KR20220104476A

KR20220104476A - 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치

Info

Publication number: KR20220104476A
Application number: KR1020210006817A
Authority: KR
Inventors: 김광추
Original assignee: 한국전력기술 주식회사
Priority date: 2021-01-18
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2022-07-26
Also published as: KR102485434B1; US11719266B2; US20220228610A1

Abstract

본 발명은 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치에 관한 것이다. 이러한 열성층 제거장치는, 고온의 유체가 흐르는 주배관으로부터 분기하는 분기배관에 형성되는 열성층을 제거하기 위한 장치에 있어서, 분기배관에 결합되는 중공형의 몸체부; 상기 몸체부의 둘레 방향으로 이격되어 마련되는 복수의 제1 전자석; 상기 제1 전자석의 극성을 순차적으로 변경하는 제어부; 및 N극 또는 S극 중 어느 하나의 극성을 갖는 복수의 제2 전자석이 마련되어, 상기 몸체부에 회전 가능하게 결합되는 회전링;을 포함하여서, 상기 제1 전자석의 극성이 순차적으로 바뀔 때, 상기 제1 전자서과 제2 전자석의 자기력을 이용하여 상기 회전링이 회전되는 것을 특징으로 한다.

Description

회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치{Thermal stratification removal device caused by turbulent penetration using rotation ring}

본 발명은 회전링의 회전을 통한 난류침투 열성층 제거장치에 관한 것으로, 특히 분기배관으로 침투된 난류에 의해 발생하는 열성층을 회전링의 회전을 통해 제거한다. 본 발명은 몸체부에 마련된 전자석의 극성을 순차적으로 바뀌도록 제어하고, 상기 몸체부의 내측에 마련된 회전링이 상기 전자석의 극성 변화에 따라 회전하도록 하여 분기배관 내부의 유체가 회전되어 열성층을 제거하도록 한 장치에 관한 것이다.

본 발명은 다양한 산업플랜트에서 고온 및 고유량의 유체가 흐르는 주배관에서 막다른(dead-end) 분기배관으로 난류 에디(eddy)들이 침투하여 발생하는 열성층 제거장치에 관한 것이다.

구체적으로, 도1과 같이 유체가 흐르는 주배관에 분기배관이 결합되고, 상기 분기배관이 밸브에 의해 격리되어 있는 경우 플랜트 운전 초기에 난류 에디들이 분기배관으로 침투하게 된다. 이러한 난류침투(turbulent penetration)는, 도2에 도시된 바와 같이 엘보우관을 지나서 수평배관부에 열성층을 발생시킨다.

이와 같은 열성층 현상은 배관 상하단 간의 열팽창률의 차이로 인해 굽힘응력(bending stress)을 발생시켜서 배관 및 지지대에 심각한 변형을 일으킬 수 있다. 특히 열성층 현상이 주기적으로 반복되면 열피로로 인한 균열이 야기될 수 있다. 원자력발전소와 같이 안전이 중요시 되는 플랜트의 경우에는 열성층에 의한 심각한 손상을 예방하는 것이 더욱 중요하다.

본 발명은 상술한 바와 같은 요구를 해결하기 위해 안출된 것으로, 분기배관으로 침투된 난류에 의해 발생하는 열성층을 회전링을 회전시켜서 제거하는 열성층 제거장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치는, 고온의 유체가 흐르는 주배관으로부터 분기하는 분기배관에 형성되는 열성층을 제거하기 위한 장치에 있어서, 분기배관에 결합되는 중공형의 몸체부; 상기 몸체부의 둘레 방향으로 이격되어 마련되는 복수의 제1 전자석; 상기 제1 전자석의 극성을 순차적으로 변경하는 제어부; 및 N극 또는 S극 중 어느 하나의 극성을 갖는 복수의 제2 전자석이 마련되어, 상기 몸체부에 회전 가능하게 결합되는 회전링;을 포함하여서, 상기 제1 전자석의 극성이 순차적으로 바뀔 때, 상기 제1 전자석과 제2 전자석의 자기력을 이용하여 상기 회전링이 회전되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분기배관은 상기 주배관으로부터 분기하는 제1 분기관, 상기 제1 분기관에 연결되어 유체의 흐름 방향을 변경하는 엘보우관, 및 상기 엘보우관에 연결되는 제2 분기관을 포함할 때, 상기 몸체부는 상기 엘보우관과 상기 제2 분기관의 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1 전자석은 상기 몸체부의 둘레 방향을 따라서 45°간격으로 마련되고, 상기 제2 전자석은 서로 마주하여 한 쌍이 마련된 것이 바람직하다.

또한, 상기 몸체부 및 상기 회전링의 내경은 상기 분기배관의 내경과 동일한 것이 바람직하다.

또한, 상기 몸체부의 내측에는 상기 회전링이 삽입되는 삽입홈이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 회전링의 측면과 마주하는 상기 삽입홈의 양측면에는 상기 회전링에 마련된 제2 전자석의 극성과 같은 극성을 갖는 자성체가 마련된 것이 바람직하다.

