KR20150130983A - 액체 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 용존 기체 함유 액체 처리 장치에 관한 것으로, 상기 장치는, 공동화(cavitation)에 의해 상기 액체 중에 상기 기체의 기포를 생성할 수 있는 유체역학적 반응기; 및 상기 액체로부터 상기 기포를 추출할 수 있는 기체 분리기;를 포함한다.
Description
본 발명은 용존 기체 함유 액체 처리 장치, 특히, 열 교환기, 냉각탑, 수영장, 특히 공용 또는 개인용 수영장, 냉각 또는 냉방 회로, 난방 회로, 여과 회로, 역삼투 탈염 회로, 가정용 온수 회로, 또는 식수 분배 회로를 통과한 액체의 처리 장치에 관한 것이다. 일반적으로, 본 발명은 예를 들어, 오수(예를 들어, 가정 폐수(household wastewater) 또는 침출수(leachate)를 갖거나 또는 갖지 않는, 산업 공정 회로로부터의 용존 기체 함유 수성 액체의 처리 장치에 관한 것이다.
이들 응용분야에서, 특정(고체, 액체 또는 기체) 물질 또는 미생물의 존재는 원하지 않은 퇴사(silting) 및/또는 스케일링(scaling) 및/또는 부식(corrosion) 및/또는 막힘(clogging) 현상을 야기한다. 따라서, 액체는 첨가제의 주입, 예를 들어, 소독제(disinfectant), 응집제(flocculant), 산 또는 격리제(sequestrant)의 주입에 의해, 주기적으로 처리되거나, 또는 심지어 주기적으로 배수 및 교체되어야 한다. 이러한 처리는 고비용이며 종종 환경을 해한다.
따라서, 이러한 문제점을 적어도 부분적으로 해결할 수 있는 신규 처리 용액에 대한 요구가 있다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 하기를 포함하는 용존 기체 함유 액체의 처리 장치 수단에 의해 달성된다:
- 공동화에 의해 상기 액체 내의 상기 기체의 기포를 생성할 수 있는 유체역학적 반응기; 및
- 상기 액체로부터 상기 기포를 추출할 수 있는 기체 분리기.
나머지 상세한 설명에서 더욱 상세히 보여질 바와 같이, 이러한 장치는 감소된 첨가제의 소비로, 또는 심지어 첨가제의 사용 없이 및/또는 상기 액체의 교체 속도를 제한하여 단순하고 효율적으로 액체를 처리할 수 있게 한다.
하나의 이론에 한정되지 않고, 본 발명자들은 이러한 결과를 하기의 방식으로 설명한다: 상기 유체역학적 반응기는 갑작스런 팽창에 의한 공동화에 의해 액체 중에 용해된 기체의 일부를 증발시킨다. 반면 기체 분리기는 이러한 기체가 압축 하류에 의해 액체 중에 다시 용해되기 전에 이에 따라 형성된 기체 기포를 포획한다. 따라서, 상기 장치를 떠나는 액체 중의 기체 압력(즉, 용존 기체의 농도)은 상기 장치에 진입하는 액체 중의 기체 압력보다 낮다.
따라서, 상기 장치는 용존 기체의 압력을 감소시킴으로써 그 유해성을 감소시킬 수 있다.
공동화는 액체 흐름의 구조 및 특성을 상당히 변경시키기 때문에 이는 일반적으로 두려운 현상으로 잘 알려져 있다. 본 발명자들은 이러한 현상을 유리하게 사용하는 장치를 고안한 것으로 인정받는다.
상기 유체역학적 반응기의 탈기(degassing) 하류는 특히 CO2 및/또는 O2을 제거할 수 있게 하며, 이에 따라, 상기 액체 내에서 물리화학적 평형(예를 들어, 칼슘-탄소 평형)을 위한 새로운 조건을 생성시킨다.
이러한 하류 탈기는 또한 건강에 매우 해롭고 수영장 물의 처리 동안 나타날 수 있는 원하지 않은 기체, 예를 들어, 클로라민 및 특히 트리클로라민을 제거할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 또한 하기 선택적인 특징들을 하나 이상 포함할 수 있다:
- 상기 유체역학적 반응기의 하류, 바람직하게는 상기 유체역학적 반응기로부터 2 미터 미만, 바람직하게는 1 미터 미만의 거리에서 상기 기체 분리기가 배치된다;
- 상기 기체 분리기는 상기 기체 분리기 내에서 상기 액체가 압력 하에서 유지되고, 특히 수영장에서와 같이 대기에 노출되지 않도록 및/또는 액체가 외부 기체와 접촉하지 않도록 변형된다(즉, 액체가 접촉하는 기체는 오직 공동화에 의해 추출된 기포이다)(특히, 상기 액체는 그 자유 표면이 대기와 접촉하도록 탱크 내에 위치하지 않는다)
- 상기 기체 분리기는 코울레싱(coalescing) 분리기 또는 브러쉬 필터이다;
- 상기 유체역학적 반응기는 상기 액체와 접촉할 수 있는 유전 재료를 포함한다;
- 상기 유체역학적 반응기는 유전 재료에 의해, 적어도 부분적으로 또는 심지어 완전히 구분된 제1 채널들을 포함한다;
- 상기 유체역학적 반응기는 바람직하게는 상기 유전 재료의 하류에 현탁 입자의 분리 수단, 특히, 침전(settling) 수단 및/또는 필터를 포함한다;
- 상기 필터는 브러쉬 필터, 디스크 필터, 입상 매체 필터, 초미세여과막, 특히 중공(hollow) 섬유 초미세여과막, 나노여과막, 특히, 초미세여과막 단독 또는 이의 하류, 또는 역삼투막에 의해 형성된 군으로부터 선택된다;
- 상기 유체역학적 반응기는 바람직하게는 유전 재료에 의해 내부적으로 분리된 제 1채널들을 포함하고, 하류는 압축 챔버로 통하고, 압축 챔버로 주입되기 전에, 상기 제1 채널들 내의 액체의 통로는 이들을 가속화하고, 공동화 기포의 생성을 일으키며, 상기 압축 챔버 내의 액체의 통로는 대부분의 공동화 기포의 내파(implosion)를 일으킨다;
- 상기 유체역학적 반응기는 바람직하게는 전기 전도성 재료로, 바람직하게는 아연으로, 내부적으로 분리된 제2 채널들을 포함하고, 상류를 상기 압축 챔버로 통하고, 상기 제2 채널들의 액체의 통로는 이들의 가속화하고, 공동화 기포의 생성을 일으킨다; 바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는 제2 압축 챔버를 포함하고, 여기서 상기 제2 채널의 하류가 통하여 상기 제2 채널로부터 발생된 대부분의 공동화 기포를 내파한다;
- 상기 유체역학적 반응기는 복수의 상기 제1 채널들을 포함하는 제1 블록, 압축 챔버 및 바람직하게는 복수의 상기 제2 채널들을 포함하는 제2 블록을 포함하고, 상기 제1 채널들 및 적절한 제2 채널들은 상기 압축 챔버로 통하여 상기 유체역학적 반응기로 진입한 액체가, 제1 채널들, 압축 챔버 및 제2 채널들을 연속적으로 통과한다;
- 바람직하게는, 상기 제1 채널들은 유전 재료, 바람직하게는, 플라스틱으로 이루어진 내벽, 바람직하게는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE)으로 이루어진 내벽에 의해 구분된다;
- 바람직하게는, 상기 제2 채널들은 처리될 액체가 순환하는 회로를 보호하기 위하여 희생 양극의 역할을 할 수 있는 전기 전도성 재료로 이루어진 내벽에 의해 분리된다;
- 바람직하게는, 상기 제1 및 제2 블록은 유입구 및 유출구를 갖는 하우징 내로 삽입되고, 상기 하우징에 진입하는 모든 액체는 하우징을 떠나기 전에 상기 제1 채널들, 압축 챔버 및 제2 채널들을 통과해야 한다;
- 바람직하게는, 상기 하우징은 상기 전기 전도성 재료와 전기적으로 접촉되어 있다;
- 상기 유체역학적 반응기에서 생성된 기포의 수의 50% 초과는 0.2 μm 내지 5 mm의 직경, 바람직하게는 0.2 μm 내지 2 mm의 직경을 갖는다;
- 상기 유체역학적 반응기는 특허 EP-B2-680 457에 기술된 유체역학적 반응기이다;
- 액체는 상기 유체역학적 반응기 내에서 순환하고, 이러한 액체는 바람직하게는 염소, 알루미늄, 브롬, 크롬 또는 스트론튬, 특히 방사성 금속에 의해 형성된 군으로부터 선택된 원소를 함유하는 적어도 1종의 화합물을 함유한다.
본 발명은 또한 타겟 및 상기 타겟을 떠나는 액체의 처리 장치가 삽입된 회로를 포함하거나 또는 이로부터 구성된 시스템에 관한 것으로, 상기 처리 장치는 본 발명에 따른 것이며, 상기 기체 분리기는 상기 유체역학적 반응기의 하류에, 상기 유체역학적 반응기로부터 1 미터 미만의 거리에서 삽입된다.
