KR970000366B1 - 다성분 유체 분리장치 - Google Patents

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요우리 바카레흐
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인바이론멘탈 프로텍션 그룹 엘티디.
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Abstract

내용없음

Description

[발명의 명칭]
다성분 유체 분리장치
[도면의 간단한 설명]
제1도는 순차적으로 감소하는 직경을 가진 복수개의 링으로 이루어진 원불대 주요부로 구성된 콘 구조물이 관형케이싱내에 제공된, 본 발명의 한 구체에 따른 다성분 유체분리장치의 개략적인 부분단면 및 부분 입면도이다.
제1a도는 제1도의 콘 구조물에서 동그라미친 부분의 확대된 상세단면도이며, 콘 형태의 링의 내면상 및 다양한 직경의 링의 상호고정관계를 지지하는 방법을 설명한다.
제1b도는 제2도의 1b-1b선에 대한 단면도이다.
제1c도는 제1a도와 유사하며, 링의 변형된 원추형 배열을 보여주는 단면도이다.
제1d도는 단일링에 대한 반경방향 단면도이며, 제1a도와 유사하지만 약간 확대한것으로, 배향 또는 최저면에서 링구조의 변형을 설명한다.
제1e도는 제1d도와 비슷하며, 링의 내면 및 외면 결합부 영역 최상부에서 링구조의 변형을 설명한다.
제1f도는 본 발명에 따른 콘 구조물의 개략적인 도면이며, 기본적인 물리적 인자를 설명한다.
제2도는 제1도와 유사하며, 원추형 주요부의 더 작은 단부의 콘 구조물하류에, 원추형 주요부의 최소직경링과 동일한 내경을 갖는 일련의 부가적인 링으로 구성된 원통형 보조부가 제공된 본 발명에 따른 제2구체 예를 보여준다.
제2a도는제1a도와 비슷하며, 제2도의 콘 구조물에서 동그라미친 부분을 보여주는 것으로, 원통형 보조부의 상호고정관계를 지지하는 한 방법을 개략적으로 보여준다.
제3도는 제1도와 비슷하며, 원추형 주요부의 더 작은단부의 콘 구조물 하류에, 순차적으로 증가하는 직경을 가진 일련의 부가적인 링을 구성된 역전된 원추형 보조부가 제공된 본 발명에 따른 제3구체예를 보여준다.
제3a도는 제1a 및 2a도와 비슷하며, 제3도의 콘 구조물에서 동그라민 친 부분으로, 역전된 원주형 보조부의 상호고정관계를 지지하는 방법을 개략적으로 설명한다.
제4도는 제1도와 유사하며, 원추형 주요부의 더 작은 단부의 콘 구조물하류에, 동일직경의 일련의 부가적인 링 및 순차적으로 증가하는 직경의 일련의 부가적인 링으로 각각 구성되는 원통형 보조부 및 역전된 원추형 보조부가 모두 제공된 본 발명에 따른 제4구체예를 보여준다.
제4a도는 제1a,2a 및 3a도와 비슷하며, 제4도의 콘 구조물에서 동그라미 친 부분으로, 콘 구조물의 세영역에 대한 링의 상호고정관계를 지지하는 방법을 개략적으로 설명한다.
제5도는 제1도와 비슷하며, 다른 실시예의 완전한 링을 모사하는 감소하는 직경의 복수개의 회전이 있는 연속 나선형을 갖는 것으로 콘 구조물이 설명되는 본 발명에 따른 제5실시예를 보여준다(단순성을 위해서, 원추형 주요부만으로 나타내었다).
제5a도는 제1a,2a,3a 및 4a도와 유사하며, 제5도의 콘 구조물에서 동그라미친 부분을 보여준다.
제6도는 비대칭 에어포일 프로파일의 개략적인 도면이며, 제1a 및 1d도에 나타난 링 프로파일의 유래를 설명한다.
제7도는 제6도와 유사하며, 제1e도에 나타난 링프로파일의 유래를 설명한다.
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 다성분 유체 분리장치, 특히 그리드(grit), 분진, 연무, 연기 및 기타 기계적 혼합물과 같은 고체입자로부터 개스를 분리 및 클리닝하는 장치에 관한 것이다.
[기술배경]
당업계에는 고체입자(예, 분진)로부터 개스흐름을 분리 및 클리닝하는 장치가 다양하게 공지되어 있다. 즉 : 최대 고체입자(그리트)를 중력에 의해 침전시키는 침전조 ; 개스흐름 방향의 변화로 인한 원심 및 관성 효과를 사용하여 싸이클론 및 관성 분진분리기 ; 분진함유개스를 클로스(cloth), 종이층, 유리섬유, 금속메쉬등을 통해 통과시키는 산업용 필터(백 하우스(bag houses)라고 함) ; 고전압 전계에서 입자들이 전하를 띠게한후 그들의 침전될 전극을 향해 이동시키는 전기접진기(전기-필터) ; 및 분진입자를 액체와 접촉시킨후 쓸어버리는 세정장치와 같은 기타장치가 있다.
어떠한 특정시스템도 원하는 클리닝도(degree of cleaning)를 제공하지 못하는 경우에는, 상기 방법을 1개이상 작동시키는 장치를 사용할 수 있다(즉, 싸이클론 분리기는 섬유필터와 결합될 수 있다).
분진분리기의 주특성중 하나는 중량 클리닝 효율 η이며, 이는 통상적으로 유입분진의 중량(동일한 시간주기내)에 대한 집전분진의 중량비로 정의한다. 클리닝 효율은, 숫자 η1(대부분, 후술한 바와 같이) 또는 100을 곱하여 %로 나타낼 수 있다.
분진분리기의 더욱 상세한 특성은 분별효율(fractional efficiency)로 이는 중량효율의 변화를 입도 d의 함수로 나타낸 것이다. 분별효율은 중량효율을 협소한 입도스펙트럼범위의 연속시리즈로 나타내는 곡선 η(d) 또는 식으로 표시될 수 있다.(W. Strauss. Industrial Gas cleaning, Pergamon Press, 1966).
일반적으로, 입도가 작을수록 분리작업은 더욱 힘들어진다. 이에 대응하여, 분별효율곡선 η(d)은 입도범위에 따라 일정하지 않으며, 입도가 작아질수록 급강하하여, 입도가 0으로 갈수록 효율도 0으로 접근한다. 따라서, 다양한 분진분리장치를 특징지움에 있어서 중요한 것은 어느 입도에서 분별효율이 상당한 감소하기 시작하는가이다. 예를 들어, 전형적인 중력침전조에서, 분별효율곡선은 80-100㎛ 범위부근에서 감소하기 시작하여 50㎛ 주위에서 η=0.8(80%) 효율에 도달할 수 있다(Strnuss, 상기한 바와 같음).
약간 독단적이긴 하지만, 80%의 클리닝효율을 더 유용한 장치(n80%)를 덜 유용한 장치(n80%)로부터 구분하는 적당한 기중으로 삼는다는, 전기-필터, 클로스 필터, 일부 세정장치류 및 특별히 반경이 작은 싸이클론만이 10㎛ 이하의 입자를 η80%로 분리할 수 있음을 알았다.(Strauss, 상기한 바와 같음 ; High-Efficiency Air Filtrantion, P.A.F. White 및 /S.E. Smith 편집, Butterworths London, 1964).
장치의 클로닝효율에 영향을 미칠 수 있는 또다른 인자는 장치유입구에서 개스내 분진농도 또는 분진밀도(g/㎥)이다.
집진장치 작동과 관련되고, 클리닝효율에도 영향을 주는 또하나의 중요한 인자는 장치를 통과하는 평균속도이다. 기존 분진분리장치는 작동원리에 따라 다양한 개스속도에 작동된다. 예를 들어, 전기 필터는 2m/s를 초과하지 않는 비교적 낮은 개스속도에서, 관성분진분리기는 15내지 30m/s의 속도에서 작동된다. 속도가 커지면 장치의 처리량이 커지는 것을 뜻하기 때문에 일반적으로 속도는 클수록 바람직하다. 처리량은 장치를 통과하는 개스흐름단면적을 개스유속으로 곱한 값이다. 주어진 처리량에 대하여, 개스속도가 커지면 장치 크기는 작아질 수 있다.
그러나, 개스속도가 일정한 최적치(사용장치유형에 의존)를 능가하면, 때로는 클리닝 효율이 갑자기 떨어지기 시작한다. 예를 들어, 관성분리기에서 개스유속이 30m/s를 넘어서면 강한 난류가 생기기 때문에 클리닝효율이 떨어지기 시작한다. 동시에, 관성분리기는 그 특성상 낮은 개스속도에서는 클리닝 효율이 떨어진다. 이런 유형의 실제장치에 있어서, 유용한 개스속도 범위는 전형적인 다소좁으며, 예를 들면 η이 최대인 최적속도치의 ±20%이다.
