KR101599462B1 - 하이드로사이클론의 라이너 - Google Patents

Abstract

높은 분리 효율을 제공하는 하이드로사이클론의 라이너가 소개된다.
이 하이드로사이클론의 라이너는 유체 혼합물이 유입되는 유입구가 측벽에 마련되고, 측벽의 높이가 상기 유입구의 높이와 동일하며, 상하방향으로 동일한 직경을 갖는 중공부와, 하방향으로 직경이 점차 감소되도록 중공부의 하부에 경사지게 연장되는 콘부와, 중공부에 관통되게 설치되는 오버 토출부와, 콘부의 하부에 연장되는 언더 토출부를 포함할 수 있다.

Description

하이드로사이클론의 라이너{LINER OF HYDROCYLCLONE}

본 발명은 하이드로사이클론의 라이너에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 분리 효율을 구현할 수 있는 하이드로사이클론의 라이너에 관한 것이다.

일반적으로 사이클론 장치는 기체 속에 현탁해 있는 고체입자 또는 액적(液滴)을 분리하거나, 입도 또는 비중의 차이를 이용하여 기체 속에 현탁해 있는 고체입자를 분리하거나, 액체 속에 현탁해 있는 고체입자 또는 다른 종류의 액적을 분리하거나, 입도 또는 비중의 차이를 이용하여 액체 속에 현탁해 있는 고체입자를 분리한다.

이 중에서 액체(또는 서스펜션)를 매체로 하여 고체입자 또는 다른 종류의 액적을 분리하거나, 입도 또는 비중의 차이를 통해 고체입자를 분리하는 사이클론을 하이드로사이클론(hydrocyclone)이라고 한다.

하이드로사이클론은 통상 원통부와 원추부로 이루어지고, 원료는 원통부와 측벽(側壁)에 선방향으로 일정한 속도로 공급되어, 사이클론의 내부에서 와류(渦流)를 발생시킨다. 이에 의해, 원료 속에 함유되어 있는 크기/밀도가 큰 입자는 원심력에 의해서 선회하면서 원추부의 꼭지점 쪽으로 배출되고, 원료 속의 크기/밀도가 작은 입자는 사이클론의 중심부에서 상승 선회와류를 형성하여 원통부의 상단으로 배출된다.

이와 관련하여 "높은 효율을 갖는 하이드로사이클론(특허공개공보 10-1993-7002078호)"가 참고된다.

종래 하이드로사이클론의 라이너(liner)의 경우, 유체 혼합물이 유입되는 유입구를 갖는 분리실이 제공된다. 그리고 분리실에는 실린더 형상을 갖는 원통형 부분과, 유체 혼합물을 급격하게 가속시키기 위한 제 1 테이퍼 부분과, 제 1 테이퍼 부분보다 완만하게 테이퍼지는 제 2 테이퍼 부분이 형성된다.

그런데, 종래 기술의 경우, 유체 혼합물이 유입되는 유입구가 분리실의 원통형 부분에 일부 형성되는 구조이므로, 하이드로사이클론의 분리실의 실제 제작이 어려울 수 있고, 유입구를 통해 분리실에 유입된 유체 혼합물이 분리실의 원통형 부분에서 테이퍼 부분으로 진입하는데 일정 시간 소요되므로, 그 시간 동안 유체 혼합물의 유속 증가가 제한될 수 있다.

국내 특허공개공보 10-1993-7002078호 (1993.09.08. 공개)

본 발명의 실시예들은 분리 효율을 향상시킬 수 있는 하이드로사이클론의 라이너를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 유체 혼합물이 유입되는 유입구가 측벽에 마련되고, 상기 측벽의 높이가 상기 유입구의 높이와 동일하며, 상하방향으로 동일한 직경을 갖는 중공부; 하방향으로 직경이 점차 감소되도록 상기 중공부의 하부에 경사지게 연장되는 콘부; 상기 중공부의 중앙에 관통되게 설치되는 오버 토출부; 및 상기 콘부의 하부에 연장되는 언더 토출부를 포함할 수 있다.

이때, 상기 콘부는 지수 함수 곡선 형태 또는 다차 함수 곡선 형태로 곡률지게 형성될 수 있다.