상기 타겟은 특히 열 교환기, 냉각탑, 수영장, 특히, 옥외 수영장, 특히 공용 또는 개인용 수영장, 냉각 또는 냉방 회로, 난방 회로, 여과 회로, 역삼투 탈염 회로, 가정용 온수 회로, 또는 식수 분배 회로에 의해 형성된 군으로부터 선택될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 액체는 상기 시스템 내에서 폐쇄 루프(closed loop)에서 순환한다.
바람직하게는, 상기 액체는 압력 하에 유지되거나 및/또는 선택적으로 타겟을 제외하고는, 대기와 접촉하지 않는다. 바람직하게는, 상기 회로의 임의의 지점에서 압력은, 선택적으로 타겟을 제외하고는, 대기압보다 크다.
마지막으로, 본 발명은 용존 기체 함유 액체의 처리 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 적절한 열역학적 조건 하에서 상기 유체역학적 반응기가 기포를 생성하기 위하여 상기 액체를 본 발명에 따른 장치로 통과시키는 단계로 이루어진다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 하기 상세한 설명을 읽고, 첨부된 도면을 참조하면 더욱 명백해질 것이며, 이는 설명적이고 비제한적인 목적으로 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 장치에서 사용될 수 있는 유체역학적 반응기의 예의 길이방향 단면도를 나타낸다.
도 3은 코울레싱(coalescing) 기체 분리기의 일 예를 나타낸다.
도 4는 공동화(cavitation) 및 공동화 기포 내파(implosion) 현상을 도시한다.
다양한 도면들에서, 동일하거나 또는 유사한 구성 요소는 동일한 부호로 표시하였다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 장치에서 사용될 수 있는 유체역학적 반응기의 예의 길이방향 단면도를 나타낸다.
도 3은 코울레싱(coalescing) 기체 분리기의 일 예를 나타낸다.
도 4는 공동화(cavitation) 및 공동화 기포 내파(implosion) 현상을 도시한다.
다양한 도면들에서, 동일하거나 또는 유사한 구성 요소는 동일한 부호로 표시하였다.
정의
위치 "상류(upstream)" 및 "하류(downstream)"는 액체의 처리 동안 액체의 흐름 방향에 따라 결정된다.
표현 "포함하는"은 달리 표시되지 않는 한, "적어도 하나를 포함하는"을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
표현 "특히(in particular)" 또는 특히("especially")는 동의어이고, 제한되지 않는다.
영역 A의 단면의 "균등한 직경"은 동일한 영역 A의 원형 단면의 직경을 지칭한다. 따라서, 원형 단면의 경우에, 균등한 직경은 그 직경과 동일하다.
"횡단면"은 상기 액체의 주요 흐름 방향에 수직한 면을 지칭한다.
상세한 설명
도 1은 액체 (L)이 순환하는 폐쇄형 회로(12)를 포함한 본 발명에 따른 시스템(10)을 나타낸다. 타겟(이 경우, 라디에이터)(16) 및 본 발명에 따른 처리 장치(20)가 상기 회로(12)에 삽입되고, 처리 장치(20)는 타겟(16)의 상류에 있다.
처리 장치(20)는 덕트(22)를 포함하고, 여기에는 상류에서 하류까지 (상류 및 하류는 덕트(22)에서의 액체의 흐름 방향에 의해 결정됨) 유체역학적 반응기(25), 기체 분리기(30) 및 필터(31)가 삽입된다. 시스템(10)은 또한 처리 장치(20)의 상류 또는 하류에 삽입된 펌프(32)를 포함하며, 이는 액체(L)를 순환시킨다.
회로(12)는 표시된 바와 같이, 메이크업(makeup) 액체를 갖거나 또는 갖지 않고, 상기 액체를 대기와 접촉시키거나 접촉시키지 않는, 개방형, 반-개방형, 또는 폐쇄형일 수 있다.
시스템(10)은, 특별히 제한되지 않고, 일반적인 냉수, 가정용 온수, 난방수, 냉방수, 냉각수, 식수, 산업용수, 관개(irrigation) 용수 및/또는 관개, 소방용 물, 수영장 물 또는 수영용 물 및 수중치료용 수영장 물을 위한 시스템일 수 있다. 이 시스템은 주거용 또는 산업용(tertiary) 건물, 예를 들어, 병원 또는 학교에 있을 수 있다.
유체역학적 반응기
공동화에 의해 기포, 특히, 미세기포(microbubble)를 발생시키기 위하여 액체 내의 갑작스런 압력 강하를 생성할 수 있는 임의의 장치가 유체역학적 반응기(25)로서 사용될 수 있다.
상기 유체역학적 반응기는 상기 유체역학적 반응기에 삽입된 덕트의 흐름 영역보다 작은 흐름 영역의 부분을 포함한다. 바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는 적어도 2개의 이러한 부분을 포함한다.
그러나, 상기 흐름에 층류(laminar)가 남아있는 경우, 액체 흐름 영역의 감소로 인한 액체의 단순 팽창은 공동화를 발생시키기에 충분하지 않다. 따라서, 높은 난류(turbulence) 및 국부적으로 매우 높은 압력 구배(pressure gradient)를 생성하기 위해서는 갑작스런 팽창이 있어야 한다.
바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는 수동형이다. 즉, 상기 유체역학적 반응기는 에너지 소비자, 특히, 모터를 포함하지 않는다. 더욱 바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는 움직이는 부품을 포함하지 않는다.
상기 유체역학적 반응기는 특히, 하나 이상의 제1 채널들로 구성된 가속화 영역을 포함할 수 있고, 상기 제1 채널은 상류를 상류 챔버로 개방하고, 상기 액체는 상기 상류 챔버와 상기 제1 채널들 사이에서 가속화된다.
바람직하게는, S''/∑''비는 2 초과, 5 초과, 10 초과, 20 초과, 50 초과, 100 초과, 또는 200 초과, 및/또는 1000 미만, 500 미만, 400 미만, 또는 300 미만일 수 있다.
- S''는 상기 제1 채널들이 상기 상류 챔버로 통하는 영역의 바로(immediately) 상류의 횡단면에서 측정된 상류 챔버의 단면적을 나타낸다.
- ∑''는 상기 제1 채널들이 상기 상류 챔버로 통하는 영역의 바로 하류의 횡단면에서 측정된 상기 제1 채널들의 횡단면적의 합을 나타낸다.
상기 제1 채널들은 상기 흐름을 점진적으로 가속화하기 위하여 수렴성(convergent) 길이방향 단면, 예를 들어, 노즐 형상을 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 채널들은 서로 평행할 수 있다. 이들은 직선(rectilinear)이거나 또는 직선이 아닐 수 있다. 특히, 이들은 상기 액체의 흐름 방향에 따라 연장될 수 있다. 상기 제1 채널들의 수는 바람직하게는, 3 초과, 5 초과, 10 초과, 20 초과, 30 초과 및/또는 200 미만, 150 미만, 100 미만, 80 미만, 60 미만이다. 상기 채널들의 횡단면은 임의의 형태, 예를 들어, 원형일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 제1 채널들은 이들의 전체 길이에 대하여 실질적으로 일정한 횡단면을 갖는다.
상기 제1 채널들의 균등한 내부 직경은, 바람직하게는, 2 mm 초과, 10 mm 초과 또는 15 mm 초과 또는 20 mm 초과 및/또는 50 mm 미만, 40 mm 미만, 35 mm 미만이다. 대략 30 mm의 균등한 내부 직경이 매우 적절하다.
상기 제1 채널들의 길이는, 바람직하게는, 20 mm 초과, 30 mm 초과 및/또는 50 mm 미만, 40 mm 미만이다.
물론, 상기 유체역학적 반응기는 다양한 용존 기체의 기포를 생성하는 공동화를 가져오도록 개조될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는 오직 미세기포를 생성하도록 구성될 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 처리 장치는 이의 효율을 향상시키기 위하여, 후반에 진입하는 액체의 온도를 증가시킬 수 있는 가열기를 포함하고, 이는 상기 제1 채널들의 상류에 삽입된다.
그러나, 액체의 가열은 일반적으로 고비용이다.
바람직한 일 구현예에 있어서, 상기 제1 채널들을 떠나는 액체는 압축 챔버로 진입한다. 명세서의 나머지 부분에서 더욱 상세히 알 수 있는 바와 같이, 상기 압축 챔버는 공동화 기포의 내파 및 이로운 반응의 발생에 기여한다.
바람직하게는, 흐름 방향에 따라 측정되고, 오일러(Eulerian) 시스템의 환산 좌표(reduced coordinate)로 측정된 상기 압축 챔버의 길이는 0.5*L1 초과 및/또는 2*0.5*L1 미만이며, L1은 관련된 상기 압축 챔버에 대한 상기 제1 채널들의 길이이다.