각각의 클리닝 효율이 η1,η2,…,ηn인 2개 이상(일반적으로, n)의 장치를 상류장치로부터 클리닝된 개스가 다음 하류장치로 들어가도록 직렬연결하는 경우, 직렬연결된 n개 장치의 총 클리닝 효율은 하기식으로 표시된다.
E=η1+(1-η1)η2+(1-η1)(1-η2)η3+…+
(-η1)(1-η2)…(1-ηn-1)ηn(1)
상기 식에서 η은 %보다는 1보다 작은수로 표현한다. 예를 들어, 각각의 효율이 η1및 η2인, 직렬연결된 2개의 집진기에 대해서
E=η1+(1-η1)η2(2)
이다.
분별효율 η(d) 및 분진밀도에 대해 상술한바와 같이, 식(1) 및 (2)는 주의하여 사용해야한다. 실로, 직렬연결된 제1장치는 주로 큰 입자를 분리하여, (a) 분진밀도가 더 낮고 (b) 일반적으로 제1장치에 들어가는 분진의 입도분자와 비교하여 평균입도가 더작은 입도분포를 갖는 부분적으로 클리닝된 개스를 다음 하류장치에 공급할 것이다. 이러한 입도분포의 이동은 균일하지 않은 분별효율곡선 η(d)의 직접적인 결과이다 ; 이것은 직렬 연결된 복수개의 클리닝장치로 얻을 수 있는, 개스흐름으로부터의 입자분리도에 실제적인 한계를 제기한다. 따라서, 식(1) 및 (2)의 η값은 개별집진장치의 유입구에서 분진운반개스의 특성에 해당하는 것으로 이해해야 한다. 실제로 이들값은 실험적으로 얻는다.
η(d)가 너무 작지 않은 입도범위에서, 복수개의 장치를 직렬연결하는 것은 시스템의 총클리닝 효율을 증대시키는 효과적인 방법이다. 예를 들어, 식(2)에서 η1=0.7 및 η2=0.6으로 하면, E=0.88(88%)가 된다.
분명히, 작은입도로 내려가기까지 본질적으로 균일한 η(d)를 지닌 장치는 직렬연결방법으로 개스흐름을 고도로 정화하기에 특히 유용할것이다.
다성분유체(즉, 기체/고체) 분리분야 기술자들에게는 공지되어 있듯이, 선행기술에는 관성 또는 모맨트 분리기로 알려진 상술한 장치가 포함되는데, 이것은 개스흐름 운동방향의 갑작스런 변화 및 속도감소를 이용하여 고체입자를 개스로부터 제거한다. 고체입자는 관성때문에 초기개스흐름과 동일한 방향으로 계속 이동할것이고 결국 수집호퍼(collecting hopper)속으로 데포지트된다. 클리닝된 개스흐름과 함께 빠져나가기 쉬운 가벼운 (작은) 입자보다 무거운 (큰) 입자는 관성이 더 크므로 쉽게 제거된다.
이런 장치중 일부는 개스흐름에 대하여 날카로운 각오로 경사진 수많은 고체(전형적으로, 금속) 표면을 제공하도록 되어 있다. 이 표면의 목적은 주 개스흐름방향과 원래는 일치한 고체입자의 경로로부터 입자들을 전향시키는 것이다.
이런장치는 싸이클론 또는 백하우스 전 예비클리닝단계에 간혹 사용되는 셔터형(shutter-type) 집진기이다(Strauss, 상기한 바와 같음; C.J. Stairmand,(London),, 356(1951). 더욱 효과적인 것은 원추형 루버(louvered)집진기 및 그 변형이다(Strauss, 상기한 바와 같음 : E. Haber, 미합중국 특허 제2,034,467호 및 영국특허 제388,637호 ; H. Van Der Kolk, 미합중국 특허 제2,874,800호 및 영국특허 제766,279; I.R.W. Johnston, 미합중국 특허 제4,340,474호 ; H.Keller, 미합중국 특허 제3,958,966호 및 제4,198,220호 ; K.H. Maden, 미합중국 특허 제4,123,241호). 호평받는 변형(예를 들어, Haber 특허참조)으로는 직경이 감소하는 평면원추링이 원추형으로 장착되어 있는 시스템으로 구성된 것이 이다.
평면원추링은 인접한 링표면사이에 좁은 갭(gap)을 남기면서 축방향으로 서로 오버랩되도록 원통형 또는 원추형 케이싱(casing)에 장착된다. 이들 환형갭은 개스흐름에 대하여 날카로운 각도로 배향되어 있다. 최대 직경링의 위치에 인접한 케이싱 단부로 개스흐름이 공급되면, 개스흐름은 콘(cone)을 통해 최상부에서 아래로 이동한다. 가벼운 입자를 함유한 개스의 주부분은 운동방향을 갑자기 바꾸어 링사이갭을 통해 위로 빠져나가 다음 목적지를 향하는 반면 큰 입자는 콘을 통해 계속아래로 이동한다. 동시에, 입자들은 링표면에 반복적으로 충돌하여(부수적으로 이는 시간이 경과되면 링을 상당히 마모시킨다) 콘의 축을 향하여 투사된다 : 따라서 이들은 모이게 되고 개스의 일부(전형적으로 5-7%)에 의해 최소직령링을 통해 제거된다.
이 장치의 변형(Van Der Kolk 특허참조)으로는, 직사각형 또는 사다리골 단면을 갖는 나선형으로 감긴 와이어로 제조된 원추형 원피스(one-piece) 구조물이 있으며, 상술한 평면원추리에서와 같은 목적으로 직선형 와이어 내면이 콘축에 대해 비스듬하게 경사져 있다.
상술한 공지된 원추형 관성집진기의 장점은 설계의 단순성 및 콤팩트성, 가동부분이 없고, 개스흐름에 대한 비교적 낮은 항력(drag) 및, 장치를 통과하는 비교적 개스의 높은 유속(즉, 높은 처리능력) 뿐만아니라 유입 분진밀도의 변화에 대해 효율이 크게 변하지 않는데 있다(Strauss, 상기한 바와 같음 ; Hansen, 상기한 바와 같음).
이들장치의 단점은 20-30㎛ 이하의 입자를 효과적으로 제거할 수 없고, 고체입자로 부터 분리되지 못한 비교적 많은양의 개스를 하류싸이클론으로 후속적으로 처리해야 한다는 것이다(Strauss, 상기한 바와 같음). 이것이 바로 원추형 관성집진기가 대부분 조(coarser) 입자 제거용 예비클리닝 장치로 사용되는 이유이다.
원추형 관성집진기의 또다른 단점은 고체입자의 원추형링에 대항 일정한 충돌로, 이는 어떤 경우 링을 급속히 부식 및 마모시켜 링 교체를 포함한 잦은 보수작업및 그로인한 시스템다운 시간이 필요하게 된다.
보다 정교하고, 곡선으로 입자전형요소를 지닌 관성분진분리기 역시 공지되어 있다. 예를 들어 Johnston 특허에 의하면, 내면이 안쪽으로 굽은, 보다 복잡한 형상의, 축방향으로 오버랩되지 않은 링을 지니고, 고체입자를 콘의 축을 향해 전향시키도록 설계된 직선부 및 립(lip)을 지닌 워추형 장치가 있다. 평균 입도 20 내지 30㎛의 입자에 대해 청구된 총 클리닝 효율은 80%에 근사하나, 평균입도 20 내지 30㎛의 입자에 대해 청구된 총 클리닝 효율은 80%에 근사하나, 상세한 분별효율 데이터는 기재되어 있지 않다.
또 다른 장치(keller 특허참조)에서는, 개별분리기 요소 또는 링이 서로 오버랩 되어 있고, 단면적이 둔각삼각형인 원추형 분리기(상술한 원추형 관성분리기와 기뵤하여 역전된)의 팁을 마주향하여, 즉 가장 좁은 부분으로 부터 가장 넓은 부분을 향하여 개스가 흐른다. 여기에서 아이디어는 비록 기하학적으로 역전되었지만 이전처럼 고체입자의 전향표면을 제공하여 그로인해 모인 입자는 콘 구조물의 외부에서 콘의 넓은 베이스를 향해 이동하는 반면 클리닝된 개스는 콘의 내부공간으로 빠져나간다는 것이다.
