KR100768334B1 - 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수에 포함된 염분을 제거하여 해수를 담수화시키도록 하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공증발챔버의 내부 중앙측에 담수트레이와 필터를 설치한 상태에서, 진공증발챔버의 내부 상,하측에는 해수라인에 의한 증기의 응축부와 해수분사노즐이 각각 위치토록 하며, 상기 해수라인을 통하여 공급되는 해수가 온천수에 의하여 1차 가열된 상태에서 분사되도록 함과 동시에, 해수분사노즐과 인접한 진공증발챔버의 내부 공간에는 터빈동력이나 태양열 또는 풍력을 가열원으로 하는 열매체라인이 해수의 증발부를 형성하도록 설치함으로서, 진공조건하에서 해수의 증발 및 응축을 촉진시켜 담수화작업을 보다 신속하게 수행토록 하면서도, 담수화작업에 자연에너지를 최대한으로 활용하여 시스템의 운전에 따른 비용을 최소화시킬 수 있도록 하고, 이로 인하여 담수의 생산성 향상과 원가절감 및 해수의 농축저장에 의한 소금의 생산을 동시에 이루어낼 수 있도록 하며, 해수라인에 의한 증기의 응축부와 함께 응축수라인 또는 히트파이프에 의한 추가적인 응축구조를 배치하여 해수의 담수화 효율을 보다 더 크게 향상시킬 수 있도록 한 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템에 관한 것이다.

해수, 담수화시스템, 자연에너지, 히트펌프, 히트파이프

Description

자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템{System for taking fresh water from sea water using natural energy}

도 1은 본 발명에 의한 담수화시스템의 일실시예를 나타내는 계통도.

도 2는 본 발명에 의한 담수화시스템의 다른 실시예를 나타내는 계통도.

도 3은 본 발명에 의한 담수화시스템의 제 1응축증발구조를 나타내는 일부확대도.

도 4는 본 발명에 의한 담수화시스템의 제 2응축증발구조를 나타내는 일부확대도.

도 5는 본 발명에 의한 담수화시스템의 제 3응축증발구조를 나타내는 일부확대도.

도 6은 본 발명에 의한 담수화시스템의 제 4응축증발구조를 나타내는 일부확대도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 담수화시스템 2 : 온천수 순환조 3 : 온천수라인

4 : 1차 열교환기 5 : 해수저장조 6 : 동력열발생조

7 : 터빈 7a : 회전축 7b : 블레이드

8 : 열교환기 9 : 온수라인 10 : 진공증발챔버

11 : 해수라인 11b : 해수분사노즐 12 : 담수트레이

13 : 필터 14 : 열매체라인 15 : 농축저장조

15a : 추출라인 16 : 담수저장조 16a : 배수라인

17 : 2차 열교환기 18 : 열회수라인 19 : 히트펌프

20 : 냉매라인 21 : 전기히터 22 : 응축수 순환조

23 : 응축수라인 23b : 응축부 24 : 열전소자

24a : 냉각라인 25 : 히트파이프 25a : 송풍팬

26 : 분리형 히트파이프 26a : 증발기 26b : 응축기

S : 센서 V : 밸브

본 발명은 해수에 포함된 염분을 제거하여 해수를 담수화시키도록 하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공조건하에서 해수의 증발 및 응축을 촉진시켜 담수화작업을 보다 신속하게 수행토록 하면서도, 담수화작업에 자연에너지를 최대한으로 활용하여 시스템의 운전에 따른 비용을 최소화시킬 수 있도록 하고, 이로 인하여 담수의 생산성 향상과 원가절감 및 해수의 농축저장에 의한 소금의 생산을 동시에 이루어낼 수 있도록 하며, 해수라인에 의한 증기의 응축부와 함께 응축수라인 또는 히트파이프에 의한 추가적인 응축구조를 배치하여 해수의 담수화 효율을 보다 더 크게 향상시킬 수 있도록 한 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수 화시스템에 관한 것이다.

일반적으로 강우량이 적은 지역이나 상수도에 의한 물의 공급이 어려운 지역 또는 하천에 의한 댐시설과 같은 수자원 시설이 부족한 지역에서는 최근에 들어 해수를 담수화시킴으로서 각종 생활용수나 공업용수를 공급토록 하는 담수화시스템이 도입되어 사용되고 있으며, 이와 같은 담수화시스템에는 반투막을 사이에 두고 삼투압보다 높은 역삼투압을 해수에 가함으로서 담수를 추출하도록 하는 역침투막방식이나, 두 전극의 사이에 교대로 배치된 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 해수를 흘려보냄으로서 해수중의 이온을 분리 제거하는 전기분해방식이 주로 사용되어져 왔다.

그러나, 상기 역침투막방식에 의한 담수화시스템은 그 설비가 대단히 복잡할 뿐만 아니라 해수의 처리에 고도의 기술을 필요로 하게 되어, 담수화시스템의 초기 설비비용을 포함하여 담수화시스템의 운전 및 유지관리에 따른 비용부담이 크게 되는 문제점이 있었으며, 이러한 고가의 설비에도 불구하고 담수화 효율이 매우 저조하기 때문에 담수의 대량생산에 적합하지 못한 문제점이 있었으며, 상기 전기분해방식을 이용한 담수화시스템의 경우에도 역침투막방식과 마찬가지로 에너지의 사용 및 설비의 유지관리에 과도한 비용이 소요될 뿐만 아니라 담수화장치의 설비시 매우 넓은 부지를 필요로 하는 문제점이 있었다.

또한, 상기와 같은 역침투막방식이나 전기분해방식과는 달리 해수를 증발시켜 담수를 얻기 위한 것으로서 다단플래쉬(MSF, Multistage Flush) 증발법을 이용한 담수화시스템이 알려져 있는 바, 이는 순차적으로 감압상태에 놓여져 있는 일련 의 배관 내부로 과열해수(약 90 ~ 110℃)를 주입시킴으로서, 상기 과열해수가 일련의 배관을 따라 자체적으로 증발하여 수증기를 발생시키도록 하며, 이와 같이 발생한 수증기를 해수의 가열원으로 이용함과 동시에 해수의 가열에 사용된 수증기를 응축시켜 담수를 생성시킬 수 있도록 한 것이다.

