압력수와 가압탱크의 혼합수와 혼합시킬 수 있는 이젝터; 상기 이젝터와 연결되며, 상기 이젝터로부터의 상기 압력수와 혼합수가 서로 충돌하면서 섞이도록 하여 이류체를 생성하는 충돌식 이류체 생성부; 및 상기 이류체가 흐르는 방향에 대해 상기 충돌식 이류체 생성부의 후단에 연결된다.
상기 왕복동펌프는 유체를 흡입되는 원리를 응용하여 일부 대기중의 공기도 처리수와 함께 흡입시킬 수 있도록 유입탱크와 공기 흡입구를 설치하여, 유체를 고압수로 변화시킬수 있도록 구성된다.
상기 왕복동펌프에서 공급되는 압력수를 저장하였다가 상기 이젝터로 공급하는 버퍼탱크를 더 포함할 수 있다. 왕복동펌프로 공급되는 것은 원심펌프 전단의 처리수를 원수탱크로 자연 유입시키고 대기중의 공기가 동시에 흡입할 수 있는 왕복동 펌프 전단에 공기흡입라인을 설치한다.
상기 버퍼탱크는 압력수가 기준압력을 초과할 경우 압력수를 배출시키는 안전밸브를 구비할 수 있다.
상기 왕복동펌프는 압력수가 15~200bar 의 압력을 가지도록 하는 것이 바람직하다.
상기 수위 연동형 제어방식의 공기 주입장치는 가압탱크에 공급되는 압축공기가 연속 공급방식을 수위 연동 방식을 적용 방법이다. 압축공기 압력은 가압탱크보다 높기 때문에 수위가 내려가며, 보통레벨수위에 도달하는 경우부터 자동밸브를 50~70% 내외 조절하여 강제 유체 충돌식 장치인 이젝터로 공급한다. 로우레벨수위에 도달하는 경우는 밸브를 100% 개폐하여 이젝터로 공급한다.
또한, 본 발명에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치는, 상기 이젝터와, 상기 이젝터 후단의 이류체 생성부가 복수개 구비되고, 상기 원심펌프 전단에서 공급되는 처리수와 일부의 공기가 포함된 고압수가 각각의 이젝터로 분기되어 공급되도록 할 수도 있다.
왕복동펌프는 별도의 공급 펌프없이 흡입 방식으로 공급되므로, 원수탱크 수위와 동일하게 유입구를 설치하거나, 순간 흡입력이 높은 입구 전단에 공기흡입구를 설치하여 공급된다.
본 발명에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치는 대용량의 미세 버블을 적은 운전비용으로 발생시킬 수 있으며, 수중의 포화수를 미세 기포화 성능을 향상시키는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치를 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치의 이젝터와 이류체 생성부를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치를 나타낸 구성도임.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치의 제어방법을 설명하기 위한 구성도,
본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치(100)는, 공기와 물을 공급받아 혼합시킨 후 혼합수를 공급하는 가압탱크(110)와, 상기 가압탱크(110)에 공기를 압송하는 압축기(120)와, 상기 가압탱크(110)에 물을 공급하는 원심펌프(130)와, 상기 원심펌프(130) 전단에서 물을 공급받아 추가적으로 가압하는 왕복동펌프(140)와, 상기 가압탱크(110)에서 공급되는 혼합수가 유입되는 혼합수 유입구와, 상기 왕복동펌프로 공급되는 처리수(131)와 일부의 공기가 동시에 유입될 수 있는 원수탱크(141), 왕복동펌프 유입구에 가까운 공기흡입구(142)가 설치되며, 왕복동펌프를 통해 고압의 압력수가 공급된다.
상기 혼합수와 압력수를 혼합시키는 이젝터(150)와, 상기 이젝터(150)와 연결되며, 상기 이젝터(150)로부터의 상기 압력수와 혼합수가 서로 충돌하면서 섞이도록 하여 이류체를 생성하는 충돌식 이류체 생성부(160)와, 상기 이류체가 흐르는 방향에 대해 상기 충돌식 이류체 생성부(160)의 후단에 연결된다.
가압탱크(110)는 원심펌프(130)에 공급되는 물과, 압축기(120)에서 공급되는 공기를 혼합하여 혼합수를 이젝터(150)로 공급하게 된다.
왕복동펌프(140)는 펌프에서 공급된 물을 추가적으로 압력을 가하여 이젝터(150)로 공급한다.