또한, 상기 언더 토출부는 상기 콘부의 단부와 동일 직경을 갖도록 상하방향으로 연장될 수 있다.

또한, 상기 중공부의 접선방향을 따라 연통되도록 상기 유입구에 연결되는 관부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 콘부 및 상기 중공부의 연결부위는 상기 콘부의 상단부와 상기 중공부의 하단부가 꺾여 연결되는 꺾임라인을 포함하고, 상기 콘부 및 상기 언더 토출부의 연결부위는 상기 콘부의 하단부와 상기 언더 토출부의 상단부가 굴곡지게 연결되는 굴곡면을 포함할 수 있다.

또한, 상기 관부는 사각 단면을 갖는 사각 파이프를 포함할 수 있다.

또한, 상기 관부는 상기 중공부의 접선방향을 따라 나선형으로 곡률지게 상기 유입구에 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 유입구를 통해 유입된 유체 혼합물이 콘부로 바로 이동되어 유속이 가속되므로, 하이드로사이클론에서 높은 분리 효율을 구현할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은 관부를 라이너의 접선방향을 따라 나선형으로 곡률지게 유입구에 연결하므로, 유체 혼합물의 유입 속도를 증가시킬 수 있고, 결국, 유체 혼합물의 분리 효율을 일층 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이드로사이클론의 라이너를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이드로사이클론의 라이너를 도시한 측면도이다.
도 3은 본 발명의 변형예에 따른 하이드로사이클론의 라이너를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 변형예에 따른 하이드로사이클론의 라이너를 도시한 평면도이다.
도 5는 수치해석을 통해 종래기술과 본 실시예의 실시예에 따른 하이드로사이클론의 라이너의 분리 효율을 비교한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이드로사이클론의 라이너를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 하이드로사이클론의 라이너를 도시한 측면도이며, 도 3은 본 발명의 변형예에 따른 하이드로사이클론의 라이너를 도시한 사시도이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 하이드로사이클론의 라이너(100)는, 중공부(110), 콘부(120), 오버 토출부(130) 및 언더 토출부(140)를 포함할 수 있다.

중공부(110)는 상하방향으로 동일한 직경을 갖는 원통형의 실린더 형태로 이루어져, 라이너(100)의 상부 구조를 제공할 수 있다. 중공부(110)의 측벽에는 유체 혼합물이 유입되는 유입구(111)가 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 중공부(110)의 유입구(111)는 라이너(100)의 선회 중심을 기준으로 마주보는 가장자리 측벽에 형성되는 한 쌍으로 이루어지지만, 이 유입구(111)의 위치 및 개수는 라이너(100)의 설계 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

특히, 중공부(110)의 유입구 높이(D1)는 중공부(110)의 측벽 높이(D2)와 동일한 높이를 갖도록 설계된다. 이에 의해, 유입구(111)를 통해 중공부(110)로 유입된 유체 혼합물은, 중공부(110)의 내측벽을 따라 짧은 시간 선회한 후, 콘부(120)의 내측벽을 따라 나선형으로 선회할 수 있다.

중공부(110)의 상부에는 오버 토출부(130)가 삽입될 수 있고, 중공부(110)의 하부에는 콘부(120)가 연결될 수 있다. 그리고 중공부(110)는 콘부(120)와 함께 라이너(100)의 내부공간을 제공할 수 있다.

여기서, 라이너(100)의 내부공간은 유체 혼합물의 원심분리가 이루어지는 공간으로, 실린더 부의 내부공간과 콘부(120)의 내부공간을 합한 공간으로 정의될 수 있다. 이 내부공간 내에 유입된 유체 혼합물 중에서 크기/밀도가 큰 입자는, 원심력에 의해 선회하면서 라이너(100)의 내측벽에 모여, 언더 토출부(140)를 통해 외부로 배출될 수 있고, 유체 혼합물 중에서 크기/밀도가 작은 입자는, 라이너(100)의 중심에서 상승 선회하여 오버 토출부(130)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

콘부(120)는 하방향으로 직경이 점차 감소되는 콘 형상으로, 중공부(110)의 하부에 연결될 수 있다. 보다 자세하게, 콘부(120)는 지수 함수곡선(exponential curve) 형태로 곡률지게 형성될 수 있다. 지수 함수 곡선은 지수 함수 방정식을 그래프로 나타난 곡선으로 정의될 수 있다.