그러나, 종래의 다단플래쉬 증발법을 이용한 담수화시스템 또한 관내로 유입되는 해수를 약 90 ~ 110℃ 정도로 가열시키기 위한 연료의 소모량이 크게 되어 담수화시스템의 운전에 많은 경비가 소요되고, 이로 인하여 담수의 생산단가가 높아지게 되므로 경제성이 저하되는 문제점이 있었을 뿐만 아니라, 과열해수가 유동하는 배관의 내부에 해수스케일이 점착되어 배관의 폐쇄현상이 쉽게 발생하기 때문에, 이를 방지하기 위하여 해수에 특수한 약품을 투입시키거나 해수를 전처리시키는 것과 같은 추가적인 해수처리를 거쳐야 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 담수화시스템은 진공증발챔버의 내부 중앙측에 담수트레이와 필터를 설치한 상태에서, 진공증발챔버의 내부 상,하측에는 해수라인에 의한 증기의 응축부와 해수분사노즐이 각각 위치토록 하며, 상기 해수라인을 통하여 공급되는 해수가 온천수에 의하여 1차 가열된 상태에서 분사되도록 함과 동시에, 해수분사노즐과 인접한 진공증발챔버의 내부 공간에는 터빈동력이나 태양열 또는 풍력을 가열원으로 하는 열매체라인이 해수의 증발부를 형성하도록 설치함으로서, 진공조건하에서 해수의 증발 및 응축을 촉진시켜 담수화작업을 보다 신속하게 수행토록 하면서 도, 담수화작업에 자연에너지를 최대한으로 활용하여 시스템의 운전에 따른 비용을 최소화시킬 수 있도록 하고, 이로 인하여 담수의 생산성 향상과 원가절감 및 해수의 농축저장에 의한 소금의 생산을 동시에 이루어낼 수 있도록 하며, 해수라인에 의한 증기의 응축부와 함께 응축수라인 또는 히트파이프에 의한 추가적인 응축구조를 배치하여 해수의 담수화 효율을 보다 더 크게 향상시킬 수 있도록 하는 것을 그 기술적인 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 해수에 포함된 염분을 제거하여 해수를 담수화시키는 시스템에 있어서, 진공증발챔버의 내부 중앙측에는 담수트레이와 필터가 설치되고, 상기 진공증발챔버의 내부 상측에는 해수저장조로부터 순환펌프를 구비하는 상태로 연장되는 해수라인이 삽입되어 증기의 응축부를 형성하며, 상기 진공증발챔버의 내부 상측으로부터 진공증발챔버의 외부로 연장되는 해수라인이 1차 열교환기를 거쳐 담수트레이의 하부측에 해당하는 진공증발챔버의 내부로 재삽입되어 그 해수라인의 선단부가 해수분사노즐을 형성하고, 상기 1차 열교환기의 내부에는 온천수 순환조로부터 순환펌프를 구비하는 상태로 연장되는 온천수라인이 해수라인과의 열교환구조를 형성한 다음 온천수 순환조와 다시 연결 설치되며, 상기 진공증발챔버의 내부 하측에는 순환펌프를 구비한 상태로 폐쇄회로 형태를 가지는 열매체라인의 일측부가 해수분사노즐과 인접한 위치에서 해수의 증발구조를 형성하도록 삽입 설치되고, 상기 진공증발챔버의 외부로 연장되는 열매체라인의 타측부는 열매체의 가열수단으로서 터빈에 의한 동력열발생조로부터 공급되는 온수와의 열교환이 가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 1차 열교환기의 내부에 해수라인과 열교환구조를 형성하도록 삽입되는 배관은 히트펌프의 응축부(발열부)에 해당하는 냉매라인이 되고, 상기 온천수라인은 히트펌프의 증발부(흡열부)와 연결되어 냉매의 증발열원으로 사용되도록 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기 진공증발챔버의 내부 상측에는 해수라인과 함께 응축수라인에 의한 응축부나 송풍팬과 히트파이프에 의한 증기응축부 또는 분리형 히트파이프에 의한 증기응축부가 택일적으로 삽입 설치되어 해수의 응축구조를 형성하게 되고, 상기 진공증발챔버의 외부로 연장되는 열매체라인의 타측부와 연결되어 열매체를 가열시키기 위한 수단은 태양열 또는 풍력에 의하여 생성된 전기를 이용하는 전기히터가 되는 것을 특징으로 하며, 상기 전기히터는 전기의 공급에 따라 발열부와 흡열부로 나뉘어지는 열전소자가 되며, 상기 열전소자의 발열부가 열매체의 가열수단이 되고, 상기 열전소자의 흡열부는 증기의 응축부측과 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 담수화시스템의 일실시예를 나타내는 계통도이며, 도 2는 본 발명에 의한 담수화시스템의 다른 실시예를 나타내는 계통도이고, 도 3 내지 도 6은 본 발명에 의한 담수화시스템의 제 1 내지 제 4응축증발구조를 나타내는 일부확대도이며, 도면에 대한 부호의 설명 중 미설명된 부호 3a, 9a, 11a, 14a, 18a, 20a, 23a는 해당 라인에 설치되는 순환펌프를 나타내는 것이다.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 해수의 담수화를 위한 주된 구성요소로서 내부공간이 진공 상태로 조성되는 진공증발챔버(10)가 설치되고, 상기 진공증발챔버(10)의 내부 중앙측에는 담수트레이(Fresh water tray)(12)와 필터(13)가 삽입 설치됨으로서 진공증발챔버(10)의 내부 공간이 상기 담수트레이(12)와 필터(13)에 의하여 상,하 독립된 공간으로 구획 형성된다.