또한, 상기 회전링의 내주면에는 일정 간격으로 이격되어 돌출되는 돌기가 마련된 것이 바람직하다.

또한, 상기 돌기는 상기 회전링의 내주면에 90° 간격으로 배치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 몸체부의 내측에는 상기 회전링이 삽입되는 삽입홈이 형성되고, 상기 삽입홈의 폭은 상기 회전링의 폭보다 크며, 상기 삽입홈의 바닥면을 연결할 때 형성되는 외경은 상기 회전링의 외경보다 큰 것이 바람직하다.

또한, 상기 몸체부는, 상기 분기배관의 일측에 결합되며, 둘레 방향을 따라 제1 결합공이 이격 형성되는 제1 몸체와, 상기 분기배관의 타측에 결합되며, 상기 제1 결합공에 대향하여 둘레 방향으로 제2 결합공이 이격 형성되는 제2 몸체를 포함하며, 상기 제1 결합공과 상기 제2 결합공에 삽입되어 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체를 체결하는 체결부재를 포함하고, 상기 제1 몸체에는 상기 회전링이 삽입되도록 일측이 개방된 형태의 홈부가 형성되고, 상기 제2 몸체가 상기 제1 몸체와 체결되면 상기 개방된 홈부의 일측을 막아서 상기 회전링이 삽입되는 삽입홈을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치는, 분기배관으로 침투된 난류에 의해 발생하는 열성층을 회전링의 회전을 통해 제거하는 효과를 제공한다.

또한, 회전링은 몸체부에 마련된 전자석의 극성이 순차적으로 바뀌도록 제어하고, 상기 전자석의 극성 변화에 따라 회전하도록 하여 비교적 작은 회전력으로 열성층 제거 효과를 달성할 수 있고, 배관 진동 등에 영향을 주지 않는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 열성층 제거장치는 모듈화하여 설치할 수 있으므로, 기존 배관망의 배치(layout)를 변경하지 않고도 설치가 가능한 효과를 제공한다.

또한, 분기배관이 제1 분기관, 엘보우관, 및 제2 분기관을 포함하는 경우, 운전 중 열성층은 상기 엘보우관과 제2 분기관이 연결되는 지점 부위에서 시작되므로, 본 발명에 따른 열성층 제거장치는 상기 엘보우관과 제2 분기관이 연결되는 지점에 설치하여 초기에 작은 회전력으로 열성층을 효과적으로 제거한다.

또한, 본 발명은 열성층을 제거하기 위해서 배관 내에서 유체와 충돌하는 별도의 구조물을 설치하지 않으므로 유체가 원활하게 흐를 수 있도록 하여 상기 별도 구조물에 의한 압력 강하 손실을 미연에 방지한다. 그리고, 이러한 별도의 구조물을 설치하지 않으므로 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 상기 별도의 구조물이 유체의 흐름으로 파손되어 발생하는 기기 손상을 방지할 수 있다. 즉, 유체의 흐름으로 인하여 상기 구조물이 파손되면 파편이 발생할 수 있으며 상기 파편에 의해 배관계 뿐만 아니라 상기 유체가 유입되는 다른 기기에 심각한 손상을 야기하는데, 본 발명은 이러한 손상을 예방할 수 있다. 본 발명이 원자력발전소에 적용되는 경우, 상기 파편에 의해 발생하는 사고를 방지함으로써 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 분기배관에 발생하는 열성층을 미연에 제거하므로, 배관 건전성 평가를 위한 초음파 감시 장비 등의 설치를 생략할 수 있으므로, 이러한 장비에 소요되는 막대한 비용을 절감하는 효과를 제공한다.

도1은 분기배관에 난류가 침투하는 모습을 도시한 도면,
도2는 분기배관에 열성층이 형성되는 모습을 도시한 도면,
도3은 본 발명에 따른 열성층 제거장치가 분기배관에 결합된 상태의 단면도,
도4는 본 발명에 따른 열성층 제거장치를 확대한 단면도,
도5는 회전링이 회전하기 전 상태의 전자석의 극성을 보여주는 도면,
도6은 회전링이 회전하기 시작할 때의 전자석의 극성을 부여주는 도면이다.

이하, 본 발명의 다양한 실시 예가 첨부된 도면과 연관되어 기재된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있다. 그러나 이는 본 발명의 다양한 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 다양한 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경 및/또는 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용되었다.