이 때, 왕복동펌프(140)를 통해 공급되는 압력수의 압력은 15~200bar 인 것이 바람직하다. 이젝터(150)로 공급되는 압력수의 압력은 가압부상 방식의 일반적인 운전 압력 4 ~6 bar 내외의 혼합수 흐름을 교란시킬 필요가 있다.
왕복동펌프의 상부와 하부 직경에 따라 토출되는 압력수가 결정되고 다수의 배관 이젝터에 병렬연결을 고려할 경우 최소 50bar 이상 공급가능하다. 10bar 이상의 압력은 이젝터(150)와 이류체 생성부(160)의 이물질의 막힘을 방지할 수 있다. 고압의 압력수를 혼합수와 충돌시킴으로써, 혼합수에 포함된 버블을 난류 유발시켜, 오피리스 노즐(200)을 통해서 기포를 발생함에 있어 안정적으로 미세화할 수 있고, 압력수를 고압으로 주입하여 이젝터(150)와 충돌식 이류체 생성부(160)에서 난류를 강제적으로 발생시켜 수중에 녹아있는 공기를 많이 용출시킬 수 있고, 일부의 외부 공기가 주입시 효과가 커질 수 있으므로, 일반적으로 쓰이는 오리피스 노즐(200)에서 발생하는 미세 기포 발생 효율을 증가시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치의 이젝터, 이류체 생성부를 나타낸 단면도이다.
도 2에는 이젝터(150)가 편의상 개략적으로 도시되어 있지만, 이젝터(150)는 물이 유입되는 물 유입구(152)와, 기체가 주입되는 기체 주입구(154)와, 기체가 혼합된 물이 배출되는 물 및 기체 배출구(156)를 갖는다.
이 경우, 가압탱크(110)로부터 혼합수가 유입되는 혼합수 유입구(152)까지는 그 폭이 점차적으로 좁아지게 마련되는데, 폭이 가장 좁아진 곳에 압력수 주입구(154)가 형성된다. 그리고 배출구(156)는 충돌식 이류체 생성부(160)쪽으로 갈수록 그 폭이 점차적으로 넓어지게 마련된다.
이처럼 혼합수와 압력수가 흐르는 방향에 대해 그 폭이 좁아지다가 넓어지게 형성되고, 그 사이에서 혼합수와 압력수가 합쳐지기 때문에 주입된 고압의 압력수가 혼합수와 충돌식 이류체 생성부(160)쪽으로 흐르게된다.
충돌식 이류체 생성부(160)는 이젝터(150)의 물 및 기체 배출구(156)에서 배출되는 물(일부는 기체가 혼합된 물임)과 기체를 충돌시켜, 다시 말해 혼합된 물과 기체가 서로 충돌하도록 하여 물과 기체를 섞는 역할을 한다.
이러한 충돌식 이류체 생성부(160)는 베인(164)과 베인 지지대(162)를 포함한다.
베인 지지대(162)는 단부가 막힌 대략 막대 형상을 가지며, 베인(164)은 베인 지지대(162)의 외면에 나선형으로 고정된다. 이때, 베인(164)의 형상과 폭, 그리고 크기 등은 물과 기체가 서로 격렬하게 충돌될 수 있고 더하여 이류체에 압력을 가하는 역할을 하는 구조면 그것으로 충분하기 때문에 특정한 형상으로 국한될 필요는 없다.
다만, 본 실시예와 같이, 베인(164)이 나선형으로 마련되면 이 영역을 지나는 물과 기체가 베인(164)에 충돌되는 면적이 넓어지기 때문에 물과 기체가 섞이는데 보다 탁월한 효과를 제공할 수 있다.
이처럼 베인 지지대(162)는 단부가 막힌 막대 형상을 가지기 때문에, 이젝터(150)의 물 및 기체 배출구(156)에서 배출되는 기체가 혼합된 물은 베인 지지대(162)의 외면과 충돌식 이류체 생성부(160)의 내면 사이의 공간(S), 다시 말해 베인(164)이 위치된 공간으로만 통과된다. 통과되면서 베인(164)에 계속 부딪히게 됨으로써 물과 기체가 서로 격렬하게 충돌되어 섞이면서 이류체를 만들게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치를 나타낸 것이다.
왕복동펌프장치는 원수탱크의 출구는 처리수(131)의 수위 지점에 설치하고 흡입라인 크기도 외부 공기가 유입될 수 있게 수위보다 높게 설치한다. 또한 왕복동펌프 전단지점에 공기흡입구(142)를 설치하여 흡입할 수 있도록 하여 처리수와 공기(300)가 동시에 흡입한다.