상기 담수트레이(12)는 도면상 하부측으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 삼각 단면의 접시 형상으로 도시되어 있으나, 응축수로서의 담수를 받아 일정량만큼 저장시킬 수 있는 것이라면 그 형상이나 재질에 특별한 제한을 두지는 아니하며, 가급적 부식에 강한 스테인레스 스틸 재질을 사용하는 것이 바람직하고, 상기 담수트레이(12)의 하단으로부터는 배수라인(16a)이 연장되어 진공증발챔버(10)의 외부에 위치하는 담수저장조(16)와 연결 설치되어 있다.

그리고, 상기 필터(13) 또한 해수의 증발로 인하여 발생한 수증기는 신속하게 상부측으로 유동시키면서도 수증기와 함께 부상하는 각종 이물질을 걸러낼 수 있는 것이라면 어떠한 종류의 것을 사용하여도 무방하며, 가장 대표적인 것으로는 금속 마이크로필터 또는 카트리지형(Cartridge type)의 부직포 필터나 멤브레인(Membrane) 필터 및 활성탄(카본) 필터 등을 들 수 있다.

상기와 같이 담수트레이(12)와 필터(13)에 의하여 구획 형성되는 진공증발챔버(10)의 내부 상측에는 해양심층수와 같이 비교적 깊은 수심에서 유입시킨 낮은 온도(약 4℃ 정도)의 해수가 저장되는 해수저장조(5)로부터 순환펌프(11a)를 구비 하는 상태로 연장되는 해수라인(11)이 삽입되며, 이와 같이 삽입된 해수라인(11)이 진공증발챔버(10)의 상부측 공간을 따라 지그재그 형태로 수 회 정도 굴곡됨으로서 증기의 응축을 위한 응축부를 형성한 다음 진공증발챔버(10)의 외부로 연장된다.

상기와 같이 진공증발챔버(10)의 내부 상측으로부터 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 해수라인(11)은 1차 열교환기(4)를 거쳐 담수트레이(12)의 하부측에 해당하는 진공증발챔버(10)의 공간 내부로 재삽입되고, 이와 같이 삽입되는 해수라인(11)의 선단부는 해수의 (분무식)분사를 위한 해수분사노즐(11b)로 형성되며, 상기 1차 열교환기(4)의 내부에는 온천수 순환조(2)로부터 순환펌프(3a)를 구비하는 상태로 연장되는 온천수라인(3)이 해수라인(11)과 함께 열교환구조를 형성한 다음, 상기 온천수라인(3)이 온천수 순환조(2)와 다시 연결 설치된다.

따라서, 수증기의 응축에 사용된 해수를 상기 1차 열교환기(4)의 내부에서 온천수(약 25 ~ 35℃)에 의하여 1차 가열시킬 수 있도록 이루어지며, 도면상 1차 열교환기(4)의 내부에 형성되는 해수라인(11)과 온천수라인(3)과의 열교환구조는 각각의 라인(3)(11)이 배관의 형태로 인접한 상태에서, 1차 열교환기(4)의 내부에 저장되는 공기나 물 또는 다른 전열유체에 의하여 해당 라인(3)(11) 사이의 열교환이 가능하도록 한 구조를 가지는 것으로 도시되어 있다.

그러나, 이와는 달리 해당 라인(3)(11)을 통하여 공급되는 온천수 또는 해수 자체가 1차 열교환기(4)의 내부에 일시 저장되도록 한 다음, 온천수에 의한 해수라인(11)의 가열 또는 온천수라인(3)에 의한 해수의 가열이 이루어지도록 할 수도 있으며, 1차 열교환기(4)의 내부에 해수를 저장시키는 것은 열교환기(4) 탱크의 부식 우려가 있으므로 가급적 전자의 경우 즉, 온천수에 의한 해수라인(11)의 가열방식을 적용시키는 것이 바람직하다.

상기 온천수 순환조(2)의 내부에는 지열(地熱)에 의하여 가열된 온천수가 미도시된 매설식 순환배관에 의하여 지속적으로 저장 및 순환되며, 이러한 온천수를 온천수라인(3)에 의하여 1차 열교환기(4)측으로 공급시켜 해수의 1차 가열원으로 사용토록 한 것이므로, 실질적인 해수의 1차 가열원은 자연에너지인 지열(地熱)이 되는 바, 온천수를 사용하는 대신에 이러한 지열(地熱)을 해수의 1차 가열에 직접적으로 적용시킬 수도 있음을 밝혀두는 바이다.

상기와 같이 1차 열교환기(4)를 거쳐 진공증발챔버(10)의 내부로 다시 삽입되는 해수라인(11)의 선단부에 해수분사노즐(11b)이 형성되도록 한 상태에서, 해수분사노즐(11b)과 인접한 진공증발챔버(10)의 내부 하측에는 순환펌프(14a)를 구비한 상태로 폐쇄회로 형태를 가지는 열매체라인(14)의 일측부(도면상 좌측부)가 해당 공간에서 지그재그 형태로 수 회 정도 굴곡되어 해수의 증발구조를 형성하도록 삽입 설치된다.

또한, 상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 열매체라인(14)의 타측부(도면상 우측부)는 열매체의 가열수단으로서 터빈(7)에 의한 동력열발생조(6)로부터 공급되는 온수(약 60 ~ 70℃)와의 열교환이 가능하게 설치되는 바, 도면상 열매체라인(14) 및 순환펌프(9a)를 구비하는 온수라인(9)이 열교환기(8)의 내부를 따라 배관의 형태로 삽입된 상태에서, 해당 열교환기(8)의 내부에 저장되는 공기나 물 또는 다른 전열유체에 의하여 각각의 라인(9)(14) 사이에 열교환이 가능하도록 한 구조를 가지는 것으로 도시되어 있다.

