KR100279514B1 - 분체처리 시스템의 이송 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분체처리 시스템의 이송 제어장치에 관한 것으로서, 메인 사일로(11)로부터 로터리 밸브(12) 등을 통하여 투입되는 분체가 이중의 배관으로 유입되는 공기에 의해 이송되어 소정의 공정을 거쳐 처리되도록 하는 시스템에 있어서: 상기 이중의 공기 배관상에 각각의 유로를 개폐하도록 설치되는 개폐밸브(22)(32); 상기 이중의 공기 배관상에서 각각의 개폐밸브(22)(32)의 하류에 설치되고, 분체가 고농도 저속 이송되도록 공기의 유동을 조절하는 제트 노즐(23)(33); 상기 이중의 공기 배관중 일측에 설치되고, 유입되는 공기압이 소정치 이상일 때 일정한 토출압을 유지하는 압력조절 밸브(21); 상기 이중의 공기 배관보다 상류 및 하류에 각각 설치되고, 압력 변화에 따른 신호를 발생하는 압력센서(24)(25); 그리고 상기 압력센서(24)(25)로부터 유입 공기압 및 분체 이송압에 대한 신호를 각각 입력받고, 상기 개폐밸브(22)(32)에 출력하여 배관상에서 공기의 압력과 유량이 적절히 제어되도록 하는 컨트롤 패널(30)을 포함한다.

이에 따라, 공기를 이용한 분체 수송이 저농도 고압 이송식에서 고농도 저속 이송식으로 개선되도록 함으로써 시스템의 효율과 제품의 생산성을 향상하는 효과가 있다.

Description

분체처리 시스템의 이송 제어장치

본 발명은 분체처리 시스템의 이송 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 곡물 등의 분체를 처리하는 시스템에서 분체를 이송하기 위한 공기의 공급방식을 개선하여 공기 사용량을 최소화하면서 분체 이송량을 최대화하도록 하는 분체처리 시스템의 이송 제어장치에 관한 것이다.

일반적으로 곡률, 사료, 합성수지, 의약품, 세제 등의 분체 원료를 처리하는 프로세스 플랜트에는 분체를 손상없이 목적하는 장소까지 이송하기 위해 공기 또는 질소와 같은 불활성 가스를 매개로 하는 공압 이송 시스템(pneumatic conveying system)이 사용된다.

도 1은 종래의 분체처리 시스템의 주요 구성을 개략적으로 나타내는 배관도가 도시된다. 분체처리 시스템의 일례로서, 다량의 분체 원료가 저장되는 메인 사일로(11)와, 메인 사일로(11)의 분체가 필요한 만큼 공급되도록 하는 로터리 밸브(12)와, 블로우어(도시 생략)에서 공급되는 공기로 분체를 이송시키는 이젝터 노즐(13)과, 분체에서 공기를 다시 분리하는 사이클론(14)과, 분체를 다른 공정으로 보내기 전에 일시 저장하는 탱크(15) 등을 지닌다. 사이클론(14)에서 분리된 공기는 배그 필터(16)에서 여과된 후 진공펌프(17)를 통해 배출된다.

이때, 도 1의 상세도에 나타내는 것처럼, 종래의 분체이송 기술은 로터리 밸브(12)의 하부에서 배관상에 이젝터 노즐(13)을 설치하는 간단한 구성을 요소로 하고 도시에는 없으나 블로우어에서 공기의 압력과 유량을 세팅한다. 이러한 방식은 일종의 저농도 고압 이송식으로서 유체의 이송 속도가 30㎧ 이상으로 증가되기 때문에 파쇄율이 5% 이내로 되어야 하는 제품에는 적용하기 곤란하다.

이와 같은 저농도 고압 이송식은 분체/공기의 혼합비가 작기 때문에 상대적으로 수송 배관의 직경이 커지게 되어 설비비를 증가시키고, 공기의 사용량이 많아지므로 동력비를 증가시킨다. 즉 분체이송 장치의 규모가 커지면서 에너지 사용량도 증가되어 전반적인 시스템 효율을 저하시킨다.

