KR970003060B1 - 볼텍스 튜브분리장치 - Google Patents

Abstract

내용없음

Description

볼텍스 튜브분리장치

제1도는 본 발명에 따른 볼텍스 튜브입자회수장치의 축단면도.

제2도는 제1도의 장치의 부분을 통한 흐름을 축단면확대하여 보인 부분확대단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 볼텍스튜브가스정화장치 12 : 외부둥근튜브

14 : 입구 16 : 볼텍스발생기

18 : 볼텍스구역 20 : 오목부

26 : 코아, 골 22 : 외부주변구역, 배출구역

24 : 주출구구역, 중앙출구구역 28 : 날개

30 : 확개부분 32 : 확개각도

34 : 디퓨져부분 36 : 출구포트

38 : 평행부분 40 : 외부수축튜브

42 : 입구/선단변부 43 : 에어로다이나믹

(aerodynamic lip)

44 : 통로 48 : 출구포트

50 : 링 52 : 경사선단벽

54 : 환상오리피스 56 : 플리넘챔바

60 : 주둥이 62 : 어깨

64 : 소켓 66 : 단부

80, 82 : 유선 82.1 : 역류

84, 86, 88 : 유선 90 : 가속구역

92 : 디퓨져구역

본 발명은 가스로부터 입자를 분리하도록 혹은 가스의 입자를 정화하도록 입자함유가스흐름을 처리하는데 적당한 분리장치에 관한 것이다.

본 발명이 관련된 종류의 분리장치는 강조되는 그의 작동관점에 따라 볼텍스 튜브입자회수장치로써 혹은 볼텍스 튜브정화장치로써 더욱 세분하여 기술될 수 있다. 이 발명은 특히 가스의 정화 특히 공기의 정화를 염두에 두고 있다. 따라서, 이 명세서에서는 볼텍스 튜브정화장치란 용어가 일반적으로 사용될 것이다. 그러나, 본 발명은 입자 회수의 관점도 포함한다.

편의적으로, 방향의 기준 더욱 특히, "하류"와 "상류"는 장치를 통한 가스의 정상흐름방향에 따라 해석되어야 한다.

특히, 본 발명은 입자가스를 정화하도록 혹은 가스로부터 입자를 회수하도록 입자함유가스흐름을 처리하는데 사용하기에 적당한 볼텍스 튜브가스정화장치 혹은 입자회수장치로써, 이 장치가, 사용시 상류단부가 될 한 단부에 입구를 가지는 외부둥근튜브와, 입구의 하류의 튜브에 축방향으로 배열된 볼텍스 혹은 회전흐름발생기와, 분리구역의 하류의 튜브의 주변을 향한 주변출구구역과, 분리구역의 하류의 튜브의 중앙을향한 중앙출구구역과, 주변과 중앙출구구역을 분리하도록 외부둥근튜브내에 동심으로 배열되고, 분리구역의 단부에 해당하는 미리 결정된 축위치에서의 입구와 그의 하류단부에서의 중앙출구수단을 가지는 내부둥근수축튜브와, 주변출구구역의 하류의 출구수단을 포함하는 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 기술한 종류의 장치에서 입자를 함유한 가스흐름을 처리함에 있어서, 그의 입구를 통하여 외부둥근튜브속으로 축방향으로 입자함유가스흐름을 유입시키고, 이를 볼텍스발생기를 통하여 안내함에 의해 입자함유가스흐름에 회전하는 흐름을 유도하고, 흐름이 볼텍스발생기와 분리구역을 통하여 흐르는 동안 회전하는 흐름으로 인해 흐름의 외주변을 향하여 입자가 밀리고 동축되도록 하며, 출구수단을 통한 주변출구구역을 통하여, 튜브의 외주변을 향하여, 흐름의 입자가 풍부한 부분을 안내하고, 중앙출구수단을 통한 중앙출구구역을 통하여, 튜브의 중앙을 향하여 흐름의 입자가 희박한 부분을 안내하여, 주변출구구역내의 가속구역에서 흐름의 입자가 풍부한 부분을 가속하는 과정을 포함하는 방법이 구비된다.

가속은 약 50%와 약 300% 사이, 선호적으로는 약 100%가 된다.