복잡한 링형상 때문에, 링사이에 곡선채널이 형성되어, 부분적으로 클리닝된 개스흐름이 빠져나가는 통로를 제공한다. 이렇게 형성된 통로는 콘 구조물의 내부를 향해 개방되어 있다. 이런 특징은 장치의 막힘(clogging) 방지에 도움이 될것으로 예상된다. 그러나, 실험데이타는 없다. 더우기, 장치는 주용도가 스팁으로부터 고체입자를 분리하는 것이기 때문에 막힘문제에 특히 주의해야할 필요가 있다.
이와 유사한 장치가 Maden 특허에 기재되어 있다. 직사각형, 원형 또는 늘어난 모양 단면적의 공동체(hollow body)내에 1 또는 2세트의 입자전향기 또는날개(vanes)가 흐름방향에 수직이 되도록 위치한다. Keller의 특허에서 처럼, 날개 단면은 복잡하고 굽은 길게늘어난 삼각형이다. 이들은 유입하는 고체입자에 전향표면을 제공하도록 (입자전향전면이 장치축과 34°의 바람직한 각도를 이루며), 또한 유입입자에 의한 직접적인 충돌로부터 날개사이의 통로를 방어하도록 위치한다.
고체입자(최소한 더 튼 입자)는 관성때문에 날개사이의 통로를 놓치고 계속해서 좁아지는 장치아래로 이동하는 반면, 클리닝된 개스는 상류날개의 오버랩된 배향면(trailing surface)과 다음 인접한 하류날개의 긴후면에 의해 형성된 곡선통로를 통해 날개사이를 빠져나간다. 각 날개의 배향면은 오목하기 때문에 통로는 Keller 특허와 마찬가지로 날개시스템과 장치의 몸체사이의 외부공간을 향해 개방되어 있다. 게다가, 인접한 날개사이의 통로는 장치의 유출단부를 향해 점점더 구불구불하게 모양이 변할 수 있다. 특허명세서에 어떤종류의 분진으로 테스트하였는지 평균입도는 얼마인지 밝히진않았으나, 이 장치의 클리닝효율은 최대 89.7%로 청구되었다. 약 10%의 개스가 농축분진과 함께 장치의 유출구를 통해 손실된다.
발명의 설명
본 발명의 주목적은 공지된 이런장치로보다 매우 높은 클리닝 효율로 다성분 유체로부터 1㎛ 이하의 입자를 포함한 고체입자를 분리해내는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2목적은 분별클리닝 효율이 유체에 함유된 고체입자의 입도나 입도분포에 거의 의존하지 않는 이런종류의 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3목적은 장치를 통과하는 광범위한 개스유속범위, 약 10m/s 내지 100m/s, 또는 그이상에서도 높은 클리닝 효율로 작동되는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제4목적은 크기 및 중량감소뿐만아니라 유효수명이 연장되며, 장치제조용으로 다양한 구조재를 사용가능하게하고, 장치가동시 장치의 보수작업 필요성이 감소된 장치를 제공하는 것이다. 이들 또는 기타 본 발명의 목적은 다성분 분리, 바람직하게는 고체입자로부터 개스를 분리하는 장치에서 성취되며, 이 장치는 내경이 점점 감소하는 동일축상에 배열된 복수개의 링으로 구성된 원추형 주요부를 갖는 공도원뿔대 구조물을 포함하며, 상기 조립된 링은 원주상으로 서로 이격된 프레임부재에 의해 상대위치 및 배향되어 있다. 즉, 복수개(최소한 2개, 바람직하게는 3 또는 4개)의 포스트, 스트링거, 가이드랙 등에 의해 링의 외주가 단단하게 고정되어 있다. 사용시, 원추형 부분의 최대내경링은 클리닝할 개스흐름을 콘의 내부에 공급하는 파이프라인과 연통하며, 최소내경링은 분리된 고체입자 수집용 콘테이너와 연통한다. 각 링은 비대칭 에어포일 또는 비행기 날개의 전방에지(edge)영역의 상부면 프로파일과 유사한 프로파일을 가지며, 콘 구조를 통하여 개스흐름에 대해 일부는 마주하고, 일부는 교차하는 방향으로 향하고 있는 곡선내면, 외면, 그리고 내면으로부터 외면까지 연장되고 일반적으로 개스흐름방향을 향하고 있는 최저 또는 배향면을 지니고 있다. 각 링의 이곳에서 링의 내경을 형성하는 날카로운 에지(edge)에서 내면과 교차하며, 배양면은 이곳에서 그 접선(그자체 표면일 수도 있는)이 개스운동 방향에 대하여 최대 90°각도를 이루도록 배치되고, 내면은 배향면과의 결합점에서 접선이 콘 구조물의 축과 거의 평행하도록 배치된다. 콘 구조물의 링은 서로에 대하여 상류링 각각의 날카로운 에지의 평면과 바로 인접한 하류링 각각의 최고영역 또는 최상부의 평면사이에 축간격 또는 갭을 형성하도록 배열된다.
콘 구조물이 케이싱내에 바람직하게 설치되어, 링에 가장 근접한 개스흐름내 고체입자를 콘 구조물의 축을 향해 공기역학적으로 이동시킴으로써, 개스흐름이 콘 구조물을 통해 흘러감에 따라 축영역에는 점점더 많은 입자들이 모이는 반면, 클리닝된 개스는 링 사이 공간을 통해 케이싱의 포위내부영역을 향해 옆으로 빠져나간다.
입자 농축 스트림(stream)은 원추형 주요부의 최소직경 링을 통과한후 콘 구조물을 떠나, 적합한 방출파이프나 통로를 통해 수집용 콘테이너로 향한다. 케이싱은, 콘 구조물을 지지하는 역할외에, 클리닝된 개스를 다음 목적지로 향하게 한다. 케이싱은 원통형 또는 관형이 바람직하며, 예를 들어 콘 구조물의 최대직경 링의 외경보다 약간 큰 내경 및, 콘 구조물의 길이와 거의 동일한 유효길이를 갖는 긴파이프로 구성될 수 있다(물론 다른 단며형상 및 치수도 사용될 수 있다). 클리닝된 개스를 다음 목적지에 편리하게 이송하기 위해서, 파이프의 한 단부를 굽힘반경이 파이프직경과 동일하거나 더 크도록 옆으로 굽힐 수 있다(예, 90°각도로).
본 발명에 있어서, 링의 축높이 또는 두께 및 반경방향 너비는 일정한 것이 바람직하나, 한 링에서 다음링으로 가면서 예를 들면, 링 너비가 감소함에 따라 두께가 감소할 수 있다. 또한 상류링의 날카로운 에지평면과 바로 인접한 하류링의 최상부 평면 사이의 간격은 링마다 일정하며, 상류링의 두께가 동일할 수도 있다.
일반적으로, 본 발명에 따른 장치에 있어서 : 최대링의 내경 대 최소 링의 내경비, 즉, 콘구조물의 원추형주요부의 더큰 베이스의 직경 대 더 작은 베이스의 직경비는 약 10 내지 100이며 ; 원추형 주요부의 축길이대 큰 베이스의 직경비는 약 5 내지 20이고 ; 각 링의 반경방향 너비(외경에서 내경을 뺀값)대 각링의 두께비는 약 0.5 내지 2이며 ; 인접한 2개 링의 갭 높이 대 그중 상류리의 두께비는 약 0.7 내지 3이고 ; 콘 구조불에 합체된 링의 갯수는 비록 어떤 장치는 5개 링만으로도 충분하긴 하지만, 장치의 용도 및 크기에 따라 수백 내지 수천개 일수 있다.
본 발명에 또다른 구체예에 있어서, 콘 구조물은 원추형 주요부의 최소직경링의 하류에 몇개의 부가적인 링이 제공될 수 있으며, 상기 링 모두의 직경은 최소링의 직경과 동일하여, 콘 구조물의 원통형 보조부를 형성한다. 변형적으로, 순차적으로 증가하는 직경의 몇개의 부가적인 링 배열이 원추형 주요부의 상기 최소 링의 하류에 바로 제공될 수 있으며, 이로써 콘 구조물의 역전된 원추형 보조부가 형성된다. 또다른 변형에 있어서, 순차적으로 증가하는 직경의 몇개 링이 동일한 직경의 링 마지막의 하류에 배열됨으로써 이러한 역전된 원추형 보조부가 원통형 보조부의 하류에 제공될 수 있다. 이러한 콘 구조물은 호퍼내에 분리된 입자를 제거하는 최적조건을 얻을 수 있게 한다.
상술한 구체예의 모든 콘 구조물은 나선형으로도 제조될 수 있으며, 나선형 몸체의 각 회전은 링을 효과적으로 구성하고, 나선형의 인접한 회전사이 간격은 인접한 링사이 간격에 해당한다. 이는 콘 구조물 제조를 용이하게 그리고 자동화할 수 있게 해준다.
