KR20160032232A - 폐쇄 수역의 상하 순환 방법 및 상하 순환 장치 - Google Patents

폐쇄 수역의 상하 순환 방법 및 상하 순환 장치 Download PDF

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Abstract

수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치로 발생시킨 상승류에 의해 수면에 동심원상으로 확산하는 확산류를 각각 발생시키고, 각 확산류끼리의 상호 간섭을 이용하여, 각 상승류 발생 장치가 배치된 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 연속적, 가속적 또한 집중적인 하강류를 유기시켜, 상승류와 하강류에 의한 상하 순환류에 의해 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모하는 것을 목적으로 한다. 　수중에 정다각형상으로 상향으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치(5)로 상승류(15)를 발생시켜, 각 상승류 발생 장치(5)의 상방 수면에 상승류(15)에서 생기되는 동심원상으로 확산하는 확산류(6)를 각각 발생시키고, 이웃하는 각 확산류끼리의 상호 간섭을 이용하여, 각 상승류 발생 장치(5)가 배치된 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 연속적, 가속적 또한 집중적인 하강류(42)를 유기시켜, 상승류(15)와 하강류(42)에 의한 상하 순환류에 의해 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모한다.

Description

폐쇄 수역의 상하 순환 방법 및 상하 순환 장치{VERTICAL CIRCULATION METHOD FOR CLOSED WATER AREA AND VERTICAL CIRCULATION DEVICE}
본 발명은 예를 들면 댐, 호수와 늪, 수원지, 상하수도시설, 운하, 내만, 항만, 수산양식장이나 용수지 등의 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모하기 위한 폐쇄 수역의 상하 순환 방법 및 상하 순환 장치에 관한 것으로, 특히 수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치로 발생시킨 상승류에 의해, 수면에 동심원상으로 확산하는 확산류를 각각 발생시키고, 각 확산류끼리의 상호 간섭을 이용하여, 각 상승류 발생 장치가 배치된 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 연속적, 가속적 또한 집중적인 하강류를 유기(誘起)시켜, 상승류와 하강류에 의한 상하 순환류에 의해 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모하도록 한 폐쇄 수역의 상하 순환 방법 및 상하 순환 장치에 관한 것이다.
생물의 신체를 구성하는 주요 원소인 질소(N)나 인(P)이 과잉으로 공급되어 축적되어 있는 수역은 부영양화 수역이라고 불린다. 20세기 후반 이후에 보인 경제 활동의 발달, 도시화, 인구 증가 등에 따라 댐, 호수와 늪, 수원지, 저수지, 운하, 내만, 항만, 수산양식장이나 용수지 등 많은 수역이 선진국·도상국 구별없이 부영양화의 경향을 나타내고 있다. 부영양화한 수역에서는 식물 플랑크톤이 크게 증식하는 등 유기 오탁이라고 불리는 수질 오탁 현상이 발생한다. 식물 플랑크톤의 이상한 증식은 어개류나 양식어를 질식시키거나, 발암성이 있는 물질을 방출하거나, 곰팡이 냄새를 발생하거나 하여 수원으로서의 이용을 어렵게 한다. 또, 증식된 식물 플랑크톤이 고사한 잔재는 유기물로서 대량으로 수저에 침강, 퇴적한다. 이것이 수중의 호기성 미생물에 의해 분해를 받을 때에 저층(底層)의 산소가 대량으로 소비되기 때문에 수역 내의 저층 빈산소·저층 무산소층 발생의 원인이 된다.
수괴가 정체적이며 상하 순환이 막히는 부영양화 수역에서는 이와 같이 저층의 빈산소화, 무산소화가 자주 발생한다. 이 상황하에서 저층·수저가 산소결핍 상태가 되면, 저층수, 저니(底泥)가 혐기 분해를 발생시켜 흑색 오니(汚泥)가 되고, 황화물을 발생시켜 황화수소 냄새를 발하게 된다. 이 단계에 이르면, 수역은 저생 어개류가 소실된 죽음의 수역이 되고, 혐기성 분해를 발생시키고 있는 수저의 퇴적층에서는 영양염류의 수중으로의 용출이 왕성하게 된다. 이것에 의해 수질·저질의 추가적인 악화, 남조류의 이상 대발생 또는 대규모의 '물꽃' 상태의 발생 등, 수역 환경 보전상 사정이 좋지 못한 상태가 계속되게 되고, 수역 환경이 더욱 악화되어간다.
이상과 같이, 수중의 특히 저층의 용존산소가 결핍, 핍박된 상태는 대량의 물을 인위적으로 저류하는 댐이나 저수지 등에서는 내외를 막론하고 여름철·고수온기를 중심으로 대부분 예외없이 발생하고 있다. 이 점은 내만, 양식장 수역 등에서도 수질 보전상의 큰 문제가 되고 있다. 세계의 폐쇄성 수역, 부영양화 수역에서는 완전히 동일한 수질 환경 악화의 문제를 안고 있어 저층에 대하여 산소를 보급하기 위한 대책을 필요로 하고 있다.
상기 서술한 바와 같이, 수괴가 정체되어 있는 부영양화 수역에서는 저층의 빈산소·무산소화가 진행되고, 수질, 저질이 악화되어 수역 환경이 악화된다. 이와 같은 문제점의 직접적인 원인은 무엇인가 하면 수체가 정체하여 상하 순환이 발생하지 않게 되어 있고, 표층의 산소가 저층까지 공급되는 계가 완전히 닫혀 있는 것이다. 따라서, 이 점에 착안하여 개선을 행하면, 저층에 산소를 공급하는 계가 열리게 되고, 문제점이 해결 방향을 향하게 된다. 종래, 수역의 수질 환경 보전의 일환으로서 상하 순환의 촉진을 목적으로 하는 대책이 여러가지 시도되고 있다. 결국, 표층의 비교적 용존산소가 풍부한 수괴와, 저층의 빈산소·무산소의 수괴가 상하로 순환·혼합하면, 저층~표층의 용존산소농도도 평균화되어 가고, 저층의 빈산소·무산소가 해소 방향을 향한다. 이 점에서 「상하 순환」 촉진이 저층의 빈산소·무산소에 대한 대처하기 쉬운 유효한 대책의 하나라고 생각되고 있다.
이상과 같은 수역에 있어서의 수질 환경 문제를 해소 방향으로 이끌기 위해서 종래 사용되어 온 상하 순환 촉진 수법의 구체적인 예를 들면 도 12~도 19와 같다.
도 12는 종래의 간헐식 공기 양수통이라고 불리는 대책 장치의 개형을 나타낸 것이다. 도면 중, 101은 수역의 수체, 102는 수저, 103은 수면, 104는 육안(陸岸), 105는 간헐식 공기 양수통 본체, 106은 간헐식 공기 양수통 본체(105)의 하부에 설치된 공기실, 107은 육안에 놓인 공기 압축기, 108은 압축 공기 송기 호스, 109는 싱커, 110은 계류삭(係留索), 111은 공기탄의 상승에 따라 간헐식 공기 양수통 본체(105) 하단으로부터 통 내로 흡입되는 수류, 112는 간헐식 공기 양수통 본체(105)에 의해 간헐적으로 수면으로 뿜어올려진 혼기 수괴를 나타낸다.
도 12에 나타내는 간헐식 공기 양수통에 있어서는, 공기 압축기(107)에 의한 압축 공기를 간헐식 공기 양수통 본체(105)의 하부의 공기실(106)로 보내고, 이 공기량이 일정 레벨에 이르면, 그 공기괴가 역 사이폰 현상에 의해 간헐식 공기 양수통 본체(105)의 중앙통 내부에 유입되어, 공기탄을 형성하여 그 부력에 의해 상승하고, 간헐식 공기 양수통 본체(105) 내의 물을 상방으로 연행한다. 간헐적으로 수면까지 들어올려진 혼기 수괴(112)는 수면(103)에 이른 후, 간헐식 공기 양수통 본체(105)의 중심선으로부터 방사상으로 확산된다. 이 방식은 종래 댐, 저수지, 수원지, 호수와 늪 등의 수질 환경 보전의 목적에서 사용되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조.).
도 13은 종래의 산기판형 폭기 방식이라고 불리는 장치의 개형을 나타낸 것이다. 도면 중, 201은 수역의 수체, 202는 수저, 203은 수면, 204는 육안, 205는 산기판 장치, 206은 산기판 장치용 공기실, 207은 육안에 놓인 공기 압축기, 208은 압축 공기 송기 호스, 213은 산기판 장치용 가대, 214는 산기판 장치의 작동에 의해 수면으로 들어올려진 혼기 수괴를 나타낸다.
도 13에 나타내는 산기판형 폭기 방식에서는 공기 압축기(207)에 의한 압축 공기를 산기판 장치(205)의 산기판 장치용 공기실(206)에 보내고, 이것에 의해 산기판 장치(205)로부터 어느 정도 미세한 상승 기포류가 발생하고, 이것에 의해 수역 내의 수괴가 연행되어 상승 연행류를 형성한다. 이와 같은 산기 장치에 의해, 비교적 강한 상승 연행류가 생기는 것은 알려져 있고, 이 방식 또는 원리적으로 마찬가지의 상승류 발생 내지 폭기법은 종래 오수 처리장이나 저수지 등에서 널리 사용되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조.).
도 14는 종래의 펌프·덕트 방식을 사용한 장치(그 1)의 개형을 나타낸 것이다. 도면 중, 301은 수역의 수체, 302는 수저, 303은 수면, 304는 육안, 305는 펌프·덕트 방식 본체를 이루는 펌프·부체(浮體) 장치, 305'는 펌프, 310은 계류삭, 315는 전원 케이블, 316은 펌프·부체 장치(305) 상의 펌프(305')의 작동에 의해 저층수를 취수하여 표층으로 보내기 위한 플렉서블·덕트, 317은 플렉서블·덕트(316)에 흡입되는 저층수, 318은 플렉서블·덕트(316) 내에서 상방으로 보내지는 저층 수괴의 이동의 방향, 319는 표층에 방류되는 저층수를 나타낸다.
도 14에 나타내는 펌프·덕트 방식에서는 펌프·부체 장치(305) 상의 펌프(305')에 의해, 펌프·부체 장치(305)로부터 저층으로 수하한 플렉서블·덕트(316)의 아래로부터 저층 부근에 정체하고 있는 빈산소 수괴 등을 흡입하여 상방으로 보내고, 수면(303) 부근에서 수평 방향으로 방류한다는 방식이다. 이 방식은 종래 저수지, 호수와 늪, 댐 등의 저층 빈산소화 억제를 목적으로 하여 사용된 적이 있다(예를 들면, 비특허문헌 2 참조.).
도 15는 종래의 펌프·덕트 방식을 사용한 장치(그 2)의 개형을 나타낸 것이다. 도면 중, 401은 수역의 수체, 402는 수저, 403은 수면, 404는 육안, 405는 펌프·덕트 방식(그 2) 본체를 이루는 펌프·부체 장치, 405'는 펌프, 410은 계류삭, 415는 전원 케이블, 420은 펌프·부체 장치 405 상의 펌프(405')의 작동에 의해, 저층으로 보내기 위해서 취수되는 표층수, 421은 표층수(420)를 취수하고 저층까지 보내어 방류하기 위한 플렉서블·덕트, 422는 플렉서블·덕트(421) 내에서 하방으로 보내지는 표층 수괴의 이동의 방향, 423은 저층에 방류되는 표층수를 나타낸다.