본 발명의 다양한 실시 예에서 사용될 수 있는 "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 발명(disclosure)된 해당 기능, 동작 또는 구성요소 등의 존재를 가리키며, 추가적인 하나 이상의 기능, 동작 또는 구성요소 등을 제한하지 않는다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성요소와 상기 다른 구성요소 사이에 새로운 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

본 발명의 다양한 실시 예에서 사용한 용어는 단지 특정일 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명의 다양한 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명의 다양한 실시 예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 다양한 실시 예에서 명백하게 정의되지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도1은 분기배관에 난류가 침투하는 모습을 도시한 도면이고, 도2는 분기배관에 열성층이 형성되는 모습을 도시한 도면이다. 도3은 본 발명에 따른 열성층 제거장치가 분기배관에 결합된 상태의 단면도이고, 도4는 본 발명에 따른 열성층 제거장치를 확대한 단면도이다. 도5는 회전링이 회전하기 전 상태의 전자석의 극성을 보여주는 도면이고, 도6은 회전링이 회전하기 시작할 때의 전자석의 극성을 부여주는 도면이다.

먼저, 본 발명에 따른 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치(100)는, 다양한 산업플랜트에서 고온 및 고유량의 유체가 흐르는 주배관(1)과 상기 주배관(1)으로부터 유체의 흐름을 분기시키는 분기배관(2)이 결합될 때, 상기 분기배관(2)에 발생하는 열성층을 제거하는 장치에 관한 것이다. 상기 플랜트 운전 초기에 상기 분기배관(2)이 밸브(6)에 의해 폐쇄되어 있으면, 난류 에디들이 막다른(dead-end) 분기배관(2)으로 침투하게 된다. 본 발명은 정체된 분기배관(2)에 난류가 침투하여 발생하는 열성층을 제거하는 장치를 제안한다.

도3을 참조하면, 본 발명 일 실시예에 따른 회전링을 통한 난류침투 열성층 제거장치(100)는, 고온의 유체가 흐르는 주배관(1)으로부터 분기하여 상기 주배관(1)보다 적은 유량의 유체가 흐르는 분기배관(2)에 형성되는 열성층을 제거하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 실시예에 따르면 상기 열성층 제거장치(100)는, 몸체부(10), 제1 전자석(20), 제어부(30), 제2 전자석(40), 및 회전링(50)를 포함한다.

도3 및 도4를 참조하면, 상기 몸체부(10)는 상기 분기배관(2)에 결합되는 중공형의 부재이다. 상기 몸체부(10)는, 상기 분기배관(2)의 일측에 결합되며 둘레방향으로 제1 결합공(111)이 이격 형성되는 제1 몸체(11)와, 상기 분기배관(2)의 타측에 결합되며 상기 제1 결합공(111)에 대향하여 둘레 방향으로 제2 결합공(121)이 이격 형성되는 제2 몸체(12)를 포함한다. 상기 제1 몸체(11)와 상기 제2 몸체(12)는 서로 결합되어 하나의 몸체부(10)를 형성하고, 내측으로 유체가 흐를 수 있도록 중공형으로 이루어진다.

상기 제1 전자석(20)은, 상기 몸체부(10)의 둘레 방향을 따라 이격되어 복수개 마련된다. 본 실시예에 따르면 상기 몸체부(10)의 내주면을 따라서 서로 일정 간격으로 이격되어 배치된다. 상기 제1 전자석(20)은 45°간격으로 이격되어 있으며, 상기 제1 전자석(20)의 극성은 본 발명에 따른 열성층 제거장치(100)가 동작할 때 순차적으로 극성이 바뀐다.

구체적으로, 도5와 같이 회전링(50)이 회전되기 전, 0°와 180°에 배치되는 제1 전자석(20)은 N극을 가지고, 45°, 90°, 135°, 225°, 270°, 및 315°에 배치된 제1 전자석(20)은 S극을 갖는다(이하, 도5 및 도6에서 각도의 표시는 반시계 방향을 기준으로 표기함). 서로 마주하는 제1 전자석(20)(180°간격으로 배치되는 두 개의 제1 전자석)은 동일한 극성을 갖도록 배치된다.

상기 제어부(30)는 상기 제1 전자석(20)의 극성을 순차적으로 변경하기 위해서 마련된다. 도5 및 도6을 참조하면, 회전링(50)이 반시계 방향으로 회전하는 것을 기준으로 설명할 때, 상기 제어부(30)는 상기 제1 전자석(20)의 극성을 다음과 같이 순차적으로 변경한다. 상기 제어부(30)는 상기 0°와 180°에 배치되는 제1 전자석(20)의 극성을 N극에서 S극으로 변경하고, 이어서 45°와 225°에 배치된 제1 전자석(20)은 S극에서 N극으로 변경한다(회전링(50)의 회전 후 다시 S극으로 환원). 이어서 90°와 270°에 배치된 제1 전자석(20)은 S극에서 N극으로 변경하고, 이어서 135°와 315°에 배치된 제1 전자석(20)은 S극에서 N극으로 극성을 변경한다. 이와 같이, 회전링(50)이 반시계 방향으로 회전하는 것을 기준으로 할 때, 상기 제어부(30)는 서로 마주하는 한 쌍의 제1 전자석(20)의 극성을 반시계 방향 따라서 순차적으로 변경한다. 물론, 상기 회전링(50)이 시계 방향으로 회전할 수 있으며, 이러한 경우 상기 제어부(30)는 동일한 방식으로 상기 한 쌍의 마주하는 제1 전자석(20)의 극성을 시계 방향을 따라서 순차적으로 변경할 수 있다.