또한 공기의 이송 속도가 빠르므로 공기 또는 분체/공기 혼합물의 누설이 심하여 고성능의 실링수단을 추가해야 하고, 수송 배관의 마모에 따라 시스템의 내구성이 급격히 저하되는 동시에 환경오염을 유발하고, 분체의 파쇄율이 증가하여 생산성 저하를 초래한다.

이에 따라 본 발명은 곡물 등의 분체를 처리하는 시스템에서 분체를 이송하기 위한 공기의 공급방식을 개선하여 분체/공기 혼합비를 향상함으로써 시스템의 효율과 제품의 생산성을 향상하는 분체처리 시스템의 이송 제어장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래의 분체처리 시스템의 주요 구성을 개략적으로 나타내는 배관도,

도 2는 본 발명에 따른 장치가 설치된 상태를 부분적으로 나타내는 배관도,

도 3은 본 발명에 따른 장치의 배관 상태를 확대하여 나타내는 구성도,

도 4는 본 발명에 따른 제트 노즐의 내부 구성을 나타내는 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 제어의 일예를 나타내는 플로우 차트.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

11: 메인 사일로 12: 로터리 밸브

13: 이젝터 노즐 14: 사이클론

15: 탱크 16: 배그 필터

17: 진공펌프 20: 제어장치

21: 압력조절 밸브 22: 주 개폐밸브

23, 33: 제트 노즐 24: 제1 압력센서

25: 제2 압력센서 26: 안전 밸브

30: 컨트롤 패널 32: 보조 개폐밸브

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 메인 사일로(11)로부터 로터리 밸브(12) 등을 통하여 투입되는 분체가 이중의 배관으로 유입되는 공기에 의해 이송되어 소정의 공정을 거쳐 처리되도록 하는 시스템에 있어서: 상기 이중의 공기 배관상에 각각의 유로를 개폐하도록 설치되는 개폐밸브(22)(32); 상기 이중의 공기 배관상에서 각각의 개폐밸브(22)(32)의 하류에 설치되고, 분체가 고농도 저속 이송되도록 공기의 유동을 조절하는 제트 노즐(23)(33); 상기 이중의 공기 배관중 일측에 설치되고, 유입되는 공기압이 소정치 이상일 때 일정한 토출압을 유지하는 압력조절 밸브(21); 상기 이중의 공기 배관보다 상류 및 하류에 각각 설치되고, 압력 변화에 따른 신호를 발생하는 압력센서(24)(25); 그리고 상기 압력센서(24)(25)로부터 유입 공기압 및 분체 이송압에 대한 신호를 각각 입력받고, 상기 개폐밸브(22)(32)에 출력하여 배관상에서 공기의 압력과 유량이 적절히 제어되도록 하는 컨트롤 패널(30)을 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명하는 바, 도 2와 도 3을 통하여 본 발명의 구성과 작용을 개략적으로 설명하고, 도 4와 도 5를 통하여 이를 보다 구체화한다.

도 2는 본 발명에 따른 장치가 설치된 상태를 부분적으로 나타내는 배관도가 도시되고, 도 3은 본 발명에 따른 장치의 배관 상태를 확대하여 나타내는 구성도가 도시된다.

도 2에 따르면, 본 발명은 메인 사일로(11)로부터 로터리 밸브(12) 등을 통하여 투입되는 분체가 이중의 배관으로 유입되는 공기에 의해 이송되어 소정의 공정을 거쳐 처리되도록 하는 시스템에 적용한다. 본 발명에 따른 제어장치(20)는 블로우어(도시 생략)에서 로터리 밸브(12)에 이르는 구간에 설치되고 이중의 공기 배관을 이용하여 로터리 밸브(12)로 향하는 공기의 유동 상태를 조절하게 된다.