도 15에 나타내는 펌프·덕트 방식은 펌프·부체 장치(405) 상의 펌프(405')에 의해, 용존산소농도가 높은 표층수(420)를 흡입하고, 펌프·부체 장치(405)로부터 하방으로 수하한 플렉서블·덕트(421)를 통과하여 하방으로 보내어, 저층으로 방류한다는 방식이다. 이 방식도 종래 저수지, 호수와 늪, 댐 등의 저층 빈산소화 억제를 목적으로 하여 사용된 적이 있다(예를 들면, 비특허문헌 2 참조.).
도 16은 종래의 심층 폭기 장치라고 불리는 방식 장치의 일례로서의 개형을 나타낸 것이다. 도면 중, 501은 수역의 수체, 502는 수저, 503은 수면, 504는 육안, 524는 일례로서의 심층 폭기 장치 본체부, 525는 심층 폭기 장치의 부분으로서의 상승관, 526은 상승관(525) 내에 산기를 행하는 산기 장치, 527은 심층 폭기 장치의 부분으로서의 하강관, 528은 심층 폭기 장치의 부분으로서의 부상조·부체, 529는 관 길이 조정용 와이어, 530은 카운터 웨이트, 507은 육안에 놓인 공기 압축기, 508은 압축 공기 송기 호스, 509는 싱커, 510은 계류삭, 531은 심층 폭기 장치 작동의 근간을 이루는 관내수의 움직임의 방향, 532는 동 관내수가 저층에 이르러, 하강관(527)으로부터 저층 방류되는 수괴를 나타낸다.
도 16에 나타내는 심층 폭기 장치는 수면(503)과 수저(502) 사이에 상승관(525)과 하강관(527)의 2개의 관을 일체형으로 구성하고, 상승관(525) 내 하부에 상승관(525) 내 산기용의 산기 장치(526)를 설치하고, 산기에 의해 상승관(525) 내 물에 대한 폭기 효과를 높이면서 상승류를 생성하고, 이것에 의해 상승관(525) 내 상단의 수면부에 이른 상승류가 관 내 흐름의 연속의 조건에 기초하여 이웃하는 하강관(527) 내를 흘러내리도록 하고, 하강관(527) 내의 하단에서, 저층 부근에 이른 하강류를 하강관(527) 하단 개구부로부터 저층 내에 방류하는 것이다. 그 주지는 저층의 저산소·빈산소수를 흡인하여 산기 방식에 의해 에어레이션 효과를 높이면서 (용존산소농도를 높이면서) 수면 레벨까지 상승시키고, 이것을 순차 연속적으로 저층으로 보내어 방류한다는 것이다. 산기 장치(526)에 의해 상승류가 발생하기 때문에, 특별히 추가의 동력을 사용하지 않아도 상승한 수괴를 (하강관(527)을 경유하여) 저층으로 보내어, 저층 방류가 발생하는 점이 이 장치의 하나의 특징으로 되어 있다. 이 방식도 댐 수역 등에 있어서 사용되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조.).
도 17은 종래의 펌프 구동 유동 촉진 장치의 개형을 나타낸 것이다. 도면 중, 601은 수역의 수체, 602는 수저, 603은 수면, 604는 육안, 605는 펌프 구동 유동 촉진 장치 본체, 605'는 펌프 부체 장치, 605''는 구동수 호스, 610은 계류삭, 615는 전원 케이블, 613은 펌프 구동 유동 촉진 장치 본체(605)의 수저 설치용 가대, 633은 펌프 구동 유동 촉진 장치 본체(605)에 흡입되는 저층수, 634는 펌프 구동 유동 촉진 장치 본체(605)로부터 토출되는 분류상의 표층·저층의 믹싱류를 나타낸다.
도 17에 나타내는 펌프 구동 유동 촉진 장치는 표층에 가까운 층으로부터 취수한 물을 구동수로 하여 구동수 펌프에 의해 정류 원통 내에 수분류 펌프의 원리에 의한 토출류를 만들고, 이것에 의해, 정체 수괴를 움직여 상하 순환을 촉진하는 것이다. 이 방식은 폐쇄 수역의 저층 빈산소 해소 등에 널리 사용되었다(예를 들면, 비특허문헌 3 참조.).
도 18은 종래의 프로펠러식 수류 발생 방식의 일례를 나타낸 것이다. 도면 중, 701은 수역의 수체, 702는 수저, 703은 수면, 704는 육안, 705는 부체, 710은 계류삭, 715는 전원 케이블, 735는 수중 프로펠러 구동용 전동기, 736은 수중 프로펠러, 737은 수중 프로펠러(736)에 의해 생성된 회전류를 나타낸다.
도 18에 나타내는 회전류(737)는 수면(703) 상에 놓인 수중 프로펠러 구동용 전동기(735)에 의해 동일축 상에 부착된 수중 프로펠러(736)를 회전시키고, 이것에 의해 발생되는 수중 프로펠러(736) 후류의 상황을 나타내고 있다. 프로펠러 후류인 회전류(737)는 강한 선회류를 수반하고, 프로펠러 축방향으로 강한 축방향 흐름을 발생시킨다. 이 방식은 그러한 비교적 강한 수류 발생이 요구되는 곳에 널리 사용되었다(예를 들면, 비특허문헌 4 참조.).
도 19는 종래의 익차식(翼車式) 또는 패들·휠식의 폭기 장치의 예이다. 도면 중, 801은 수역의 수체, 802는 수저, 803은 수면, 804는 육안, 805는 부체, 810은 계류삭, 815는 전원 케이블, 838은 전동식 익차 또는 패들·휠, 838'는 전동식 익차 또는 패들·휠의 회전 방향, 839는 익차 또는 패들·휠 회전 구동용 전동기, 840은 전동식 익차 또는 패들·휠(838)에 의해 생성된 표층의 흐름을 나타낸다.
도 19에 나타내는 익차식 또는 패들·휠식의 폭기 장치는 부체(805) 상의 베어링으로 고정된 수평축 둘레에 회전하는 전동식 익차 또는 패들·휠(838)이 비교적 수심이 얕은 양식지 등에 있어서의 물의 정체 해소를 목적으로 하여 도 19에 나타내는 바와 같은 요령으로 폭기를 촉진함과 아울러, 표층수의 유동 촉진을 도모하는 것이다. 새우 등의 양식지에 있어서 널리 사용되고 있다(예를 들면, 비특허문헌 5, 6 참조.).
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종래기술에 나타낸 도 12~도 19는 정체적인 폐쇄 수역에 있어서의 물의 상하 순환 촉진에 사용되는 수법의 여러 예이지만, 이들에는 각각 이하에 나타내는 바와 같은 난점을 가지고 있다.
(1) <간헐식 공기 양수통(도 12)> 상승한 수괴가 수면에서 방사상으로 확산된 후, 강제 대류의 일환으로서 동심원의 둘레가장자리로부터 규칙적, 스피디하게 하강하면, 수체의 상하 순환 촉진에 어느 정도의 효과를 가질 수 있다고 할 수 있는데, 동심원(반경 r)의 둘레가장자리에서는 반경 r의 확대에 따라 유동 범위는 r2에 비례하여 증대하고, 이것에 따라 유속은 급격하게 저하된다. 따라서, 저층수가 수면으로 들어올려지는 효과는 일단 명확하다고 할 수 있지만, 하강류가 수저에 이르러 다시 상승류에 받아들여진다는 효율적인 하향 흐름을 가속적 집중적으로 발휘하고 있는 개소는 보이지 않는다.
(2) <산기판형 폭기 방식(도 13)> 산기판 기포에 의한 상승류는 상승 기포류의 매우 근방에 한정되어 있고, 상승 기포류로부터 떨어진 넓은 수체 범위에 걸쳐 상하 순환류가 형성된다고는 할 수 없다. 상하 순환에 직접 공헌하는 가속적 집중적인 하강류가 발생하는 곳은 없다.
(3) <펌프·덕트 방식(도 14, 도 15)> 이들은 "펌프·덕트를 통하여 저층의 빈산소 수괴를 들어올려 직접 표층에 방류하면, 또는 반대로 표층의 산소가 풍부한 수괴를 펌프·덕트를 통하여 직접 저층의 빈산소층에 보내면, 상하의 용존산소농도의 차가 해소되어 갈 것이다"라는 생각에 기초하여 고안된 수괴 이송의 방법이다. 그러나, 저층으로부터 들어올려져 표층에 방류된 저온 수괴는 수온 밀도차의 원리에 의해 대부분이 원래의 저층으로 되돌아가려고 하기 때문에, 상하 순환의 효과는 반드시 유효하게 발휘되지는 않는다. 또, 반대로 고온 표층수를 펌프로 흡입하고, 플렉서블·덕트를 통하여 저층에 방류한다는 안에 대해서도, 동일한 원리적인 이유에 의해 플렉서블·덕트의 하단으로부터 저층 저온수층 내에 방류된 고온 표층수는 수온 밀도차의 원리에 의해 원래의 표층으로 되돌아가려고 하기 때문에, 상하 순환의 작용 효과는 반드시 유효하게 발휘되지는 않는다. 결국, 상이한 수온끼리의 수괴는 단순히 방류·치환한 것만으로는 대부분 효과적으로 서로 혼합 확산되지 않고, 수온 밀도차의 원리에 기초하여 재분리되어 원수온층으로 되돌아가려고 하는 경향을 나타내어, 결국 상하 순환 촉진의 의의가 충분히 완수되지 않은 채의 사태가 계속될 우려가 강하다. (이유:저온수와 고온수의 난류(불가역) 혼합이 발생하지 않는 경우에는 저온수와 고온수가 수온 밀도차의 원리에 의해 용이하게 재분리되고, 각각이 원래의 수온층으로 되돌아가려고 하는 경향을 계속해서 가지는 것에 따른다.)
(4) <심층 폭기 장치(도 16)> 본 상하 순환 장치에서는 저층수를 퍼올리면서 폭기 효과를 미치게 하여, 산기 장치에 의한 상승류 효과(에어 리프트 효과)를 그대로 이용하여 폭기수의 저층 재이송을 행한다는 방식인데, 상승관 이외에 하강관까지 준비할 필요가 있다. 그 때문에 구조적, 기구적으로 상대적으로 대규모이며 정밀하고 또한 복잡한 조정을 필요로 하여, 초기 비용, 메인터넌스 비용 모두 크다. 따라서, 상하 순환 촉진 대책이라고는 해도 어떠한 수역에도 용이하게 적용할 수 있는 방식이 아니라는 큰 난점이 있다.
(5) <펌프 구동 유동 촉진 장치(도 17)> 구동수 펌프를 사용하여 정류 원통 내에 분류에 의한 방향성의 난류 혼합류를 만들고, 이것에 의해 상하 순환을 촉진하는 것이다. 이것은 난류 불가역 혼합 흐름이기 때문에, 도 12~도 15 등의 경우에 우려된 바와 같은 토출수의 원수온층 회귀의 경향은 없다. 그러나, 구동수 펌프를 부체 상에 별개로 설치하면 초기 비용이 커지고, 또 흡수관에 있어서의 먼지의 방제 대책이 매우 중요하여, 청소·메인터넌스 비용도 크다는 점이 문제가 되고 있다.