상기 회전링(50)은, 상기 몸체부(10)에 회전 가능하게 결합된다. 상기 회전링(50)은 상기 몸체부(10)의 내측에 삽입되는 원형의 링으로 형성되고, 상기 회전링(50)이 회전할 때 그 내주면이 상기 분기배관(2)이 흐르는 유체와 접촉한다. 상기 회전링(50)은 N극 또는 S극 중 어느 하나의 극성을 갖는 제2 전자석(40)을 구비하며, 상기 제1 전자석(20)의 극성이 순차적으로 변경될 때 자기력에 의해 자동적으로 회전한다. 상기 회전링(50)이 회전된다고 함은, 상기 분기배관(2)의 직경의 중심에 대하여 회전함을 의미한다.

본 실시예에 따르면, 상기 제2 전자석(40)은 서로 마주하여 한 쌍이 마련된다. 도5에 도시된 바와 같이, 상기 제2 전자석(40)은 상기 회전링(50)이 회전하지 않고 정지한 순간을 기준으로 할 때, 0°와 180°에 한 쌍이 배치되며, 그 극성은 서로 동일한 S극을 갖는다.

본 실시예에 따르면, 상기 몸체부(10) 및 상기 회전링(50)의 내경은 상기 분기배관(2)의 내경과 동일하게 형성된다. 상기 몸체부(10)의 내측에는 상기 회전링(50)이 삽입되는 삽입홈(13)이 형성된다. 상기 회전링(50)은 상기 삽입홈(13)에 삽입된 상태에서, 그 내경이 상기 분기배관(2)과 동일하게 형성된다. 상기 회전링(50)과 상기 몸체부(10)의 내주면은 상기 분기배관(2)의 내주면과 같이 배관벽을 형성한다. 상기 회전링(50)이 회전하므로, 마치 배관벽의 일부가 회전하는 것과 같은 작용을 한다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 상기 분기배관(2)은 제1 분기관(3), 엘보우관(4), 제2 분기관(5)을 포함한다. 상기 제1 분기관(3)은 상기 주배관(1)을 따라 흐르는 유체를 분기시키도록 상기 주배관(1)과 직접적으로 연결되는 배관이다. 상기 엘보우관(4)은 상기 제1 분기관(3)에 연결되어 유체의 흐름 방향을 변경하기 위해 마련된 것으로 굽어진 형태의 배관이다. 상기 제2 분기관(5)은 상기 엘보우관(4)에 연결되어 상기 주배관(1)으로부터 분기한 유체를 소정의 장소로 이송하는 배관으로, 본 실시예에 따르면 일직선으로 마련된다.

본 실시예에 따른 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치(100)는, 상기와 같이 엘보우관(4)을 포함하는 분기배관(2)의 경우에, 상기 몸체부(10)가 상기 엘보우관(4)과 상기 제2 분기관(5)의 사이에 배치한다.

도2에 도시된 바와 같이, 엘보우관(4)을 포함하여 유체의 흐름 방향이 변경되는 배관계에서, 운전 중 열성층은 엘보우관(4)과 일직선으로 연장되는 제2 분기관(5)이 만나는 지점에서 발생하여 주변부에 영향을 주게된다. 따라서, 본 발명에 따른 열성층 제거장치(100)를 상기 엘보우관(4)과 제2 분기관(5)이 만나는 지점 부위에 설치하여 열성층이 집중 형성되는 것을 초기에 제거할 수 있다. 상기 제1 몸체(11)는 엘보우관(4)에 결합되고, 제2 몸체(12)는 제2 분기관(5)에 결합되며, 회전링(50)은 상기 제1 몸체(11)와 제2 몸체(12)가 결합하여 형성하는 삽입홈(13)에 삽입되어 설치된다.

상기 몸체부(10) 및 회전링(50)의 구조 및 결합 관계에 대하여 좀 더 구체적으로 설명한다.

도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 상기 몸체부(10)의 제1 몸체(11) 및 제2 몸체(12)는 체결부재(14)에 의해 체결된다. 상기 체결부재(14)는 상기 제1 몸체(11)의 제1 결합공(111)과 상기 제2 몸체(12)의 제2 결합공(121)에 삽입되며, 상기 제1,2 결합공(111,121)은 상기 제1,2 몸체(11,12)의 둘레방향을 따라 마련되므로, 상기 체결부재(14)는 복수개가 마련된다. 상기 체결부재(14)는, 상기 제1 결합공(111)과 제2 결합공(121)을 관통하고 그 단부에 너트가 결합되어 고정될 수 있다.