본 발명에 따른 장치구성은 개스흐름내에 존재하는 입도크기 및 분포, 장치의 유입단부에서 분진농도에 거의 영향받지 않는 높은 클리닝 효율을 을 제공하는 한편, 장치를 통과하는 개스흐름이 높은 속도(즉, 높은 처리능력)로, 그리고 개스흐름에 대한 낮은 항력으로 1미크론 이하의 미세입자를 포함하는 광범위한 크기의 고체입자로부터 개스성 유체를 분리 또는 클리닝할 수 있게 한다. 게다가, 입자의 분별조성은 본질적으로 클리닝에 의한 영향을 받지 않아서, 클리닝된 개스가 제1모듈과 직렬연결된 제2모듈 유니트에 공급되는 경우, 상기 개스내 고체입자의 분별조성은 원흐름과 거의 동일하게 된다. 또한, 장치의 크기 및 중량이 감소되며, 장치에 공급되는 분진농도 및 고체입자 분별조성의 끊임없는 변동에도 거의 보수작업이 필요없는 안정된 장치작동이 가능하다.
본 발명은 예를 들어, 야금학적, 화학적, 열적 유틸리티 및 기타 플랜트로부터의 상업용 및 가정용 개스흐름클리닝 및 산업용 및 가정용 공기 클리닝(즉 전기 및 정밀기계산업, 공공 및 주거용 빌딩 등)에 사용될 수 있다. 이는 또한 공기 또는 개스등과 같은 유체에 입자형태로 분산되어 있는 값진 재료를 분리 및 수집, 즉 채탄작업에서 석탄분진을 분리 및 수집, 또는 야금술 과정에서 제조된 금속분을 수집하는데에도 사용될 수 있다.
상기 장치에 있어서, 상기 장치는 다중링 콘 구조물 및, 주 덕트(duct) 또는 파이프라인의 유출단부에 연결용으로 설계된 연합케이싱으로 구성된 예비조립 유니트일 수 있으며, 연합 호퍼를 더 포함할 수도 있다. 그러나, 상기 장치가 특히 유체클리닝보다는 값진 재료의 입자수집용으로 사용되는 경우, 아니면 콘 구조물 및 케이싱 복합 유니트를 기존 파이프라인이나 덕트에 연결하는 것이 불가능한 경우, 상기 장치는 분리된 콘 구조물만으로 구성될 수 있다. 이러한 콘 구조물은 포위케이싱없이 덕트나 파이프라인 단부에 설치되어, 유체흐름으로부터 분리된 입자만이 호퍼내에 수집되는 반면, 클리닝된 그러나 불필요한 유체(단 환경적으로 무공해한 것으로 가정)는 링사이 공간을 통해 주위대기로 빠져나간다. 변형적으로, 주작동에서 입자들이 공급되는 기존 덕트 또는 파이프라인 영역내에, 케이싱이 없는 콘 구조물의 설치되어, 상기 덕트 또는 파이프라인 영역은 콘 구조물에 대한 케이싱으로 작동하며, 여기에 적합하게 연결된 예를 들어 콘 구조물의 방출 단부와 직접연통하는, 옆으로 오프셋된 위치로 수집된 콘테이너를 지닐수도 있다.
본 발명의 전술한 목적 및 기타 목적, 특성 및 단점은 후술하는 다양한 구체예의 상세한 설명과 첨부도면을 봄으로써 보다 분명하게 이해될 것이다.
[발명의 실시방법]
도면을 더욱 상세히 설명함에 있어서, 제1,1a 및 1b도는 2성분 유체분리, 특히 분진, 재 등과 같은 고체입자로부터 개스흐름을 클리닝하도록 고안된, 본 발명의 제1구체에 다른 장치이다. 상기 장치는 공동 원뿔대 구조물(2)을 수용하고 이에 대한 포위공간(1a)를 형성하는, 관형 또는 원통형 구조(1b도 참조)의 케이싱(1)을 지닌다. 그러나 케이싱은 다른 구조일수도 있다. 콘 구조물(2)은 동일축에 배치되고, 축방향으로 이격된 직경이 점진적으로 감소하는 복수개의 링(3)으로 구성되고 형성된 원추형 주요부(2a)를 포함하며, 그 구조는 뒤에 좀더 상세히 설명할것이다. 링 재료는 강하 플라스틱등을 포함한 적당하게 강한 재료면 어느것이든지 될수 있지만, 금속 또는 금속합금(예, 스테인레스강 등)이 바람직하다.
콘 구조물(2) 원추형 주요부(2a)의 최대 직경 링(3a)과, 케이싱(1)의 포위 유입단부는 용접등과 같은 원주 시일(seal) 방법에 의한 유밀법(fluid-tight manner)으로, 개스 흐름을 케이싱에 화살표방향으로 공급하는 파이프라인(도시되지 않았음) 연결부(5)의 플랜지(4)에 연결된다. 콘 구조물 원추형 주요부(2a)의 최소 직경 링(3b)은 이와 비슷하게, 수집용 콘테이너 또는 호퍼(8)로 인도하는 방출파이프 또는 통로(7)의 플랜지(7a)에 연결된다. 뒤에 더욱 상세하게 설명하겠지만, 개스 흐름으로부터 분리된 입자는 콘 구조물(2)을 떠나 링(3b)을 통해 파이프(7)로 들어가 호퍼로 이송되는 반면, 클리닝된 개스는 콘 구조물을 떠나 링 사이 갭을 통해 포위공간(1a)으로 들어간다.
제1도 내지 5도중 어느 것에서도 일정 비율로 축소해서 그려지진 않았지만, 호퍼(8)에는 축적된 입자를 호퍼로부터 방출시키는 차단(shut-off) 밸브(9)가 장착된 하향 배출 파이프(8a)가 제공된다. 또한 호퍼에는, 항상 필수적인 것은 아니지만, 후술한 부분에서 더욱 분명해지는 것처럼, 본 발명의 구체예 제1도에 있어서 파이프(7)를 통해 호퍼로 들어가는 입자 함유 개스내 입자를 일단 호퍼내에서 침하시킨후, 최소한 일부의 개스를 케이싱(1)의 공간(1a)내 클리닝된 개스흐름에 반송시킬 수 있도록 케이싱(1)으로 복귀하는 상향 배기 파이프(12)가 제공되어 있다. 성택적으로, 배기파이프 대신 다른 수단(예, 펌프)을 이용하여 호퍼로부터 개스를 뽑아낼수도 있다. 클리닝된 개스는 어떠한 적합한 방법, 예를 들면 임의의 각도로 또는 옆으로 굽은 케이싱의 굴곡부(11)를 통해 화살표(10) 방향으로 빠져나온다.
제1a 및 1b도에 잘 나타나있듯이, 콘 구조물(2)에 조립된 링(3)은 최대직경 링(3a)으로부터 최소직경 링(3b)까지 연장된 스트링거 또는 포스트(3c)형인 복수개의 프레인 부재에 의해 그들의 상대 배향위치에 보지되며, 상기 링의 외주는 적합한 방법, 즉 용접 또는 접합등의 방법, 또는 링의 크기가 허용된다면 스크류, 볼트와 같은 수단으로 프레임 부재에 단단하게 고정된다. 상기 구체예에서는 4개의 스트링거 또는 포스트(3c)가 사용된 것으로 나타났으나(제1도에서는 단순성을 위해서 생략되었다), 매우 큰 콘 구조물의 경우에는 3또는 5개, 또는 그이상도 바람직할 수 있으며(링이 사이에 필요한 간격이나 갭을 지나치게 가로막을 정도로 많거나 빽빽하지 않아야 한다는 것이 유일한 제한 요인), 매우 작은 콘 구조물의 경우에는 2개가지도 가능하다. 각 프레임 부재의 내향면에는(필수적이진 않지만) 다양한 링의 정확한 위치 고정을 돕기 위해 계단형 형성부(3d)가 제공되어 있다.