도 3에서, 본 발명에 따른 제어장치(20)의 내부에서 이중의 공기 배관상에 각각의 유로를 개폐하도록 개폐밸브(22)(32)를 설치하고, 각각의 개폐밸브(22)(32)의 하류에는 각각의 제트 노즐(23)(33)을 설치한다. 좀더 구체적으로 설명하면 유입된 공기가 직선상으로 유동되는 부분인 주배관에는 주 개폐밸브(22)와 제트 노즐(23)이 설치되고, 유입된 공기가 상부로 바이패스되어 유동되는 부분인 보조배관에는 보조 개폐밸브(32)와 제트 노즐(33)이 설치된다. 양측의 개폐밸브(22)(32) 및 제트 노즐(23)(33)은 동일한 것을 사용하고, 주배관과 보조배관을 구성하는 배관의 내경도 동일하게 한다.

양측의 개폐밸브(22)(32)는 솔레노이드로 작동되는 버터플라이 밸브를 사용한다. 제트 노즐(23)(33)은 분체가 고농도 저속 이송되도록 공기의 유동을 조절하는 기능을 지니는데 후술하는 도 4의 설명을 참조한다. 개폐밸브(22)(32) 및 제트 노즐(23)(33)을 포함하는 모든 배관부품은 내식성, 내마모성을 고려하여 스테인레스강을 사용하는 것이 바람직하다.

또, 본 발명에 따르면 상기 이중의 공기 배관중 일측에 압력조절 밸브(21)를 설치한다. 압력조절 밸브(21)는 주 개폐밸브(22) 및 제트 노즐(23)과 같은 주배관에 설치되는데, 유입되는 공기압이 소정치 이상일 때 일정한 토출압을 유지하는 기능을 수행한다. 제트 노즐(23) 상류에서 일정한 공기압이 형성되면 제트 노즐(23)의 하류에서도 공기 유동의 안정성을 유지할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 상기 이중의 공기 배관보다 상류 및 하류에 각각 압력 변화에 따른 신호를 발생하는 압력센서(24)(25)를 설치한다. 상류의 것은 제1 압력센서(24)로서 공기가 유입되는 배관에서 압력을 검출하는 반면, 하류의 것은 제2 압력센서(25)로서 분체/공기가 이송되는 배관에서 압력을 검출한다. 압력센서(24)(25)는 압력변화에 따른 전기적 신호를 발생하는 트랜스미터 외에 시각적 확인이 가능한 인디케이터를 지니는 것을 사용한다.

또, 본 발명에 따르면 상기한 압력센서(24)(25)로부터 입력받고 상기한 개폐밸브(22)(32)로 출력하는 컨트롤 패널(30)을 사용한다. 컨트롤 패널(30)은 제1 압력센서(24)로부터 유입 공기압에 대한 신호를 입력받고, 제2 압력센서(25)로부터 분체 이송압에 대한 신호를 입력받고, 주 개폐밸브(22) 또는 보조 개폐밸브(32)에 출력하여 분체/공기의 배관상에서 공기의 압력과 유량이 적절히 제어되도록 하는 알고리즘을 수행한다.

한편 본 발명의 제어장치(20)에서 이중의 공기 배관에는 안전 밸브(26)를 설치하여 배관의 막힘 등에 의해 비정상적인 압력 상승이 발생하였을 때 주요 기기 및 배관의 손상을 방지한다.

도 4는 본 발명에 따른 제트 노즐의 내부 구성을 나타내는 단면도가 도시된다.

본 발명에 따른 고농도 저속 수송장치의 설계는 기본 사양을 확정하는 단계에서 시작하여 수송풍속을 가정하는 단계, 혼합비를 가정하는 단계, 풍량을 계산하는 단계, 관경을 계산하는 단계, 블로우어 등 부속기기를 선정하는 단계, 압력손실을 계산하는 단계, 상기한 단계를 반복하며 결과의 타당성을 검토는 단계 및 최종설계를 완료하는 단계의 순으로 진행된다.