상기 제1 몸체(11)에는 상기 회전링(50)이 삽입되도록 일측이 개방된 형태의 홈부가 형성된다. 그리고, 상기 제2 몸체(12)가 상기 제1 몸체(11)와 체결되면, 상기 제2 몸체(12)가 상기 개방된 홈부의 일측을 막아서 상기 회전링(50)이 삽입되는 삽입홈(13)을 형성한다.

본 실시예에 따르면, 상기 몸체부(10)의 제1 전자석(20)은 서로 마주하는 한 쌍의 전자석이 시계 또는 반시계 방향으로 돌면서 순차적으로 다른 극성을 갖도록 배치된다. 서로 마주하여 180° 간격으로 배치하는 한 쌍의 제1 전자석(20)을 페어 전자석이라고 할 때, 상기 페어 전자석은 시계 또는 반시계 방향으로 돌아가면서 복수 개 마련되며, 순차적으로 극성이 바뀐다. 상기 회전링(50)의 제2 전자석(40)은 서로 마주하여 한 쌍이 마련되고, 서로 마주하는 각 제2 전자석(40)의 극성은 동일하게 형성된다.

도5에 도시된 바와 같이, 상기 회전링(50)이 회전하기 전에는, 상기 몸체부(10)의 제1 전자석(20)과 상기 회전링(50)의 제2 전자석(40)이 서로 반대 극성을 가지면서 마주하도록 배치되어 있다. 따라서, 상기 제1 전자석(20)과 제2 전자석(40) 사이에 인력이 작용하므로, 상기 회전링(50)은 회전하지 않고 정지한 상태를 유지한다.

도6에 도시된 바와 같이, 상기 회전링(50)은 순차적으로 상기 제1 전자석(20)의 극성이 바뀌고, 상기 회전링(50)의 제2 전자석(40)은 상기 제1 전자석(20)과 자기력에 의해 회전한다. 상기 회전링(50)이 반시계 방향으로 회전할 때를 기준으로, 상기 회전링(50)이 회전하는 초기의 극성 변화는 다음과 같다. 상기 0°와 180°에 배치되는 제1 전자석(20)의 극성을 N극에서 S극으로 변경하고, 이어서 45°와 225°에 배치된 제1 전자석(20)은 S극에서 N극으로 변경된다. 최초 0°와 180°에 배치되며 S극을 갖는 제2 전자석(40)은, 0°와 180°에 배치되는 제1 전자석(20)의 극성이 N극에서 S극으로 변경되면서 척력이 작용하고, 45°와 225°에 배치된 제1 전자석(20)의 극성이 S극에서 N극으로 변하면서, 상기 제2 전자석(40)을 끌어당기는 인력이 작용한다. 따라서, 상기 회전링(50)은 반시계 방향으로 회전한다. 이와 같이 순차적으로 제1 전자석(20)의 극성이 변경되면서 상기 회전링(50)이 연속적으로 회전된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 상기 회전링(50)의 측면과 마주하는 상기 삽입홈(13)의 양 측면에는 상기 회전링(50)에 마련된 제2 전자석(40)의 극성과 같은 극성을 갖는 자성체(60)가 마련된다. 또한, 상기 삽입홈(13)의 폭은 상기 회전링(50)의 폭보다 크게 형성되며, 상기 삽입홈(13)의 바닥면을 연결할 때 형성되는 외경은 상기 회전링(50)의 외경보다 크게 형성된다. 즉, 상기 회전링(50)이 상기 삽입홈(13)에 삽입되면, 상기 회전링(50)은 상기 삽입홈(13)의 양측면 및 바닥면과 소정의 공간을 가지면서 배치될 수 있다. 이러한 배치는, 상기 몸체부(10)의 제1 전자석(20), 회전링(50)의 제2 전자석(40), 및 상기 자성체(60)의 극성에 의해 가능해 진다.

구체적으로, 상기 자성체(60)와 상기 회전링(50)은 서로 척력이 작용하여 상기 회전링(50)이 상기 삽입홈(13)의 양측면으로부터 소정의 거리만큼 이격되어 회전할 수 있게 된다. 즉, 상기 회전링(50)의 측면과 상기 삽입홈(13)의 양측면은 소정의 틈이 형성된다.