이 방법은 가속구역의 하류주변출구구역의 디퓨져에서 유체흐름이 확산 혹은 감속하도록 함에 의해 운동압 혹은 동압을 소모하여 풍부해진 입자흐름에서 정압을 얻는 과정을 더 포함하게 된다.

따라서, 본 발명은 주변출구구역의 적어도 일부분이 사용시 가속유체를 유도하도록 가속구역을 형성하는 유로면적에 관하여 수축하거나 축소하는 상기 기술된 종류의 볼텍스 튜브가스정화장치 혹은 입자회수장치로 확장된다.

축소 혹은 수축은 내부의 둥근추출튜브의 확개 혹은 확관에 의해 형성된다. 내부둥근수축튜브의 확개 혹은 확관의 협각은 약 60°와 약 135°사이이고 선호적으로는 90°가 좋다.

가속구역의 각각의 바로 상류와 하류의 유로면적의 비율은 약 1.5:1과 약 4:1 사이이고 선호적으로 2:1이 좋다.

개발된 예에서, 가속구역의 하류의 주변출구구역의 부분은 입자가 풍부한 흐름을 감속시키도록 배열된 대퓨져의 형태이다.

또다른 개선된 예에서, 내부둥근수축튜브의 확개 혹은 확관은 내부둥근수축튜브로 가는 입구의 공간적으로 하류에서 개시한다. 전술한 입구는 선단변부로부터 내부로 만곡하는

과 예리한 선단변부를 가진 에어로다이나믹 형태의 아가리형태이고

의 만곡반경은

의 두께보다 커서 내부로 하류로 연장하고 선단변부에 있는

에 대해 접선이 내부튜브의 내부주변과 예각을 형성하도록 한다. 선호적으로, 예각은 30°에서 50°의 범위내에 있다.

본 발명이 지금부터 첨부된 도면을 참조하여 예시적으로 설명될 것이다.

도면중 제1도를 참조하면, 볼텍스 튜브가스정화장치가 일반적으로 참조부호(10)를 붙여 표시되어 있다. 장치(10)는 일반적으로 대칭인 둥근형상이고 성형된 합성수지재료의 여러요소로 조립된다. 다른 실시예에서, 이 장치가 다른 재료, 이를 테면, 내마모성이고 내식성인 혹은 비-부식성인 즉 적절한 타입의 강같은 재료로 구성될 수도 있다.

장치(10)는 일반적으로 (12)로 표시된 외부둥근튜브, 한 단부를 향하여 튜브(12)내에 정합맞춤되는 볼텍스발생기(16)와 반대단부를 향하여 튜브(12)내에 동축으로 맞추어지는 내부둥근수축튜브(12)의 형태의 출구코아를 포함한다. 볼텍스발생기를 가지는 단부는 사용시 상류단부가 될 것이고 반대단부는 하류단부가 될 것이다.

전술한 상류단부에, 튜브(12)가 입구(14)를 가진다. 입구(14)로부터, 튜브(12)는 내부에 볼텍스발생기(16)가 일치되는 볼텍스 발생구역(18)을 정의하는 그의 길이부분에 대해 평행하게 연장한다. 그의 상류단부에서 튜브(12)가 오목부(20)의 형태의 장착구조를 가진다.

볼텍스발생기(16)는 중앙코아 혹은 골(26)과 코아(26) 주위에 날카롭게 배열된 한쌍의 나선형 날개(28)를 가진다. 이들의 주변에는 각 날개가 축과 약 57°의 각으로 배열된다.

볼텍스 튜브 발생구역(18)의 하류에서 튜브(12)의 벽이 (30)에서 표시한 바와 같이 미리 결정된 거리만큼 확개된다. 확개부의 협각은 확개벽과 장치(10)의 축사이의 각(32)을 두배한 것과 같다. 각(32)은 5°이고 협각은 10°가 된다.

확개부분(30)의 하류에는, 이 튜브가 더욱 예리하게 확개하여 디퓨져 벽을 형성하며, 이는 일반적으로 부호(34)로 표시되었으며, 이에 대해서는 이후 상세히 설명된다.

디퓨져 벽(34)이 하류에는, 튜브(12)가 (38)에서 표시한 바와 같이 평행하다. 약 120°의 각도를 통한 원주부분 주위를 연장하는 단일입구부분(36)이 평행부분(38)내의 튜브(12)에 구비된다. 단일한 포트 대신, 다수의 원주방향으로 이격된 포트가 구비되어도 좋다.