이때 본 발명에 따른 장치의 설계에서 주요 포인트의 하나인 제트 노즐(23)은 축소되는 구배로 된 유로(23a)를 통하여 유입 공기를 감압하여 초음속으로 변환되도록 한다. 제트 노즐(23)의 유로(23a)는 축소-확대관의 유동 이론(일명; de Laval Nozzle)을 이용하여 설계하는데, 초음속에 의한 충격파를 이용하면 분체의 고농도 저속 수송이 실현된다.

제트 노즐(23)의 유로(23a) 상에서 마하수 M=1 로 되는, 즉 초음속이 되는 목부의 임계 단면적을 , 노즐의 입구 온도 및 압력을 각각 T₀ 및 P₀ 라 하면 r=C_p/C_v=1.4 인 공기에 대하여 질량유동 은

여기서 이고, R 은 기체상수이다.

상기한 식으로부터 제트 노즐(23)의 단면적 설계 및 그 설계치에 따른 질량유동의 확인이 가능하다. 본 발명의 일실시예 의하면 제트 노즐(23)의 유로(23a)는 전 길이 200㎜에 대하여 입구경 Ø12, 출구경 Ø5의 구배로 형성된다. 다른 실시예로서 전 길이 200㎜에 대하여 입구경 Ø18, 출구경 Ø12의 구배로 형성하는 것도 제안된다.

도 5는 본 발명에 따른 제어의 일예를 나타내는 플로우 차트가 도시된다. 도 5에 인용하지 않은 도면 부호는 도 2내지 도 4를 참조한다.

본 발명에 따른 컨트롤 패널(30)은 상류측의 제1 압력센서(24)의 입력이 소정치 이상이면 개폐밸브(22)(32) 중 일측을 개방하고, 하류측의 제2 압력센서(25)의 입력이 소정치 이상이면 개폐밸브(22)(32) 중 타측을 개방하는 것을 주요 기능으로 한다.

본 발명에 따른 컨트롤 패널(30)은 마이콤 제어회로를 별도로 구성하거나 시판되는 PLC를 사용하는 것이 가능하다. PLC를 사용하는 경우 제1 압력센서(24) 및 제2 압력센서(25)는 트랜스미터 기능 대신 설정 압력에서 온오프 신호가 반전되는 스위치 기능을 지니는 것으로 대체한다. 도 5의 작동은 마이콤 제어의 일예를 설명하는 것으로서 PLC제어에도 용이하게 응용될 수 있다.

컨트롤 패널(30)의 프로그램이 시작하면 블로우어가 작동하여 공기가 유입되고 단계 S11에서 제1 압력센서(24)의 신호를 입력한다. 단계 S12에서 컨트롤 패널(30)의 마이콤은 메모리에 기설정된 데이터와 비교하여 배관내 압력이 소정치(예컨대 7㎏/㎠) 이상인지 판단하여 ″Y″이면 단계 S13으로 진행하지만 ″N″이면 단계 S11로 복귀하여 제1 압력센서(24)의 입력 변화를 계속 검출한다.

단계 S13에서 컨트롤 패널(30)은 주 개폐밸브(22)를 온하면 공기는 압력조절 밸브(21)를 지나며 적절한 압력(예컨대 2㎏/㎠)으로 감압되어 제트 노즐(23)에 도달한다. 제트 노즐(23)을 지나며 공기는 약 15㎧에서 340㎧의 초음속으로 변환되어 분체에 분사되므로 분체가 배관내에서 정체되는 것을 방지한다. 일단 분체가 공기에 의해 이송되기 시작하면 플러그(plug ＆ plug)를 형성시키면서 공기의 속도는 현저히 저하되어 약 2㎧의 속도를 유지한다. 그러므로 적은 공기를 사용하여 많은 분체를 이동시키면서 분체의 파쇄율도 줄일 수 있게 된다.

종래의 구성에 의하면 분체/공기의 혼합비를 20:1 이상으로 할 수 없었으나, 본 발명의 구성에 의하면 분체/공기의 혼합비를 40:1 까지 상승시킬 수 있어 에너지 절약 등 시스템 효율의 향상에 기여할 수 있다.