바람직하게는, 상기 압축 챔버는 0.0001 dm3 초과, 0.001 dm3 초과, 0.01 dm3 초과, 0.1 dm3 초과 및/또는 20 dm3 미만, 10 dm3 미만, 1 dm3 미만의 부피를 갖는다.
S/∑ 비는 2 초과, 5 초과, 10 초과, 20 초과, 50 초과, 100 초과 또는 200 초과 및/또는 1000 미만, 500 미만, 400 미만 또는 300 미만일 수 있다.
- S는 상기 제1 채널들이 상기 압축 챔버로 통하는 영역의 바로 하류의 횡단면에서 측정된 상기 압축 챔버의 단면적을 나타낸다.
- ∑는 상기 제1 채널들이 상기 압축 챔버로 통하는 영역의 바로 하류의 횡단면에서 측정된 상기 제1 채널들의 횡단면적의 합을 나타낸다.
높은 S/∑ 비는, 유리하게는, 제1 채널들의 입구(mouth)에서 마이크로젯(microjet)을 발생시키고, 이는 공동화 생성에 매우 효과적이다.
S/∑ 비를 개산하기 위하여, 관련된 모든 제1 채널들이 고려된다.
상기 장치가 공동화를 발생시키는 몇몇 가속화 영역을 포함하는 경우, 상기 장치는 이러한 가속화 영역 각각의 하류에 개별적인 압축 챔버를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 모든 압축 챔버는 실질적으로 동일한 S/∑ 비를 가질 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는 액체와 접촉하도록 배치된 유전 재료를 포함하며, 바람직하게는, 액체가 고속으로 순환하는 영역에 배치된다.
바람직하게는, 상기 제1 채널들은 이러한 유전 재료 만들어진 내벽에 의해 구분된다. 상기 제1 채널들은 상기 유전 재료로 만들어진 블록으로 제조될 수 있다.
상기 유전 재료는, 바람직하게는, 플라스틱, 예를 들어, 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 나일론, 폴리프로필렌, 폴리비닐 클로라이드(PVC) 또는 이들 재료의 혼합물이다. 액체의 순환에 의해 마찰 대전압(triboelectrification)에 의한 정전하(static electric charge)를 발생시킨다면, 다른 유전 재료, 예를 들어, 세라믹이 또한 사용될 수 있다.
PTFE는 바람직한 유전 재료이다. 구체적으로, 이러한 유전 재료는 액체의 고체 물질이 유전 재료의 표면에 부착하는 것을 방지한다.
상기 유체역학적 반응기는, 갈바닉 효과(galvanic effect)를 통해 산화-환원 현상을 발생시키기 위하여 전기 전도성 재료로 이루어진 부분을 포함하며, 이는 액체의 경로를 따라 배치된다.
더욱 바람직하게는, 상기 전기 전도성 재료는 아연이다.
상기 유체역학적 반응기는, 특히, 상기 전기 전도성 재료로 이루어진 내벽에 의해 구분된 복수의 제2 채널들을 포함할 수 있다. 상기 제2 채널들은 상기 전기 전도성 재료로 이루어진 블록으로 제조될 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 압축 챔버는 상기 제1 채널들 및 상기 제2 채널들 사이, 또는 반대로, 상기 제2 채널들 및 상기 제1 채널들 사이에 액체의 경로를 따라 배치될 수 있다.
상기 제2 채널들은 상기 제1 채널들과 마찬가지로, 공동화 기포의 공급원일 수 있다. 이들은 서로 평행할 수 있다. 이들은 직선이거나 또는 직선이 아닐 수 있다. 특히, 이들은 상기 유체역학적 반응기의 길이방향 축을 따라 연장될 수 있다. 상기 제2 채널들의 수는, 바람직하게는, 2 초과, 3 초과, 5 초과, 10 초과, 20 초과, 30 초과 및/또는 100 미만, 80 미만, 60 미만이다. 상기 제2 채널들의 횡단면은 임의의 형상, 예를 들어, 원형일 수 있다. 일 구현예에 있어서, 상기 제2 채널들은 이들의 전체 길이를 통하여 실질적으로 일정한 횡단면을 가진다.
상기 제2 채널들의 균등한 내부 직경은, 바람직하게는, 2 mm 초과, 4 mm 초과, 또는 5 mm 초과 및/또는 15 mm 미만, 13 mm 미만, 10 mm 미만, 8 mm 미만 또는 7 mm 미만이다.
일 구현예에 있어서, 상기 제2 채널들의 균등한 내부 직경은 상기 제1 채널들의 균등한 내부 직경보다 더 크거나 또는 1.1배, 1.5배, 2배 또는 3배 크다.
상기 제2 채널들의 길이는 바람직하게는 20 mm 초과, 30 mm 초과 및/또는 50 mm 미만, 40 mm 미만이다.
상기 압축 챔버는, 바람직하게는, 몇몇의 상기 제1 및 /또는 제2 채널들에 대하여 공통되거나 또는 모든 상기 제1 및/또는 제2 채널들에 대하여 공통된다.
바람직하게는, 상기 제1 채널들은 반대편의 상기 제2 채널들에 개방되지 않는데, 이는 제1 채널을 떠나고, 상기 압축 챔버를 통과한 액체가 직선 경로를 따라 제2 채널로 진입하는 것을 막는다.
상기 제1 채널들, 선택적으로, 상기 제2 채널들 및 상기 압축 챔버는 상기 유체역학적 반응기 내에서 함께 그룹화된다.
상기 유체역학적 반응기는 액체의 유입구 및 유출구를 포함하는 하우징을 포함할 수 있다.
상기 하우징은 본체(body), 바람직하게는, 실린더형 본체, 및 하나 이상의 단부캡(예를 들어, 상기 본체 상에 나사고정(screwed)됨)을 포함할 수 있다. 상기 단부캡은 특히 상기 유체역학적 반응기의 유입구 및 유출구를 획정(define)할 수 있다. 상기 말단캡의 길이는 제한되지 않는다.
바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는 상기 유입구 및/또는 유출구의 파이프와의 연결을 가능하게 하는 커플링, 예를 들어, 상기 파이프의 대응하는 플랜지와 협력할 수 있는 볼트 구멍을 구비한 플랜지, 또는 상기 파이프의 암부재(female part) 또는 수부재(male part) 상에 각각 나사결합된 수부재 또는 암부재를 포함한다. 상기 커플링은 상기 선택적인 단부캡에 견고하게 부착될 수 있다.
상기 하우징, 및 특히 하나 이상의 단부캡은 전기 전도성 재료로 제조되며, 특히 강철로 제조된다.
그 길이방향 단부에서, 제1 블록은 상류면(upstream face) 및 하류면(downstream face)에 의해 구분되고, 상기 상류면 및 하류면 중 적어도 하나는 바람직하게는 오목하다(concave).
상기 제1 블록은 특히 상기 유전 재료로 구성될 수 있다.
상기 하우징은 적어도 부분적으로 유전 재료로 이루어진 벽에 의해 횡방향(laterally)으로 구분된 복수의 제1 채널들을 획정하는 제1 블록 및 상기 유출구 측 상의 압축 챔버로의 개구을 포함할 수 있고, 상기 제1 채널들은 액체가 적어도 하나의 제1 채널 및 압축 챔버를 통과함으로써 상기 유입구에서 상기 유출구까지 상기 유체역학적 반응기를 통과하도록 배열된다.
상기 하우징은 또한, 적어도 부분적으로, 전기 전도성 재료로 이루어진 벽에 의해 횡방향으로 구분된 복수의 제2 채널들을 획정하는 제2 블록을 포함한다.
상기 제2 블록은 특히 상기 전기 전도성 재료로 구성될 수 있다.
그 길이방향 단부에서, 상기 제2 블록은 상류면 및 하류면에 의해 구분되고, 상기 상류면 및 하류면 중 적어도 하나는 바람직하게는 오목하다.
압축 챔버가 상기 하우징 내에 있다면, 상기 제2 블록은 상기 제1 블록의 상류 또는 하류에 배치될 수 있다. 상기 압축 챔버는 특히 상기 제1 블록 및 제2 블록의 사이에 배치되거나 또는 상기 하우징 내의 최하류 블록의 하류에 배치될 수 있다. 바람직한 일 구현예에 있어서, 상기 제1 및 제2 블록은 액체가 상기 제1 채널들, 상기 제1 채널들과 제2 채널들이 모두 통하는 압축 챔버 및 이후 제2 채널들을 연속적으로 통과하도록 배열된다.
상기 제1 및/또는 제2 채널들이 특히 상기 압축 챔버로 통하는 개구는 난류를 촉진하기 위하여 바람직하게는 뾰족하다.
상기 제1 및 제2 블록의 제1 및 제2 채널은 일반적인 방식으로 전술한 상기 제1 및 제2 채널의 하나 이상의 선택적인 특징을 가질 수 있다. 유전 재료 및 전기 전도성 재료는 또한 앞에서 인용한 재료들로부터 선택될 수 있다.