제1a도에서 특히, 콘 구조물의 축을 통과하는 반경방향 단면에 있어서, 각 링(3)은 세 면을 효과적으로 지니고 있다 : 링의 상부 또는 최상부(13a)로부터 링의 최저부까지 연장되며, 유입개스 흐름에 최소한 반경 방향 가장 안쪽 부분이 노출되는 내면(13) ; 개스 흐름방향에서 볼때, 링의 배향면이기도 하며, 링의 내경을 형성하는 날카로운 원주상 에지에서 내면과 교차하는 최저면 ; 및 외면 또는 외주면(15). 내면(13)은 뒤에 더욱 상세하게 설명될 굴곡도 및 프로파일로 블록하게 굴곡되어 있다. 배향면(14)은 제1a도에서 보는 바와 같이 수평면인 것이 바람직하나, 실제로는 거의 모든 구조 또는 형상, 즉 제1d도에서 실선(14')으로 나타난 경사진 평면, 또는 파선(14 및 14')로 나타난 오목한면 또는 볼록한면이 일수있다. 이때 유일한 필요조건은 개스흐름방향이기도 한 콘 구조물측과 에지(14a)에서 배향면의 접선사이의 각도(α)가 90°를 넘지 않아야 한다는 것이다. 물론, 평면 배향면(14 또는 14')의 경우에 이 접선은 그 자체면과 일치하기 때문에 각도 α는 콘 축과 표면사이의 각도가 된다. 외면(15)의 형상은 제1a도에서처럼 수직면이 바람직하나, 이 역시 제1e도에서 나타난 것처럼 (15a) 배향면 구조와 관계없이 링 최상부(13a)와 곡선으로 합쳐질수 있다.
앞으로 언급한 것처럼, 제1a도에 나타난 것과 같은 일(3) 내면(13)의 프로파일 또는 단면구조 및 특히 굴곡률은 일반적으로 비대칭 에어포일 또는 비행기 날개의 전방 또는 선단 에지 영역의 프로파일로부터 유래하거나 이와 대응한다.
제6도 및 7도에서 에어포일 프로파일(P)은 본질적으로, 불어오는 기류 방향(f)을 보통 마주보는 뭉툭한 전방 에지영역(P-1), 볼록한 최상부 에지영역(P-2) 및 평면 최저부 에지영역(P-3)에 의해 단면적상으로 특징지워진다. 제6도에 나타난대로, 상기 프로파일에 있어서, 곡선(P-1)의 최전방점(P-4)으로부터 곡선(P-2)의 최상부점(P-5, 즉, 에어포일 두께가 최대인)까지 연장된 곡선(P-1 및 P-2)과, 최전방점(P-4)으로부터 출발하여 프로파일(P)을 종단하는 직선(S-1) 및, 곡선(P-2)에 대한 접선(T-1)이 기류와 평행한 점(P-5)으로부터 출발하여 프로파일(P)을 횡단하는 직선이 상호 수직교차하는 2개선으로 둘러싸인 빗금친 부분(P')이 형성된다. 선택적으로, 빗금친 프로파일 부분(P')의 횡단경계선은 직선(S-2)과 약간 다른 구조 및 배항을 가질 수 있다 : 예를 들어, 점(P-5)에서 각각의 선의 접선이 접선(T-1)과 이루어진 각도가 90°를 넘지않는한 점(P-5)에서 출력하더라도, 제6도에서 파선(S-2',S-2 및 S-2')로 각각 나타낸것처럼, 경사진 직선, 오목 또는 볼록한 곡선일 수 있다.
따라서, 쉽게 알수있듯이, 제1a도 및 제1d도에 나타난 링(3)의 프로파일은 기본적으로 제6도에서 실선 및 파선 경계선내 빗금친 부분(P')의 프로파일과 같으므로, 각 링의 내면은 점(P-4 및 P-5) 사이 곡선(P-1/P-2)으로 표시된 에어포일 표면 영역 일부에 해당하며, 각 링의 최적면 및 외면(14 또는 14'/14/14' 및 15)은 각각 경계선(S-2 또는 S-2'/S-2/S-2' 및 S-1)으로 표시된 영역에 해당한다. 그러나 이점에 있어서, 에어포일의 전방표면이 좀더 복잡하며, 이것이 링 내면(13)에 대한 이상구조이기는 하나 링의 가공 또는 성형과 관련된 기술적 어려움때문에 실제적인 복사는 배제할 수 있으며, 어느정도 형상의 단순화가 필요할 수 있다. 단지 예로써, 이러한 단순화에 따라 링의 내면(13)은, 에지(14a)에서 최저면(14 또는 14'/14/14')의 접선이, 에지(14a)에서 내면(13)일부에 대한 접선(T-2)과 (따라서 링의 축과)이루는 각도(α)가 90°를 넘지 않으며, 단순한 평면인 외면(15)이 내면(13)과 날카로운 최상부 에지(13a)에서 만나는 타원, 쌍곡선, 포물선 곡물을 가질 수 있다.
각 링의 내면(13) 곡률은 접선(T-2)이 실제로 콘 축 및 흐름방향에 평행할 정도인것이 바람직한데, 이것은 이러한 표면 배향이 개스 흐름을 날카로운 에지(14a)에 도달하도록 하는데 대한 방해를 최소화해주기때문이다.
프로파일(P) 전방영역의 또다른 변형은 제7도에 나타난 바와 같이 한편으로는 최저방 곡선(P-1) 및 최상 및 최저 곡선(P-2 및 P-3), 다른 한편으로는 곡선(P-2)상의 점(P-5)에 출발하여 접선(T-1)에 대하여 90°의 각도로 곡선(P-3)을 향해 달리는 모든 길인 횡단선(S-3)을 경계로하는 빗금친 부분(P)으로 형성될 수 있다. 물론 전술한 것처럼 동일한 각도 요건의 지배를 받으면서, 횡단 경계선은 파선(S-3',S-3 및 S-3')로 나타난 경사진 직선, 오목 또는 볼록한 곡선일 수 있다. 이에 해당하는 링 프로파일은 제1e도에 나타나 있으며, 외면(15)은 곡면 일부(15a)를 통해 링의 최상부(13a)에서 내면(13)과 합쳐진다.
제1f도에 있어서, 콘 구조물 원추형 주요부의 각 링은 두께 또는 축높이(t) 및 반경방향 너비(w, 내경 및 외경의 차이)에 의해 특징지울수 있는 것으로 보이며, 다양한 링은 주어진 상류 링의 날카로운 에지의 평면이 콘 구조물의 축을 따라 다음에 인접한 하부 링의 최상부 영역의 평면으로부터 축 높이 또는 간격(h)만큼 이격되도록 위치한다. 장치의 효과적인 작동을 위해 물리적 인자, 즉 w,t,h,원추형 주요부(2a)의 최대 및 최소 링의 내경(각 링의 날카로운 에지(14a)에지 측정되며, Dmax 및 Dmin 으로 표시된), 원추형 주요부의 축 폭이 또는 길이 H(최대링의 에지(14a) 평면, 즉 최저면으로부터 최소링의 에지(14a) 평면, 즉 최저면까지), 및 한 링의 날카로운 에지 및 바로 인접한 링의 날카로운 에지사이의 반경 반향 거리 또는 오프셋(δ)의 관계는 다음과 같은 것이 바람직하다.
물론, 주어진 케이스내 링 및 조립된 콘 구조물의 치수는 장치의 바람직한 크기및 용도(유체 및 입자의 특성, 처리능력, 입도, 유체내 입자의 질량밀도등)에 의존하며, 상술한 관계를 만족해야 한다. 그러나, 링 치수 선택은 매우 크거나 매우 작은 링 제조가 가져오는 기술적 어려움이란 고려 사항에 의해 제한될 수 있다. 이러한 치수(mm)의 실제적인 범위는 현재 다음과 같다.
장치는 다음과 같은 방법으로 작동한다. 콘 구조물(2) 원추형 주요부내 2개의 인접한 링(3)을 개스흐름방향(6)에서 볼때, 그중 하류 또는 작은 링의 내경은 상류 링의 내경보다 2δ(δ는 상술한 반경방향 오프셋)만큼 작으며, 콘 구조물의 축과 평행하며 상류 링의 날카로운 에지(14a)를 통해 통과하는 선은 하류 링의 날카로운 에지(14a)의 반경방향 바깥쪽에 위치한 점에서 하류 링의 내면(13)과 교차하는 것이 분명하다. 이들 2개 링 사이에 오버랩이 있으며, 따라서 콘 구조물의 축과 평행하며 이 방향의 유체통로에 개방되어 있는 직선 경로가 이들사이에 없음이 확실한 이러한 조건은 상부링을 통해 자유롭게 통과한 개스 흐름의 원통형 외층이 하부링에 의해 가로막히게 된다는 것을 의미한다. 이러한 개스의 컷오프(cut off)량은 2개링사이의 갭 또는 통로(16)을 통해 빠져나가야만 하며, 그렇지 않으면 개스 흐름이 콘 구조물 아래로 이동함에 따라 콘 구조물 내부 압력이 증강된다. 따라서, 콘 구조물이 좁아짐에 따라 각 단계에서 개스흐름의 외부는 인접한 링 사이 갭(16)을 통해 콘 구조물의 내부로부터 케이싱(1)내 외부공간(1a)으로 빠져나간다.