(6) <프로펠러식 수류 발생 방식(도 18)> 본 방식을 수심이 얕은 양식지 등에서 사용하면, 프로펠러 생성류에 의한 토사의 말아올림(수저의 세굴)을 발생시켜 수역의 양상이 변화하는 등, 상하 순환 촉진보다 이전에 심각한 수역 환경상의 제문제를 일으킬 우려가 있어, 채용 여부 또는 설치 각도 설정에 있어서는 신중한 검토를 필요로 한다. 국소적으로 강한 흐름을 필요로 하는 개소에는 적용할 수 있다고 할 수도 있지만, 상하 순환의 목적에 대하여 어디에서나 수시 유효하게 사용할 수 있는 대책 장치라고 할 수는 없다는 난점이 있다.
(7) <익차식 또는 패들·휠식 폭기 장치(도 19)> 수심이 얕은 양식장 등에는 널리 사용되어 있고, 폭기의 촉진, 표층수의 유동 촉진에는 유효하다. 그러나, 수심이 상대적으로 깊어지면, 저층수의 정체 해소나 저층으로의 산소 보급에는 직접적으로 유효하게는 기능하기 어려워지기 때문에, 수심이 얕은 수역 이외에서는 저층 빈산소, 무산소 해소의 대책 장치로서는 해결 방안이 부족하게 되어, 수심이 보다 깊은 곳에 대한 대책을 별도로 구할 필요가 생긴다.
이상, 종래 사용되어 온 기술의 난점을 서술했는데, 이들을 정리하여 서술하면 다음과 같다.
1) 상하 순환이라는 목적에서, 상승류에 수반되어 하강류도 발생하는 것이 바람직하지만, 집중적인 하강류가 발생하는 것은 상기 수법 (1)~(7) 중에서는 (4)에만 한정된다.
2) 상승류 생성에 따라 집중적인 하강류를 발생시키는 것은 (4)이지만, (4)에는 문제점으로서 구조적, 기구적으로 규모가 크고, 정밀하고 또한 복잡한 조정을 필요로 하여, 초기 비용, 메인터넌스 비용 모두가 크고, 어떠한 수역에도 용이하게 적용할 수 있는 방식이 아니라는 난점이 있음과 아울러, 하강관을 설치하지 않으면 목표로 하는 하강류를 발생시킬 수 없다는 큰 난점이 있다.
3) 이상을 요약하면 종래의 수법 중에는 『상승류의 생성에 따라 집중적 가속적인 하강류를 발생시키고, 분명히 표층/저층간의 상하 순환 촉진에 유효하다고 서술할 수 있는 수법은 눈에 띄지 않는다. 또, 장치로서 구조상, 기기 구성상 간이적이며 정밀한 조정 개소도 마모 개소도 없고, 초기 비용이 저렴하며, 내구성이 크고, 메인터넌스, 먼지 대책이 간단하며, 러닝 코스트도 낮다고 서술할 수 있는 방식도 눈에 띄지 않는다』라고 할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 감안하여, 그 과제를 해결하기 위해 창안된 것으로, 그 목적으로 하는 바는 수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치로 발생시킨 상승류에 의해, 수면에 동심원상으로 확산하는 확산류를 각각 발생시키고, 각 확산류끼리의 상호 간섭을 이용하여, 각 상승류 발생 장치가 배치된 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 연속적, 가속적이며 또한 집중적인 하강류를 유기(誘起)시켜, 상승류와 하강류에 의한 상하 순환류에 의해 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모할 수 있는 폐쇄 수역의 상하 순환 방법 및 상하 순환 장치를 제공하는 것에 있다.
이상의 과제를 달성하기 위해서, 청구항 1의 발명은, 수중에 정다각형상으로 상향으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치로 상승류를 발생시켜, 각 상승류 발생 장치의 상방 수면에 상승류에서 생기(生起)되는 동심원상으로 확산하는 확산류를 각각 발생시키고, 이웃하는 각 확산류끼리의 상호 간섭을 이용하여, 각 상승류 발생 장치가 배치된 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 연속적, 가속적이며 또한 집중적인 하강류를 유기시켜, 상승류와 하강류에 의한 상하 순환류에 의해 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모하는 수단으로 이루어지는 것이다.
이상의 과제를 달성하기 위해서, 청구항 2의 발명은, 수중에 정다각형상으로 상향으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치의 이웃하는 배치 간격(L)과, 각 상승류 발생 장치의 상승류를 발생하는 통체의 직경(D)은 L/D=4~25의 범위 내에 있고, 수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치로 상승류를 발생시켜, 각 상승류 발생 장치의 상방 수면에 상승류에서 생기되는 동심원상으로 확산하는 확산류를 각각 발생시키고, 이웃하는 각 확산류끼리의 상호 간섭을 이용하여, 각 상승류 발생 장치가 배치된 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 연속적, 가속적이며 또한 집중적인 하강류를 유기시켜, 상하 순환류에 의해 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모하는 수단으로 이루어지는 것이다.
이상의 과제를 달성하기 위해서, 청구항 3의 발명은, 수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 상승류 발생 장치에 의해 각각 상승류를 발생시켜, 복수의 상승류 발생 장치의 각각의 상방 수면에 상승류에 의해 생기되는 동심원상으로 확산하는 확산류를 발생시키고, 이웃하는 확산류끼리의 상호 간섭에 의해 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 하강류를 유기시켜, 상승류와 하강류에 의한 상하 순환류를 형성하는 폐쇄 수역의 상하 순환 방법이다.
이상의 과제를 달성하기 위해서, 청구항 4의 발명은, 수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 상승류 발생 장치이며, 각각 상승류를 발생시켜, 각각의 상방 수면에 상승류에서 생기되는 동심원상으로 확산하는 확산류를 발생시키고, 이웃하는 확산류끼리의 상호 간섭에 의해 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 하강류를 유기시켜, 상승류와 하강류에 의한 상하 순환류를 형성하는 복수의 상승류 발생 장치를 구비한 폐쇄 수역의 상하 순환 장치이다.
과제를 해결하기 위한 수단으로 이루어지는 본 발명에 의하면, 다음에 나타내는 매우 신규적 유익한 효과를 나타내는 것이다.
《1》상승류의 생성에 수반되어 집중적 가속적인 하강류를 발생시키고, 명백히 표층/저층간의 상하 순환 촉진에 유효한 방식이다.
《2》장치로서 구조상, 기기 구성상 비교적 간단한 것을 사용할 수 있어, 초기 비용을 저렴하게 할 수 있다.
《3》마모 개소가 없고, 내구성이 크다.
《4》메인터넌스, 먼지 대책 문제가 간단하다.
《5》하강류의 유량 추정이 용이하다.
《6》에너지 소비량(러닝 코스트)이 낮다.
도 1은 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 상승류 발생 장치를 사용하여 하강류를 발생시키는 경우의 전체 개념도이다.
도 2a는 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 3기의 상승류 발생 장치를 사용하여 수면에 동심원상의 확산류를 생성한 평면도이다.
도 2b는 도 2a의 개략 측면도이다.
도 3은 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 4기의 상승류 발생 장치를 사용하여 하강류를 발생시켰을 때의 실험 설명도이다.
도 4a는 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 4기의 상승류 발생 장치를 정사각형상으로 배치하여 수면에 동심원상의 확산류를 생성한 평면도이다.
도 4b는 4기의 상승류 발생 장치를 정삼각형상으로 배치하여 수면에 동심원상의 확산류를 생성한 평면도이다.
도 5a는 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 5기의 상승류 발생 장치를 정삼각형상으로 배치하여 수면에 동심원상의 확산류를 생성한 평면도이다.
도 5b는 5기의 상승류 발생 장치를 정사각형상과 정삼각형상으로 배치하여 수면에 동심원상의 확산류를 생성한 평면도이다.
도 5c는 5기의 상승류 발생 장치를 정오각형상으로 배치하여 수면에 동심원상의 확산류를 생성한 평면도이다.
도 6은 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 상승류 발생 장치의 배치와 하강 유량의 증가 효과(그 1 「60°계」)를 나타내는 일람도이다.
도 7은 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 상승류 발생 장치의 배치와 하강 유량의 증가 효과(그 2 「90°계」)를 나타내는 일람도이다.
도 8은 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 상승류 발생 장치의 복수개 조합 기수와 하강류 생성 효율의 관계도이다.
도 9는 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 3기의 상승류 발생 장치의 조합 일체형 상하 순환 장치의 사시도이다.
도 10은 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 별개의 3기의 상승류 발생 장치의 조합 일체형 상하 순환 장치의 사시도이다.
도 11은 본 발명을 실시하기 위한 형태를 나타내는 각 상승류 발생 장치의 배치 간격과 상승류 발생 장치의 원통형의 직경의 관계도이다.
도 12는 종래의 간헐식 공기 양수통의 설명도이다.
도 13은 종래의 산기판형 폭기 방식의 설명도이다.
도 14는 종래의 펌프·덕트 방식의 설명도이다.
도 15는 종래의 펌프·덕트 방식의 설명도이다.
도 16은 종래의 심층 폭기 장치의 설명도이다.
도 17은 종래의 펌프 구동 유동 촉진 장치의 설명도이다.
도 18은 종래의 프로펠러식 수류 발생 방식의 설명도이다.
도 19는 종래의 익차식 또는 패들·휠식 폭기 장치의 설명도이다.
이하, 도면에 기재된 발명을 실시하기 위한 형태에 기초하여, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 폐쇄 수역의 순환 방법에서는, 폐쇄된 수역의 수체(1)(도 1 참조.)의 상하 순환류에 의해 수질 개선을 도모하기 위해서, 수중에는 복수의 상승류 발생 장치(5)(도 1 참조.)가 배치된다. 복수의 상승류 발생 장치(5)는 정다각형상으로 배치된다. 본 발명의 폐쇄 수역의 상하 순환 장치는 이 정다각형상으로 배치된 복수의 상승류 발생 장치(5)에 의해 구성된다. 각 상승류 발생 장치(5)는 정다각형상의 각 정점 위치에 배치된다. 최소 단위의 정다각형상으로서는 정삼각형이며, 정사각형, 정오각형, 정육각형 등으로 순차적으로 늘린 것이 포함된다. 또, 이 정삼각형의 단위를 복수 조합하거나 정삼각형과 정사각형과 같이 상이한 정다각형끼리의 복수의 조합도 있다. 또한, 정다각형상으로는 다각형의 각 변 및 각 정점의 내각이 동일한 것 외에 각 변 및 각 정점의 내각의 제작 오차가 ±20%까지가 포함된다.