바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는 하우징 내에 상기 제1 및 제2 블록을 배치하기 위한 수단을 포함한다. 이러한 수단은 길이방향의 및/또는 (상기 길이방향 축에 대하여) 각진 위치 결정 정지(positioning stop) 수단, 바람직하게는, 실수 방지 수단을 포함할 수 있다. 따라서, 유리하게는, 상기 제1 채널의 하류 개구는 동일한 압축 챔버로 통하는 상기 제2 채널의 상류 개구에 대하여 정확하고 신속하게 배치될 수 있다.
변형으로써, 또는 추가적으로, 상기 유체역학적 반응기는 상기 제2 채널들의 전도성 재료와 상기 유체역학적 반응기 하우징의 금속 성분 사이의 전기적 접촉의 정확성 및 접지압(contact pressure)을 증가시키기 위한 기계적인 수단을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 금속성 제2 채널들을 획정하는 상기 전도성 재료와 상기 유체역학적 반응기 하우징의 금속 성분 사이의 전기적 접촉은 클램핑(clamping)에 의해 제공된다. 바람직하게는, 상기 제2 블록은 상기 하우징의 실린더형 본체 상에 나사고정된 단부캡에 지지된다. 바람직하게는, 이러한 나사 고정은, 상기 제2 블록과 상기 말단캡 사이의 접지압을 조절할 수 있게 한다. 더욱 바람직하게는, 상기 제2 블록은, 단부캡의 나사 고정 동안 상기 제2 블록의 가장자리(edge)가 단부캡으로 절단되기 위해, 상기 제2 블록은 초과 길이(overlength)를 갖는다.
바람직하게는, 상기 전기적 접촉은 건식이다. 다시 말하면, 상기 전기적 접촉 영역은 상기 유체역학적 반응기 내에서 순환하는 액체와 접촉되지 않는다. 이러한 목적으로, 접촉 영역을 격리하기 위하여 시일(seal)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 하우징 및 제2 블록 사이, 상기 제2 블록의 상류면 및 하류면의 근처에 제1 및 제2 O-고리가 배치될 수 있다.
상기 제2 블록은 단부캡에 대하여 탄성적으로 지탱할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 제2 블록은 상기 하우징의 본체 및 단부캡 사이의 접합(junction)에 배치되며, 이는 상기 접합을 오버랩하기 위함이다.
상기 제1 및 제2 블록의 수는 바람직하게는, 1 초과, 2 초과 또는 3 초과 및/또는 10 미만, 7 미만 또는 5 미만이다.
일 구현예에 있어서, 상기 유체역학적 반응기는, 상류에서 하류까지, 제1 블록, 압축 챔버, 제2 블록, 압축 챔버, 제1 블록, 압축 챔버, 제2 블록, 압축 챔버, 제1 블록 및 압축 챔버를 연속적으로 포함한다.
일 구현예에 있어서, 상기 유체역학적 반응기는 상기 하우징의 각 단부에서 제2 블록을 포함하고, 바람직하게는 이들 각각은 각각의 단부캡과 접촉한다.
일 구현예에 있어서, 상기 유체역학적 반응기는 1개의 제1 블록 및 2개의 제2 블록을 포함하고, 상기 제1 블록은 상기 2개의 제2 블록들 사이에 배치된다.
상기 유체역학적 반응기는, 예를 들어, 특허 EP-B2-680 457 또는 WO 2011 033476에 기술된 유체역학적 반응기 중 하나, 특히, ISB WATER 사에 의해 IONSCALE BUSTER®(ISB)의 이름으로 시판되는 유체역학적 반응기일 수 있다.
도 2는 이러한 유체역학적 반응기(110)를 도식적으로 나타낸다.
상기 길이방향 축(X)의 유체역학적 반응기(110)는 유입구(112) 및 유출구(114)가 구비된 하우징(111)을 포함한다.
하우징(111)은, 상류에서 하류까지, 유전 재료로 이루어진 제1 블록(116) 및 전기 전도성 재료로 이루어진 제2 블록(118)을 연속적으로 포함한다. 바람직하게는, 하우징(111)은 전기 전도성 재료로 제조되고, 제2 블록(118)을 구성하는 전도성 재료로 이루어진 희생 양극(sacrificial anode)과 전기적으로 연결된다.
상기 제1 및 제2 블록은 제1 채널(120) 및 제2 채널(122)에 의해 길이방향으로 천공된다(pierced).
상기 제1 채널들은 유입구(112)쪽의 상류를 "상류" 개구(1201)을 통해 상류 챔버(123)로 개방하고, 하류를 "하류" 개구(1202)를 통해 제1 실린더형 압축 챔버(124)로 개방한다.
상기 제2 채널(122)은 제1 압축 챔버(124)쪽의 상류를 "상류" 개구(1221)를 통해 개방하고, 유출구(114) 쪽의 하류를 "하류" 개구(1222)를 통해 제2 압축 챔버(125)로 개방한다.
상류 챔버(123) 및 제1 압축 챔버(124)의 직경은 270 mm일 수 있다. 9개의 모든 제1 채널들은 6.3 mm의 내부 직경을 가질 수 있다.
따라서, S/∑ 비는 대략 200이다.
- S는 제1 채널들의 "하류" 개구(1202) 바로 하류의 횡단면(Ps)에서 측정된 제1 압축 챔버(124)의 단면적을 나타낸다.
- ∑는 이들 "하류" 개구 바로 상류의 횡단면에서 측정된 상기 제1 채널들의 횡단면적의 합(P∑)을 나타낸다.
제2 압축 챔버(125) 및 상기 제2 채널들의 하류 개구(1222)는, 전술한 압축 챔버(124) 및 상기 제1 채널들의 하류 개구(1202)의 구성과 유사하거나 또는 심지어 동일한 구성을 가질 수 있다.
뿐만 아니라, 3개의 모든 제2 채널들은 9 mm의 내부 직경을 가질 수 있다.
S'/∑' 비는 2 초과, 5 초과, 10 초과, 20 초과, 50 초과, 100 초과 또는 200 초과 및/또는 1000 미만, 500 미만, 400 미만 또는 300 미만일 수 있다.
- S'는 상기 제2 채널들의 "상류" 개구(1221) 바로 상류의 횡단면(Ps')에서 측정된 제1 압축 챔버(124)의 단면적을 나타낸다.
- ∑'는 이들 "상류" 개구 바로 하류의 횡단면에서 측정된 상기 제2 채널들의 횡단면적의 합(P∑')을 나타낸다.
높은 S'/∑' 비는, 유리하게는, 상기 제2 채널들의 입구(mouth)에서 상당한 배압(back pressure)을 생성시키며, 이는 상기 제1 채널들에 의해 형성된 공동화 기포를 상기 압축 챔버의 유입구에서 제거하는데 매우 효과적이다.
제1 압축 챔버(124)는 실린더형이기 때문에, S'=S이다.
S'/∑' 비를 계산하기 위하여, 관련된 모든 제2 채널들이 고려된다.
상기 유체역학적 반응기가 몇몇 압축 챔버를 포함하는 경우, 상기 유체역학적 반응기의 모든 압축 챔버는 실질적으로 동일한 S'/∑' 비를 가질 수 있다.
상류 챔버(123) 및 상기 제1 채널들의 상류 개구(1201)는 전술한 압축 챔버(124) 및 상기 제2 채널들의 상류 개구(1221)의 구성과 유사하거나 또는 심지어 동일한 구성을 가질 수 있다.
모든 제1 및 제2 채널들은 축(X)을 따라 실질적으로 연장된다.
기체 분리기
상기 유체역학적 반응기 내에 형성되고, 선택적으로, 압축 챔버를 통과할 때 분열된(divided) 기포는 이후 기체 분리기(30)에서 포획된다(trapped).
액체가 상기 압축 챔버로 진입한 이후 공동화 생성 조건이 빠르게 사라지고, 따라서, 상기 기포는 액체 중에 다시 용해된다. 따라서, 상기 기체 분리기는 유체역학적 반응기의 하류, 바람직하게는, 2 미터 미만, 1 미터 미만, 0.5 미터 미만, 0.2 미터 미만의 거리에 배치되거나, 또는 심지어 상기 유체역학적 반응기와 접촉한다.
상기 액체로부터 기포를 추출할 수 있는 임의의 장치가 사용될 수 있다:
- 대기(atmospheric) 기체 분리기: 상기 대기 기체 분리기는 공기에 액체를 접촉시킴으로써, 특히, 용존 CO2의 제거를 가져오며, 액체가 미세하게 분열되고, 공기가 빠르게 교체되는 경우 더욱 우수하다.
- 열 기체 분리기: 105℃에 가까운 온도에서 증기의 대항류(counter current flow)로 액체를 분사함으로써, 액체 중에 함유된 용존 기체를 거의 완벽하게 제거할 수 있다.
- 압력 강하 또는 진공 인가에 의한 탈기(degassing): 진공 탈기는 대기 끓는점 아래의 온도에서 사용된다. 액체는 미세한 방울(droplet)로 감소되고, 이는 용존 기체의 탈기에 유리하다.