일단 외부공간으로 빠져나온 개스는, 일반적으로 콘 구조물 내부 개스와 동일한 방향, 즉, 케이싱의 출구(11)를 향해 계속 이동하며, 결국 케이싱의 출구 오프닝을 통해 목적지로 방출된다. 빈 케이싱내 개스 흐름에 나타나는 항력과 비교하여 링의 원추형 시스템이 케이싱 내부 개스흐름에 대한 어떤 부가적인 항력을 나타낼 정도로, 콘 구조물 내부공간(어느정도 더 높은 압력)과 콘 구조물의 외부포위공간(1a, 어느정도 더 낮은 압력)사이에 압력차가 존재한다. 링사이 갭(16)의 크기때문에, 즉 콘 구조물 링 사이의 개방공간 총 면적이 케이싱 단면적보다 상당히 크기때문에, 이 압력차는 비교적 중요하지 않으나, 그럼에도 불구하고 링(2)사이 갭(16)을 한 개스 방출의 원인이 된다.
입자 함유 개스 흐른이 콘 구조물(2)을 통해 이동할때 내부에서 어떤일이 발생하는가에 대한 이론적 설명을 특별히 하고자하는 것은 아니지만, 개스흐름이 링(3)의 곡선 내면(13)에 충돌함에 따라, 개스흐름의 원통형 외측은 이 면의 굴곡을 따라 날카로운 에지(14a)에 도달할 것으로 생각된다. 전술한 바대로, 개스 흐름의 외층은 인접한 갭(16)을 통해 빠져나가야 한다. 그렇게 하기 위해서, 개스 흐름은 날카로운 에지(14a)둘레로 이동하여, 곡면(13)을 따른 흐름을 갑자기 방해한다. 따라서 원통형 외층내 개스이동 방향은 하향 흐름(6)으로부터 갭(16)을 통한 반경방향 흐름으로 바뀐다. 이러한 에지(14a) 둘레 개스의 비선형 운동은 개스 흐름과 함께 이동하는 고체 입자에 작용하는 국부 힘 또는 국부 압력차가 생기도록한다. 각각의 링 단계에서, 이들 힘은 콘 축을 향하여, 따라서 입자들을 갭(16)을 통해 빠져나가도록 개스와 함께 빠져나가도록 하기 보다는 주 개스흐름으로 돌려보낸다.
날카로운 에지(14a)에서 개스 흐름의 갑작스런 방해결과를 바라보는 또다른 관점은, 이 방해로 인하여 개스흐름내에 와류가 형성된다는 것이다. 갭(16)의 반경방향 내부 경계에서 이러한 와류로 인하여, 링의 곡면(13)에 대한 가상의 원추형 접선을 따라 연속적인 탄성 개스층이 형성되어, 콘 구조물내 상기 층 영역내 고체 입자들이 링 표면으로부터 완충됨과 동시에 개스 흐름의 중부로 내몰리게 된다. 따라서, 링 내면에서 이렇게 형성된 개스 흐름이 링 송상을 막는다면, 고체입자들은 콘 구조물을 통해 통과하면서 중앙으로 모여 결국 파이프(7)를 통해 호퍼(8)로 방출된다. 이와 동시에, 고체 입자가 콘 중앙으로 내몰려 클리닝된 개스 흐름의 일부는 링 사이 갭 또는 공간(16)으로 들어가 콘 구조물을 빠져나와 케이싱의 포위 공간(1a)으로 들어가 케이싱 단부(11)를 통해 수용위치로 배출된다.
상기 장치는 실제 사용에 있어서 1미크론 미만내지 1000미크론가지의 입도범위에 대하여 개스 흐름내 고체입자의 분별조성에 의존하지 않도록 개스흐름에 대한 항력이 낮으며, 높은 처리능력을 제공하는 최대 100m/s의 높은 개스 속도를 포함하는 광범위한 개스 유속에 대하여 다성분 개스 흐름의 고 효율(최소한 95%) 클리닝이 가능하다. 게다가, 상기 장치는 가동부가 없기 때문에, 장기간 사용후에도 마모 흔적이 거의 없고, 최소한의 유지보수 작업이 필요하며, 비슷한 개스 처리능력을 갖는 기존 집진 장치와 비교할때 비교적 가볍고 배출된다.
본 발명에 따른 장치의 구조에 의하면, 케이싱의 유입및 유출 단부(제1도)에서 개스 유속(V1및 V2)은 거의 동일한 반면, 콘 구조물(2)의 유출단부에서 개스중 농축 고체입자 스트림의 유속(V3)은 V1및 V2와 거의 동일하거나 V1및 V2보다 상당히 낮게 변할 수 있다. 이것은 호퍼(8)의 크기 및 구조를 포함한 세부장치 구조에 의존한다. 케이싱내로 흘러들어오는 원 개스의 일부(실제로 1% 미만)는 입자 농축 스트림과 함께 호퍼(8)로 들어간 후, 이 일부 개스는 입자가 호퍼 바닥에 침전되면서 입자로부터 분리되고, 배기 파이프(12) 또는 적합한 배기 펌프등을 통해 배가됨으로써 호퍼로부터 제거된다.
파이프(7)를 통해 들어가는 개스량을 더욱 감소시키기 위해 본 발명의 제2구체예에 따라 연구된바에 의하면, 콘 구조물(2) 원추형 주요부(2a)의 최소직경 링(3b)의 하류에(제2도 참조), 링(3b)과 동일한 내경, 표면 단면구조를 지닌 수많은 부가적인 링(17)으로 구성된 원통형 보조부(2b)가 제공된다. 이들 링은 콘 구조물의 원추형 주요부와 연합된 프레임 부재(3c)까지 어떤 각도로 연장된(분명히 나타나진 않았지만)포스트나 스트링거(3e)와 같은 프레인 부재(3e)에 의해 고정되어 있다. 이들 부가적인 링(17)의 목적은 농축 고체입자를 함유한 일부개스를 감속시켜(콘 구조물(2)의 원통형 보조부 영역은 더 이상 좁아지지 않기때문에), 호퍼(8)를 향해 이동하는 스트립 부분내 고체입자 농도를 더욱 증대시키는 것이다.
상술한 대로, 콘 형 구조물 내부 및 외부공간(1a) 사이에 압력차가 존재한다. 이 압력차는 동일 직경 링(17) 영역의 보조부(2b)와 외부공간(1a) 사이에도 존재할것이다. 따라서, 앞에서 원추형 주요부(2a)의 링의 경우에서 설명한 것과 마찬가지로, 개스는 영역(2b)내부로 부터 동일 직경 링 사이 오프닝을 통해 케이싱(1)내 포위공간으로 빠져나갈것이다. 그러나, 동일 직경 일의 존재로 인해 개스 흐름에 유용한 면적은 변하지 않기 때문에(원추형 주요부(2a)의 경우와 달리) 영역(2b)을 통과하는 개스이동에 따라 개스 흐름공간은 더 이상 감소하지 않는다. 이것은 개스 흐름이 영역(2b)를 통해 이동함에 따라 개스 유속이 감소해야 한다는 것을 의미한다. 따라서, 링(17)의 갯수는 원통형 보조부(2b)의 축 높이가 원추형 주요부(2a)의 높이(H)보다 크지 않도록, 그리고 동일직경 링(17) 영역의 하류 단부에서 유속(V4)이 원추형 주요부(2a)의 단부에서 유속(V3)보다 상당히 낮거나, 0에 가깝게 되도록하는 반면, 클리닝효율은 여전히 용인될 정도로 높게 유지되도록 선택해야한다. 이로써, 호퍼로부터 배기파이프를 통한 개스 제거가 필요없게 되며, 호퍼 크기 역시 감소된다. 물론 클리닝 효율은 콘 구조물의 원통형 보조부 길이에 따라 일정량, 아마도 1 내지 3% 정도 낮아질것이다. 클리닝 효율이 약간 저하하는 것은 매우 낮은 속도에서는 링의 입자 포획(trapping) 작용이 감소하며, 따라서 소량의 농축 고체입자가 개스와 함께 링(17) 사이 갭(16)을 통해 빠져나갈수 있기 때문이다. 그러나, 이것은 배기 파이프가 없는 더 작은 호퍼(8)를 사용한다는 이점을 고려할때 합당한 거래이다.
내경이 순차적으로 증가하며, 역전된 콘 보조부(2c)를 구성하는 수많은 부가적인 링(18)이 원추형 주요부(2a)의 최소 직경 링(3b)의 하류에 제공된, 본 발명에 따른 제3구체예에 따른 장치에서도 동일한 결과를 얻을 수 있다(제3도).