수축튜브(40)는 수축튜브(40)의 출구(48)로 연장하고 디퓨져 혼합되는 중앙통로(44)속으로 유도되는 입구(42)를 상류단부에 가진다.

입구(40)는 장치(10)의 미리 예정된 축위치에 있다. 분리구역(19)은 볼텍스발생기의 하류단부와 입구(42)사이에 형성된다. 이 실시예에서, 상기 기술된 바와 같이 분리구역(19)은 확개된다. 다른 실시예에서는 분리구역이 평행하다.

분리구역(19)의 하류에는, 외부평행 혹은 배출구역(22)이 내부수축튜브(40)와 외부튜브(12) 사이에 환상으로 형성되고, 중앙 혹은 주출구구역(24)은 내부수축튜브(40)에 의해 경계지워 형성된다. 배출구역(22)과 주출구구역(24) 둘다는 분리구역(19)의 하류이다.

배출구역(22)으로 가는 환상입구는 선단변부(42) 주위에 형성된다. 전술한 환상입구의 하류에 밀접하게 이격되어, 내부수축튜브(40)와 일체인 링(50)이 배출구역(22)으로 돌출한다. 링(50)은 사용시 링(50)의 중심 외측에 환상으로 정의된 환상오리피스(54)를 향하여 배출구역내의 가속구역(90)에서의 흐름과 접촉하는 경사의 선단벽(52)을 형성한다. 경사선단벽(52)은 약 60°에서 약 135°범위에서, 일반적으로 약 90°의 범위에서 있는 협각을 가지는 잘린 원추형 표면을 형성한다.

확개벽부분(34)은 가속구역(90)의 하류배출구역(22)내에 디퓨져구역(92)을 형성한다.

그의 하류단부를 향하여, 내부수축튜브(40)가 주둥이부분(60)을 형성한다. 이는 필요에 따라 약간 경사져도 좋다. 주둥이(60)는 어깨(62)를 가지는 외부로 연장하는 플랜지에서 끝난다. 주둥이(60)는 튜브(12)의 단부분(64)내에 정합 및 맞춤되고 튜브(12)의 단부(66)는 어깨(62)를 검사한다. 따라서, 내부수축튜브(40)는 외부튜브(12)에 관해 동심으로 축방향으로 위치된다. 내부수축튜브(40)는 배출구역(22)이 간섭받지 않고 연속이 되도록 상류방향으로 켄티레바방식으로 연장한다. 따라서, 환상오리피스(54)를 포함하는 배출구역(22)을 통과하는 유로는 방해받지 않고 연속인 방식으로 된다.

사용시, 입자함유가스흐름은 입구(14)를 통하여 튜브(12)속으로 유입된다. 회전흐름은 흐름이 볼텍스 발생구역(18)을 통하여 움직이는 동안 볼텍스발생기(16)에 의해 흐름내에 유도된다. 회전하는 흐름이 분리구역(19)에 들어갔을 때, 유체는 확개부(32)에 의해 허용되는 한 외부로 확산한다.

흐름의 회전특서은 원심력이 흐름내의 가스보다 무거운 입자에 작용하게 하여 입자가 외부로 밀려나게 유도하고 흐름의 외주변을 향하여 농축되도록 한다.

일반적으로, 입자는 흐름의 주변부분에서 농축되거나 풍부해지며 흐름의 중앙부분은 입자가 희박해진다. 흐름의 입자가 풍부한 주변부분이 배출구역(22)으로 흐름에 따라, 오리피스(54)속으로 경사벽(52)을 따라 가속구역(90)에서 수축되므로 일차로 가속되고, 이후 디퓨져 벽(34)을 따라 디퓨져구역(92)에서 감속된다. 흐름의 입자가 풍부한 부분이 플리넘(56)속으로 움직이고 이로부터 출구포트(36)를 통하여 혹은 만일 다수의 원주상에서 이격된 포트가 대신 구비된다면 이들을 통하여 나간다.

흐름의 입자가 희박한 부분이 입구(42)를 통하여 중앙 혹은 주출구구역에 들어가고, 디퓨져에서 확산된후 출구(48)를 통하여 나간다.

