具有固定型的扰流诱导器的过滤装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有固定型的扰流诱导器的过滤装置，该过滤装置节约能源以及通过使用固定型的结构高效地产生扰流以在高浓度环境中充分地冲洗分离膜。
【专利说明】具有固定型的扰流诱导器的过滤装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有固定型的扰流诱导器的过滤装置。
【背景技术】
[0002]过滤技术被广泛地应用于饮用水生产和废水处理中。尤其是发生在1993年美国和1996年日本的饮用水污染事件使在饮用水处理工艺中引入膜工艺变为决定性机会。目前，使用膜的过滤技术正在被进一步扩展。
[0003]膜(Membrane)就是具有小于几微米的细微孔的薄膜(Film)。存在精密过滤膜>超滤膜>纳米过滤膜>反渗透过滤膜，这些过滤膜根据它们的孔的尺寸排列。膜通过筛分效应(Sieve Effect)移除杂质，其中膜使比表面上的孔更小的颗粒通过并且阻止比孔更大的颗粒。由于通过几乎完美地将诸如有机/无机物质、隐秘的寄生虫以及细菌等水中的有害物质移除来生产安全的饮用水，因此其是一种环境友好型处理工艺。相比于现有的水处理工艺，该工艺还使用很少量的化学药品。目前，精密过滤膜和超滤膜被用在饮用水生产和处理家庭/工业废水中。纳米过滤膜和反渗透过滤膜被用于生产包含极少量杂质的纯净水。
[0004]由于膜容易地确保固定的水质，因此其被应用。尤其是在韩国，生水的质量在四季中存在很大的变化。在春季和秋季，生水受到潮汐的影响。在夏季，水具有高的污浊度。在冬季，水温非常低。因此，几乎不可能通过现有的沙滤方法来确保恒定的水质。存在其他使用紫外线(UV)或者臭氧的先进方法；然而，它们也有它们自己的问题。尤其是最近的诸如梨形虫和隐孢子虫的原虫问题不能通过现有方法来解决并且确保稳定的水质是困难的。膜解决了这些大部分问题并且在没有受到来自于生水质量或者原虫存在的严重影响的情况下，可以生产固定的水质。膜水处理的容易操作和管理是另外的益处。膜过滤工艺可以被全部自动化。大部分饮用水生产和自清洁工艺可以通过自动操作来执行。因此，即使当专有的工艺-管理人力不充足时，其是可用的。
[0005]然而，膜过滤工艺还具有以下弊端:随着过滤进行，杂质聚集以及阻塞膜并且过滤效率降低。因此，膜工艺具有以下限制:，膜需要在适当的时机被有效地冲洗。因此，存在多种关于膜的有效冲洗的研究以及努力。
[0006]关于膜的杂质阻止技术，存在通过流体速度(此后称为流速使用技术)的阻塞阻止技术，通过振动和湍流(此后称为振动使用技术)的阻塞阻止技术以及使用漩涡(此后称为漩涡使用技术)的阻塞阻止技术。在流速使用技术和振动使用技术的情形中，通过快速保持在膜中的流体线性速度或者使用压缩空气来阻止膜杂质。这些技术在低浓度环境中取得了一些效果；然而，在高浓度环境中很难获得所需的冲洗效率。膜没有被合适地冲洗并且保持阻塞，这导致膜置换或由化学药品来冲洗。膜操作还被异常地执行。
[0007]在漩涡使用技术中，漩涡产生于在膜周围流动的流体上并且通过漩涡来将杂质从膜移除。相比于流速使用技术或者振动使用技术，使用漩涡的阻塞阻止技术提供更佳的表面流动。因此，漩涡使用技术具有在高浓度环境中防止杂质以及使膜能力保持平稳的益处。[0008]应用使用漩涡的阻塞阻止技术的多种设备被显示在图中。图1示出了通过应用使用漩涡的阻塞阻止技术来大批量生产的传统设备。然而，这些设备还具有多种有待解决的问题。图1(A)中显示的设备是由德国的DTRO公司研发的设备。该设备通过使用突出的内部结构促进湍流来阻止膜杂质。该设备是一种高压结构并且主要用在海水淡化中。然而图1 (A)中的设备具有不完整的湍流形成能力并且不适合地用在高浓度环境中。
[0009]图1 (B)中显示的设备是由美国VSEP公司研发的。该设备通过由机械振动直接产生的剪切波来阻止膜杂质。图1(B)中的设备具有优异的杂质防止能力但是由于通过由振动引起的结构上的疲劳影响降低了耐用性而导致具有频繁的机械故障的问题。由于使用独立的驱动功率，因此大量的能量被浪费了。
[0010]图1 (C)中的设备是韩国研发的。该设备由不与膜接触的转子产生旋转的漩涡。该设备使用更小的能量来在膜表面上产生强大的动能作用。图1(C)中的设备具有以下益处:其通过强大的漩涡具有优异的膜杂质阻止能力。然而，由于其复杂的结构因此制造成本是高的。因此，除非制造成本降低，否则很难广泛应用在实际领域中。