기체 분리기에서, 액체는 바람직하게는 계속 가압된다. 바람직하게는, 기체 분리기에서, 액체는 계속 이동한다. 바람직하게는, 기체 분리기에서, 액체는, 예를 들어, 수영장에서와 같이, 기체와 평행한 접촉 표면을 갖지 않는다.
특히, 상기 기체 분리기는 코울레싱(coalescing) 분리기일 수 있다.
코울레싱 분리기는 단순하고 매우 집약된 방식으로 구성될 수 있다. 이들은 특히 작동 중의 탈기 폐쇄 회로에 적합하다.
이들 분리기는 다양한 작동 원리를 조합한다:
- 유속(flow velocity)의 감속;
- 상력(부력) 및 원심 분리의 역할을 최적화는 장치의 설치; 및
- 합체(coalescence)를 촉진하는데 적합한 이물질의 존재.
코울레싱 분리기 내에서, 축적된 기체 기포는, 잘 알려진 합체 현상에 따라, 서로 융합하고, 이에 따라, 부력 하에서 더 큰 크기의 기체가 형성되어 액체의 계면으로 떠오르며, 여기서 상기 액체로부터 배출될 수 있다.
도 3에 나타난 일 구현예에 있어서, 코울레싱 분리기(130)는 바람직하게는 수직인, 예를 들어, 실리더형인 탱크(132)를 포함하고, 이는 액체 유입구(134), 액체 유출구(136) 및 기체 유출구(138)를 구비한다.
상기 액체 유입구는, 바람직하게는, 실질적으로 접선방향으로(tangentially), 상기 탱크로 통한다. 바람직하게는, 상기 분리기는 유입하는 액체의 원심 분리를 향상시키기 위해 배치된 흡입 가이드핀(intake guiding fin)(140)을 포함한다.
상기 기체 유출구는, 추출된 기체의 배출을 위한 것으며, 이는 바람직하게는 상기 탱크의 상부에 배치된다.
상기 액체 유출구는 바람직하게는 상기 탱크의 하부에 배치되고, 탱크 내에서, 상기 탱크의 하부에서부터 측정될 때, 상기 탱크 높이의 대략 2/3에 해당하는 높이까지 연장되는 내부 실린더(142)에 의해 연장된다.
상기 탱크는 상기 탱크의 하부에 배치된 격리 밸브(isolation valve)(146)를 구비한 퍼지 오리피스(purge orifice)(144)를 구비할 수 있으며, 이는 탱크 배수 및 퍼징 작업을 용이하게 하기 위한 것이다.
상기 탱크는 기체 기포 합침 현상을 유리하게 하기 위한 패킹(148)로 부분적으로 채워진다. 상기 패킹은 탱크의 쉘(shell), 내부 실린더 및 상부 지지판(150) 및 하부 지지판(152)(바람직하게는, 구멍이 뚤림(perforated))에 의해 획정된 부피 내에 배치될 수 있다. 바람직하게는, 상기 상부 지지판 및 하부 지지판은, 각각 상기 탱크의 상부 및 하부에서 시작하여 상기 탱크 높이의 대략 1/4에 위치한다.
상기 패킹은 특히 Raschig 고리(예를 들어, Pall Corporation(Pall-Ring)에 의해 시판됨) 를 포함할 수 있다.
상기 탱크는, 바람직하게는, 3 m/s 미만, 2 m/s 미만 또는 1 m/s 미만의 유량을 보장하기 위하여, 처리될 액체의 유량을 실질적으로 감소시키기에 충분히 큰 내부 직경을 갖는다.
상기 패킹 부재의 크기는 상기 분리기의 내부 부피 및 상기 타겟에 따른 서비스 조건에 따라 개조된다.
따라서, 포획된 기체는, 바람직하게는, 자동 드레인 밸브(154)의 도움으로, 회로 밖으로 배출될 수 있다.
현탁
입자의 분리를 위한 수단
현탁 입자를 분리하기 위하여, 침전 수단 또는 필터가 특히 사용될 수 있다.
상기 유체역학적 반응기의 하류에 배치된 필터(31)는 현탁 입자의 추출을 가능하게 한다. 여과의 원리는 여과 한계(filtration threshold)보다 큰 크기를 갖는 입자의 흐름에 물리적 장벽을 만드는 것이다. 여과는 액체의 질을 향상시키며, 이에 따라 장비를 보호하고, 스케일링, 퇴적 및 부식의 위험을 제한하며, 또한 조류 및 박테리아와 같은 미생물의 증식을 제한한다.
필터(31)는 특히 상기 유체역학적 반응기와 기체 분리기의 사이에 배치되거나, 또는, 기체 분리기의 하류에 배치될 수 있고, 바람직하게는, 기체 분리기의 하류에, 바람직하게는, 모든 흐름을 처리하도록 일렬로 배치될 수 있다("인-라인"). 그러나, 상기 흐름의 일부는 평행한 ("온-라인") 처리 회로로 전환될 수 있다.
상기 필터는 특히 브러쉬 필터, 디스크 필터, 입상 매체(granular media) 필터, 초미세여과막, 나노여과막, 특히 미세여과막 단독 또는 미세여과막의 하류 및 역삼투막에 의해 형성된 군으로부터 선택될 수 있다.
브러쉬 필터는 케이싱(casing) 내에 설치된 브러쉬 섬유로 액체를 통과시킴으로써 기계적으로 입자를 제거할 수 있다. 브러쉬 필터는 100 μm 초과의 크기를 갖는 입자를 여과하는데 특히 적합하다. 바람직하게는, 브러쉬 필터는 주거용 및 산업용의, 일반적인 냉수(general cold water: GCW), 가정용 온수(domestic hot water: DHW), 난방 및 냉방 시스템, 또는 소형 냉각 회로에 사용된다.
디스크 필터는 예를 들어, 폴리프로필렌으로 제조된 홈이 있는 디스크의 스택으로 액체를 통과시킴으로써 입자를 기계적으로 제거시킬 수 있다. 디스크 필터는 20 μm 내지 200 μm의 크기를 갖는 입자를 여과하는데 특히 적합하다. 바람직하게는, 디스크 필터는, 식수, 관개용수 또는/및 관개, 소방용 물, 산업용수 또는 냉각수, 또는 대형 주거 및 산업 설비, 예를 들어, 병원 또는 학교의 시스템에 사용된다.
입상 매체 필터는 가압된 케이싱 내에 배치된 응집물(aggregate)에 액체를 통과시킴으로써 입자를 기계적으로 제거시킬 수 있다. 오염물은 여과 매체의 기능으로 보유 및/또는 흡착에 의해 제거된다. 입상 매체 필터는 수영장 물 및 수영용 물 또는 수중치료 수영장용 물, 냉각탑 및 냉각회로용 물, 또는 콜로이드 입자에 의해 상당히 오염된 물을 여과하는데 특히 적합하다.
초미세여과막은 현탁 입자, 박테리아, 바이러스 또한 가장 큰 유기 분자를 제거시킬 수 있다. 초미세여과막은 대략 0.01 마이크로미터의 크기를 갖는 입자를 여과하는데 특히 적합하다. 바람직하게는, PES - 7 bores - Internal/External 모듈이 사용된다. 초미세여과막은, 특히, 상기 유체역학적 반응기 내에서 강제적으로 침전된 후 기체 분리기에서 안정된 초기 형태로 존재하는 CaCO3를 제거할 수 있다. 이는 유리하게는 액체 중의 TH의 감소를 가져온다. 초미세여과막은 식수, 주거용 및 산업용 설비를 위한 물, GCW, DHW, 난방수 및/또는 냉방수, 또는 소형 냉각 회로, 관개용수 또는/및 관개, 소방용 물, 산업용수 또는 냉각수, 핵설비 주요 회로용 물, 또는 방사성 오염물에 의해 오염된 기타 수성 액체를 여과하거나 또는 대형 주거용 및 산업용 설비, 예를 들어, 병원 또는 학교에 특히 적합하다.
작동
상기 장치의 작동은 하기와 같다:
액체(L)은 회로(12) 내에서 펌프(14)에 의해 운반된다.
타겟(16)에서 유래한 액체(L)은 유체역학적 반응기(110)로 진입하고, 여기서 국부적으로 공동화를 생성시킬 수 있는 난류를 생성하기 위해 이 흐름은 변경된다.
더욱 구체적으로, 처리될 액체는 유입구(112)(도 2에 화살표 F로 표시됨)를 통해 유체역학적 반응기(110) 및 상류 챔버(123)로 진입한다.
이후, 액체는 유전 재료로 이루어진 제1 블록(116)에 만들어진 제1 채널(120)을 통과한다.