제2도를 참조하면, 입구(42)는 그의 선단변부로부터 하류에 또 내부로 안내하는 내부로 만곡된

(43)을 가진다.

(43)의 만곡반경은 입구(42)에서 내부튜브(40)의 두께보다 커서

이, 선단변부에서, 장치(10)의 축에 예각에서 접선을 가지게 된다. 이 실시예에서, 예각은 (45)에서 표시된 바와 같이 약 40°이다. 내부로 만곡된

으로부터, 수축튜브(30)의 내부주변은 짧은 거리로 평행하게 연장하고 다음 확개하여 입구(42)의 디퓨져 하류에 디퓨져를 형성한다.

제2도를 특히 참조하면, 장치(12)를 통한 흐름의 유선이 실선으로 도시되었다. 직관적으로, 선단변부(42)에서 끝나는 하나의 유선(80)이 있을 것을 기대할 것이다. 전술한 유선(80)의 반경방향 외부로 흐르는 흐름성분에 편승된 입자는 환상주변출구구역을 통하여 흘러 유선(84)와 (86)으로 표시된 것과 같은 입자가 풍부한 흐름의 부분을 형성하게 된다. 역으로, 유선(80)의 방사상 내측으로 흐르고 그 속에 편성된 입자가 거의 혹은 조금도 없는 흐름 성분은 유선(88)에 의해 표시한 바와 같이 입자가 희박한 흐름의 부분을 형성하게 된다. 그러나, 본 발명자는 가설이 틀렸음을 알았다.

본 발명자는 이론에 의해 묶여지길 원하지 않는다. 그러나 주변출구구역에서의 흐름의 이론적 설명은 본발명을 이해하는데 도움이 될 것이다.

회전하는 유체장에서 정압은 회전하는 유체장의 축으로부터의 반경방향위치와 함께 증가한다. 따라서, 정압힘은 유체요소를 내부로 밀게 된다. 유체장내의 요소에 작용하는 원심력은 반대방향으로 작용하여 이 요소들을 밖으로 민다. 무거운 입자의 경우, 원심력이 우세하고 이러한 입자는 유체장에서 밖으로 움직인다. 가스성분과 같은 가벼운 유체성분의 경우 압력이 우세하여 이러한 요소를 혹은 이러한 흐름을 내부로 민다. 이는 입자함유가스흐름에서의 무거운 입자들이 흐름의 주변을 향하여 밖으로 농축되는가 하는 이유이다.

그러나, 흐름의 유체성분이 벽같은 장애물에 부딪혔을 때, 그의 흐름의 회전하는 특성이 중단되고 따라서, 이러한 성분에 작용하던 원심력도 중단된다. 그러나, 압력경사(압력구배)는 아직 존재하며 이러한 성분을 안으로 민다.

확개부(52)와 조합된 경계층 혹은 확개부(52)는 장애물로 작용한다. 따라서, 확개부(52) 혹은 그의 경계층에 부딪힌 유체성분은 이러한 성분을 안으로 움직이고 따라서 약간 상류로 즉, 입자가 희박한 흐름속으로 미는 경향이 있는 압력구배를 받게 될 것이다. 이러한 흐름경향은 유선(82)에 의해 설명되었으며 특히(82.1)에서 더욱 잘 설명되었다. 이론적으로 이러한 유선은 충돌됨에서 힘이 균형되도록 즉, 앞으로 뒤로도 움직이지 않도록 존재한다. 충돌의 이점은 역류의 점(point of reverse flow)로써 알려져 있다.

배출구역에서의 입자가 역류속으로 혼입되고, 이에 의해, 분리의 효율을 감소시킨다.

본 발명자는 가속구역(90)에서 입자가 풍부한 흐름을 가속함에 의해, 역류의 점이 상류로 혹은 반경방향내부로 움직임을 발견했다. 따라서, 입자가 풍부한 흐름의 가속은 상기 설명된 역류의 바람직하지 않은 경향을 개선한다.

디퓨져구역(92)에서, 정합은 동압의 소비에서 얻어진다. 이렇게 동압의 소비로 정압을 얻는 것은 입구(14)와 출구포트(36) 사이의 압력강하를 감소시키고 따라서 에너지소비의 관점에서 장치(10)의 효율을 증가시킨다.