또한, 상기 회전링(50)이 회전하기 전에는 상기 몸체부(10)의 제1 전자석(20)과 상기 회전링(50)의 제2 전자석(40)이 서로 다른 극성을 가지면서 서로 마주하고 있으므로, 상기 제1 전자석(20)과 제2 전자석(40)이 서로 인력이 작용하는데, 상기 인력이 0°와 180°지점에서 동일하게 작용하므로, 상기 회전링(50)은 상기 몸체부(10)로부터 소정의 공간만큼 이격되어 배치될 수 있다. 그리고, 상기 회전링(50)이 회전하기 시작하는 시점에는, 상기 몸체부(10)의 제1 전자석(20)과 상기 회전링(50)의 제2 전자석(40)은 동일한 극성을 가지면서 밀어내고 이러한 척력이 0°와 180°에 작용하므로, 상기 몸체부(10)와 상기 회전링(50)이 서로 소정의 공간만큼 이격되어 회전을 시작한다. 상기 제1 전자석(20)의 극성이 순차적으로 바뀌면서 회전할 때, 상기 제1 전자석(20)과 상기 제2 전자석(40)이 서로 마주하는 시점에서 상기 제1 전자석(20)과 제2 전자석(40)이 서로 척력이 작용하므로, 상기 몸체부(10)와 상기 회전링(50)은 서로 소정의 거리를 유지하면서 회전할 수 있다. 이러한 틈들에는 유체가 채워져 얇은 막이 형성되므로 회전 시 고체벽 간의 직접 마찰을 피하게 하여 원활한 회전을 가능하게 한다.

본 발명 실시예에 따르면, 상기 제어부(30)는 상기 제1 전자석(20)의 극성 변경을 제어하고, 상기 제1 전자석(20)과 전선으로 연결된다. 상기 제어부(30)는 상기 몸체부(10)에 인접하여 이격되어 배치될 수 있으므로, 분기배관(2)에 단열재(insulation) 등의 추가적인 구성을 설치하는 것에 지장을 받지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 열성층 제거장치(100)는 다양한 분기배관(2)에 적용 가능하다.

본 실시예에 따르면, 상기 회전링(50)의 내주면에는 유체의 회전을 증대시키는 돌기(70)가 돌출 형성된다. 상기 돌기(70)는 분기배관(2)에 마련된 밸브(6)가 폐쇄된 상태에서 개방되어 유체의 흐름을 허용할 때, 분기배관(2) 내에 유체의 유동에 영향을 주지 않을 정도의 크기, 예컨대 분기배관(2)의 내경대비 3 ~ 5% 정도로 형성된다.

본 실시예에 따르면, 상기 돌기(70)는 상기 회전링(50)의 내주면에 일정 간격으로 이격되어 돌출 형성된다. 상기 돌기(70)의 단면은 대략 삼각형 모양으로 이루어지며, 상기 밸브(6)가 폐쇄된 상태에서 상기 회전링(50)이 회전할 때 상기 유체의 회전력을 증대시키고, 상기 밸브(6)가 개방되어 유체가 제2 분기관(5)을 통해 흐를 때 유체의 흐름을 방해하지 않고 압력 강하를 일으키지 않을 정도로 형성된다. 본 실시예에 따르면, 상기 돌기(70)는 상기 회전링(50)의 내주면에 90°간격으로 4개가 배치된다. 물론, 상기 돌기(70)의 개수가 4개로 한정되는 것은 아니나, 상기 돌기(70)의 개수가 증가할 수도록 유체의 흐름을 저해할 수 있으므로, 3개 내지 4개로 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 상기 구성에 따른 회전링(50)을 이용한 난류침투 열성층 제거장치(100)의 작용 내지 효과를 구체적으로 설명한다.

산업 플랜트에서 고온 및 고유량의 유체가 흐르는 주배관(1)이 마련되고, 상기 유체를 원하는 장소로 공급하기 위해서 상기 주배관(1)으로부터 분기하는 분기배관(2)이 마련된다. 본 실시예 따르면, 상기 주배관(1)으로부터 분기하는 분기배관(2)은, 상기 주배관(1)으로부터 제1 분기관(3), 엘보우관(4), 및 제2 분기관(5) 순으로 연결되어 마련된다.

상기 유체가 주배관(1)을 따라 유동하고 상기 분기배관(2)을 따라 유동하지 않을 때, 예컨대 운전 초기 또는 필요한 조건에 따라서 상기 분기배관(2)에 마련된 밸브(6)는 폐쇄된다. 이러한 경우, 상기 주배관(1)을 따라 유동하는 유체가 상기 분기배관(2)으로 침투하는 난류침투 현상이 발생하고, 상기 난류침투 현상에 의해 열성층이 만들어진다. 본 실시예와 같이, 상기 엘보우관(4)을 구비하는 분기배관(2)의 경우에는 엘보우관(4)과 제2 분기관(5)이 연결되는 지점에서 열성층이 활발하게 발생하여 제2 분기관(5)으로 확산된다.

본 발명 실시예에 따른 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치(100)는, 상기 엘보우관(4)과 제2 분기관(5) 사이에 배치된다. 본 발명 실시예에 따르면, 상기 열성층 제거장치(100)는 모듈화되어 사전에 제작된 후 상기 엘보우관(4)과 제2 분기관(5) 사이에 결합된다. 상기 제1 몸체(11)에는 상기 회전링(50)이 삽입되는 개방된 형태의 홈부가 형성되고, 상기 회전링(50)을 상기 개방된 형태의 홈부에 삽입하고, 제2 몸체(12)를 인접 배치한 후에 상기 제1,2 몸체(11,12)를 체결부재(14)에 의해 체결한다. 이와 같은 과정에 의해 상기 회전링(50)을 상기 몸체부(10) 내부에 용이하게 수용시켜서 모듈화할 수 있다.