상기 제1 채널들로의 진입은 갑작스런 액체의 가속화 및 압력 감소를 동반하며, 이는 공동화의 출현을 가져온다. 팽창이 공동화를 일으키도록 작동 조건(유량, 압력)이 결정된다. IONSCALE BUSTER® 유체역학 반응기의 경우, 상기 유체역학적 반응기의 유입구에서의 (상류 챔버(123)로의) 액체의 속도는 바람직하게는, 2m/s 초과 및/또는 15 m/s 미만, 12 m/s 미만, 10 m/s 미만, 8 m/s 미만, 또는 6 m/s 미만, 또는 4 m/s 미만이며, 상기 유체역학적 반응기의 유입구에서의 압력은 바람직하게는, 1 bar 초과 및/또는 20 bar 미만, 10 bar 미만 또는 5 bar 미만이다.
옥스퍼드 대학교 출판부에 의해 발행된 Christopher Earls Brennen 저서 "CAVITATION AND BUBBLE DYNAMICS"는 유체역학적 공동화를 얻을 수 있는 조건을 기술한다.
공동화는 액체 흐름의 기하학적 변경에 의한 액체의 국부적인 압력 강하로부터 발생하는 잘 알려진 현상이다. 이는 특히 자유 또는 유화 분산 시스템을 얻기 위해 사용된다.
도 4에 나타난 바와 같이, 공동화는, 액체 흐름 내에 및/또는 흐름이 발생하는 상기 유체역학적 반응기의 벽의 경계층 상에, 기체로 채워진 공동화 기포의 형성을 가져온다.
압력이 액체가 끓는점에 도달하는 값 아래까지 감소하면, 많은 수의 공동화 기포가 형성된다.
헨리의 법칙(Henry's law)은 액체 중에 함유된 기체의 방출의 물리적인 현상을 정량화하며, 이는 온도가 더 증가할수록 및/또는 압력이 더 강하할수록, 액체는 더 많은 용존 기체를 방출할 수 있음을 입증한다. 용존 기체의 방출은 기포의 형태로 발생하며, 이의 크기는 수십 마이크로미터에서 수 밀리미터로 다양할 수 있다.
공동화에 의해 기포를 발생시키는 유체역학적 반응기의 능력은 많은 요소에 따라 달라지며, 주요 요소는 하기와 같다:
- 액체 중에 용해된 기체 또는 기체들의 압력;
- 액체 중에 존재하는 기체 또는 기체들의 성질 및 물리화학적 특성;
- 액체의 온도;
- 액체의 압력;
- 유체역학적 반응기의 기하학적 구조;
- 액체의 유량 또는 유속.
배플(baffle)의 존재는 매우 갑작스런 국부적인 흐름 수축을 생성시킬 수 있으며, 이는 공동화에 유리하다. 구체적으로, 배플에 의해 생성된 수축 지점을 액체 흐름이 통과하는 경우, 액체 흐름은 감소된 압력 영역으로 진입하고, 이는 유체역학적 공동화 현상을 유리하게 한다.
공동화의 강도(intensity)는 공동화 수(Cv)에 의한 작동 조건과 연결된다.
공동화 수(Cv)는 하기와 같은 방식으로 표현될 수 있다:
여기서,
- P2는 유체역학적 반응기의 하류 압력이고,
- Pv는 작동 온도에서의 액체(L)의 증기압이고,
- Vo는 유체역학적 반응기 내의 액체(L)의 평균 속도이고,
- ρL은 액체의 밀도이다.
상기 공동화 현상이 나타나기 시작하는 경우, 공동화 수(Cv)는 1이다.
공동화 현상의 효과는 Cv 값이 작은 경우 훨씬 더 커질 것이다.
유체역학적 반응기 내의 공동화 현상의 최적화는 노즐 및 벤튜리(Venturi) 시스템에서의 흐름을 기술하는 이론적 모델의 통상적인 응용을 기초로 한다.
가장 적합한 이론적인 모델은 2상의(two-phase) 흐름과 관련된 모델이다. 벤튜리를 통과하는 기포 흐름은 존재하는, 2상의 질량 보존 방정식 및 운동량 방정식을 기포의 운동 방정식과 조합하여 사용함으로써 모델링 될 수 있다. 이러한 시스템의 수치적인 해결은 벤튜리 넥(neck)의 반경 변형의 영향 및 기포 반경의 축 진화(axial evolution)에 대한 초기 공극률(void fraction)의 효과, 기체-액체 혼합물의 압력의 효과 및 흐름 속도의 효과를 연구할 수 있게 한다.
바람직하게는, 상기 유체역학적 반응기는, 50% 초과의 수가, 0.2 μm 내지 2 mm의 직경을 갖는 기포를 생성하도록 구성된다.
실제로, 공동화는 "핵(nuclei)" 또는 "시드(seed)"로부터 발생한다. 이러한 공동화 출발점은 액체 내에서 기체의 내포(occlusion), 즉 자유 미세기포, 현탁 고체 불순물에 부착된 기체 입자, 또는 고체 벽의 틈에 포획된 기체 입자 등에 의해 구성될 수 있다. 흐름의 열역학적 조건 및 상기 제1 채널들의 구조에 따라, 이들 핵은 더욱 또는 덜 폭발적으로 성장할 수 있다. 특히, 상기 기체의 포화값에 가까운 용존 기체 압력의 존재 하에서, 이러한 기체는 공동화 기포의 형태로 쉽게 방출될 것이다.
유리하게는, 공동화에 의해 발생된 매우 혹한 국부적 열역학적 및 기계적 조건은 또한 액체 내에 존재할 수 있는 특정 병원성(pathogenic) 또는 비병원성(non-pathogenic) 미생물의 파괴를 가져온다.
상기 제1 채널들 내에서, 액체는 유전 재료와 마찰한다. 액체의 유전 재료와의 마찰은 상기 유전 재료의 표면에서 정전기적 전하의 축적을 발생시키고, 이에 따라, 하기 반응들을 촉진할 수 있는 국부적인 정전기장을 발생시킨다.
- 특정 금속 옥사이드, 카보네이트, 설페이트 또는 포스페이트와 같은 특정 이온의 물리화학적 침전;
- 특정 콜로이드 입자의 응집(coagulation)
상기 콜로이드 입자는 다수의 여과 시스템에 의해 보유되기에는 일반적으로 너무 미세하며, 이들을 분리할 수 있는 필터, 예를 들어, 초미세여과 시스템이 설치된다면, 상기 초미세여과막을 빠르게 막히게 할 위험이 있고, 엄청난 압력 강하 또는 유량 감소를 야기한다.
상기 유전 재료에 의해 발생된 정전기적 효과의 존재 및 그로부터 생성된 콜로이드 입자의 응집으로 인해, 콜로이드 입자의 클러스터 크기는 필터 내에 효과적이고 효율적으로 보유되기 충분한 크기까지 이를 수 있다.
더욱 구체적으로, 상기 콜로이드 입자는 종종 이들의 내부 전기 전하의 불균형(dissymmetry):제타 전위(zeta potential)를 갖는다. 유전 재료 근처에서, 콜로이드 입자의 응집을 방지하는 정전기적 장벽의 제거가 관찰된다.
게다가, 콜로이드 입자들 사이의 충돌 빈도는 공동화에 의해 야기된 액체의 유수 체계(flow regime)의 난류에 의해 크게 증가된다.
본 발명자들은, 상기 유전 재료의 표면 상에서 발생된 정전기적 전하 전위는 액체 흐름의 운동 에너지가 열 및 전기 에너지로 전환된 부분으로부터 유래된 것으로 생각하나, 이 이론에 한정되지 않는다.
정전기적 전하 전위는 액체의 마찰 강도 및 액체가 순환하는 유전 재료의 면적의 함수이다.
정전기적 전하의 축적은 유전 재료의 표면과 순환하는 액체 사이의 전위 불균형 및 유전 재료의 표면과 액체가 흐르는 회로 배관들의 금속성 표면 사이의 전위 불균형을 야기한다.
따라서, 다양한 매커니즘, 예를 들어, 정전기적 힘, 화학적 흡착 및 극성기의 분해, 또는 액체와 유전 재료 사이의 반응에 의해 액체 중에 존재하는 양이온 또는 음이온은 액체-고체 계면에서 서로 결합할 것이다.
상기 이온이 용해된 염의 분해로부터 유래하는 경우(따라서, 동일한 양의 양전하 및 음전하를 생성하는 경우), 대전(electrification) 현상만 오직 발생하는데, 이는 1종의 이온이 유전 재료에 더욱 강하게 결합될 것이기 때문이다. 따라서, "헬름홀츠층((Helmholtz layer)(1879년 이를 연구한 물리학자의 이름을 따서 명명됨)"으로 지칭되는 치밀층(compact layer)이 생성된다. 다른 물리학자, 구이(Gouy)는 1910년에, 다른 극성의 이온들이 확산층에서 스스로 조직화함을 보여주었다.
확산층(또는 "구이층(Gouy layer")의 두께는 액체의 비저항(resistivity)에 따라 달라진다: 이는 고전도성 액체의 경우 매우 작고, 후자의 비저항에 따라 증가한다.