[0011]图1 (D)和图1 (E)不出 了韩国专利号 0916940 ( “Filtration device equippedwith spiral support device”, 2009.09.04)和美国专利号 5628909 (“Membrane filterswith corkscrew vortex generating means”，1997.05.13)。上述设备通过插入具有螺旋形凹槽的柱状物或以下结构来产生漩涡，在该结构中，在圆形管道中扁铁被扭曲成螺旋形。这些设备通过在圆形管道中插入固定形状的结构来产生漩涡。在应用于领域时，这些设备具有低的制造成本的益处但是具有漩涡不被充分地产生的限制。此外，存在以下的操作不便:由于采用固定形状，因此设备需要被拆解以便于冲洗和置换。
[0012]如上所述，在使用漩涡的现有膜阻塞防止技术的实际使用中存在很多问题并且一些研究和发展已经展开以解决这些问题。
[0013]发明公开
[0014]抟术问是页
[0015]本发明的实施例提供一种过滤装置，该过滤装置节约能源并且通过使用固定型的结构高效地产生扰流以在高浓度环境中充分地冲洗分离膜。
[0016]问题的解决方案
[0017]在一个总体方面中，过滤装置100，包括:至少一个流动部分110，原水被引入到并且流进该流动部分110中；分离膜120，其能够被支撑地设置在流动部分110的壁表面上并且使被引入该流动部分110中的原水通过并且过滤该原水；容纳部分130，其在内部容纳流动部分110，并且由分离膜120过滤原水所形成的滤过水流入该容纳部分并且该滤过水从该容纳部分被排出，其中，用于产生扰流的扰流诱导部分140被布置为固定在流动部分110内部，以及多个可分离的扰流诱导单元体145被连续布置在主流动方向以在扰流诱导部分140中形成至少一个线路。
[0018]在扰流诱导部分140中，当扰流诱导单元体145的连续布置方向为延伸方向时，所述扰流诱导单元体145在延伸方向上的布置角度具有至少一个值。在扰流诱导部分140中，当预定的扰流诱导单元体145的布置角度被选择作为参考时，与预定的扰流诱导单元体145相邻的扰流诱导单元体145的布置角度垂直于该预定的扰流诱导单元体145的布置角度。[0019]在扰流诱导部分140中，以多于一个的预定间隔分离地布置扰流诱导单元体145。
[0020]在扰流诱导部分140中，多于两个的扰流诱导单元体145被密集布置以形成组并且以多于一个的预定间隔分离地布置每组扰流诱导单元体145。
[0021]扰流诱导部分140还包括用于分离地固定和支撑扰流诱导单元体145的分离支撑件 144。
[0022]扰流诱导单元体145的连续布置方向为延伸方向，扰流诱导单元体145包括:形成在平行于延伸方向的方向上的平面部分141，以及至少一个突出部分142，该突出部分142被形成为从平面部分141的上表面以及下表面的每个均突出。
[0023]在扰流诱导单元体145中，突出部分142被布置为相对延伸方向形成O度至90度的倾角。在扰流诱导单元体145中，突出部分142被布置为相对延伸方向形成30度至60度的倾角。
[0024]在扰流诱导单元体145中，在平面部分141的上表面上形成的突出部分142的倾角不同于在平面部分141的下表面上形成的突出部分142的倾角。
[0025]在扰流诱导单元体145中，平面部分141和突出部分142形成为能够被拆解和被装配。在扰流诱导单元体145中，在平面部分141上形成的突出部142的数量变化。
[0026]发明的有益.效果
[0027]根据本发明，具有用在水处理领域中的分离膜的过滤装置具有以下效果:通过产生漩涡来移除聚集在分离膜中的杂质，以在高浓度环境中充分冲洗分离膜，因而使过滤中的效率最大化。具体说，本发明的过滤装置具有通过流动分析来设计和应用最优化扰流诱导形状以高效地产生扰流的效果。因此，存在该过滤装置可灵活地用在高浓度环境中的益处。
[0028]特别地，过滤装置具有以下益处:可以通过形成多个扰流诱导单元体的布置由过滤装置的形状或尺寸来在没有限制的情况下安装期望的扰流诱导部分，其中，扰流诱导部分被形成为是可拆卸的。此外，存在以下益处:通过扰流诱导单元体的间隔来控制扰流的发生以容易地实现设计者期望的操作条件。
[0029]此外，过滤装置通过固定型的结构产生漩涡，不同于现有技术针对用于旋转或者产生振动的驱动设备需要额外的功率，其不需要内部功率。因此，由于不存在用于驱动的能量消耗，因此过滤装置使得用于操作的成本最小化。此外，过滤装置通过解决诸如由发生在驱动时候的振动引起的损坏或者磨损问题而相对于现有技术具有更好的耐用性。因此，不需要诸如置换由于磨损引起的消耗供应的驱动部分的管理并且由劣化引起的设备的置换周期延长，因而使诸如操作的人力、时间以及成本的资源最小化并且使过滤装置经济。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1示出了用于分离膜的防污染的传统设备。