단계 S14에서 제2 압력센서(25)의 신호가 컨트롤 패널(30)에 입력되면 단계 S15에서 마이콤은 메모리에 저장된 데이터와 비교하여 소정치 이상인지 판단한다. 이러한 동작은 분체의 이송중 정체 현상이 발생하면 저항압에 의해 배관내의 정압이 상승하는 것을 검출하여 자동적으로 단계 S14∼단계 S16의 클리닝 모드로 전환하기 위함이다.

단계 S15에서 ″Y″이면 단계 S16으로 가서 보조 개폐밸브(32)를 온시켜 주배관과 보조배관으로 동시에 공기가 유동되도록 한다. 이에 따라 배관내의 압력과 유량이 증가되어 분체의 정체 현상이 해소된다. 종래에는 분체의 정체 현상이 발생하면 작동을 정지하고 배관을 분해해야 하므로 생산성을 저하시키는 하나의 요인이 되었다.

일단 배관내에서 정체 현상이 발생하면 단계 S14에서 단계 S16까지 진행을 반복하여 클리닝 모드를 유지하면서 단계 S15에서 배관내의 압력이 정상으로 복귀되는지 판단한다. 단계 S15에서 ″N″로 판단되면, 즉 배관내의 압력이 정상이라면 컨트롤 패널(30)은 보조 개폐밸브(32)로의 출력을 오프하여 보조배관을 차단함으로써 주배관으로만 공기가 유동되도록 하고 프로그램을 종료한다.

물론 본 발명에 따른 제어장치(20)의 컨트롤 패널(30)은 프로세스 플랜트에서 주제어 패널(도시 생략)과 연계되므로 도 5의 단계 S11∼단계 S17은 서브루틴 프로그램으로서 주기적으로 반복해서 수행된다.

상술한 구성 및 작용을 지니는 본 발명에 따른 분체처리 시스템의 이송 제어장치는 곡물 등의 분체를 처리하는 시스템에서 공기를 이용한 분체 수송이 저농도 고압 이송식에서 고농도 저속 이송식으로 개선되도록 함으로써 시스템의 효율과 제품의 생산성을 향상하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 파이로트(pilot) 플랜트를 이용한 시운전과 병용하면 설계기술 및 기자개의 국산화 개발이 용이하여 상당한 수입대체 효과는 물론 공압 이송 시스템 산업의 발전도 기대할 수 있다.

Claims (3)

1. 메인 사일로로부터 로터리 밸브 등을 통하여 투입되는 분체가 이중의 배관으로 유입되는 공기에 의해 이송되어 소정의 공정을 거쳐 처리되도록 하는 시스템에 있어서:

   상기 이중의 공기 배관상에 각각의 유로를 개폐하도록 설치되는 개폐밸브;

   상기 이중의 공기 배관상에서 각각의 개폐밸브의 하류에 설치되고, 분체가 고농도 저속 이송되도록 공기의 유동을 조절하는 제트 노즐;

   상기 이중의 공기 배관중 일측에 설치되고, 유입되는 공기압이 소정치 이상일 때 일정한 토출압을 유지하는 압력조절 밸브;

   상기 이중의 공기 배관보다 상류 및 하류에 각각 설치되고, 압력 변화에 따른 신호를 발생하는 압력센서; 그리고

   상기 압력센서로부터 유입 공기압 및 분체 이송압에 대한 신호를 각각 입력받고, 상기 개폐밸브에 출력하여 배관상에서 공기의 압력과 유량이 적절히 제어되도록 하는 컨트롤 패널을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 분체처리 시스템의 이송 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제트 노즐은 축소되는 구배로 된 유로를 통하여 유입 공기를 감압하여 초음속으로 변환되도록 하는 것을 특징으로 하는 분체처리 시스템의 이송 제어장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 컨트롤 패널은 상류측의 제1 압력센서의 입력이 소정치 이상이면 개폐밸브 중 일측을 개방하고, 하류측의 제2 압력센서의 입력이 소정치 이상이면 개폐밸브 중 타측을 개방하는 것을 특징으로 하는 분체처리 시스템의 이송 제어장치.