그러나, 상기 1차 열교환기(4) 부분에서 이미 설명되어진 바와 같이 해당 라인(9)(14)을 통하여 순환되는 온수 또는 열매체(아세톤이나 메탄올과 같이 비등점이 낮고 증발잠열이 큰 액체가 바람직하다) 자체가 열교환기(8)의 내부에 일시 저장되도록 한 다음, 온수에 의한 열매체라인(14)의 가열 또는 온수라인(9)에 의한 열매체의 가열이 이루어지도록 할 수도 있으며, 이와 같이 열매체를 사용하는 대신에 상기 온수라인(9)을 진공증발챔버(10)의 내부로 직접 삽입시켜 해수의 증발구조를 형성토록 할 수도 있다.

또한, 열매체의 가열수단으로 사용되는 터빈(7)은 그 회전축(7a)에 고정된 블레이드(7b)가 동력열발생조(6)의 내부로 삽입됨으로서, 터빈(7)의 구동에 의한 블레이드(7b)의 회전으로 동력열발생조(6)의 내부에 저장된 물의 온도를 일정한 수준까지 상승시킬 수 있게 되며, 진공증발챔버(10)의 적용에 따라 해수의 증발온도를 60℃ 내외로 낮추어 줄 수 있게 됨으로서, 터빈(7)의 구동에 필요한 동력이나 에너지를 최소화시킬 수 있게 된다.

그리고, 상기 해수분사노즐(11b) 및 열매체라인(14)(또는 온수라인)에 의한 해수의 증발부 하측에 해당하는 진공증발챔버(10)의 바닥부 공간은 농축해수의 저장공간을 형성하게 되는 바, 진공증발챔버(10)의 바닥부로부터 농축해수의 추출라인(15a)이 연장되어 농축저장조(15)와 연결 설치되며, 본 발명의 담수화시스템(1)을 이루는 각각의 라인에는 시스템(1)의 원활한 작동을 위하여 미도시된 제어장치와 접속되는 센서(S) 및 유량제어를 위한 밸브(V)가 설치되어 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 담수화시스템(1)을 나타내는 것으로서, 상기 1차 열교환기(4)의 내부에 해수라인(11)과 열교환구조를 형성하도록 삽입되는 배관은 히트펌프(19)의 응축부(발열부)에 해당하는 냉매라인(20)이 되고, 상기 온천수라인(3)은 히트펌프(19)의 증발부(흡열부)와 연결되어 냉매의 증발열원으로 사용되도록 설치되는 것을 제외하고는 위에서 설명되어진 일실시예에 의한 구성과 동일하게 이루어지는 것이다.

즉, 본 발명의 다른 실시예에서는 해수의 1차 가열에 온천수를 직접 이용하는 대신 해수의 가열온도를 비교적 높게 할 수 있는 히트펌프(19)를 해수의 1차 가열원으로 사용토록 한 것으로서, 상기 히트펌프(19)의 압축기로부터 토출된 냉매(약 50℃ 정도가 됨)를 순환펌프(20a)를 구비하는 냉매라인(20)을 통하여 1차 열교환기(4)의 내부로 유동시킴에 따라, 해수라인(11)을 통하여 유동하는 해수가 1차 열교환기(4)에서 냉매에 의하여 가열되도록 이루어진다.

또한, 해수의 가열에 사용되어 응축된 냉매를 히트펌프(19)의 압축기로 재공급시키기 위한 냉매의 증발부측이 순환펌프(18a)를 구비하는 열회수라인(18)과 열교환구조를 이루도록 함과 동시에, 상기 열회수라인(18)과 온천수라인(3)이 2차 열교환기(17)의 내부에서 열교환 가능하게 설치됨으로서 온천수를 냉매의 증발열원으로 사용할 수 있도록 이루어지며, 상기 열회수라인(18)을 따라 유동하는 유체는 물이나 다른 여러 가지의 전열유체가 사용될 수 있다.

그리고, 상기 2차 열교환기(17) 또한 위에서 설명되어진 바와 같이, 해당 라인(3)(18)을 통하여 순환되는 온천수 또는 전열유체 자체가 해당 열교환기(17)의 내부에 일시 저장되도록 한 다음, 온천수에 의한 열회수라인(18)의 가열 또는 온천수라인(3)에 의한 전열유체의 가열이 이루어지도록 할 수도 있으며, 이와 같이 열회수라인(18)을 사용하는 대신에 상기 온천수라인(3)이 히트펌프(19)의 증발부측과 직접 연결되도록 할 수도 있다.

도 3 내지 도 6에 도시된 것은 본 발명에 의한 담수화시스템(1)의 주요 구성요소를 이루는 진공증발챔버(10)의 내부에 해수라인(11)과 함께 설치되는 증기의 응축구조 및 해수분사노즐(11b)과 함께 설치되는 열매체라인(14)에 의한 해수의 증발구조를 각각의 실시예별로 나타낸 것이다.

먼저, 도 3에 도시되어 있는 제 1응축증발구조는 진공증발챔버(10)의 내부 상측에 해수라인(11)과 함께 응축수라인(23)의 응축부(23b)가 삽입 설치되고, 상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 응축수라인(23)은 순환펌프(23a)를 구비한 상태로 응축수의 유입단과 배출단이 응축수 순환조(22)와 연결 설치되며, 상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 열매체라인(14)의 타측부(도면상 우측부)와 연결되어 열매체를 가열시키기 위한 수단은 태양열 및/또는 풍력에 의하여 생성된 전기를 이용하는 전기히터(21)가 되도록 한 것이다.

상기 응축수 순환조(22)를 거쳐 순환되는 응축수는 연안해역의 해수 또는 담수화시스템(1)이 설비되는 지역에서 구할 수 있는 지표수나 지하수(응축수 순환조를 거쳐 지속적으로 순환되므로 많은 량이 필요하지 않을 뿐만 아니라 담수 자원의 고갈을 초래하지 않게 된다) 등과 같이 해수저장조(5)에 저장되는 약 4℃ 정도의 해양심층수보다 높은 온도를 가지지만 증기의 응축을 충분히 수행할 수 있는 약 10 ~ 15℃ 정도의 온도를 가지는 물을 사용하게 된다.