상기 링(18)은, 프레임 부재(3c)와 유사하지만 콘 구조물의 축에 대하여 반대방향으로 굽어진 프레임 부재(3f, 제3a도)에 의해 고정되어 있다. 이 구체예에 있어서, 보조부의 높이가 주요부보다 작으며, 원추형 주요부 및 보조부의 경사가 같은 경우, 호퍼(8)내로 분진을 제거시키는 최적 조건이 얻어진다.
본 발명의 제4구체에 있어서, 내경이 순차적으로 증가하며, 제2구체예의 원통형 보조부를 지닌 콘 구조물과 결합된 제3구체예의 역전된 콘 보조부(2c)를 구성하는 수많은 링(18)이 제공된 장치가 제공된다. 증가하는 내경의 링(18)은, 원추형 주요부(2a)의 최소직경 링(3b)의 내경과 동일한 내경을 갖는 복수개의 동일 직경 링으로 구성된 원통형 보조부(2b)의 하류에 제공되며(제4도), 3세트의 링(3,17,18)은 각각의 프레임 부재 세트(3c,3e,3f)에 의해 고정되고(제4a)도, 2개 보조부의 전체 높이는 원추형 주요부의 높이보다 작다. 이러한 배열은 다중 링 원통형 및 역전된 콘 보조부의 특성을 가장 효과적으로 사용할 수 있도록 한다.
본 발명의 제5구체에 있어서, 상술한 다양한 구체예에 따라 나선형으로 제조된 콘 구조물(2)(주요부(2a)만으로, 보조부(2b 및 2c)가 각각 또는 모두 결합된 주요부로 구성된)을 지닐 수 있는 장치가 연구되었다(제5도). 이러한 콘 구조물에서는, 나선형의 피치가 비교적으로 작으며, 나선형 스트립은 내면(13)뿐만아니라, 각각의 회전, 최상부(13a), 배향 또는 최저면(14),내면 및 최저면 결합부인 날카로운 에지(14a) 및 외면(15)에 대하여 아치형 구조를 갖는다.
나선형 콘 구조물의 각각의 단일 회전(19)은 다른 구체예의 원추형 주요부(2a)의 링(3)(경우에 따라서는 링(17 및/또는 18) 1개와 동일하다. 이는 콘 구조물 제조를 용이하게 하며, 이들의 제조를 자동화할 수 있도록 해준다. 제5a도에서 보는 바와 같이, 나선형 콘 구조물의 원피스 구성은 본질적으로 프레임 부재를 사용할 필요가 없으며, 사용된다 하더라도, 필요하거나 바람직하다고 생각되는, 즉 나선형 콘 구조물의 굴신 또는 변형을 막기위한 것이다. 그러나, 제5도에서 콘 구조물은 단지 1개의 원추형 주요부(2a)를 갖는 것으로 나타나기 때문에, 제1도의 실시예에 관한 설명에서 처럼 배기 파이프(12) 또는 적합한 배기 펌프등이 호퍼(8)에 제공된다.
처리용량을 증대시키기 위해, 2개 이상의 본 발명에 따른 장치를 모듈 양식으로 병렬 연결할 수 있다. 이와 상응하게, 클리닝 효율을 증대시키기 위해 2개 이상의 이러한 장치를 모듈 양식으로 직렬 연결할 수 있다.
제1도 및 1a도에서 알수 있듯이, 콘 구조물의 원추형 주요부(2a)는 직선 콘이며 ; 즉, 다양한 (3)의 날카로운 에지(14a)의 초점은 사실상 콘 구조물의 측에 대해 비스듬하게 연장된 직선의 회전면이다. 그러나, 본 발명의 범주내에서 에지(14a)의 초점은 콘축에 대한 곡선(제1c)도의 회전면일수도 있다. 따라서 본원의 콘구조물이란 용어는 직선 및 곡선 콘 배열 모두를 지저하는 것이다.
본 발명의 매우 중요한 특징은 본질적으로 유체로부터의 입자 분리가 공기역학적으로, 즉 입자에 유체 압력차를 줌으로써, 링 표면을 손상시키는 링 표면에 대한 입자의 충돌 및 링 표면에 의한 입자의 전향과 같은 기계적 작용을 최소화하고, 링 표면에 대한 부정적인 효과를 거의 또는 전혀 일으키지 않으면서 실시된다는 것이다.
본 발명 및, 그 특성 및 이점은 테스트 규모로 실시된 다음의 비제한적 실시예로부터 더욱 상세히 이해될것이다.
실시예 1
제1도와 같은 장치의 콘 구조물의 최대링 내경은 200mm, 최소랭 내경은 20mm이었다. 모든 링은 동일하게 두께 5mm, 반경방향 너버 5mm이었다. 각 상류링의 최저 또는 배향면은 수평면이고, 다음에 인접한 하류링의 최상부로부터 5mm만큼 이격되어 있었다. 콘 구조물의 축 높이는 2000mm이었다. 장치에 공급되는 분리 운반개스 흐름의 속도(V1)는 다양한 테스트에서 15m/s 내지 90m/s로 변화시켰으며, 분진 농도는 1 내지 10g/㎥으로 변화시켰다. 분진의 분별 조성은 다음과 같았다.
100 내지 50㎛ 50%
50 내지 1㎛ 45%
㎛ 미만 5%
10회의 시험 측정 결과에 기준한 평균 통계 중량 클리닝 효율은 95%, 모든 자료로부터 추정된 누적에러는 ±1% 이었다. 이 클리닝 효율은 명시한 유속 및 분진 밀도에 대하여 거의 변하지 않았다. 게다가, 호퍼에 수집된 분진의 분별조성과 동일하였다. 이는 장치가 클리닝된 일부 유체내 분진의 분별 조성에 거의 영향을 미치지 않음을 뜻한다.
실시예 2
실시예 1의 장치 2개를 직렬로 연결하였다. 다양한 테스트에 있어서, 분진 운반 개스 흐름의 출발속도, 출발 분진농도 및 출발 분별조성은 실시예 1과 동일하였다.
10회 시험 측정결과에 기준한 평균 통계 클리닝 효율은 99±1%이었다. 이전 실시예에서처럼, 수집된 분진의 분별조성은 2개의 직렬 연결 모듈중 제1장치의 유입단부에서 분진의 분별조성과 본질적으로 동일한것으로 나타났다.
[산업적 응용성]
본 발명의 응용가능한 기본 분야는 주거 및 산업 시스템 모두에 있어서 고체 입자 제거를 통한 공기 및 개스 정화이다.

Claims (20)

  1. 축을 따라 상호이격되어 동일축상에 배열되어 있으며, 분리할 유체의 흐름방향에서 볼때 순차적으로 감소하는 내경을 지닌 복수개의 링에 의해 형성된 원추형 주요부를 포함하며, 분리할 유체의 흐름방향으로 연장된 축을 지닌 콘 구조물로 구성되며, 최대내경링은 분리할 유체가 들어가는 상기 콘 구조물 원추형 주요부의 단부에 배열되고, 최소내경링은 분리된 고체입자가 방출되는 상기 콘 구조물 원추형 주요부의 단부에 배열되며 ; 상기 링은, (a) 최상부 ; (b)최저부 ; (c) (i) 콘의 구조물의 축에대한 반경방향 단면에서 볼록한 곡면이고, (ii) 상기 최상부의 최상단부로부터 상기 최저부의 최저단부까지 연장되어 있으며, (iii) 상기 콘 구조물을 통과하는 유체 흐름 방향에 대하여 일부는 마주대하고 일부는 교차하는 내면 ; (d) 최저면, (e) 외면을 지니며, (f) 상기 최저면은, (i) 상기 내면은 최저단부로부터 상기 외면까지 연장되어 있으며, (ii) 상기 콘 구조물을 통과하는 유체흐름방향을 일반적으로 마주대하고, (iii) 상기 내면과의 결합부에서, 링의 원주상으로 연장되어 있으며 링의 내경을 형성하는 날카로운 에지(edge)를 형성하며, 이 날카로운 에지는 상기 콘 구조물의 상기축과 평행하면서 주어진 링의 상기 날카로운 에지와 교차하는 선이 바로 인접한 하류링의 상기 내면과, 하류링의 상기 날카로운 에지의 반경방향 바깥쪽으로 교차하도록 상기 콘 구조물내에 위치하고,(g) 상기 외면은 상기 최저면으로부터 상기 내면의 상기 최상단부까지 연장되어 있고, (h) 상기 최저면은 상기 내면과의 결합부에서 접선이 상기 콘 구조물의 상기 축과 최대 90°의 각도를 이루도록 배향되어 있는 유체분리, 바람직하게는 고체입자로부터 개스를 클리닝하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 링 각각의 상기 내면이, 동일한 링의 상기 최저면과의 결합부에서 내면의 접선이 상기 콘 구조물의 상기 축과 평행하게 되도록 굴곡되어 있는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 링 각각은, 상기 날카로운 에지위치와, 상기 링의 상기 최저면 및 상기 외면의 결합부 위치사이의 거리를 상기 콘 구조물의 상기 축에 대해 수직방향으로 측정한 반경방향 너비, 상기 날카로운 에지의 평면과 상기 링의 최상부의 평면사이 거리를 콘 구조물의 상기 축에 평행아게 측정한 축 두께를 지니며 ; 상기 원추형주요부는 상기 원추형 주요부의 상기 최소링의 상기 날카로운 에지평면으로부터 상기 최대링의 상기 날카로운 에지 평면까지 상기 콘 구조물의 상기 축에 평행하게 측정한 축높이를 가지고 ; 상기 링은, 상기 원추형 주요부의 상류링과 바로 인접한 하류링사이에, 하류링의 상기 최상부 평면으로부터 상류링의 상기 날카로운 에지평면까지 상기 콘 구조물의 상기 측에 평행하게 측정한 축높이를 갖는 갭을 형성하도록 배열되며, 상기 링, 상기 갭 및 상기 콘 구조물의 상기 원추형 주요부의 치수가 다음 관계를 만족하는 장치;
    식중,w는 반경방향 링 너비, t는 링의 두께, h는 갭의 축높이, H는 주요부의 축높이, δ는 한 링의 날카로운 에지와 바로 인접한 링의 날카로운 에지사이의 반경방향거리, Dmax는 최대링의 내경, Dmin는 최소링의 내경임.