본 실시예에서, 콘부(120)는 지수 함수 곡선 형태로 곡률지게 구성되지만, 이에 한정되지 아니한다. 예컨대, 콘부(120)는 다차 함수 곡선(polynominal curve) 형태로 곡률지게 형성될 수 있다. 다차 함수 곡선은 다차 함수 방정식을 그래프로 나타낸 곡선으로 정의될 수 있다. 아울러, 콘부(120)는 직선형의 테이퍼면을 갖는 선형(linear) 함수 형태로 형성될 수 있다.

콘부(120)는 중공부(110)와 함께 라이너(100)의 내부공간을 공유할 수 있고, 콘부(120) 및 중공부(110)의 연결부위에는 콘부(120)의 상단부와 중공부(110)의 하단부가 꺾여 연결되는 꺾임라인(L)이 형성될 수 있다.

콘부(120)의 길이 및 내측벽 경사각도(콘부(120)의 내측벽 및 라이너(100)의 선회 중심 사이의 각도)는, 원심 분리하고자 하는 유체 혼합물의 입경 기준에 따라 변경될 수 있다.

예를 들어, 콘부(120)의 길이가 길어지고 내측벽 경사각도가 작아지게 되면, 라이너(100)의 내부공간의 체적이 감소하게 되면서, 몸체 벽면의 유속이 증가하게 되므로, 더 작은 입경의 유체 혼합물을 선별할 수 있고, 원심력의 증가를 통해 유체 혼합물의 선별 성능을 향상시킬 수 있다. 본 실시예에서, 콘부(120)의 내측벽 경사각도는 30~40도 범위로 설계될 수 있다.

오버 토출부(130)는 라이너(100)의 내부공간에서 원심분리되어 선별된 유체 혼합물 중에서 크기/밀도가 작은 입자를 외부로 배출시킬 수 있다. 오버 토출부(130)는 상하방향으로 동일한 직경을 갖는 원통형의 실린더 형태로 형성될 수 있으며, 적어도 일부가 중공부(110) 내부에 삽입될 수 있다.

이때, 오버 토출부(130)의 직경 및 길이는, 라이너(100)의 내부공간 내 원심력과 유체 혼합물의 배출속도를 고려하여 설계될 수 있다.

언더 토출부(140)는 라이너(100)의 내부공간에서 원심분리되어 선별된 유체 혼합물 중에서 크기/밀도가 큰 입자를 외부로 배출시킬 수 있다. 언더 토출부(140)는 콘부(120)의 단부와 동일 직경을 갖도록 콘부(120)의 하부에 연장되는 원통형의 실린더 형태로 이루어질 수 있다.

이때, 언더 토출부(140)와 콘부(120)가 연결되는 연결부위는, 콘부(120)의 하단부와 언더 토출부(140)의 상단부를 굴곡지게 연결하는 굴곡면을 통해 연결되므로, 라이너(100)의 내부공간에서 원심분리된 크기/밀도가 큰 입자는, 콘부(120)에서 언더 토출부(140)로 원활하게 배출될 수 있다.

관부(150)는 유체 혼합물을 라이너(100)에 공급하기 위한 파이프로, 중공부(110)의 접선방향을 따라 연통되고, 해당 단면이 사각 단면으로 이루어진 사각 파이프일 수 있다. 이때, 관부(150)의 높이(D3)는 중공부(110)의 유입구 높이(D1)와 동일한 높이로 설계된다.

본 실시예에서, 관부(150)는 사각 파이프로 구성되지만, 관부(150)의 형태는 이에 한정되지는 아니하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 관부(150')는 동일 직경의 원형 단면을 갖는 원형 파이프로 구성될 수 있다. 이때, 관부(150')의 직경은 중공부(110)의 유입구 높이(D1)와 동일한 직경으로 설계된다.

도 4는 본 발명의 다른 변형예에 따른 하이드로사이클론의 라이너를 도시한 평면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 관부(150")는 중공부(110)의 접선방향을 따라 나선형으로 곡률지게 유입구(111)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 유체 혼합물은 나선형으로 굴곡진 관부(150")를 따라, 중공부(110)에 나선 방향으로 유입되고, 나선 방향으로 유입된 유체 혼합물은 콘부(120)의 내측벽을 따라 나선형으로 선회하면서, 유체 혼합물의 유입 속도가 일층 증가될 수 있다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명과 종래 기술 간의 분리 효율을 비교하여 설명하면 다음과 같다.