도 1은 상승류 발생 장치(5)가 정삼각형상으로 수체(1)의 수중에 배치되는 경우의 폐쇄 수역의 상하 순환 장치의 전체 개념도를 나타낸다. 각 상승류 발생 장치(5)는 수저(2)에 설치된 예를 들면 원반형의 싱커(9)에 계류삭(10)을 통하여 수중에 상향으로 계류되어 있다. 각 상승류 발생 장치(5)에는 예를 들면 산기식 원통형 상승류 발생 장치가 사용된다. 산기식 원통형 상승류 발생 장치는 개구부가 상향으로 배치된 통체이다. 각 상승류 발생 장치(5)는 기포를 통하여 상승류(15)를 발생시키는 것이다. 기포는 육안(4)에 놓인 공기 압축기(7)로부터 압축 공기 송기 호스(8)에 의해 보내지는 압축 공기에 의해 발생시킨다. 이 기포의 상승에 따라 각 상승류 발생 장치(5)의 원통형의 하단 개구부로부터 수류(14)가 통 내에 흡입된다. 수중에 배치된 각 상승류 발생 장치(5)의 원통형의 상단 개구부로부터는 바로 위의 수면(3)의 방향을 향하여 물과 기포의 혼기 수괴가 나와, 혼기 수괴에 의한 상향의 흐름 즉 상승류(15)가 발생한다. 각 상승류 발생 장치(5)의 바로 위의 수면(3)에는 수중을 상승한 혼기 수괴(16)가 나타나, 수면(3)은 파도가 인다.
수면(3)에 나타난 혼기 수괴(16)는 동심원상으로 그 주위에 확산한다. 이것에 의해, 수면(3)에는 수중으로부터 나타난 혼기 수괴(16)에 의한 상승류(15)에 의해 동심원상의 확산류(6)가 생기된다. 각 상승류 발생 장치(5)의 바로 위의 수면(3)에서 발생한 동심원상의 확산류(6)는 그 주위에 동심원상을 유지한 상태로 퍼진다. 동심원상으로 퍼진 각 확산류(6)는 이웃하는 확산류(6)끼리가 서로 부딪혀 상호 간섭한다. 상호 간섭하는 각 확산류(6)는 각 동심원상의 확산류(6)의 중심을 연결하는 선을 중심으로 좌우 방향으로 나뉜다. 그 중 일방의 확산류(6)는 상호 간섭에 의해 상승류 발생 장치(5)가 배치된 정삼각형상의 중심부(X)(중심축 X-X)를 향하여 흐른다.
각 확산류(6)는 수면(3)의 정삼각형상의 중심부(X)를 향하여, 그 주위로부터 연속적으로 모여온다. 정삼각형상에서는 1기의 상승류 발생 장치(5)에서 발생한 혼기 수괴(16)의 1/6, 즉 3기의 상승류 발생 장치(5)로부터는 합계로 1/2(1기의 상승류 발생 장치(5)에서 발생하는 혼기 수괴(16)에 의한 상승류(15)의 1/2) 상당의 혼기 수괴(16)의 확산류(6)가 정삼각형상의 중심부(X)를 향하여 연속적으로 모인다. 정삼각형상의 중심부(X)에 그 전체 주위로부터 모인 물은 갈 곳을 잃고, 유체의 연속성으로부터 그 수면(3)으로부터 수저(2)를 향하여 흐른다. 이렇게 하여 확산류(6)의 상호 간섭에 의해 정삼각형상의 중심부(X)(중심축 X-X)에는 하향의 하강류(42)가 발생하게 된다.
즉, 정삼각형상의 각 정점 위치에 대응하는 개소의 각 상승류 발생 장치(5)에 의해 강제적으로 발생한 상승류(15)는 수면(3)에서 동심원상의 확산류(6)가 되어 주위에 퍼진다. 그리고 이웃하는 확산류(6)끼리가 상호 간섭함으로써 정삼각형상의 중심부(X)에 하강류(42)가 유기되는 것이다. 이 상승류(15)와 하강류(42)에 의해 폐쇄된 수역의 수체(1)에는 상하 순환류가 발생된다. 이 상하 순환류를 통하여 폐쇄 수역의 수체(1)의 수질 개선이 도모되게 된다.
한편, 상호 간섭으로 정삼각형상의 외측을 향하여 흐른 나머지 확산류(6)는 더욱 확산하면서 수면(3)으로부터 서서히 하강하기 시작한다. 이 때, 정삼각형상의 외측의 수중에 별개의 상승류 발생 장치(5)를 배치하여, 별개의 상승류 발생 장치(5)와 이미 있는 2기의 상승류 발생 장치(5)에 의해 새롭게 정삼각형을 만드는 것에 의해 마찬가지로 하강류(42)를 발생시킬 수 있다. 3기의 상승류 발생 장치(5)를 사용한 경우에는 1기의 상승류 발생 장치(5)에서 발생하는 상승류(15)의 1/2의 하강류(42)를 유기시키지만, 4기의 상승류 발생 장치(5)를 사용하여 2개의 정삼각형 또는 1개의 정사각형을 만들도록 배치한 경우에는, 1기의 상승류 발생 장치(5)에서 발생하는 상승류(15)와 동량의 하강류(42)를 유기시키는 것이 가능하게 된다. 복수의 상승류 발생 장치(5)의 조합에 대해서는 후술한다.
이상과 같이, 복수 기의 상승류 발생 장치(5)를 근접 설치하여, 각 기에서 생성하는 흐름을 유체역학적으로 간섭시키고, 이 복수 기의 대류계를 조합하면, 상호 간섭의 효과로서 중심부(X)(중심축 X-X)에 집중적 또한 가속적인 하강류(42)를 발생시키게 된다. 바꾸어 말하면, 단기 사용에서는 명확히 할 수 없는 하향 흐름은 복수 기의 상승류 발생 장치(5)를 근접하여 조합하여 설치하면, 복수 기의 흐름의 간섭 효과로서 상승류(15)에 기초하는 하향 흐름이 매우 명확하게 발생하는 것을 알 수 있다. 이 하향 흐름은 마치 보이지 않는 하향 덕트가 설치되어 있는 것 같이 하향 흐름의 구획역 내를 흐르고, 이곳을 통과하는 명확한 하향 집중적 또한 가속적인 흐름으로서 형성된다.
(실시예)
이상과 같이, 상승류 발생 장치(5)를 복합적으로 조합하여 배치하고, 이들 상승류(15)에 의해 수면(3) 상에서 생기시킨 복수의 동심원상의 확산류(6)를 상호 간섭시킴으로써 집중적인 하강류(42)가 생성되는 것을 유동 시뮬레이션 계산에 의해 검증했다. 다음에, 이것을 실제의 물리 현상으로서 확인하기 위해서, 소형의 원형 수조를 사용하고, 소형 모형을 사용하여 수류의 가시화 실험을 행했다.
사용한 상승류 발생 장치(5)의 모형은 4기이다. 이것은 도 4a(n=4)에 나타내는 조합 배치에 상당하고 있다. 이 실험에 있어서 수면 아래를 촬영한 사진예를 도 3에 나타낸다. 이 사진에 있어서, 1은 실험 수조(직경 약1.5m×깊이 약80cm의 원통형)의 수체, 2는 수저, 3은 수면, 5a는 산기식 원통형 상승류 발생 장치 모형, 8은 압축 공기 송기 호스, 9는 싱커, 10은 계류삭, 49는 수류 방향 센서·트레이서를 나타낸다.
4기의 산기식 원통형 상승류 발생 장치 모형(5a)의 배치점의 중점을 통과하는 연직축 상에 수면(3) 상으로부터 수중으로 수류 방향 센서·트레이서(49)로서의 「바람 자루」(미세한 가벼운 비닐끈의 섬유를 묶어, 수중에서 흐름의 방향으로 나부끼도록 한 것)를 내리고, 이 수류 방향 센서·트레이서(49)의 끝의 방향을 관찰했다. 이 수류 방향 센서·트레이서(49)를 착수(着水)했을 때는 비닐 섬유의 부력으로 수류 방향 센서·트레이서(49)의 끝은 모두 상방(수면)을 향하고 있었지만, 수류 실험 개시 후, 이들 수류 방향 센서·트레이서(49)의 끝은 사진에 보여지는 바와 같이 모두 하향으로 나부끼고 있다. 이것은 수중의 이 위치에 발생한 집중적인 하강류(42)의 방향을 나타내는 것이라고 판단되었다. 또, 이외에도 잉크 흘림에 의한 가시화 관찰(동영상 촬영)에서도 마찬가지의 결과를 얻었다. 또, 수류 실험 종료 후, 수조 내의 물이 정지하면, 수류 방향 센서·트레이서(49)의 끝은 모두 상방(수면측)을 향했다. 이 점에서도 본 실험에 있어서의 복수 기의 산기식 원통형 상승류 발생 장치 모형(5a)의 배치점의 중점 영역에 수면(3)으로부터 수저(2)로 향하는 하향의 수류 즉 하강류(42)가 발생한 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 상승류 발생 장치(5)의 복수 기 조합 배치를 행함으로써, 복수 기의 상승류 발생 장치(5)의 배치점의 중심부(X)의 축 상에 집중적인 하강류(42)가 생성되는 것이 검증되었다.
상승류 발생 장치(5)의 복수 기 조합에 의한 집중적인 하강류(42)의 생성, 즉 조합 배치 기수 n과 하강류(42)의 생성점의 수에 대하여 이하 설명한다.
상기 서술까지 복수 기의 상승류 발생 장치(5)를 조합하여 간섭시킴으로써 집중적 가속적인 하강류(42)를 생성시킬 수 있는 것, 또 이와 같은 하강류(42)를 생성시키는 방식에 대해서 설명했다. 또, 이와 같은 현상이 발생하는 것의 검증 예로서 가시화 모델 실험의 결과를 인용하여 설명했다. 다음에, 상승류 발생 장치(5)를 복수 기 조합하는 것에 의한 하강류(42)의 생성의 설명으로서, 조합 배치 개수 n을 n=3~5의 범위에서 변경한 경우 하강류(42)가 어떻게 발생하는지에 대한 설명을 이하에 나타낸다.
(1) n=3에 대해(도 2a, 도 2b)
조합 기수 n의 최소값인 n=3에 대해서, 도 2a 및 도 2b를 참조하여 설명한다.
도 2a 및 도 2b는 수역을 위에서 보아 3기의 상승류 발생 장치(5)를 각 중심축이 정삼각형의 각 정점을 통과하는 위치에 각각 두고 작동시키면, 각 상승류 발생 장치(5)의 상방 수면(3)의 중심축의 주위에 동심원상의 확산류(6)가 외측을 향하여 퍼지고, 각각의 동심원상의 확산류(6)의 외주가 서로 접하게 된 경우를 도시하고 있다.
도면 중, 정삼각형상의 중심부(X)는 정삼각형상으로 배치된 3기의 상승류 발생 장치(5)에 의해 수면까지 들어올려진 수류가 대략 정삼각형상의 좁은 간격에 떨어지고, 수저(2)를 향하여 하향으로 보내지는 수류의 중심축을 나타낸다.