액체의 움직임이 설정되면, 이러한 이중층은, 고체-액체 계면에 결합되어 남아있는 상기 헬름홀츠층 및 액체가 혼입된(entrained) 구이층으로 분리된다. 액체 중에서의 전하의 축적은 계면쪽으로의 이온의 확산 및 액체의 비저항(ρ)에 의해 지배된다.
이후, 2상 유체는 제1 압축 챔버(124)로 나온다. 제1 압축 챔버(124)로의 유입은 속도의 감소, 갑작스런 압력 증가 및 공동화 기포 내부의 응축(condensation)으로 이어지며, 이는 대부분의 공동화 기포의 내파를 야기하며, 매우 높을 수 있는 진폭의 압력 펄스를 발생시킨다(도 4 참조).
이렇게 매우 갑작스런 내파는 그 결과 물리화학적 또는 열역학적 및 기계적 현상를 차례로 생성하는 충격파(shockwave)를 형성하고, 예를 들어, 내파하는 기포 근처의 임의의 재료의 분해를 가져온다.
따라서, 공동화 기포의 파열(rupture) 동안, 매우 높은 압력 및 매우 높은 국부적인 온도가 달성된다: 따라서, 기포 내의 온도는 5000℃ 정도의 값에 도달할 수 있고, 압력은 500 kg/cm2 정도의 값에 도달할 수 있다(K.S. Suslick, Science, Vol. 247, 23 March 1990, p.1439-1445).
기포 내에서 또는 액체 중의 기포 부근에서, 이러한 온도 및 압력 조건은 물리화학적 및 열역학적 반응, 특히 카보네이트의 침전 및 CO2의 방출을 활성화시킨다.
앞에서 설명된 바와 같이, 유전 재료의 존재는 제타 전위 장벽을 약화시킴으로써, 칼슘 카보네이트(CaCO3) 침전 현상의 폭(amplitude) 및 다른 콜로이드 화합물의 응집(agglomeration)을 유리하게 한다. 유리하게는, 이러한 침전은 첨가제의 농도를 감소시키고, 작업 액체의 교체 빈도를 제한시킬 수 있다. 이러한 침전은 또한 보호막(Thillmann 막으로 지칭됨)의 형성에 의한 부식 현상의 폭을 제한하고, 이에 따라, 상기 시스템의 특정 전기-갈바닉(electo-galvanic) 보호를 보장한다.
또한, 공동화 기포의 내파에 의해 발생한 운동 에너지로 인해, 유화(emulsification), 균질화(homogenization) 및 분산이 얻어질 수 있다.
제1 압축 챔버(124)로 통하는 제1 채널(120)의 "하류" 개구의 형상은 난류 및 압력 변화를 최대화하기 위해, 예를 들어, 그 위에 장애물 또는 분기 섹션(divergent section)을 배열함으로써 개조될 수 있다.
제1 압축 챔버(124)의 유체역학적 조건은 또한 액체의 강한 혼합을 보장함으로써 응집에 기여한다. 따라서, 상기 제1 압축 챔버가 응집을 개시하는 유전 재료의 하류에 있는 것이 특히 유리하다.
제1 압축 챔버(124)는 상기 제2 채널의 "상류" 개구로부터 상기 제1채널의 "하류" 개구를 분리한다.
따라서, 제1 압축 챔버(124)를 떠나는 액체는 제2 블록(118)의 제2 채널(122)에 진입한다. 그러나, 난류 및 연속적인 침전을 촉진하기 위해, 바람직하게는, 상기 제2 채널은 제1 채널과 축방향으로 나란하지 않다.
제2 채널(122)로의 액체의 진입은 액체 속도의 급작스런 가속화를 가져온다. 따라서, 압축 챔버(124)와 제2 채널(122) 사이의 전이 영역(transition region)은 흐름의 가속화 영역 및 공동화의 출현 영역을 구성한다.
또한, 액체는 제2 채널을 획정하는 전기 전도성 재료, 바람직하게는 아연으로 이루어진 전기 전도성 재료와 접촉한다.
전기-갈바닉 쌍에 의해 생성된 "다니엘 셀(Daniell cell)" 효과는 부식 방지 보호(음극화 보호(cathodic protection))를 제공할 수 있는 전자의 이동을 일으킨다. 아연은 철 또는 구리보다 더 우수한 환원제인 금속이며, 실제로, 상기 시스템의 덜 환원성인 금속 대신에 산화된다.
"배터리" 효과는 또한 아연 양극과 상기 시스템(예를 들어, 하우징이 철을 포함하는 경우, 상기 유체역학적 반응기의 하우징) 내의 덜 환원성인 금속 사이에 자발적으로 형성된 전해 반응(electrolytic reaction)으로 인해, Zn+ 이온을 액체내로 방출하게 한다. 따라서, 액체로 방출된 이러한 이온들은 균일한 주요 핵생성 반응(nucleation reaction)의 발생 및 발전을 위한 핵종(nuclide)으로서 작용할 수 있다.
특히, 이러한 아연 이온들의 존재는 아연 이온 주변에서, 물에 함유된 칼슘 및 마그네슘 이온의 응집을 가능하게 한다. 이에 따라 형성된 핵종은 칼슘 및 마그네슘 카보네이트의 국부적인 결정화(crystallisation) 조건으로의 변형을 가능하게 하고, 이는 매우 빠르고 신속한 2차 핵생성 현상을 일으킨다. 이러한 현상은 결정화되는 물질의 결정(개시제로 기술됨)의 존재 하에서, 본질적으로, 교반된 매체 중에서 관찰된다. 이러한 2차 핵의 생성 속도는 매체의 교반 속도, 개시제의 양 및 액체의 과포화(supersaturation)에 따라 달라진다.
상기 유체역학적 반응기는 특히 액체 내에서 발생된 강렬한 혼합으로 인해 물리화학적 침전 및 응집을 촉진시키고 가속화하기 위하여, 그리고 압축 챔버는 공동화 기포의 내파를 통해 물리화학적 침전 및 응집을 촉진시키고 가속화하기 위하여, 이들의 기하학적 구조는 유전 재료 및 전기 전도성 재료와 협조한다.
이러한 계산은, 예를 들어, 알루미늄, 브롬, 크롬 또는 스트론튬, 특히 방사성 금속으로부터 액체를 추출하는데 특히 유용하다.
제2 블록(118)의 유출구에서, 상기 액체는 제2 압축 챔버(125)로 진입하며, 이는 대부분의 공동화 기포를 다시 내파시킨다.
잔류 기포의 지속 시간은 유체 체계 및 상기 유체역학적 반응기의 기하학적 구조에 따라 달라진다. 상기 유체역학적 반응기의 하류에 위치한 파이프 섹션에서, 이는 전형적으로, 20초 미만, 5초 미만, 또는 2초 미만이다.
따라서, 미세기포로 채워진 액체는 기포가 포획되어 시스템 회로 밖으로 배출될 수 있도록 빠르게 기체 분리기로 진입해야 한다. 따라서, 상기 기체 분리기는 바람직하게는 상기 유체역학적 반응기 부근에 배치된다.
따라서, 칼슘 카보네이트(CaCO3)의 초기 침전으로부터 생성된 용존 기체 및 특히 용존 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)의 제거는 상기 시스템의 우수한 작동 조건을 얻을 수 있도록 한다:
- 소음 문제의 감소;
- 부식 문제의 감소;
- 가능한 국부적 과열 영역의 제거;
- 가능한 기계(펌프, 밸브, 게이트 등) 열화의 제거.
따라서, 기체 분리기를 떠나는 액체 중의 기체 압력은 (아마 상기 유체역학적 반응기 내에서 카보네이트 침전에 의해 생성된 CO2를 제외하고는)상기 유체 역학적 반응기로 진입하는 액체의 기체 압력보다 낮다. 따라서, 첨가제의 첨가의 필요 없이도 용존 기체의 유해성이 감소된다.
상기 기체 분리기를 떠난 이후에, 상기 액체는 필터(31)를 통과하고, 이는 적어도 부분적으로, 상기 유체역학적 반응기 내에서 생성된 입자 및 바람직하게는 상기 시스템을 손상시킬지도 모르는 기타 특정 오염물을 보유시킬 수 있다. 이후, 상기 액체는 타겟 또는 펌프(14)로 여정을 계속한다.
본 발명에 따른 처리 장치는 액체 중에 존재하는 용존 기체가 잠재적으로 해로운 경우의 모든 응용 분야에서 사용될 수 있다. 특히, 이는 냉각탑 또는 수영장에서 사용될 수 있다. 폐쇄 난방 회로와 다르게, 액체(냉각 액체, 수영장 물)는 대기로 통기시킴으로써 증발하며, 이는 메이크업(makeup) 액체를 요구한다. 메이크업 액체 중에 존재하는 초기의 특정 화합물 및 특정 처리 첨가제는 증발하지 않는다. 따라서, 이들의 농도는 액체 내에서 증가하는 경향을 가진다. 첨가제의 농도가 임계 수준에 도달하면, 액체는 부분적으로 교체되거나(농도 저하 퍼지) 또는 완전히 교체(배수 작업)되어야 한다. 통상적으로, 냉각탑에서, 첨가제의 농도가 2개 또는 3배가 되면 물은 교체되어야 한다.