따라서, 상기 응축수 순환조(22)를 거쳐 순환되는 응축수를 순환펌프(23a)에 의하여 응축수라인(23)을 따라 유동시킴으로서, 진공증발챔버(10)의 내부에 설치되는 응축부(23b)가 상기 해수라인(11)과 함께 증기의 응축을 수행할 수 있게 되는 것이며, 상기 응축부(23b)의 형태는 증기의 응축작용을 수행할 수 있는 것이라면 파이프라인으로 이루어지는 튜브형 열교환구조나 핀튜브(Fin & Tube)형 열교환구조와 같은 여러 가지 형태의 열교환구조로 형성될 수 있다.

또한, 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 열매체라인(14)이 태양열 및/또는 풍력을 이용한 전기히터(21)와 열교환 가능하게 설치됨으로서, 열매체의 가열원 즉, 해수의 증발열원이 태양열 및/또는 풍력과 같은 자연에너지가 되도록 한 것이며, 도 3에서 도시된 것과는 달리 전기히터(21)로부터 가열코일(Heating coil)을 연장시켜 이 가열코일이 진공증발챔버(10)의 내부로 직접 삽입되도록 할 수도 있는 바, 이 경우에는 진공증발챔버(10)의 내부로 삽입되는 가열코일의 표면에 부식방지를 위한 방식코팅과 같은 방식처리를 하는 것이 바람직하다.

그리고, 도 4에 도시되어 있는 제 2응축증발구조는 도 3에 도시되어 있는 응축증발구조에 있어, 상기 전기히터(21) 대신에 전기의 공급에 따라 발열부와 흡열부로 나뉘어지는 열전소자(24)(Thermoelement)를 사용하며, 상기 열전소자(24)의 발열부가 열매체의 가열수단이 되도록 하고, 상기 열전소자(24)의 흡열부가 응축수라인(23)과 연결 설치되도록 한 것을 제외하고는 제 1응축증발구조와 동일한 구성으로 이루어지게 되며, 상기 열전소자(24)의 작동을 위한 전기 또한 태양열이나 풍 력과 같은 자연에너지로부터 얻어지게 된다.

상기와 같이 제 2응축증발구조에 사용되는 열전소자(24)는 가정용 냉온수기나 화장실 비대에 주로 사용되는 것으로서, 서로 다른 2종류의 금속단자를 접속시킨 다음 여기에 전류를 흘려보내면, 전류의 방향에 따라 한 쪽 단자는 흡열작용을 일으키고 다른 쪽 단자는 발열작용을 일으키는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용한 것이며, 2종류의 금속단자 대신에 전기전도 방식이 다른 비스무트(Bi)나 텔루르(Te) 등의 반도체를 사용할 경우에는 효율성이 높은 흡열 및 발열 작용이 가능한 열전소자를 얻을 수 있다.

상기와 같은 열전소자(24)의 발열부측이 열매체의 가열원 즉, 해수의 증발열원이 되도록 함과 동시에 열전소자(24)의 흡열부측이 응축수의 냉각원이 되도록 하며, 도면상 열매체라인(14)이 열전소자(24)의 발열부측과 연결 설치된 것으로 도시되어 있으나, 열전소자(24)의 발열부로부터 가열코일(Heating coil)을 연장시켜 이 가열코일이 진공증발챔버(10)의 내부로 직접 삽입되도록 할 수도 있는 바, 이 경우에는 위에서 설명되어진 바와 같이 진공증발챔버(10)의 내부로 삽입되는 가열코일의 표면에 방식코팅과 같은 방식처리를 하는 것이 바람직하다.

또한, 도면상 열전소자(24)의 흡열부측으로부터 연장되는 냉각라인(24a)이 응축수라인(23)과 병렬식으로 연결 설치됨으로서, 응축수 순환조(22)로부터 응축수라인(23)을 따라 유동하는 응축수의 일부를 냉각라인(24a)을 통하여 열전소자(24)의 흡열부측으로 순환시키도록 도시되어 있으나, 응축수라인(23) 자체를 상기 열전소자(24)의 흡열부측과 열교환 가능하게 설치하여 열전소자(24)의 흡열부에서 냉각 된 응축수가 응축부(23b)로 공급되도록 할 수도 있고, 응축수 순환조(22)로부터 별도의 배관을 연장시켜 응축수 자체를 열전소자(24)의 흡열부측으로 순환시키도록 할 수도 있음을 밝혀두는 바이다.

그리고, 도 5 및 도 6에 도시된 제 3 및 제 4응축증발구조는 상기 진공증발챔버(10)의 내부 상측에 히트파이프(Heat pipe)에 의한 증기의 응축부를 해수라인(11)과 함께 설치한 것이며, 그 나머지 구성은 상기 제 1응축증발구조와 동일하게 이루어지는 것으로서, 상기 히트파이프는 그 내부에 저장되는 작동유체의 증발잠열을 이용하여 적은 온도차에서도 무동력으로 열을 효과적으로 이송하는 열교환장치의 일종이며, 미세관 형태를 가지는 몸체의 내부에 증류수나 알콜과 같이 비등점이 낮은 작동유체가 봉입된 것이다.

도 5에 도시된 제 3응축증발구조에서는 수 개 내지 수십 개에 해당하는 히트파이프(25)의 일측부가 해수라인(11)과 함께 진공증발챔버(10)의 내부로 삽입되어 증기의 응축구조를 형성하게 되며, 진공증발챔버(10)의 외부로 노출되는 히트파이프(25)의 타측부가 증기의 응축에 사용되어 가열 및 증발된 작동유체의 방열부를 형성하게 되는 바, 작동유체의 방열을 보다 효과적으로 수행할 수 있도록 해당 히트파이프(25)측에는 냉각용 송풍팬(25a)이 근접하여 설치되어 있다.