도면 중, 각 3기의 상승류 발생 장치(5)에 의해 발생한 상승류(15)가 수면(3)에 도달하고, 동심원상의 확산류(6)가 되어 그 주위에 퍼져서 흐르는 경우, 서로의 동심원상의 확산류(6)의 접점으로 둘러싸인 영역 내의 수면(3)의 흐름은 호상 곡선으로 이루어지는 대략 정삼각형상의 중심부(X)를 향하여 모이고, 그 중심부(X)에 흡입되어, 수저(2)를 향하여 하강해간다. 이 때, 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면까지 밀어올린 혼기 수괴(16) 중, 수저(2)를 향하여 하강하는 수량은 원형을 60도의 중심각으로 절취한 부채형상 영역 내의 방사상 흐름에 한정된다. 따라서, 그 양은 중심각 360도에서 발생하고 있는 전방위 방사 수류량의 전체량을 1로 하면 중심각 60도의 범위의 수량은,
1×(60°/360°)=1/6…(a)
로 산정된다. 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면(3)으로 들어올린 수량의 1/6이 기여한다는 것은 이것이 3기이므로 (60°/360°)×3기=3/6=1/2, 따라서 정삼각형상의 중심부(X)의 좁은 간격의 중심을 흘러내리는 하강류(42)의 유량은 1기의 상승류(15)의 유량을 1로 하면 그 1/2이 된다. (예를 들면, 출력 3.7kW(공기량 500L/분)의 에어·컴프레서를 사용하여 3기의 상승류 발생 장치(5)를 구동한 경우의 1기당의 동수(動水) 유량이 하기(夏期) 72만(톤/일）정도로 측정된 실예가 있는데, 이렇다고 하면, 3기가 조합하여 발휘되는 하강류(42)의 유량은 36만(톤/일)으로 개산(槪算)된다.)
(2) n=4에 대해(도 4a, 도 4b)
조합 기수 n=4에 대해서 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다.
도 4a는 수역을 위에서 보아 4기의 상승류 발생 장치(5)를 각 중심축이 정사각형의 각 정점을 통과하는 위치에 각각 두고 작동시키면, 각 기마다 성장하는 동심원상의 확산류(6)의 외주가 서로 접하게 된 경우를 도시하고 있다.
도 4a는 상승류 발생 장치(5)의 4기로써 기본 조합 단위로 하는 도면(이하, 「90°계」라고 약칭한다.)을 나타내고 있다. 도면 중, 정사각형상의 중심부(X)는 동심원상의 확산류(6)의 외주끼리의 4개의 접점에 의해 수면까지 들어올려진 수류가 대략 정사각형상의 좁은 간격에 떨어지고, 수저를 향하여 하향으로 보내지는 수류의 중심축 X-X를 나타낸다.
도 4b는 수역을 위에서 보아 4기의 상승류 발생 장치(5)를 각 중심축이 2개의 정삼각형으로 구성되는 평행사변형의 각 정점을 통과하는 위치에 각각 두고 작동시키면, 4기의 상승류 발생 장치(5)에 의한 상승류(15)가 수면에 도달하여, 동심원상의 확산류(6)가 되어 흐르고, 동심원상의 확산류(6)의 3개의 접점으로 둘러싸인 2개의 정삼각형상의 영역 내의 수면 흐름이 각각의 영역의 중심부(X)의 좁은 간격으로 흡입되고, 수저를 향하여 하강해가는 것을 나타내고 있다(이하, 「60°계」라고 약칭한다.)
도 4b의 「60°계」에서는 평행사변형이 2개의 정삼각형으로 구성되는 점에서, 하강 유량 기여의 논의가 그대로 성립되고, 중심부(X)를 중심축으로 하는 하강류(42)가 2개소에 형성되어, 그 각각에 상기 (a)의 추산법칙이 성립된다. 즉, 도 4b에 대해서는,
[(60°/360°)×3]×2=1…(b)
가 성립된다.
다음에, 도 4a의 경우는 각 4기의 상승류(15)가 수면에 도달하여, 동심원상의 확산류(6)가 되어 흐르는 경우, 동심원상의 확산류(6)의 4개의 접점으로 둘러싸인 영역 내의 수면(3)의 흐름은 대략 십자상의 중심부(X)의 좁은 간격에 흡입되어, 수저(2)를 향하여 하강해간다. 이 때, 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면(3)까지 밀어올린 혼기 수괴(16) 중 수저(2)를 향하여 흐르는 하강류(42)의 수량은 원형을 90도의 중심각으로 절취한 부채형상 영역 내의 방사상 흐름에 한정된다. 따라서, 그 양은 중심각 360도에서 발생하고 있는 방사 수류량의 전체량을 1로 하면, 중심각 90도의 범위의 수량은,
1×(90°/360°)=1/4…(c)
로 산정된다. 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면으로 들어올린 수량의 1/4이 기여한다는 것은 이번 경우 이것이 4기이므로 (90°/360°)×4기=1이다. 따라서, 대략 십자상의 중심부(X)의 좁은 간격의 중심을 흘러내리는 하강류(42)의 유량은 1기의 상승류 유량을 1로 하면 그 동량 1이 된다. (예를 들면, 1기당의 동수 유량이 하기 72만(톤/일）정도로 측정된 예가 있다고 하면, 이러한 것으로 하면 4기가 조합하여 발휘되는 하강류(42)의 수류의 유량은 72만(톤/일)으로 추산되게 된다.)
(3) n=5에 대해(도 5a, 도 5b, 도 5c)
조합 기수 n=5에 대해서, 도 5a, 도5b 및 도 5c를 참조하여 설명한다.
도 5a~도 5c는 수역을 위에서 보아 5기의 상승류 발생 장치(5)를 각 중심축이 각각 도시하는 바와 같은 형상으로 배치하여 작동시키면, 각 기마다 성장하는 동심원상의 확산류(6)의 외주가 서로 접하게 된 경우를 도시하고 있다. 도 5a는 상기 서술한 「60°계」, 도 5b는 「60°계」와 「90°계」의 복합계, 도 5c는 「60°계」도 「90°계」도 아닌 「꽃잎상 원주 접촉」의 접촉 조건을 가지는 경우를 나타내고 있다.
도 4a, 도 4b까지에 서술한 바로부터도 명확한 바와 같이, 도 5a는 「60°계」의 정삼각형×3개로 분해할 수 있다. 따라서, 상기 서술한 추산법칙(a)이 성립되고, 이 경우는,
[(60°/360°)×3]×3=1.5…(d)
의 배율이 된다.
도 5b는 「60°계」와 「90°계」의 혼합계이지만, 「60°계」에 대해서는 추산법칙(a)이 「90°계」에 대해서는 추산법칙(c)이 성립되므로, 하강류(42)의 유량의 추산에는 이들을 사용하여 간단히 행할 수 있다.
다음에 도 5c인데, 대류계의 접촉 조건을 「60°계」, 「90°계」와 같이 분류하여 정리할 때의 문제로서, 이들 조건에 맞지 않는 접촉 조건이며, 상승류 발생 장치(5)가 원주 상에 등간격으로 늘어서서 접촉하고 있는 경우는 어떻게 되는가라는 문제가 있다. 이 접촉 조건의 분류명을 만일 「꽃잎 환상 접촉계」라고 부른다고 하면, 상승류 발생 장치(5)의 기수 n마다 추산값이 바뀌어, 「60°계」나 「90°계」와 같은 단순화가 불가능하다.
지금, 도 5c의 접촉 조건에 대하여, 하강류(42)의 유량 추산에 필요한 각도값을 구하면, 도면 중에 기입한 바와 같이 된다. 바꾸어 말하면, 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면(3)으로 들어올린 상승류(15)의 수류 유량을 1로 한 경우, n=5의 「꽃잎 환상 접촉」에서는 이 중의 얼마만큼이 하강류(42)의 유량에 기여하는지는 이들의 각도값을 사용하여 이하와 같이 추산된다.
[(54°×2/360°)×5]=1.5…(e)
즉, n=5의 「꽃잎 환상 접촉」에서는 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면(3)으로 들어올리는 수류 유량 총량을 1로 한 경우, 하강류 유량은 1.5배가 되는 것을 알 수 있다.
(4) n=3~11에 대한 하강 유동 수류량의 경향에 대해
이상, 조합 기수 n을 3~5로 변경한 경우에 발생하는 하강류(42)의 유량에 대해서 서술했는데, 이들 하강 유량의 배율 η을, 조합 기수 n을 횡축에 일람도로 나타내면 도 8과 같게 된다. 도면 중, 오른쪽 방향으로 상승하는 직선은 상승류 발생 장치(5)의 조합에 있어서 어떠한 복수 조합 기수 n을 변경하면, 생성되는 하강류(42)의 발생 지점의 수가 몇 개소가 되는가의 개수 η, 바꾸어 말하면, 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면(3)으로 들어올린 상승류(15)의 수류 유량을 1로 한 경우, 어떠한 조합에 의해 발생하는 가속적 집중적인 하강류(42)의 동수 유량은 그 몇배가 되는지를 나타내고 있다.
예를 들면 n=10의 경우, 60°계, 90°계의 조합을 아울러 합계 5기에 의한 상승류(15)의 유량을 전부 하향으로 유동시킨 것과 동등한 하향 흐름을 생성시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, n=9, 10, 11 등에 대하여, 복합 조합의 배열 방식을 변경하면, 하강류(42)의 발생 지점의 수가 변화한다. 어떠한 조합에 대하여 어떻게 변화하는지를 조사해 보면, 개괄적으로 말할 수 있는 것은 복수 기의 배열을 2열을 중심으로 한 층의 얇은 배열로 하면 도면의 직선과 같이 변화하지만, 층을 3층으로 하고, 또한 종횡 쌍방으로 3층 이상으로 하면 η의 값이 증가하고 있다. 즉, 「60°계」로 하든 「90°계」로 하든 이웃하는 상승류 발생 장치(5)와의 조합에 의한 유체역학적 간섭 작용을 종방향으로도 횡방향으로도 이용하는 배열을 노리면 높은 η값이 얻어지는 것을 알 수 있다.
이상, 상승류 발생 장치(5)를 복수 기 조합하는 것에 의한 집중적인 하강류(42)의 생성, 및 이들에 의한 하강류(42)의 발생 배율 η의 추산의 사고방식에 대해서 서술했는데, 이들을 사용하여 어떠한 수역에 있어서의 수체(1)의 상하 순환을 촉진하고 싶은 경우, 이것을 효율적으로 행하는 수법으로서 여기서 서술하는 본 상하 순환 장치의 방식, 수법을 활용할 수 있다.
하강 유동 수류량의 개산법에 대해
상승류 발생 장치(5)를 복수 기 조합하는 경우의 예로서 3기를 정삼각형의 중심축에 관하여 축대칭으로 설치한 경우의 강제 대류를 개념적으로 도 1에 나타냈는데, 이들은 복수개의 상승류 발생 장치(5)가 근접하여 설치된 각 강제 대류가 서로 어떻게 간섭하는지를 나타내고 있다.
이들에 의해, 복합 조합 배치에 대한 하강류(42)의 동수 유량을 개산하는 방법을 「60°계」 및 「90°계」로 나누어 설명한다.
1) 「60°계」 복합 조합 배치에 대한 하향 동수 유량의 개산
각 상승류 발생 장치(5)가 수면으로 들어올리는 상승류(15)의 유량을 1로 했을 때, 이들의 복합 조합 배치에 의해 발생하는 하강류(42)의 유량은 이것에 대하여 어느 정도의 배율 η로 추정되는지에 대해서 조금 상세하게 설명한다.
우선, 「60°계」 복합 조합 배치에 대해서 설명하면, 「60°계」의 복합 조합 배치의 기본은 전항까지 서술한 바와 같이, 수저(2)의 정삼각형의 정점을 통과하는 3개의 연직축에 각각의 중심축을 가지는 상승류 발생 장치(5)×3기의 배치가 된다. 이것을 도 1을 사용하여 설명한다. 중심축 a-a, 동 b-b, 동 c-c를 가지는 3기의 상승류 발생 장치(5)(각각 (A), (B), (C)라고 기술한다.)가 만드는 동심원상의 확산류(6)(각각 (A), (B), (C)라고 기술한다.)가 서로 근접하여, 수면(3) 내의 기호로 말하면, 선분 AB, BC, CA의 각각의 중심에서 접하고 있는 상태가 도 1이다.