본 발명자는 입구(42)의 에어로다이나믹 형상이 본 발명의 이 관점에 따르지 않는 다른 장치에 비해 총압력강하의 약 15%에 해당하는 총압력강하의 실질적 감소의 원인이 됨을 알았다. 압력강하의 이익을 향유하는 대신에, 이는 본 발명자에게 알려진 다른 장치에 비해 압력강하의 증가없이 높은 층질량효율을 주는 작은 내경의 수축튜브를 사용하는 하나의 선택을 허용한다.

본 발명자는 장치의 흐름특성이 공지된 다른 장치에 비해 상당히 더 안정함을 확인했다. 공지된 다른 이러한 장치에서는, 총압력강하와 체적흐름에서 굴곡이 있는 불안정성이 본래의 특성임을 알았다. 다른 장치에서, 역류의 점의 변동은 배출구역으로부터의 입자에 의해 입자희박한 흐름을 더 오염시키게 된다. 본 발명의 장치에서는, 이러한 굴곡이 적어도 감소되고, 대부분의 경우 거의 제거되며, 역류오염도 비슷하게 감소되고 대부분의 경우 실질적으로 제거된다.

도시된 바와 같은 일반적 구조이고, 7°의 확개부 협각, 18mm의 내경의 외부튜브, 60mm의 총길이, 20mm의 볼텍스 발생구역길이, 180°의 볼텍스 각도 및 10mm의 내경의 중앙오리피스를 가지고, 4인치 표준수압(standard water gauge)(약 1kPa)의 총압력강하와 초당 4.6그램의 공기질량흐름에서 가동하는 테스트 샘플에서, 약 97%의 입자제거의 총질량효율이 AC 거친입자(AC coarse dust)에 대해 100% 컷에서 즉, 배출흐름없이 가동하여 얻어졌다.

같은 샘플에 대해, 90% 컷에서 가동하고, 총압력강하가 4인치 표준수압(약 kPa)이고, 주흐름에서 초당 공기질량흐름이 4.6그램일 때, 분리효율이 98%보다 컸다.

두 시험 모두 AC 거친입자로 실시되었다.

본 발명은 본 발명이 관련된 종류의 분리장치의 많은 관점에 기여하는 발명을 했다. 본 발명은 일차적으로 이러한 관점, 즉, 외부주변구역에서의 흐름의 가속을 강조하고, 부수적으로 에어로다이나믹 중앙입구에 관련된 관점을 강조한다. 본 발명의 특징은, 본 발명자의 계중 출원에서 강조된 특징과 함께, 많은 장점을 줌을 알아야 한다. 여기서, 본 발명이 실질적으로 기여하는 이들 장점이 강조된다. 본 발명의 특징은 분리하여 필수적으로 상기 언급된 장점에서의 유일한 인자가 되지는 않는다.

Claims (10)