[0031 ]图2示出了低压力下降(LPD)形状。
[0032]图3示出了通过LPD形状的流动中的速度场的横截面。
[0033]图4示出了根据在LPD-RL类型中雷诺数的变化的颗粒追踪分析的结果。
[0034]图5示出了根据在LPD-RR类型中的雷诺数的变化的颗粒追踪分析的结果。
[0035]图6示出了在LPD形状中当Re = 10000时的等压表面。[0036]图7示出了叶轮形状。
[0037]图8示出了根据在叶轮形状中雷诺数的变化的颗粒追踪分析结果。
[0038]图9示出了具有倾斜凹槽的平板形状。
[0039]图10示出了在旋转上具有两个不同方向的两个反向旋转的流动，这由雕刻在具有倾斜凹槽的平板形状中的平板表面上的倾斜凹槽引起而发生。
[0040]图11示出了通过具有倾斜凹槽的平板形状的流动中的横截面速度场形状。
[0041]图12示出了根据在具有倾斜凹槽的平板形状中的雷诺数的变化的颗粒追踪分析结果。
[0042]图13示出了对具有倾斜凹槽的平板形状的设计要素的限定。
[0043]图14至图17示出了根据在具有倾斜凹槽的平板类型中的每个设计要素(L/D，t，d/D，Re)的变化在流场横截面上的分析结果。
[0044]图18示出了在具有倾斜凹槽的平板形状中的进口位置和出口位置的颗粒分析追踪结果。
[0045]图19示出了当雷诺数为500时根据在具有倾斜凹槽的平板形状中每个形状参数的变化的颗粒追踪分析结果。
[0046]图20示出了根据具有倾斜凹槽的平板形状中的雷诺数的变化的颗粒追踪分析结
果O
[0047]图21示出了在具有倾斜凹槽的平板形状的分析区域中的进口和出口的压力差。
[0048]图22示出了根据在具有倾斜凹槽的平板形状中的雷诺数的变化的沿z轴的压力差。
[0049]图23至26是示出了根据示例性实施例的过滤装置的概念视图。
[0050]图27至29示出了根据第一示例性实施例至第三示例性实施例的作为基本形状的具有带有倾斜凹槽的平板形状的扰流诱导部分。
[0051]图30至图32示出了根据单元体数量的关于流量、消耗功率、以及压头损失的测试结果。
[0052]图33示出了根据最佳示例性实施例的扰流诱导器。
[0053]图34至图36示出了根据最佳示例性实施例的扰流诱导单元体的性能评估测试结
果O
[0054][主要元件的详细描述]
[0055]100:过滤装置 110:流动部分
[0056]120:分离膜130:容纳部分
[0057]140:扰流诱导器141:平面部分
[0058]142:突出部分 143:凹槽
[0059]144:分离支撑件145:扰流诱导单元体
【具体实施方式】
[0060]此后，参考附图，根据本发明的具有上述构造的过滤装置将会被详细描述。 [0061]如上所述，克服以下问题非常重要:当靠近用于引入原水、过滤原水以及排出滤过水的设备中的壁表面的，由分离膜过滤的固体颗粒的层叠阻止了分离膜时，分离膜的性能被限制。为了解决这个问题，移除聚集在分离膜中的颗粒的多种技术已经被提出了。然而，包括用于直接向分离膜施加振动的方法以及用于通过使用操作额外功率的动态结构来产生漩涡以使水快速流动从而清除固体颗粒的方法的技术(参见图1(A)、图1(B)以及图1(C))具有能量被额外地消耗的问题，以及由于由振动引起的疲劳影响可能发生在过滤装置本身上，因此存在耐用性的问题，以及由于由多个组件引起的不容易制造该结构或者设备而存在现场应用的困难，这会引起制造成本的上升。在用于通过使用固定结构(参见图1(D)、图1(E))产生漩涡来移除固体颗粒的方法的情形下，存在诸如容易制造及便宜制造的益处，但是由于漩涡并不是被充分地产生，因此移除颗粒的性能不是很好。
[0062]为了克服现有技术中的问题，本发明提出了以下的过滤装置:当在原水中使用固定结构产生漩涡时，相比于现有技术，通过产生更强大的扰流(chaos flow)，移除颗粒的性能被显著地改善。通过多种研究，变为知晓的事实是:混合效果通过引入混沛对流(chaoticadvection)被快速地提高。用于向流体混合器应用混沌对流的很多情形和研究已经被积极地提出或者展开。本发明通过向扰流混合器的流动分析应用数值分析技术(参考:Kang:T.G and Kwon, T.H., 2004, “Colored particle tracking method for mixing analysis ofchaotic micromixers”，J.Micromech.Microeng.Vol.14, pp.891-899)来尝试设讨种扰流诱导器的最优化形状。