  4. 제3항에 있어서, 주어진 상류 및 바로 인접한 하류링 사이의 상기 갭의 축높이가 살류링의 두께가 동일한 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 링의 축두께가 모두 동일한 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 링의 반경방향 너비가 동일한 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 링 모두가 동일한 축두께 및 동일한 반경방향 너비를 갖는 장치.
  8. 제3항에 있어서, 상기 링 모두의 축 두께 및 반경방향 너비와, 인접한 링사이의 상기 갭 모두의 축높이가 서로 동일한 장치.
  9. 제1항 또는 2항에 있어서, 내경이 상기 원추형 주요부의 상기 최소링의 내경과 동일한 최소한 2개의 부가적인 링으로 구성된 원통형 보조부가 상기 최소링의 상기 큰 구조물 하류에 제공된 장치.
  10. 제9항에 있어서, 점진적으로 증가하는 내경을 가진 최소한 2개의 부가적은 링으로 구성된 역전 원추형 보조부가 상기 원통형 보조부의 상기 부가적인 동일직경 링의 마지막 링의 상기 큰 구조를 하류에 제공된장치.
  11. 제1항 또는 2항에 있어서, 점진적으로 증가하는 내경을 가진 최소한 2개의 부가적인 링으로 구성된 역전전 원추형 보조부가 상기 원추형 주요부의 상기 최소링의 상기 큰 구조물 하류에 제공된 장치.
  12. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 콘 구조물이, 점진적으로 감소하는 내경의 복수개의 회전을 형성하며, 각각의 회전은 상기 큰 구조물의 각각의 링을 구성하고, 규정된 표면 및 단면형상 특성을 지닌 나선형 스트립 형태로 되어있는 원피스 유니트인 장치.
  13. 제1항 또는 2항에 있어서, 유입단부 및 유출단부를 지닌 케이싱을 더 포함하며, 상기 콘 구조물은 상기 케이싱내에 상기 원추형 주요부의 상기 최대링이 상기 유입단부에 인접하여 위치하도록 장착되고, 상기 케이싱의 포위내면에 원주상으로 시일(seal)되며, 상기 케이싱의 상기 유입단부는 상기 최대링을 통해 상기 콘 구조물의 상기 원추형 주요부의 내부와 연통하여 분리할 유체가 원추형 주요부에 들어올 수 있도록 하고, 상기 케이싱의 상기 유출단부는 상기 유출단부는 상기 콘 구조물을 둘러싼 상기 케이싱의 내부공간 일부로부터 방출경로를 제공하여, 상기 링 사이 갭을 통해 상기 콘 구조들로부터 빠져나온 클리닝된 유체일부가 상기 케이싱의 상기 포위공간을 떠날수 있도록 하며, 또한, 상기 케이싱으로 연장되어 있으며, 상기 최대링과 떨어진 마지막 링을 통해 상기 콘 구조물과 연통하는 유입덕트를 지닌 호퍼를 더 포함하며, 사기 유입덕트는 클리닝된 유체로부터 분리되고 상기 콘 구조물에 의해 농축된 입자가, 클리닝되지 않고 남아있는 유체와 함께 상기 콘 구조물로부터 상기 호퍼내로 방출되어 그속에서 수집되도록 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 링 각각은, 상기 날카로운 에지위치와, 링의 상기 최저면 및 상기 외면의 결합부 위치사이의 거리를 상기 큰 구조물의 상기 축에 대해 수직방향으로 측정한 반경방향 너비, 상기 날카로운 에지의 평면과 상기 링의 최상부의 평면사이 거리를 상기 콘 구조물의 상기 축에 평행하게 측정한 축 두께를 지니며 ; 상기 원추형 주요부는, 상기 원추형 주요부의 상기 최소링의 상기 날카로운 에지평면으로 부터 상기 최대링의 상기 날카로운 에지 평면까지 상기 콘 구조물내 상기 축에 평행하게 측정한 축 높이를 가지고 ; 상기 링은, 상기 원추형 주요부의 상류링과 바로 인접한 하류링사이에, 하류링의 상기 최상부 평면으로부터 상류링의 상기 날카로운 에지평면까지 상기 콘 구조물의 상기 축에 평행하게 측정한 축 높이를 갖는 갭을 형성하도록 배열되며 ; 상기 링, 상기 갭 및 상기 콘 구조물의 상기 원추형 주요부의 칫수가 다음 관계를 만족하는 장치 ;
    식중, w는 반경방향 링 너비, t는 링의 축두께, h는 갭의 축 높이, H는 주요부 축높이, δ는 한 링의 날카로운 에지와 바로 인접한 링의 날카로운 에지사이의 반경방향거리, Dmax는 최대링의 내경, Dmin는 최소링의 내경임.
  15. 제13항에 있어서, 상기 원추형 주요부의 상기 최소링이 상기 콘 구조물의 상기 마지막링이며, 상기 호퍼는 상기 호퍼의 내부를 배기하는 수단을 더 포함하여, 상기 호퍼내에서 입자가 치전된 유체를 상기 호퍼에서 방출시켜 호퍼내 배압이 증가하는 것을 방지하는 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 배기수단이, 상기 케이싱 내로 연장되어 있고 상기 콘 구조물 포위공간과 연통하는 배기 파이프로 구성된 장치.
  17. 제13항에 있어서, 내경이 상기 원추형 주요부의 상기 최소링의 내경과 동일한 최소한 2개의 부가적은 링으로 구성된 원통형 보조부가 상기 최소링의 상기 콘 구조물 하류에 제공되어 있으며, 상기 콘 구조물의 상기 원통형 보조부는 상기 원추형 주요부의 상기 최소링으로부터 떨어진 마지막 링에서 상기 호퍼의 상기 유입덕트와 연통하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 점진적으로 증가하는 내경을 가진 최소한 2개의 부가적인 링으로 구성된 역전된 원추형 보조부가 상기 원통형 보조부의 상기 부가적인 동일직경 링의 마지막 링의 상기 콘 구조물 하류에 제공되어 있으며, 상기 콘 구조물의 상기 역전된 원추형 보조부와 상기 역전된 원추형 보조부의 최대내경링에서 상기 호퍼의 상기 유입덕트와 연통하는 장치.
  19. 제13항에 있어서, 전진적으로 증가하는 내경을 가진 최소한 2개의 부가적인 링으로 구성된 역전된 원추형 보조부가 상기 원추형 주요부의 상기 최소링의 상기 콘 구조물 하류에 제공되어 있으며, 상기 콘 구조물의 상기 역전된 원추형 보조부는 상기 역전된 원추형 보조부의 최대내경 링에서 상기 호퍼의 상기 유입덕트와 연통하는 장치.
  20. 제13항에 있어서, 상기 콘 구조물은, 점진적으로 감소하는 내경의 복수의 회전을 형성하며, 각각의 회전은 상기 콘 구조물의 각각의 링을 구성하고, 규정된 표면 및 단면 형상 특성을 지닌 나선형 스트립 형태로 되어있는 원피스 유니트이며, 상기 콘 구조물은 상기 나선형 스트립의 최대회전으로부터 떨어진 마지막 회전에서 상기 호퍼의 상기 유입덕트와 연통하는 장치.
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