어느 단일의 상승류 발생 장치(5)에 의해 발생시킨 상승류(15)는 수면(3)으로 도달하면, 그 수면 도달점으로부터 수면(3) 내를 주위 360° 방향을 향하여 동심원상의 확산류(6)가 되어 확산한다. 도 1의 수면(3) 내의 점 A를 예로 들어 서술하면, 상승류 발생 장치(5(A))의 상향 유량의 전체량 1은 수면 도달 후, 균등하게 360° 방향을 향하여 동심원상으로 확산하려고 한다. 도 1에 있어서의 각 상승류 발생 장치(5)의 기체의 동심원상의 확산류(6)에는 수면(3) 내의 확산 흐름의 방향을 편의상 60°마다 6개의 화살표의 위치에서 구분하여 도시하고 있다. 예를 들면, 점 A로부터 주위를 향하여 수평으로 흐르는 상승류(15)는 360° 방향으로 균등하게 확산하므로, 점 A를 중심으로 하는 수면(3) 내의 6개의 화살표의 위치에서 구분된 부채형 부분(확산류(6(A))의 수면(3)에서 말하면, 확산류(6(A)) 내의 CA를 연결하는 선과 AB를 연결하는 선 사이의 부채형 부분과 동일 형태×6개의 부채형 부분(중심각은 모두 60°))은 형상, 유량 분포 모두 6개가 완전히 합동이며, 유량의 360° 범위 내의 총 합계가 1이다. 동심원상의 확산류(6(A))의 수면(3) 부분을 흐르는 상승류(15)는 이웃하는 동심원상의 확산류(6(B), 6(C))와 확산류(6(A))가 각각 접하는 점(각각 접점 AB, 접점 CA라고 기술한다.)에서 구분된 범위 내의 확산류 (A)의 상측 가장자리(접점 CA~접점 AB의 원호)를 경유하여 하강류(42)로 전환된다.
따라서, 강제 대류의 확산류(6(A))로부터 보아, 수면에 도달한 상승 유량 1 중, 적어도 그 1/6이 하강류(42)로 전환되게 된다. 이것과 완전히 동일한 것이 동심원상의 확산류(6)의 B 및 C에도 발생하기 때문에, 3기의 상승류 발생 장치(5(A, B, C))의 발생하는 상승류(15)의 유량이 하강류(42)로 전환되는 비율은 적어도 다음 정도가 된다.
[1기의 상승류 발생 장치(5)가 발생하는 상승류(15)의 유량(1)×그 중 하강류(42)로 전환되는 비율(1/6)]×기여하는 상승류 발생 장치(5)의 기본 구성 기체수(3)
=[(1)×(1/6)]×(3)
=(1/6)×3
=1/2…(식 1)
여기에 (1/6)은 의미상으로부터 =(60°/360°)라고 바꾸어 써도 된다.
이상으로부터 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면으로 들어올린 수량의 1/6이 기여한다는 것은 이것이 3기 합계가 되면 1×(60°/360°)×3기=3/6=1/2이다. 따라서, 3기의 상승류 발생 장치(5)의 기체에 둘러싸인 대략 정삼각형상의 좁은 간격의 중심부(X)를 흘러내리는 하강류(42)의 유량은 1기의 상승류 유량을 1로 하면 그 1/2이 된다. 예를 들면, 출력 3.7kW(공기량 500L/분)의 에어·컴프레서를 사용하여 3기의 상승류 발생 장치(5)를 구동한 경우의 1기당의 수면 도달의 동수 유량이 하기 72만(톤/일)으로 측정된 기포 구동식의 상승류 발생 장치의 실적이 있다. 이렇다고 하면, 이것을 3기 조합한 복합 조합 배치 1세트에 의해 발휘되는 하향 동수 유량은 72만(톤/일)×(1/2)=36만(톤/일)으로 추산되게 된다. 이와 같이, 「60°계」의 복합 조합 배치에 대해서는, 이 복합 조합의 기본 구성(3개의 정삼각형 배치)을 N세트 조합하여 응용하는 경우, 1기당의 상승 유량을 1로 하면, 생성되는 하향 유량의 합계량은 상기 (식 1)으로 표시되는 배율 0.5를(η60°≡0.5)라고 쓰면,
생성되는 하향 유량의 합계량(1에 대한 배율)
=(η60°)×N…(식 2)
로 써서 표현할 수 있다.
2) 「90°계」 복합 조합 배치에 대한 하향 동수 유량의 개산
다음에 「90°계」 복합 조합 배치에 대해서 설명하면, 「90°계」의 복합 조합 배치의 기본은 전항까지 서술한 바와 같이, 수저(2)의 정사각형의 각 정점을 통과하는 4개의 연직축에 각각의 중심축을 가지는 상승류 발생 장치(5)의 4기의 배치가 된다. 4기의 상승류 발생 장치(5)(각각 (A), (B), (C), (D)라고 기술한다.)가 만드는 동심원상의 확산류(6)(각각 (A), (B), (C), (D)라고 기술한다.)가 서로 근접하고, 중심부(X)(X-X축)에 관하여 축대칭으로 접하고 있는 상태(n=4)이다. 전항의 경우와 마찬가지로 어느 단일의 상승류 발생 장치(5)가 발생시킨 상승류(15)는 수면(3)으로 도달하면 그 수면 도달점으로부터 수면(3) 내를 주위 360° 방향을 향하여 동심원상의 확산류(6)가 되어 주위에 확산한다. 전항과 마찬가지로 예를 들면 장치 A의 상향 유량의 전체량 1은 수면 도달 후 균등하게 360° 방향을 향하여 방사상으로 확산하려고 한다. 도 4a에 있어서, 각 상승류 발생 장치(5)의 기체의 동심원상의 확산류(6)에는 수면(3) 내의 확산 흐름의 방향을 편의상 22.5°마다 흐름의 방향을 나타내는 16개의 화살표로 나누어 도시하고 있다.
예를 들면, 어떠한 기체의 중심축 상의 수면에 상당하는 높이의 점으로부터 주위를 향하여 수평으로 흐르는 상승 유량은 360° 방향으로 균등하게 확산되므로, 중심축을 중심으로 하는 수면(3) 내의 16개의 화살표로 구분된 16개의 부채형 부분(부채형의 중심각=22.5°)은 형상, 유량 분포 모두 16개가 완전히 합동이며, 유량의 360° 범위 내의 총 합계가 1이다. 어떠한 동심원상의 확산류(예를 들면 6(A))의 수면 부분을 흐르는 상승류(15)의 유량은 이웃하는 동심원상의 확산류(예를 들면 6(B), 6(C) 또는 6(D))와 확산류(6(A))가 접하는 2점에서 구분된 범위 내의 확산류(6(A))의 상측 가장자리를 경유하여 하강류(42)로 전환된다.
따라서, 동심원상의 확산류(6(A))로부터 보아, 상승 유량 1 중, 22.5°에서 구분된 부채형 구획 4개분(즉 90°), 즉, 전체량 1의 1/4이 하강류(42)로 전환되게 된다. 이것과 완전히 동일한 것이 동심원상의 확산류(6(B), 6(C) 및 6(D)) 각각에 대해서도 발생하기 때문에, 4기의 상승류 발생 장치(5(A, B, C, D))의 발생하는 상승류(15)의 유량이 하강류(42)로 전환되는 비율은 적어도 다음 정도로 산정된다.
[1기의 상승류 발생 장치(5)가 발생시키는 상승류(15)의 유량(1)×그 중 하강류(42)로 전환되는 비율(1/4)]×기여하는 기본 구성 기체수(4)
=[(1)×(1/4)]×(4)
=(1/4)×4
=1…(식 3)
여기에 (1/4)은 의미상으로부터 =(90°/360°)라고 바꾸어 써도 된다.
이상으로부터 1기의 상승류 발생 장치(5)가 수면으로 들어올린 수량의 1/4이 기여한다는 것은 이것이 4기 합계가 되면 1×(90°/360°)×4기=4/4=1이다. 따라서, 4기의 상승류 발생 장치(5)의 기체에 둘러싸인 대략 정사각형상의 좁은 간격의 중심을 흘러내리는 하강류의 유량은 1기의 상승류 유량을 1로 하면 그 1과 동량이 된다. 이와 같이 「90°계」의 복합 조합 배치에 대해서는 이 복합 조합의 기본 구성(4개의 정사각형 배치 구성)을 N세트 조합하여 응용하는 경우, 1기당의 상승 유량을 1로 하면, 생성되는 하향 유량의 합계량은 상기 (식 2)로 표시되는 배율 1.0을 (η90°≡1.0)이라고 쓰면,
생성되는 하향 유량의 합계량(1에 대한 배율)
=(η90°)×N…(식 4)
으로 써서 표현할 수 있다.
또한, 전항과 마찬가지로, 예를 들면 출력 3.7kW(공기량 500L/분)의 에어·컴프레서를 사용하여, 3기의 상승류 발생 장치(5)를 구동한 경우의 1기당의 수면 도달의 동수 유량이 하기 72만(톤/일)으로 측정된 기포 구동식의 상승류 발생 장치(5)의 실적에 기초하여 이들 상승류 발생 장치(5)를 4기 사용했다고 하여 예측하면, 이 상승류 발생 장치(5)의 기체 요소를 4기 조합한 복합 조합 배치 1세트에 의해 발휘되는 하향 동수 유량은 (식 4)에서 N=1로 한 경우에 상당하고, 72만(톤/일)으로 개산되게 된다.
3) 「60°계」·「 90°계」의 혼합 복합 조합 배치 세트에 있어서의 하향 동수 유량의 개산 이상과 같이, 「60°계」(기본 단위 구성(3기))에 대해서는 앞서 나온 (식 1), (식 2), 「90°계」(기본 단위 구성(4기))에 대해서는 (식 3), (식 4)의 사고방식에 의해 하향 동수 유량의 개산이 가능하다. 따라서, 「60°계」와 「90°계」가 혼재한 형태로 복합적으로 조합된 배치에 있어서 생성되는 하향 동수 유량의 총계는 (식 2), (식 4)로부터 이하와 같이 추산된다.
생성되는 하향 동수 유량의 총 합계량(1에 대한 배율) λ
=[(η60°)×N3+[(η90°)×N4]…(식 5)
단 여기에,
(η60°)≡0.5…((식 1) 참조)
(η90°)≡1.0…((식 3) 참조)
N3=「60°계」로 구성되는 기본 단위의 세트 수
N4=「90°계」로 구성되는 기본 단위의 세트 수
4) 「60°계」·「 90°계」의 혼성 복합 조합 배치에 있어서의 중첩 효과
전항 3)에 기재한 기호의 의미를 설명하면 다음과 같게 된다.
N3=4;N4=0 따라서 (식 5)로부터 λ=[0.5×4]+[1.0×0]=2
N3=4;N4=0 따라서 (식 5)로부터 λ=[0.5×4]+[1.0×0]=2
N3=2;N4=1 따라서 (식 5)로부터 λ=[0.5×2]+[1.0×1]=2
마찬가지로,
N3=6;N4=2 따라서 (식 5)로부터 λ=[0.5×6]+[1.0×2]=5
N3=0;N4=4 따라서 (식 5)로부터 λ=[0.5×0]+[1.0×4]=4
라고 산정된다.