[0063]本发明假设:任意单元形状被形成为以产生这种扰流的诱导器的形状来周期性地重复。例如，单元形状被形成为以显示在图1(D)、图1(E)中的传统漩涡产生器的形状来周期性地重复。基于具有上述形式的流动设备中的形状本身的周期性，通过减少流动设备的尺寸可以有效地计算速度场。在这个情形下，边界条件以及用于获得速度场的不可压缩的标准状态的纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes equation)由下面的方程I来描述。诸如接下来的作为用于满足速度场的周期性边界条件的方程2的条件被引入。
【权利要求】
1.一种过滤装置100，包括: 至少一个流动部分110，原水被引入到并且流进所述流动部分110中； 分离膜120，其能够被支撑地设置在流动部分110的壁表面上并且使被引入所述流动部分110中的原水通过并且过滤所述原水； 容纳部分130，其在内部容纳所述流动部分110，并且由所述分离膜120过滤所述原水所形成的滤过水流入所述容纳部分130并且该滤过水从所述容纳部分130被排出， 其中用于产生扰流的扰流诱导部分140被布置为固定在所述流动部分110内部，以及 多个可分离的扰流诱导单元体145被连续布置在主流动方向上以在所述扰流诱导部分140中形成至少一条线路。
2.根据权利要求1所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导部分140中，当所述扰流诱导单元体145的连续布置方向为延伸方向时,所述扰流诱导单元体145在所述延伸方向上的布置角度具有至少一个值。
3.根据权利要求2所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导部分140中，当预定的扰流诱导单元体145的布置角度被选择作为参考时，与所述预定的扰流诱导单元体145相邻的扰流诱导单元体145的布置角度垂直于所述预定的扰流诱导单元体145的布置角度。
4.根据权利要求1所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导部分140中，以多于一个的预定间隔分离地布置所述扰流诱导单元体145。
5.根据权利要求4所述的过滤装置，其中，所述扰流诱导部分140还包括用于分离地固定和支撑所述扰流诱导单元体145的分离支撑件144。
6.根据权利要求1所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导部分140中，多于两个的所述扰流诱导单元体145被密集布置以形成组并且以多于一个的预定的间隔分离地布置每组扰流诱导单元体145。
7.根据权利要求6所述的过滤装置，其中，所述扰流诱导部分140还包括用于分离地固定和支撑所述扰流诱导单元体145的分离支撑件144。
8.根据权利要求1所述的过滤装置，其中，当所述扰流诱导单元体145的连续布置方向为延伸方向时，所述扰流诱导单元体145包括:形成在平行于所述延伸方向的方向上的平面部分141、以及至少一个突出部分142，该突出部分142被形成为从所述平面部分141的上表面和下表面的每个均突出。
9.根据权利要求8所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导单元体145中，所述突出部分142被布置为相对所述延伸方向形成O度至90度的倾角。
10.根据权利要求9所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导单元体145中，所述突出部分142被布置为相对所述延伸方向形成30度至60度的倾角。
11.根据权利要求9所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导单元体145中，在所述平面部分141的上表面上形成的突出部分142具有倾角，该倾角不同于在所述平面部分141的下表面上形成的突出部分142的倾角。
12.根据权利要求8所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导单元体145中，所述平面部分141和所述突出部分142形成为能够被拆解或者被装配。
13.根据权利要求12所述的过滤装置，其中，在所述扰流诱导单元体145中，在所述平面部分141上形成的突出部分142的数量变化。
【文档编号】B01D35/00GK103889541SQ201280052683
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年4月30日 优先权日:2011年10月26日
【发明者】朴杞宅, 金相旭 申请人:韩国富康技术有限公司