본 실시예는 이젝터(150)와, 상기 이젝터(150) 후단의 이류체 생성부(160) 가압탱크(110)에서 공급되는 혼합수가 각각의 이젝터로 분기되어 공급되는 형태를 나타낸 것이다.
이러한 경우, 왕복동펌프(140)에서 공급되는 압력수는 버퍼탱크(180)에 일시적으로 저장되었다가, 각각의 이젝터(150)로 공급되는 것이 바람직하다.
버퍼탱크(180)는 압력수를 원활하고, 균일하게 각각의 이젝터(150)로 공급하기 위한 것으로, 도 1과 같이 하나의 이젝터(150)가 구비되는 형태인 경우에도 왕복동펌프(140)와 이젝터(150) 사이에 버퍼탱크(180)를 구비할 수 있다.
왕복동펌프(140)로는 압축기 공기, 가압탱크(110)의 혼합수, 원심펌프(130) 전단에서 공급되는 처리수(1131), 자흡되는 공기(300)가 동시에 공급되며, 왕복동펌프에 의해 고압수로 변화되어 버퍼탱크로 유입된다. 상기 버퍼탱크(180)는 압력수가 기준압력을 초과할 경우 압력수를 배출시키는 안전밸브(182)를 구비할 수 있다.
도 4는 압축공기를 강제 유체 충돌 주입장치(100)에 효과적으로 공급할 수 있는 제어 방법을 나타내었다. 대용량 처리를 위한 가압탱크는 자동밸브(113)가 수위와 연동되어 운전된다. 강제 유체 충돌 주입장치로 공급라인에 혼합수 역류를 방지하기 위한 체크밸브(115)와 압축공기를 공급하기 위한 자동밸브(114)가 설치된다.
상기 자동밸브(114)은 가압탱크내 공급되는 압축공기로 혼합수 수위가 내려감에 따라 정상레벨수위(112B) 지점에 도달하면 자동밸브(114)가 50~70% 내외로 열리고, 로우레벨수위(112C) 지점에 도달하면 자동밸브(113)가 잠그게 된다. 이에 자동밸브(114)로 압축공기가 강제 유체 충돌 주입장치로 공급된다. 이에 상기 이젝터(150), 와류장치(160)를 통해 미세기포 발생 성능이 증가된다. 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 강제 유체 충돌 장치
110 : 가압탱크
120 : 압축기
130 : 원심펌프
140 : 왕복동펌프
150 : 이젝터
160 : 충돌식 이류체 생성부
180 : 버퍼탱크
200 : 오리피스 노즐

Claims (6)

  1. 공기와 물을 공급받아 혼합시킨 후 혼합수를 공급하는 가압탱크;
    상기 가압탱크에 공기를 압송하는 압축기;
    상기 가압탱크에 처리수를 공급하는 원심펌프;
    상기 압축기에서 공급되는 압축공기를 제어하는 압축공기 제어부;
    상기 장치에서 처리수와 공기를 공급받아 추가적으로 가압하여 공급하는 왕복동펌프;
    혼합수와 압력수를 혼합할 수 있도록 이젝터로 공급할 수 있는 왕복동펌프를 통해 압력수와 혼합수가 서로 충돌하면서 섞이도록 하여 이류체를 생성하는 충돌식 이류체 생성부; 및
    상기 이류체가 흐르는 방향에 대해 상기 충돌식 이류체 생성부의 후단에 연결되는 오리피스 노즐;을 포함하여 미세 버블을 발생 효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 왕복동펌프에서 공급되는 압력수를 저장하였다가 상기 이젝터로 공급하는 버퍼탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 버퍼탱크는 압력수가 기준압력을 초과할 경우 압력수를 배출시키는 안전밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 왕복동펌프는 압력수가 최대 15~200bar 의 압력을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이젝터와, 상기 이젝터 후단의 이류체 생성부가 복수개 구비되고,
    상기 가압탱크에서 공급되는 처리수와 일부의 공기가 왕복동펌프를 통해서 각각의 이젝터로 분기되어 공급되는 것을 특징으로 하는 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가압탱크의 혼합수와 최소의 압축 공기가 혼합될 수 있도록 수위 연동형 자동밸브를 설치되어 각각의 이젝터로 분기되어 공급되는 것을 특징으로 하는 강제 유체 충돌식 미세 버블 발생장치.
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