또한, 송풍팬(25a)에 의한 작동유체의 방열성능, 즉 작동유체의 응축작용을 보다 신속하고 효과적으로 수행하여 담수화 성능을 향상시킬 수 있도록 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 히트파이프(25) 부분을 따라 수십 내지 수백 개의 방열판(작은 원판)이나 방열핀을 일체로 형성시킬 수도 있으며, 상기 송풍팬(25a)의 경 우에도 전기히터(21)와 마찬가지로 태양열이나 풍력에 의하여 얻은 전기로서 작동되도록 할 수도 있다.

또한, 도 6에 도시된 제 4응축증발구조에서는 분리형 히트파이프(26)를 사용하게 되는 데, 상기 분리형 히트파이프(26)의 경우 그 기능적인 측면이나 작동적인 측면에 있어서는 제 3응축증발구조에 사용된 히트파이프(25)와 동일하게 이루어지는 것이고, 단지 차이가 있는 점은 작동유체의 증발기(26a)와 응축기(26b)가 각각 독립된 열교환기로서 분리 설치되고 그 사이로 작동유체를 수송하는 연결관이 따로 형성되어 있다는 것이다.

즉, 히트파이프(25)(26)의 내부에 봉입된 작동유체가 진공증발챔버(10)의 내부에서 증기의 열을 흡수하여 담수를 응축시키는 과정에서 증발 및 기화된 다음, 이와 같이 증발 및 기화된 작동유체가 파이프의 내부를 따라 진공증발챔버(10)의 외부로 이동하여 열을 방출시키는 과정에서 응축되며, 이와 같이 응축된 작동유체가 파이프의 내부를 따라 진공증발챔버(10)의 내부로 다시 순환되는 싸이클 자체는 동일하게 이루어지는 것이다.

다만, 도 5에 도시된 일반적인 히트파이프(25)는 작동유체의 증발과 응축 및 작동유체의 이송이 하나의 배관에 걸쳐 동시 다발적으로 이루어지는 반면, 도 6에 도시되어 있는 분리형 히트파이프(26)의 경우는 작동유체의 증발과 응축 및 작동유체의 이송이 증발기(26a)와 응축기(26b) 및 연결배관을 통하여 각각 독립적이며 집중적으로 이루어지도록 한 것이다.

따라서, 상기 분리형 히트파이프(26)가 일반적인 히트파이프(25)보다 증발 기(26a)에서의 증기응축성능 및 응축기(26b)에서의 방열성능이 우수하게 되고, 이로 인하여 응축기(26b)측에 송풍팬과 같은 수단을 별도로 설치하지 않더라도 우수한 방열기능을 수행할 수 있게 되지만, 작동유체의 방열기능을 보다 더 향상시킬 수 있도록 응축기(26b)측에 상기 송풍팬(25a)과 같은 방열수단을 설치할 수도 있으며, 분리형 히트파이프(26)를 이루는 증발기(26a)와 응축기(26b)의 구조 또한 튜브식(Tube type), 쉘 앤 튜브식(Shell & Tube type), 핀튜브식(Fin & Tube type)과 같은 여러 가지 종류의 열교환구조가 적용될 수 있다.

마지막으로, 본 발명에 사용되는 해수저장조(5)와 동력열발생조(6) 및 각각의 열교환기(4)(8)(17) 케이싱에는 외부와의 열교환을 차단시킬 수 있도록 단열처리를 하는 것이 바람직하고, 필요에 따라서는 온천수 순환조(2)와 응축수 순환조(22)에도 이러한 단열처리를 행할 수도 있으며, 해수의 저장 및 유동을 위한 케이싱이나 배관은 부식에 강한 스테인레스 스틸 재질이나 FRP(섬유강화플라스틱) 또는 이와 유사한 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

이하, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 의한 담수화시스템의 작용관계를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 터빈(7)의 구동에 따른 블레이드(7b)의 회전으로 동력열발생조(6)의 내부에 저장된 물이 가열되도록 한 상태에서, 해수라인(11)에 설치된 순환펌프(11a)를 작동시켜 해수저장조(5)로부터 해수라인(11)을 따라 해수가 공급되도록 하고, 온수라인(9)에 설치된 순환펌프(9a) 및 열매체라인(14)에 설치된 순환펌프(14a)를 각각 작동시켜 열매체라인(14)을 따라 온수에 의 하여 가열된 열매체가 진공증발챔버(10)의 내부로 순환되도록 함과 동시에, 온천수라인(3)에 설치된 순환펌프(3a)를 작동시켜 온천수라인(3)을 따라 1차 열교환기(4)의 내부로 온천수가 순환되도록 하게 된다.

상기와 같은 상태로 담수화시스템(1)을 세팅시키게 되면, 해수라인(11)을 따라 공급되는 해수가 1차 열교환기(4)를 통과하는 과정에서 온천수에 의하여 1차 가열된 다음, 진공증발챔버(10)의 내부에 형성된 해수분사노즐(11b)을 통하여 해수가 분무식으로 분사되며, 이와 같이 분사된 해수가 해수분사노즐(11b)과 인접한 열매체라인(14)의 표면과 접촉하게 됨과 동시에, 열매체라인(14)을 따라 유동하는 열매체에 의하여 증발된다.

상기와 같이 해수의 증발에 사용된 열매체는 열매체라인(14)을 따라 열교환기(8)의 내부로 유동하게 됨으로서, 동력열발생조(6)로부터 온수라인(9)을 따라 유입된 온수에 의하여 해당 열교환기(8)의 내부에서 재가열된 다음 진공증발챔버(10)의 내부로 다시 공급되며, 이로 인하여 진공증발챔버(10)의 내부에서 열매체에 의한 해수의 지속적인 증발작용을 행할 수 있게 된다.