1. 사용시 상류단부가 될 한 단부에 입구(14)를 가진 외부의 둥근튜브(12), 입구(14)의 하류의 튜브(12)내에 축방향으로 배열된 볼텍스 혹은 회전흐름발생기(16)와, 볼텍스발생기(16)의 하류의 분리구역(19)과, 분리구역(19)의 하류의 튜브(12)의 주변을 향한 주변출구구역(22)과, 분리구역(19)의 하류의 튜브(12)의 중앙을 향한 중앙출구구역(24)과, 주변(22)과 중앙(24)출구구역들을 분리하도록 외부둥근튜브(12)내에 동심으로 배열되고, 분리구역(19)의 단부에 해당하는 미리 결정된 축위치에 입구(42), 그의 하류단부에 중앙출구수단(48)을 가지는 내부둥근수축튜브(40)와, 주변출구구역(22)의 하류의 출구수단(36)을 포함하는 장치(10)내에서, 가스로부터 입자를 회수하거나 혹은 가스입자를 정화하도록 입자함유가스흐름을 처리하는 방법으로써, 이 방법이, 그의 입구(14)를 통하여 외부둥근튜브(12)속으로 입자함유가스흐름을 축방향으로 유입시키고, 볼텍스발생기(16)를 통하여 흐름을 안내함에 의해 입자함유가스흐름내에 회전하는 흐름을 유도하고, 흐름이 볼텍스발생기(16)와 분리구역(19)을 통하여 흐를 동안 회전하는 흐름으로 인해 흐름의 외부주변을 향하여 옮기고 농축되도록 하며, 흐름의 입자가 풍부한 부분을 출구구역(22)을 통하고 주변출구수단(36)을 통하도록 외부주변튜브(12)를 향하여 안내하고, 흐름의 입자가 희박한 부분을 중앙출구구역(24)을 통하고 중앙출구수단(48)을 통하도록, 중앙튜브(12)를 향하여 안내하며, 그 특징이 출구구역(22)내에 가속구역(90)에서 흐름의 입자가 풍부한 부분을 가속하는 과정에 있는 방법.
2. 제1항에 있어서, 흐름의 입자가 풍부한 부분을 50%와 300% 사이로 가속함에 특징이 있는 방법.
3. 제1항 혹은 제2항에 있어서, 흐름의 입자가 풍부한 부분을 가속하는 과정 다음에 가속구역(90)의 하류의 주변출구구역(22)내의 디퓨져구역(92)에서 흐름이 확산 혹은 감속하도록 함에 의해 동압을 소비하며 입자가 풍부한 입자 흐름에 정압을 얻는 과정을 더 포함함에 특징이 있는 장치.
4. 사용시 상류단부가 될 한 단부에 입구(14)를 가진 외부의 둥근튜브(12)와, 입구(14)의 하류의 튜브(12)내에 축방향으로 배열된 볼텍스 혹은 회전흐름발생기(16)와, 볼텍스발생기(16)의 하류의 분리구역(16)과, 분리구역(19)의 하류의 튜브(12)의 주변을 향한 주변출구구역(22)과, 분리구역(19)의 하류의 튜브(12)의 중앙을 향한 중앙출구구역(24)과, 주변(22)과 중앙(24)출구구역들을 분리하도록 외부의 둥근튜브(12)내에 동심으로 배열되고, 분리구역(19)의 단부에 해당하는 미리 결정된 축위치의 입구(42), 그의 하류단부에 중앙출구수단(48)을 가지는 내부의 둥근수축튜브(40)와, 주변출구구역(22)의 하류의 출구수단(36)을 포함하는 볼텍스 튜브가스정화장치(10) 혹은 입자회수장치(10)에 있어서, 주변출구구역(22)의 적어도 일부분이 유로면적에 관하여 축소하거나 혹은 수축되어 사용시 가속흐름을 유도하는 가속구역(90)을 형성하도록 함을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 축소 혹은 수축부(90)가 내부의 둥근수축튜브(40)의 확개부 혹은 플레어링(flaring)(52)에 의해 달성됨을 특징으로 하는 장치.
6. 제5항에 있어서, 내부둥근수축튜브(40)의 플레어링 혹은 확개부(52)의 협각이 60°와 135°사이임을 특징으로 하는 장치.
7. 제4항에 있어서, 가속구역(90)의 바로 상류와 하류 각각의 유로면적의 비율이 1.5:1과 4:1 사이임을 특징으로 하는 장치.
8. 제4항에 있어서, 가속구역(90) 다음에 주변출구구역(22)의 부분이 있고 이 부분은 가속구역(90)의 입자가 풍부한 흐름 하류를 감속시키도록 배열된 디퓨쳐(34)의 형태임을 특징으로 하는 장치.
9. 제5항 혹은 제6항에 있어서, 내부둥근수축튜브(40)의 확개부 혹은 플레어링(52)이 내부둥근수축튜브(40)로의 입구(42)의 공간적으로 하류에서 개시하고, 전술한 입구(42)가 예리한 선단변부(42)를 가전 에어로다이나믹 형태의 아가리(43)의 형태이고

   

   (43)은 선단변부(42)로부터 내부로 만곡되며,

   

   (43)의 만곡부반경은

   

   (43)의 두께보다 커서 내부로 하류로 연장하고 선단변부(42)에 있는

   

   (43)에 접선이 내부튜브(40)의 내부주변과 예각(45)을 형성하도록 함을 특징으로 하는 장치.
10. 제9항에 있어서, 예각(45)이 30°에서 50°의 범위내에 있는 장치.

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