상기 몸체부(10)의 내주면에는 일정 간격으로 이격되어 제1 전자석(20)이 마련되고, 상기 회전링(50)에는 서로 마주하여 한 쌍의 제2 전자석(40)이 마련된다. 상기 제1 전자석(20)은 서로 마주하는 한 쌍의 전자석이 서로 같은 극성을 가지며, 서로 인접하는 다른 제1 전자석(20)은 다른 극성을 갖는다. 본 발명에 따른 열성층 제거장치(100)가 동작하기 전에 상기 회전링(50)은 상기 몸체부(10)에 대하여 정지한 상태를 유지한다. 도5와 같이, 상기 몸체부(10)의 제1 전자석(20)과 상기 회전링(50)의 제2 전자석(40)이 서로 다른 극성을 가지면서 서로 마주하므로, 상기 제1 전자석(20)과 제2 전자석(40)의 인력에 의해 상기 회전링(50)은 회전하지 않는다.

도6에 도시된 바와 같이, 상기 회전링(50)이 회전시키기 위해서 제1 전자석(20)의 극성이 순차적으로 바뀐다. 구체적으로, 0°와 180°에 배치된 제1 전자석(20)의 극성이 N극에서 S극으로 바뀌면서 S극을 갖는 제2 전자석(40)과 척력이 발생되고, 45°와 225°에 배치된 제1 전자석(20)의 극성이 S극에서 N극으로 바뀌면서 상기 제2 전자석(40)을 끌어당겨서 반시계 방향으로 회전한다. 상기 제2 전자석(40)이 반시계 방향으로 45°만큼 회전하면 45°와 225°에 배치된 상기 제1 전자석(20)은 다시 N극에서 S극으로 극성이 변경되면서 제2 전자석(40)과 척력이 발생되고, 90°와 270°에 배치된 상기 제1 전자석(20)은 S극에서 N극으로 바뀌면서 제2 전자석(40)을 끌어당겨 반시계 방향으로 더 회전한다. 상기 제2 전자석(40)이 반시계 방향으로 90°만큼 회전하면 90°와 270°에 배치된 상기 제1 전자석(20)의 극성은 다시 N극에서 S극으로 변경되면서 제2 전자석(40)과 척력이 발생하고, 135°와 315°에 배치된 제1 전자석(20)의 극성이 S극에서 N극으로 변경되면서 제2 전자석(40)을 끌어당겨서 반시계 방향으로 더 회전된다. 상기 제2 전자석(40)이 반시계 방향으로 135°만큼 회전하면 135°와 315°에 배치된 제1 전자석(20)의 극성은 다시 N극에서 S극으로 변경되면서 제2 전자석(40)과 척력을 발생시키고, 0°와 180°에 배치된 제1 전자석(20)의 극성이 S극에서 N극으로 바뀌면서 제2 전자석(40)을 끌어당겨서 반시계 방향으로 반바퀴 회전한다. 이와 같은 방식으로 상기 제1 전자석(20)의 극성이 변경되면서 상기 회전링(50)은 나머지 반바퀴가 회전되어 1회 회전을 완성한다. 상기 제어부(30)는 상기 1회 회전까지의 제1 전자석(20)의 극성 변화를 반복하여 상기 회전링(50)이 자기력에 의해 연속적으로 회전되도록 한다.

상기 회전링(50)이 회전하여, 점성을 갖는 유체는 상기 회전링(50)과 함께 회전하면서 혼합된다. 상기 유체가 혼합되어 상기 엘보우관(4)과 상기 제2 분기관(5)이 연결되는 지점에서의 열성층을 제거된다.

이와 같이, 본 발명 실시예에 따른 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치(100)는 밸브(6)에 의해 폐쇄되어 있는 분기배관(2)으로 침투하는 난류 에디에 의해 발생하는 열성층을 효과적으로 제거한다.

상기 몸체부(10)의 제1 전자석(20)이 순차적으로 극성이 변경하면서 자기력에 의해 상기 회전링(50)이 틈을 가진 홈에서 회전하므로, 상기 회전링(50)의 기계적 마모 등의 염려가 없고, 상기 회전링(50)이 몸체부(10)의 내측에 배치되므로 유체의 누수를 방지할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 모듈화되어 기존의 배관망을 변경하지 않고 용이하게 설치가 가능하며, 엘보우관(4)과 제2 분기관(5) 사이에 배치되므로 유지 보수가 간편한 장점이 있다. 따라서, 운전 중이거나 건설이 완료 또는 진행 중인 플랜트에 용이하게 장착할 수 있는 효과를 제공한다.