또한, 해수의 증발에 의하여 생성된 수증기는 진공증발챔버(10)의 상부측으로 이동하여 필터(13)를 거치는 과정에서 이물질이 제거된 다음, 진공증발챔버(10)의 상부측에 증기의 응축구조를 형성하도록 삽입되어 있는 해수라인(11)과 접촉하게 되는 바, 상기 해수라인(11)의 내부에는 해수저장조(5)로부터 유입된 약 4℃ 정도의 해수가 유동하고 있으므로 해수라인(11)의 표면상에 수증기가 응축된다.

상기와 같이 해수라인(11)의 표면에 수증기가 응축됨으로 인하여 발생한 담 수는 그 하부에 위치하는 담수트레이(12)로 낙하되어 저장되며, 이와 같이 담수트레이(12)에 저장된 담수는 배수라인(16a)을 거쳐 담수저장조(16)로 유입되고, 증발작용에 따라 농축된 해수는 진공증발챔버(10)의 바닥부에 고인 상태에서 추출라인(15a)을 거쳐 농축저장조(15)로 유입되는 것이며, 이와 같이 농축저장조(15)에 유입된 농축해수는 미도시된 건조실이나 건조장치로 유입시켜 소금을 생산할 수 있도록 하게 된다.

상기와 같이 본 발명에 의한 담수화시스템(1)은 진공증발챔버(10)의 적용에 따라 해수의 증발온도를 약 60℃ 내외로 낮추어 줄 수 있기 때문에 터빈(7)의 구동에 필요한 동력이나 에너지를 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 종래의 다단플래쉬 증발법과 같이 배관을 따라 90 ~ 110℃ 정도의 과열해수를 유동시킬 필요가 없기 때문에, 해수스케일의 점착에 따른 배관의 폐쇄현상 및 이를 방지하기 위한 해수의 전처리에 따른 문제점을 해결할 수 있게 되고, 이로 인하여 담수화시스템(1)의 운전에 따른 경비와 담수의 생산단가를 절감시킬 수 있게 된다.

특히, 온천수(즉, 지열)에 의한 1차 가열이 이루어진 해수가 해수분사노즐(11b)에 의하여 물안개식으로 분사되도록 함으로서, 진공 조건하에서 해수의 자체 증발 및 열매체라인(14)에 의한 해수의 증발 및 증발된 해수의 응축을 최대한으로 촉진시킴과 동시에, 해수저장조(5)에 저장된 저온의 해수가 유동하는 해수라인(11) 자체를 증기의 응축에 적용시킴에 따라, 담수의 생산성을 향상시켜 담수의 대량생산이 가능토록 하면서도 자연에너지 및 증기 응축원의 효율적인 활용을 통하여 담수의 생산단가 절감에 보다 기여할 수 있게 되는 것이다.

또한, 도 2에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서는 해수의 1차 가열에 온천수를 직접 이용하는 대신 해수의 가열온도를 비교적 높게 할 수 있는 히트펌프(19)를 해수의 1차 가열원으로 사용토록 하고, 상기 온천수는 히트펌프(19)의 작동을 위한 냉매의 증발열원으로 사용토록 함으로서, 해수분사노즐(11b)을 통하여 분사되는 해수의 온도를 상승시켜 해수의 자체 증발 및 열매체라인(14)에 의한 해수의 증발을 보다 더 촉진시킬 수 있게 되며, 이로 인하여 담수의 생산성 향상에 보다 더 기여할 수 있게 된다.

특히, 도 3 내지 도 6에 도시된 제 1 내지 제 4응축증발구조에 의하면, 해수라인(11)에 의한 증기의 응축작용과 함께 응축수가 순환되는 응축부(23b)에 의한 증기의 응축작용 또는 히트파이프(25) 및 송풍팬(25a)에 의한 증기의 응축작용 또는 분리형 히트파이프(26)의 증발기(26a)에 의한 증기의 응축작용을 동시에 적용시킴에 따라, 해수의 증발과정에서 발생한 수증기의 응축성능을 크게 향상시킬 수 있게 되며, 이로 인하여 수증기의 응축에 따른 담수의 생산성 향상 측면에도 보다 더 크게 기여할 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 진공증발챔버(10)의 적용에 따라 해수의 증발온도를 약 60℃ 내외로 낮추어 줄 수 있기 때문에, 터빈(7)에 의한 동력열 발생수단을 대신하여 태양열이나 풍력과 같은 자연에너지에 의하여 생성된 전기를 이용하는 전기히터(21)를 열매체의 가열수단{열전소자(24)를 이용하는 경우에는 열매체의 가열수단 및 응축수의 냉각수단}으로 적용시키더라도 해수의 증발에 따른 담수화시스템(1)의 정상적인 작동이 충분히 가능하게 되며, 이로 인하여 담수화시스템(1)의 운전에 자연에 너지를 최대한으로 활용시켜 담수화시스템(1)의 운전에 따른 경비와 담수의 생산단가 절감에 보다 더 크게 기여할 수 있는 경제성이 매우 우수한 담수화설비를 제공할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 의한 담수화시스템은 진공증발챔버의 적용에 따라 해수의 증발온도를 약 60℃ 내외로 낮추어 줄 수 있기 때문에 터빈의 구동에 필요한 동력이나 에너지, 즉 해수의 증발에 필요한 연료나 에너지를 최소화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배관을 따라 90 ~ 110℃ 정도의 과열해수를 유동시킬 필요가 없기 때문에 해수스케일의 점착에 따른 배관의 폐쇄현상 및 이를 방지하기 위한 해수의 전처리에 따른 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 담수화시스템의 운전에 따른 경비와 담수의 생산단가를 절감시키도록 하는 효과가 있다.

또한, 온천수(즉, 지열)에 의한 1차 가열이 이루어진 해수가 해수분사노즐에 의하여 물안개식으로 분사되도록 함으로서, 진공 조건하에서 해수의 증발 및 증발된 해수의 응축을 최대한으로 촉진시킴과 동시에, 해수저장조에 저장된 저온의 해수가 유동하는 해수라인 자체를 증기의 응축에 적용시킴에 따라, 담수의 생산성을 향상시켜 담수의 대량생산이 가능토록 하면서도 자연에너지 및 증기 응축원의 효율적인 활용을 통하여 담수의 생산단가 절감에 보다 기여하는 효과가 있다.