상기 처리 장치는 일반적으로 건강 및 환경에 유해한 첨가제의 첨가를 제한시키고, 액체 교체 주기를 제한시킬 수 있다. 예를 들어, 실험은 본 발명에 따른 장치로 인해, 600 kW 냉각탑의 경우 교체 주기가 4분의 1로 줄어들 수 있음을 보여주었다. 추가적으로, 상기 처리 장치는 스케일링 및 부식에 대하여 냉각탑의 회로를 보호할 수 있도록 한다.
수영장에서, 수영용 물을 충분히 소독하기 위하여 염소처리 제품의 주입이 필요하다. 염소의 투입은 수영장 이용자들에 의해 도입된 질소 함유 오염 물질과 조합하여, 건강에 유해한 클로라민(chloramine)의 형성을 일으킨다. 상기 처리 장치는 염소처리 제품의 첨가를 제한하거나 또는 심지어 제거할 수 있다. 800 m3 수영장에서, 실험은 본 발명에 따른 장치가 매우 경제적으로 클로라민의 생성을 권고 표준 아래의 값까지 감소시킬 수 있음을 보여주었다.
타겟은 또한 여과 장치, 예를 들어, 특히 역삼투에 의한 물의 탈염(demineralization) 또는 음용수화(potabilization)를 위한 시설의 역삼투 여과 장치일 수 있다. 이러한 장치는 전형적으로 탈염될 물에 의해 통과되는 막을 포함한다. 이 막의 상류에서 침전 현상은 이를 막히게 하는 경향이 있고, 따라서, 통상적으로는 크기 억제제(scale inhibitor) 또는 격리제(sequestrant) 화학물질의 첨가가 필요하다.
본 발명에 따른 장치의 사용은 유리하게는 건강 및 환경에 종종 해로운 격리제의 첨가를 제한하거나 또는 심지어 제거함으로써 장치를 보호할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명자들은, 상기 유체역학적 반응기 내에서 균일한 핵생성이 발생하고, 처리될 액체 중에 존재하는 특정 이온 염(예를 들어, 카보네이트, 설페이트 또는 기타 유사한 화합물)의 결정이 비-접착성(non-adherent) 결정학적 형태(예를 들어, 칼슘 카보네이트의 경우 ACC 또는 MCC)로 조기 침전되는 것을 관찰하였다.
또한, 상기 유체역학적 반응기는 상기 유체역학적 반응기 내를 압도하는 강렬한 기계적 효과에 의해 콜로이드 입자의 응집(aggregation 또는 agglomeration)(예를 들어, 칼슘 카보네이트의 주요 핵생성의 비정질 형태)을 가능하게 한다.
이에 따라 형성된 입자는 유리하게는 막의 외부 표면에서 보유되고, 농축물의 흐름에 끌려갈(trained) 수 있는 충분한 크기를 가질 수 있다. 이후, 이들은,예를 들어, 여과에 의해 액체로부터 추출될 수 있다.
따라서, 역삼투막의 상류에 배치된 유체역학적 반응기는 이를 보호할 수 있다.
본 발명에 따른 처리 장치는 또한 원자력 발전소의 주요 회로의 물, 또는 더욱 일반적으로, 방사성 금속 이온에 의해 오염된 수성 액체를 처리하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 유체역학적 반응기는 실제로 오염물을 침전 및 응집시키고, 이후 이를 액체로부터 추출할 수 있도록 한다.
이제 분명히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은, 예를 들어, 산 또는 격리제의 주입에 의한 첨가제에 대한 의존성을 제한하거나 및/또는 상기 시스템 내에서 이들의 대체물을 제한함으로써, 액체를 처리할 수 있는 용액을 제공한다.
그러나, 물론, 본 발명이 기술되고 표현된 구현예들에 한정되는 것은 아니다.
특히, 전술한 상기 유체역학적 반응기의 경우, 상기 제1 채널의 수 및 형상은 상기 제2 채널의 수 및 형상과 상이할 수 있고, 제1 블록의 수는 상기 제2 블록의 수와 동일하거나 또는 상이할 수 있으며, 상기 제1 블록은 상기 유체역학적 반응기의 축을 따라 상기 제2 블록과 교대로 배치될 필요는 없고, 압축 챔버의 수와 형상은 상이할 수 있다.
상기 처리 회로 중 유체역학적 반응기의 수는 제한되지 않는다.
상기 필터는 또한 기포 분리 기능을 수행하고, 상기 분리기 및 상기 필터는 하나의 동일한 장치 내에서 조합될 가능성도 있다.
상기 제1 채널은 유전 재료로 이루어질 필요는 없으며, 상기 제2 채널은 전기 전도성 재료로 이루어질 필요는 없다.
상기 제1 채널은 상기 제2 채널의 상류 또는 하류에 있을 수 있다.
Claims (13)
- 용존 기체 함유 액체 처리 장치로서,
공동화(cavitation)에 의해 상기 액체 내에 상기 기체의 기포를 생성할 수 있는 유체역학적 반응기(hydrodynamic reactor) (25); 및
상기 액체로부터 상기 기포를 추출할 수 있고, 상기 유체역학적 반응기로부터 2 m 미만의 거리에서 상기 유체역학적 반응기의 하류에 배치된 기체 분리기 (30);를 포함하는, 용존 기체 함유 액체 처리 장치. - 제1항에 있어서,
상기 유체역학적 반응기는 압축 챔버 (124)를 포함하고,
상기 압축 챔버는 상기 기포를 내파하기(implode) 위해 상기 액체가 상기 압축 챔버를 관통할 때, 상기 액체의 압력을 증가시키도록 구성된, 용존 기체 함유 액체 처리 장치. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 유체역학적 반응기는 제1 채널 및 바람직하게는 제2 채널을 포함하고,
상기 제1 채널은 하류를 상기 압축 챔버로 개방하고, 상기 제2 채널은 상류를 상기 압축 챔버로 개방하는, 용존 기체 함유 액체 처리 장치. - 제3항에 있어서,
상기 제1 채널 및 상기 제2 채널은 각각 유전 재료(dielectric material) 및 전기전도성 재료(electrically conductive material)에 의해 내부적으로 구분된(delimited), 용존 기체 함유 액체 처리 장치. - 제4항에 있어서,
상기 유전 재료는 폴리테트라플루오로에틸렌이거나 및/또는 상기 전기 전도성 재료는 아연인, 용존 기체 함유 액체 처리 장치. - 회로를 포함하는 시스템으로서, 상기 회로에 타겟(16) 및 상기 타겟을 떠나는 액체의 처리 장치가 삽입되고,
상기 처리 장치는 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 것이고, 상기 기체 분리기(30)는 상기 유체역학적 반응기로부터 1 미터 미만의 거리에서 상기 유체역학적 반응기(25)의 하류에 삽입되고, 이에 따라, 상기 유체역학적 반응기 내의 공동화에 의해 형성되고, 상기 유체역학적 반응기의 압축 챔버를 통과할 때 선택적으로 분할된 기포가 상기 기체 분리기에서 포획되는(trapped), 시스템. - 제6항에 있어서,
상기 처리 장치의 하류에, 바람직하게는 필터, 바람직하게는 브러쉬 필터, 디스크 필터, 입상 매체(granular media) 필터, 초미세여과막(untrafiltration membrane), 나노여과막 및 역삼투막에 의해 형성된 군으로부터 선택된, 현탁 입자(suspended particle)의 분리 수단을 포함하는, 시스템. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 타겟은 열 교환기, 냉각탑, 수영장, 특히 옥외 수영장, 특히 공용 또는 개인용 수영장, 냉각 또는 냉방 회로, 난방 회로, 여과 회로, 역삼투 탈염 회로, 가정용 온수 회로, 또는 식수 분배 회로로부터 형성된 군으로부터 선택되는, 시스템. - 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기체 분리기는 코울레싱(coalescing) 필터 또는 브러쉬 필터인, 시스템. - 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
액체는 상기 회로를 순환하고, 상기 액체는 염소, 알루미늄, 브롬, 크롬 및 스트론튬, 특히, 방사성 금속에 의해 형성된 군으로부터 선택된 원소를 함유하는 적어도 1종의 화합물을 함유하는, 시스템. - 용존 기체 함유 액체의 처리 방법으로서,
상기 방법은 적합한 열역학적 조건 하에서 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 장치에 상기 액체를 통과시켜, 상기 유체역학적 반응기가 공동화에 의한 기포를 생성하고, 상기 유체역학적 반응기의 하류에 배치된 상기 기체 분리기가 상기 기포를 포획하는 단계를 포함하는, 용존 기체 함유 액체의 처리 방법. - 제11항에 있어서,
상기 기포는 포획되기 전에 내파(implosion)에 의해 분열되는, 용존 기체 함유 액체의 처리 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 액체는 폐쇄 루프에서 순환하는, 용존 기체 함유 액체의 처리 방법.
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