또한, 『60°계」《기본 단위 구성(3기)》+「90°계」《기본 단위 구성(4기)》의 <N3=6;N4=2>는 《기본 단위 구성(3기)》×6세트+《기본 단위 구성(4기)》×2세트에 의해 집중적으로 발생하는 하강류(42)의 생성점의 개수의 의미이지만, 이것을 생성시키는 것에 필요한 상승류 발생 장치(5)의 기체 기수가 <《3기》×6세트+《4기》×2세트=18기+8기=26기 필요!>를 반드시 의미하는 것이 아닌 것에 주의할 필요가 있다. 실제로 여기에 얻어진 λ=[0.5×6]+[1.0×2]=5라는 배율은 상승류 발생 장치(5)의 기체 기수는 합계 불과 10기로 달성되고 있다. 하향의 흐름을 형성하는 소위 유체 컨베이어 현상은 근접 배치에 의한 조건이 성립하는 지점에서 발생하고, 평면적 배치에 있어서의 조건이 성립하면 발생하게 되기 때문이다. 보다 간단한 예로 설명하면, 도 2a와 도 4a를 대비 설명하면, 도 2a에서는 「60°계」 기본 단위 구성(상승류 발생 장치×3기)으로 1개의 하강류(42)의 생성점(중심부(X))을 발생시키고 있지만, 도 4a에서는 기본 구성에 상승류 발생 장치(5)를 1기 추가하여 합계 4기의 상승류 발생 장치(5)를 근접 배치함으로써, 하강류(42)의 생성점(중심부(X))을 2개 발생시키고 있다. 바꾸어 말하면, 상승류 발생 장치×3기로 1세트의 하강류(42)의 생성점(중심부(X))이 성립하는 「60°계」의 근접 배치에 대하여, 별개로 1기를 근접시키면, 흐름의 상호 간섭에 의해 도 2a의 유량 조건과 동일한 「60°계」의 하강류(42)의 생성점(중심부(X))이 또 1개 성립한다. 따라서, 합계 2개의 하강류(42)의 생성점(중심부(X))을 생성시키는 것에 필요한 상승류 발생 장치(5)의 기수는 <3기+3기=6기>가 아니라 <3기+1기=4기>로 달성되는 것을 알 수 있다. 이 상승류 발생 기수 절감 효과는 효과로서는 상승류 발생 장치(5)의 배열의 중첩 효과, 현상으로서는 상승류 발생 장치(5)에 의한 유동의 상호 간섭 효과에 의해 발생하고 있다. 이와 같이 복수 배치를 적절하게 이용함으로써, 사용하는 상승류 발생 장치(5)의 기수에 대비하여, 생성된 하강류(42)의 동수 유량을 효과적으로 증가시키는 것이 가능하게 된다.
복수 기를 조합하여 하강류 발생 장치로 하는 방법에 대해
이상, 본 상하 순환 장치의 요소인 상승류 발생 장치(5)를 「60°계」 배치의 기본으로서는 3기, 「90°계」배치의 기본으로서는 4기를 복합적으로 조합하여, 수역의 상하 순환을 행하게 하는 하강류(42)의 발생 장치로서 사용할 수 있는 것에 대해서 서술했는데, 이것을 실행하는 방법에 대해 2, 3의 실시예를 서술한다.
「60°계」로서는 상승류 발생 장치(5)를 3기, 「90°계」로서는 4기를 소정의 거리를 두고 수역에 직접 각각에 설치하여, 복합 조합 배치의 효과를 높이는 것도 물론 가능하다. 「60°계」에서는 3기를 정삼각형의 각 정점 또는 그것에 가깝게 배치한 연직축 위치에, 「90°계」에서는 4기를 정사각형의 각 정점 또는 그것에 가깝게 배치한 연직축 위치에 집중적 또한 가속적인 하강류를 효과적으로 생성시킬 수 있다.
도 9는 구성 기체 3기를 부재에 의해 일체형으로 구성하여, 수역에 대한 설치를 행하는 안을 실시예로서 나타낸 것이다. 도면 중, 2는 수저, 5는 산기식 원통형의 상승류 발생 장치, 44는 상승류 발생 장치(5)에 공기를 불어넣는 공기 취입 장치, 45는 상승류 발생 장치(5)의 공기 취입 장치(44)에 공기를 보내기 위한 공기 분기관, 46은 상승류 발생 장치(5)의 통체를 연결하는 연결재, 47은 연결재(46)를 상승류 발생 장치(5)의 통체에 고정하는 고박(固縛) 장치, 48은 상승류 발생 장치(5) 및 부속 부재의 수중 중량을 지지하여 수중에 부양시키기 위해서 사용하는 부력재, 8은 압축 공기 송기 호스, 8a는 공기 분기관(45)으로부터 공기 취입 장치(44)에 압축 공기를 보내는 압축 공기 분배 호스, 9는 싱커, 10은 계류삭이다. 도 9는 상승류 발생 장치(5)를 각각에 소정의 위치에 설치하는 대신에 소정의 위치에 배치·설치하는 작업을 한꺼번에 행하는 것을 편리하게 할 목적에서, 기본 배치(예를 들면) 「60°계」 《기본 단위 구성(3기)》을 일체형으로 하여 수역 내에 대한 설치 작업을 합리화하는 의미로부터 행하는 구체적 실시예이다.
또한 도 10은 앞선 도면과 목적은 마찬가지이며, 구성 기체 3기를 부재에 의해 일체형으로 구성하여, 수역에 대한 설치를 간략화하는 안의 또 하나의 실시예이다. 도면 중, 2는 수저, 5는 산기식 원통형의 상승류 발생 장치, 52는 상승류 발생 장치(5)에 공기를 불어넣는 공기 취입 장치, 53은 상승류 발생 장치(5)의 공기 취입 장치(52)에 공기를 보내기 위한 공기 분기관, 54는 상승류 발생 장치(5)의 통체를 연결하는 연결재, 55는 연결재(54)를 상승류 발생 장치(5)의 통체에 고정하는 고박 장치, 56은 상승류 발생 장치(5) 및 부속 부재의 수중 중량을 지지하여 수중에 부양시키기 위해서 사용하는 부력재, 8은 압축 공기 송기 호스, 8a는 공기 분기관(53)으로부터 공기 취입 장치(52)에 압축 공기를 보내는 압축 공기 분배 호스, 9는 싱커, 10은 계류삭이다. 도 10은 도 9와 마찬가지로 상승류 발생 장치(5)를 일체형으로 하여 수역 내에 대한 설치 작업을 간이화하기 위한 구체적 실시예이다. 도 9와의 상이점은 동 도면에 있어서의 부력재(48)가 각 상승류 발생 장치(5)의 통체 자체에 고정되어 있는 것에 대해, 본 도 10에서는 부력재(56)가 3기의 상승류 발생 장치(5)를 정삼각형상으로 연결하는 연결재(54)에 부착되어 있고, 부력재(56)가 복수 기를 조합한 일체형 장치로서 구성된 구조체에 널리 분산 배치, 고정되어 있는 점이다. 이들은 모두 「60°계」·3기의 기체를 일체형으로 하는 실시예이지만, 이들 이외에도 「90°계」·4기를 일체형으로서 합친 구조체로 하는 안, 중첩 효과에 의해 하향의 동수 유량을 효과적으로 증폭시키는 것에 사용하는 다수 기 복합형의 요소 기기를 동형의 부분 복합형 장치로서 합쳐 설치하는 안 등이 있다.
복수 기의 조합 배치와 하강류 발생 기능에 대해(표 1(도 6, 도 7))
본 상하 순환 장치의 요소인 상승류 발생 장치(5)를 「60°계」 배치의 기본으로서는 3기, 「90°계」 배치의 기본으로서는 4기를 복합적으로 조합하여, 수역의 상하 순환에 적용하는 하강류(42)의 발생 장치로서 사용할 수 있는 것에 대해서, 전항에는 기본 배치를 일체형으로서 설치하는 실시예에 대해서 서술했다. 본 항에서는 이와 같은 일체형 장치를 사용하여 하강류(42)를 발생시키는 방법에 대한 유의 사항을 서술한다.
도 6에 나타내는 표 1(그 1) 및 도 7에 나타내는 표 2(그 2)는 본 상하 순환 장치의 배치와 하강 유량의 증폭 작용에 대해서 설명한 것이다. 표 1(그 1))은 「60°계」 배치에 관한 것, 표 2(그 2)는 「90°계」 배치에 관한 것이다. 표 1(그 1) 중, 예를 들면 3기를 일체형으로서 구성한 기체(도 9 및 도 10에 예시되어 있다.)를 실제로 설치하는 기본 배치의 세트라는 의미로 「실 세트」라고 기재하고 있다. "실 2세트", "실 3세트"는 실제로 설치하는 기본 배치의 세트(도 9, 도 10과 같은)를 "2세트" 또는 "3세트"라는 의미이다.
표 1(그 1)의 삽입 도면 중 좌단은 실 2세트의 배치예이며, 정삼각형이 상승류 발생 장치(5)의 요소 기체 3기로 구성되는 실 세트이다. 이 도면은 이 실 세트를 2세트 기본 배치의 1스팬만큼 평행 이동적으로 어긋나게 하여 배치하는 것을 나타내고 있다(기체의 상승류 발생 장치(5)는 60° 회전시키고 있다.). 여기서 실 세트의 중심점에는 실 세트에 의해 발생하는 하강류(42)의 발생 중심의 중심부(X)가 +표시로 표시되어 있다. 그러나, 실 세트를 구성하는 각 3기의 상승류 발생 장치(5)의 기체의 배열 방법 및 간격(스팬)으로부터 보아, 실 세트 2개의 중간에 위치하고 있는 착색되어 있지 않은 2개의 정삼각형 영역은 사실은 실 스팬의 조건과 완전히 동일한 유체공학적 조건하에 있다. 따라서, 이들 2개의 정삼각형의 중심에도 실 세트와 완전히 동일한 조건에 의한 하강류(42)가 유기되게 된다. 바꾸어 말하면, 여기서는 실 세트×2세트를 작동시킴으로써 완전히 동일한 유량 조건에 의한 하강류(42)가 4개소에 유기된다. 이 현상은 인접 경계면에 거울을 세웠을 때의 거울상의 위치에 발생하기 때문에, 여기서는 거울상 효과에 의한 하강류(42)라고 부르는 것으로 한다. 이 경우의 거울상 효과에 의한 하강류(42)까지 포함한 하강 유량의 증폭률은 [하강류(42)가 4개소에 유기된다/실 2세트=증폭률 2.0]이 된다. 마찬가지의 논의를 진행해가면, 표 1(그 1) 중 중앙의 삽입 도면은 실 3세트의 배치예이지만, 이와 같은 배치의 경우에는 거울상 효과에 의한 하강류 생성의 효과는 정삼각형×5개에 이르게 되고, 증폭률은 [하강류(42)가 8개소에 유기된다/실 3세트=증폭률 2.67]이 된다. 또한, 표 1(그 1) 중, 우측단의 삽입 도면은 실 4세트의 배치예이지만, 이와 같이 배치하면, 실 4세트의 작동에 의해 거울상 효과에 의한 하강류(42)의 생성의 효과는 정삼각형×8개에 이르게 되고, 증폭률은 [하강류(42)가 (4+8=) 12개소에 유기된다/실 4세트=증폭률 3.0]이 된다. 이와 같이, 실 세트를 적절하게 배치함으로써 거울상 효과에 의한 하강류(42)의 유기에 의해, 상하 순환에 유효한 하강류(42)를 효과적으로 생성시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 표 2(그 2)도 표 1(그 1)과 마찬가지의 거울상 효과에 의한 하강류 유기의 효과를 「90°계」에 대하여 설명한 것이다. 삽입 도면의 착색 부분은 실 세트, 비착색의 정사각형 부분은 상기 서술과 동일한 이유에 의해 거울상 효과에 의해 증가한 하강류 생성점을 나타내고 있다. 표 1 및 표 2에 예시한 배치 이외에도 거의 무수하게 많은 배치가 생각되며, 거울상 효과에 의해 발생하는 하강류(42)의 증폭이 가능한 것은 말할 필요도 없는 것이다. 또한, 표 1 및 표 2의 하단에는 하향 동수 유량 시산예를 나타냈다. 이것은 예를 들면 3.7kW(공기량 500NL/min)의 에어·컴프레서를 사용하여 3기의 기포 구동식의 상승류 발생 장치(5)를 작동시킨 경우의 수면(3)(해면) 도달의 동수 유량이 하기 장치 1기당 72만(톤/일)이었다는 실적)에 기초하여 시산한 각 실 세트 배치예에 대한 하향 동수 유량이다. 「60°계」 「90°계」 어느 것에 대해서도 1일당 100~수백만톤의 하향 동수 효과는 충분한 의미로 이와 같은 장치의 사정 내에 있는 것을 알 수 있다.