그리고, 해수의 가열온도를 비교적 높게 할 수 있는 히트펌프를 해수의 1차 가열원으로 사용토록 함과 동시에, 상기 온천수를 히트펌프의 작동을 위한 냉매의 증발열원으로 사용토록 한 경우에는, 해수분사노즐을 통하여 분사되는 해수의 온도 를 상승시켜 해수의 증발을 보다 더 촉진시키도록 하는 효과가 있고, 해수라인에 의한 증기의 응축작용과 함께 응축수 또는 히트파이프에 의한 증기의 응축작용을 동시에 적용시킨 경우에는, 해수의 증발과정에서 발생한 수증기의 응축성능 또한 크게 향상시키도록 하는 효과가 있으며, 이로 인하여 해수의 증발과 수증기의 응축에 따른 담수의 생산성 향상 측면에 보다 더 크게 기여하는 효과가 있다.

특히, 진공증발챔버의 적용에 따라 해수의 증발온도를 약 60℃ 내외로 낮추어 줄 수 있기 때문에, 태양열이나 풍력과 같은 자연에너지에 의하여 생성된 전기를 이용하는 전기히터를 열매체의 가열수단(열전소자를 이용하는 경우에는 열매체의 가열수단 및 응축수의 냉각수단)으로 적용시키더라도 해수의 증발에 따른 담수화시스템의 정상적인 작동이 충분히 가능하게 되며, 이로 인하여 담수화시스템의 운전에 자연에너지를 최대한으로 활용시켜 담수화시스템의 운전에 따른 경비와 담수의 생산단가 절감에 보다 더 크게 기여할 수 있는 경제성이 매우 우수한 담수화설비를 제공토록 하는 효과가 있는 것이다.

Claims (6)

1. 해수에 포함된 염분을 제거하여 해수를 담수화시키는 시스템에 있어서,

   진공증발챔버(10)의 내부 중앙측에는 담수트레이(12)와 필터(13)가 설치되고, 상기 진공증발챔버(10)의 내부 상측에는 해수저장조(5)로부터 순환펌프(11a)를 구비하는 상태로 연장되는 해수라인(11)이 삽입되어 증기의 응축부를 형성하며,

   상기 진공증발챔버(10)의 내부 상측으로부터 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 해수라인(11)이 1차 열교환기(4)를 거쳐 담수트레이(12)의 하부측에 해당하는 진공증발챔버(10)의 내부로 재삽입되어 그 해수라인(11)의 선단부가 해수분사노즐(11b)을 형성하고,

   상기 1차 열교환기(4)의 내부에는 온천수 순환조(2)로부터 순환펌프(3a)를 구비하는 상태로 연장되는 온천수라인(3)이 해수라인(11)과의 열교환구조를 형성한 다음 온천수 순환조(2)와 다시 연결 설치되며,

   상기 진공증발챔버(10)의 내부 하측에는 순환펌프(14a)를 구비한 상태로 폐쇄회로 형태를 가지는 열매체라인(14)의 일측부가 해수분사노즐(11b)과 인접한 위치에서 해수의 증발구조를 형성하도록 삽입 설치되고,

   상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 열매체라인(14)의 타측부는 열매체의 가열수단으로서 터빈(7)에 의한 동력열발생조(6)로부터 공급되는 온수와의 열교환이 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 1차 열교환기(4)의 내부에 해수라인(11)과 열교환구조를 형성하도록 삽입되는 배관은 히트펌프(19)의 응축부(발열부)에 해당하는 냉매라인(20)이 되고, 상기 온천수라인(3)은 히트펌프(19)의 증발부(흡열부)와 연결되어 냉매의 증발열원으로 사용되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 진공증발챔버(10)의 내부 상측에는 해수라인(11)과 함께 응축수라인(23)의 응축부(23b)가 삽입 설치되고, 상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 응축수라인(23)은 순환펌프(23a)를 구비한 상태로 응축수 순환조(22)와 연결 설치되며,

   상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 열매체라인(14)의 타측부와 연결되어 열매체를 가열시키기 위한 수단은 태양열 또는 풍력에 의하여 생성된 전기를 이용하는 전기히터(21)가 되는 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템.
4. 제 3항에 있어서, 상기 전기히터(21)는 전기의 공급에 따라 발열부와 흡열부로 나뉘어지는 열전소자(24)가 되며, 상기 열전소자(24)의 발열부가 열매체의 가열수단이 되고, 상기 열전소자(24)의 흡열부는 응축수라인(23)과 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 진공증발챔버(10)의 내부 상측에는 해수라인(11)과 함께 히트파이프(25)가 증기의 응축구조를 형성하도록 삽입 설치되고, 상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 히트파이프(25)측과 근접하여 냉각용 송풍팬(25a)이 설치되며,

   상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 열매체라인(14)의 타측부와 연결되어 열매체를 가열시키기 위한 수단은 태양열 또는 풍력에 의하여 생성된 전기를 이용하는 전기히터(21)가 되는 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 진공증발챔버(10)의 내부 상측에는 폐쇄 회로 형태를 가지는 분리형 히트파이프(26)의 증발기(26a)가 해수라인(11)과 함께 증기의 응축구조로 삽입 설치되고, 상기 분리형 히트파이프(26)의 응축기(26b)는 진공증발챔버(10)의 외부측에 위치하게 되며,

   상기 진공증발챔버(10)의 외부로 연장되는 열매체라인(14)의 타측부와 연결되어 열매체를 가열시키기 위한 수단은 태양열 또는 풍력에 의하여 생성된 전기를 이용하는 전기히터(21)가 되는 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 해수의 농축 및 담수화시스템.

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