상기 분기배관(2)의 밸브(6)가 개방되어, 분기배관(2)을 통하여 유체가 흐르는 경우, 본 발명에 따른 열성층 제거장치(100)는 배관 내부에 별도의 구조물을 설치하지 않으므로 유체의 흐름을 방해하지 않으므로 압력 손실이 발생하지 않는다. 또한, 상기 별도 구조물의 파손에 의한 비산물이 발생하지 않으므로, 상기 비산물에 의한 추가적인 기기 손상을 미연에 방지하고, 원자력 발전소에 적용되는 경우 안전성을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 열성층 제거장치(100)는 회전링(50)을 빠른 속도로 회전시키지 않고도 충분한 열성층 제거 효과를 달성할 수 있다. 예컨대 10 내지 13회/1분(10rpm~ 13rpm) 내외의 빠르기로 충분한 효과를 달성할 수 있다. 또한, 분기배관(2)의 밸브(6)가 개방되어 유체가 분기배관(2)을 따라 흐르는 경우에는 본 발명에 따른 열성층 제거장치(100)를 정지시킬 수 있으므로, 그 운전에 큰 전기 부하를 요구하지 않는 효과를 제공한다.

또한, 열성층을 사전에 차단하므로, 실험이나 전산해석을 통한 열성층 또는 열피로에 대한 배관 건전성 평가를 생략할 수 있으며, 배관 내부의 상태를 파악하기 위한 초음파 감시 설비 등의 설치가 필요 없으므로 이들에 소요되는 비용을 절감하는 효과를 제공한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 많은 변형이 제공될 수 있다.

10... 몸체부 11... 제1 몸체
111... 제1 결합공 12... 제2 몸체
121... 제2 결합공 13... 삽입홈
14... 체결부재 20... 제1 전자석
30... 제어부 40... 제2 전자석
50... 회전링 60... 자성체
70... 돌기 1... 주배관
2... 분기배관 3... 제1 분기관
4... 엘보우관 5... 제2 분기관
6... 밸브 100... 열성층 제거장치

Claims

고온의 유체가 흐르는 주배관으로부터 분기하는 분기배관에 형성되는 열성층을 제거하기 위한 장치에 있어서,
분기배관에 결합되는 중공형의 몸체부;
상기 몸체부의 둘레 방향으로 이격되어 마련되는 복수의 제1 전자석;
상기 제1 전자석의 극성을 순차적으로 변경하는 제어부; 및
N극 또는 S극 중 어느 하나의 극성을 갖는 복수의 제2 전자석이 마련되어, 상기 몸체부에 회전 가능하게 결합되는 회전링;을 포함하여서,
상기 제1 전자석의 극성이 순차적으로 바뀔 때, 상기 제1 전자석과 제2 전자석의 자기력을 이용하여 상기 회전링이 회전되는 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 분기배관은 상기 주배관으로부터 분기하는 제1 분기관, 상기 제1 분기관에 연결되어 유체의 흐름 방향을 변경하는 엘보우관, 및 상기 엘보우관에 연결되는 제2 분기관을 포함할 때,
상기 몸체부는 상기 엘보우관과 상기 제2 분기관의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 전자석은 상기 몸체부의 둘레 방향을 따라서 45°간격으로 마련되고,
상기 제2 전자석은 서로 마주하여 한 쌍이 마련된 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 몸체부 및 상기 회전링의 내경은 상기 분기배관의 내경과 동일한 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 몸체부의 내측에는 상기 회전링이 삽입되는 삽입홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제5항에 있어서,
상기 회전링의 측면과 마주하는 상기 삽입홈의 양측면에는 상기 회전링에 마련된 제2 전자석의 극성과 같은 극성을 갖는 자성체가 마련된 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 회전링의 내주면에는 일정 간격으로 이격되어 돌출되는 돌기가 마련된 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제7항에 있어서,
상기 돌기는 상기 회전링의 내주면에 90° 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 몸체부의 내측에는 상기 회전링이 삽입되는 삽입홈이 형성되고,
상기 삽입홈의 폭은 상기 회전링의 폭보다 크며, 상기 삽입홈의 바닥면을 연결할 때 형성되는 외경은 상기 회전링의 외경보다 큰 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.
제1항에 있어서,
상기 몸체부는, 상기 분기배관의 일측에 결합되며, 둘레 방향을 따라 제1 결합공이 이격 형성되는 제1 몸체와, 상기 분기배관의 타측에 결합되며, 상기 제1 결합공에 대향하여 둘레 방향으로 제2 결합공이 이격 형성되는 제2 몸체를 포함하며,
상기 제1 결합공과 상기 제2 결합공에 삽입되어 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체를 체결하는 체결부재를 포함하고,
상기 제1 몸체에는 상기 회전링이 삽입되도록 일측이 개방된 형태의 홈부가 형성되고, 상기 제2 몸체가 상기 제1 몸체와 체결되면 상기 개방된 홈부의 일측을 막아서 상기 회전링이 삽입되는 삽입홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 회전링을 이용한 난류침투 열성층 제거장치.