종래기술의 난점의 배제
(1) 상승류 발생 장치(5)의 복수 기, 적어도 3기 이상을 조합, 이들 복수 기의 근접 배치에 의해 발생하는 유체공학적 상호 간섭을 이용하여, 이들 복합 조합 배치의 중심에 가속적 또한 집중적으로 강제적으로 하강류(42)를 생성시킨다. 이것을 표층 수괴를 효과적으로 저층으로 유도하는 방법으로서 이용하여, 효과적으로 상하 순환을 촉진한다.
(2) 복수 기의 상승류 발생 장치(5)의 상호간에 발생하는 유체공학적인 흐름의 상호 간섭에 의해, 가속적 또한 집중적인 하강류(42)가 자연히 형성되는 것을 이용하기 때문에, 인위적인 하강류 전용의 관로나 덕트류를 특별히 설치하지 않고 표층 수괴를 저층으로 보낼 수 있다.
(3) 복수 기의 상승류 발생 장치(5)의 근접 배치의 기본형은 연직 중심축이 1) 3기에 의한 정삼각형의 각 정점 위치(이 배치를 「60°계 접촉」이라고 부른다.), 2) 4기에 의한 정사각형의 각 정점 위치(이 배치를 「90°계 접촉」이라고 부른다.), 및 3) 정n각형의 각 정점 위치(이 배치를 「꽃잎 환상 접촉」이라고 부른다.)의 3종으로 한다.
(4) 복수 n기의 근접 배치법에는 각종 배열법도 생각되는데, 기본적으로 근접 접촉 배치이며, 그 구성은 이들 요소 1) 2) 3)으로 분해하여 생각할 수 있다. 1) 2)의 요소는 조합하여 병용할 수 있는 것은 도면이나 표에 표시되는 바와 같다.
(5) 상승류 발생 장치(5)에는 원형 단면 통체(직경(D)×높이(h))를 사용하는데, 높이(h)/직경(D)의 비는 실용기로서는 약 2~25정도의 범위 내에 있는 것으로 한다. 또 예를 들면 에어 노즐로서 복합 벤투리형 가속 노즐을 사용한다.
(6) 상기 1)의 정삼각형의 한 변의 길이, 2)의 정사각형의 한 변의 길이, 즉 통체 간격(스팬)을 Lx라고 기재하면, 양호한 하강류 생성 성능을 발휘하기 위해서, 상승류 발생 장치(5)의 통체 직경(D)에 대하여 Lx/D비는 고작 25 이하 정도로 한다.
(7) 이들 수치 한정에 따라 기본형에 있어서 생성되는 강제 하강류(하향 동수 유량)의 유량 추산은 요소 1) 2) 3)에 기초하여 별도 항에 나타내는 추산식에 의해 매우 간략하게 행할 수 있다.
(8) 복수 기의 상승류 발생 장치의 배열에 있어서, 3기 기본 배치(「60°계」), 4기 기본 배치(「90°계」) 상호간의 배열의 방법에 의해, 3기 기본 배치 또는 4기 기본 배치의 외측에 기본 배치와 유체역학적으로 동등한 외관상의 3기 배치 또는 외관상의 4기 배치가 부가적으로 구성되는 경우가 있다. 이것은 원리적으로도 각 기본 배치와 완전히 동등한 유체공학적 이유에 의해 각각이 외관상의 하강류 생성 효과를 발휘한다. 이것에 의해, 배열된 복수 기의 상승류 발생 장치군은 실제로 설치된 장치의 세트수보다 하강류(42)의 유량이 증폭된 합계 유량이 된다.(이 원인이 되는 외부의 외관상의 기본 배치 효과에 의한 하강 유량의 증폭 효과를 여기서는 편의상 거울상 효과에 의한 하강 유량의 증폭이라고 부르고 있다.)
통체간 스팬 선정에 대해
이상, 전항에 서술한 상승류 발생 장치(5)를 3기 또는 동 4기를 복합적으로 조합하여, 본 상하 순환 장치의 기본형이 되는 「60°계」(정삼각형·3점 배치) 또는 「90°계」(정사각형·4점 배치)가 구성된다. 이 때, 이들 복수 기 상호간의 통체 간격(스팬)(L)은 도 11에 나타내는 바와 같이 L3(「60°계」) 또는 L4(「90°계」)로 나타내고 있지만, 이들은 어떻게 결정되는 것일까? 앞서 나타낸 「60°계」(정삼각형·3점 배치)나 「90°계」(정사각형·4점 배치)의 상승류(15)에 의해 발생하는 표면(3)의 동심원상의 확산류(6)의 상호 간섭과 이것에 의한 하강류(42)의 발생은 통체 간격(스팬)(L)의 상당히 넓은 범위에 걸쳐 발생하는 것인데, 동심원상의 확산류(6)의 반경이 커짐에 따라, 간섭에 의해 발생하는 하강류(42)의 유로 단면적도 커져, 하강류(42)의 유속도 저하된다. 지금, 통체 간격(스팬)(Lx)과 통체 직경(D)의 비=Lx/D를 채용하여 이것을 횡축에 취하고, 하강류의 발생 상황과의 관계를 조사한 결과의 일례를 나타내면 도 11과 같다. 여기에 동일 도면 중,
영역(H)은 하강류 발생 개소의 유로 단면적이 지나치게 좁아져 하강류(42)의 넘쳐흐름·손실 경향이 보여지는 영역,
영역(J)은 하강 유로 단면적이 증대하여 하강류(42)의 유속이 저하되고, 하강류 발생 장치로서의 기능이 저하 경향에 있다고 보여지는 영역,
K는 발명자들이 행한 소형 모형 실험에 있어서의 실험점의 Lx/D 위치인 것을 나타낸다. 이상으로부터 실용상 생각되는 [통체 간격(스팬)(L)/통체 직경(D)]의 선정 영역은 대략 4~25 정도 이하라고 생각하면 될 것이다.
(산업상 이용가능성)
본 발명의 폐쇄 수역의 상하 순환 방법 및 상하 순환 장치는 예를 들면 댐, 호수와 늪, 수원지, 상하수도시설, 운하, 내만, 항만, 수산양식장이나 용수지 등의 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모하기 위한 방법 및 장치로서 유용하다.
1…수역의 수체
2…수저
3…수면
4…육안
5…상승류 발생 장치
5a…산기식 원통형 상승류 발생 장치 모형
6…동심원상의 확산류
7…공기 압축기
8…압축 공기 송기 호스
8a…압축 공기 분배 호스
9…싱커
10…계류삭
14…수류
15…상승류
16…혼기 수괴
42…하강류
44, 52…공기 흡입 장치
45, 53…공기 분기관
46, 54…연결재
47, 55…고박 장치
48, 56…부력재
49…수류 방향 센서·트레이서

Claims (6)

  1. 수중에 정다각형상으로 상향으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치로 상승류를 발생시켜, 각 상승류 발생 장치의 상방 수면에 상승류에서 생기되는 동심원상으로 확산하는 확산류를 각각 발생시키고, 이웃하는 각 확산류끼리의 상호 간섭을 이용하여, 각 상승류 발생 장치가 배치된 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 연속적, 가속적 또한 집중적인 하강류를 유기시켜, 상승류와 하강류에 의한 상하 순환류에 의해 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모하도록 한 것을 특징으로 하는 폐쇄 수역의 상하 순환 방법.
  2. 수중에 정다각형상으로 상향으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치의 이웃하는 배치 간격(L)과, 각 상승류 발생 장치의 상승류를 발생하는 통체의 직경(D)은 L/D=4~25의 범위 내에 있고, 수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 각 상승류 발생 장치로 상승류를 발생시켜, 각 상승류 발생 장치의 상방 수면에 상승류에서 생기되는 동심원상으로 확산하는 확산류를 각각 발생시키고, 이웃하는 각 확산류끼리의 상호 간섭을 이용하여, 각 상승류 발생 장치가 배치된 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 연속적, 가속적 또한 집중적인 하강류를 유기시켜, 상승류와 하강류에 의한 상하 순환류에 의해 폐쇄 수역의 수질 개선을 도모하도록 한 것을 특징으로 하는 폐쇄 수역의 상하 순환 방법.
  3. 수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 상승류 발생 장치에 의해 각각 상승류를 발생시켜, 상기 복수의 상승류 발생 장치의 각각의 상방 수면에 상기 상승류에 의해 생기되는 동심원상으로 확산하는 확산류를 발생시키고, 이웃하는 확산류끼리의 상호 간섭에 의해 상기 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 하강류를 유기시켜, 상기 상승류와 상기 하강류에 의한 상하 순환류를 형성하는 폐쇄 수역의 상하 순환 방법.
  4. 수중에 정다각형상으로 배치된 복수의 상승류 발생 장치이며, 각각 상승류를 발생시켜, 각각의 상방 수면에 상기 상승류에서 생기되는 동심원상으로 확산하는 확산류를 발생시키고, 이웃하는 확산류끼리의 상호 간섭에 의해 상기 정다각형상의 중심부에 수면으로부터 수저를 향하는 하강류를 유기시켜, 상기 상승류와 상기 하강류에 의한 상하 순환류를 형성하는 복수의 상승류 발생 장치를 구비한 폐쇄 수역의 상하 순환 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 복수의 상승류 발생 장치는 개구부가 상향으로 배치된 통체인 것을 특징으로 하는 폐쇄 수역의 상하 순환 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 상승류 발생 장치의 이웃하는 배치 간격(L)과, 상기 통체의 직경(D)은 L/D=4~25의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 폐쇄 수역의 상하 순환 장치.
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