도 5는 수치해석을 통해 종래기술과 본 실시예의 실시예에 따른 하이드로사이클론의 라이너의 분리 효율을 비교한 그래프이다. 이 그래프의 X축은 해석 시간(Time)을 나타내며, Y축은 분리효율을 나타낸다.

도 5에 도시된 바와 같이, 유체 혼합물이 라이너의 유입구를 통해 라이너의 내부로 유입되면, 유체 혼합물이 라이너 내부에서 분리를 위한 유동장을 형성하는데 시간이 소요되므로, 해당 시간 동안에는 분리효율이 낮게 나타난다. 시간이 지남에 따라서 라이너 내부에서의 유동장이 완전히 성장되면, 그래프에서와 같이, 일정한 분리효율을 나타내게 된다. 본 실시예의 해석에서 사용된 입자의 크기는 30마이크로미터이다.

예컨대, 원통형 부분 및 테이퍼 부분을 갖는 분리실로 이루어진 종래 기술의 경우, 유입구를 통해 분리실로 유입된 유체 혼합물은 분리실을 이동하는 동안에 분리 효율이 83%까지 높아진다.

한편, 측벽의 높이가 유입구의 높이와 동일한 중공부를 갖는 본 발명의 경우, 유입구를 통해 중공부로 유입된 유체 혼합물은 콘부를 이동하는 동안 분리 효율이 93%까지 증가된다.

이와 같이, 본 발명에서는, 유입구를 통해 유입된 유체 혼합물이 콘부로 바로 이동되어 유속이 가속되므로, 유체 혼합물이 원통형 부분을 이동하는 종래 기술에 비하여 하이드로사이클론에서 높은 분리 효율을 구현할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 유입구를 통해 유입된 유체 혼합물이 콘부로 바로 이동되어 유속이 가속되므로, 하이드로사이클론에서 높은 분리 효율을 구현할 수 있고, 유체 혼합물이 유입되는 관부를 라이너의 접선방향을 따라 나선형으로 곡률지게 유입구에 연결하므로, 유체 혼합물의 유입 속도를 증가시킬 수 있는 등의 우수한 장점을 갖는다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.

100 :라이너 110 :중공부
111 :유입구 120 :콘부
130 :오버 토출부 140 :언더 토출부
150 :관부

Claims (7)

1. 유체 혼합물이 유입되는 유입구가 측벽에 마련되고, 상기 측벽의 높이가 상기 유입구의 높이와 동일하며, 상하방향으로 동일한 직경을 갖는 중공부;
   하방향으로 직경이 점차 감소되도록 상기 중공부의 하부에 경사지게 연장되는 콘부;
   상기 중공부에 관통되게 설치되는 오버 토출부;
   상기 콘부의 하부에 연장되는 언더 토출부; 및
   상기 중공부의 접선방향을 따라 연통되도록 상기 유입구에 연결되는 관부를 포함하고,
   상기 관부는
   상기 중공부의 접선방향을 따라 나선형으로 곡률지게 상기 유입구에 연결되는 하이드로사이클론의 라이너.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 콘부는
   지수 함수 곡선 형태 또는 다차 함수 곡선 형태로 곡률지게 형성되는 하이드로사이클론의 라이너.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 언더 토출부는
   상기 콘부의 단부와 동일 직경을 갖도록 상하방향으로 연장되는 하이드로사이클론의 라이너.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 콘부 및 상기 중공부의 연결부위는
   상기 콘부의 상단부와 상기 중공부의 하단부가 꺾여 연결되는 꺾임라인을 포함하고,
   상기 콘부 및 상기 언더 토출부의 연결부위는
   상기 콘부의 하단부와 상기 언더 토출부의 상단부가 굴곡지게 연결되는 굴곡면을 포함하는 하이드로사이클론의 라이너.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 관부는
   사각 단면을 갖는 사각 파이프를 포함하는 하이드로사이클론의 라이너.
7. 삭제

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