KR101131092B1 - 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양열 시스템을 이용하여 열전달매체를 가열함으로써 열에너지를 획득하도록 하고, 열전달매체의 열에너지를 이용하여 해수를 가열하여 수증기를 발생시킴으로써 담수가 생성되도록 하되, 상기 해수를 가열하기 위한 증발기에 히트파이프를 사용하여 열전달능력이 향상되도록 함과 동시에, 상기 증발기 및 담수장치 전체의 외벽에 단열재를 추가설치하여 열손실을 최소화시킨 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치에 관한 것이다.

히트파이프, 증발방식, 해수담수화, 증발기, 단열재

Description

히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치{Evaporative Desalination Apparatus of Sea Water Using Heatpipe}

본 발명은 히트파이프를 사용하는 증발기를 사용하여 해수를 가열함으로써 담수를 생성하는 해수 담수화 장치에 관한 것이다.

일반적으로 해수로부터 담수를 분리하는 공정은 에너지원에 따라 크게 열에너지, 기계/전기에너지, 재생에너지 시스템으로 구분되며, 담수 제조 방식에 따라서는 증발/증류법, 역삼투압법, 냉동법, 전기투석법 등이 있다. 이 중 태양열을 이용한 담수법은 열에너지를 이용하는 방법으로 증발기를 1개 적용한 단효용, 그리고 담수 수율을 높이기 위하여 여러 개의 증발기를 채택한 다단효용 시스템으로 구분된다. 이 다단 시스템은 크게 다단 플래시 증류법 (Multi-Stage Flash Distillation, MSF)과 다중효용 증발법(Multi-Effect Evaporation, MED)으로 구분되고 있다. 이러한 방식은 고온의 스템을 사용하거나 대량의 담수를 제조하는 대형 시스템에 적용되고 있다.

반면, 기존 태양열을 열원으로 하는 담수화 시스템은 도 1에서 보는 바와 같이 태양열로부터 흡수한 온도 60℃~80℃의 온수가 증발기에 제공되어 해수로부터 담수를 제조하고 있다. 그 구성은 해수를 기화시키는 증발기(101), 증발된 수증기를 액화시키는 응축기(102), 응축기와 증발기 공간을 진공으로 만드는 이젝터(103), 태양열 집열기(104), 태양열을 저장하는 축열조(105)로 구성된다.

그 원리를 보면, 약 45℃ 정도의 낮은 온도의 물이 태양열 등 열원을 축열하는 축열조(105) 내부를 순환하면서 가열되어 60℃ 정도의 온수가 생성된다. 이 온수는 증발기(101) 내부의 증발관(106)에 유입되어 증발관 외부의 해수를 가열, 증발시키며 증발된 수증기는 응축기 외부 표면에서 액화된다. 이 응축기(102)의 응축관(107) 내부로는 해수가 흐르는 데, 관외부의 수증기를 응축시키면서 온도가 상승되어 증발기에 유입된다. 유입된 해수는 증발관(106) 내부의 온수에 의하여 가열되어 수증기를 방출하게 되고 잔여 해수는 이젝터(103)에 의하여 배출된다. 이때 증발관 내부의 온수는 다시 온도가 저하되어 축열조로 순환된다.

이러한 태양열 이용 시스템은 저에너지, 친환경, 적은 장치 규모 그리고 초기투자비가 적게 들어 대체 수자원 확보를 위한 중요한 기술이 되고 있으며 도서지역이나 여러 소지역에 분산형이 가능한 장점을 보유하고 있다.

그러나 이 태양열 이용한 담수화 기술의 문제점은 태양의 불균일한 일사량으로 인하여 제조되는 담수량이 불규칙하고, 일사량이 적은 경우 열량의 부족으로 생산량이 크게 감소하는 단점이 있다. 그러므로 태양열 담수화 시스템은 일정 규격을 기준할 때, 태양열 집열부에서는 단위 시간당 다량의 에너지 흡수할 수 있고, 담수화 장치의 증발기에는 다량의 에너지를 방출할 수 있는 구조가 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양열 시스템을 이용하여 열전달매체를 가열하여 열에너지를 획득하고, 고효율의 히트파이프를 사용하는 증발기를 이용함과 동시에, 담수장치 외벽에 단열재를 추가설치함으로써, 열손실을 최소화하면서 기존보다 고효율로 해수를 증발시켜 담수를 생성할 수 있도록 한 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 증발식 해수 담수화 장치에 있어서, 고온수가 저장되는 축열조와; 상기 축열조와 연결되며, 순환되는 고온수에 의해 발열하는 히트파이프와; 상기 히트파이프를 해수 저장조에 내설하여, 상기 히트파이프의 발열을 통해 해수를 증발시킴으로써 담수를 만드는 담수부; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 담수부는 내설된 히트파이프의 발열을 통해 해수를 가열하여, 수증기가 생성되도록 하는 증발기와; 상기 증발기에서 발생된 수증기를 응축시켜 담수를 만드는 응축기와; 상기 담수를 저장하는 담수 저장부; 로 이루어지는 것을 특 징으로 한다.

또한, 상기 증발기는 내부에 설치된 분리벽으로 상기 히트파이프가 상, 하로 구획되도록 하여, 상기 분리벽 하단에서는 저장되는 고온수에 의해 상기 히트파이프가 가열되도록 하고, 상기 분리벽 상단에서는 고온수에 의해 가열된 히트파이트가 발열하면서, 상기 해수 저장조 내 해수를 증발시키도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 응축기는 냉각수가 유동되는 응축관으로 이루어지고, 상기 냉각수로는 해수가 사용되며, 냉각되어 사용된 해수의 일부는 해수 저장조로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 통상의 이젝터를 구비하여, 상기 응축기에서 사용되어진 해수를 외부로 배출시키고, 상기 담수부 내 공기를 흡입하여 내부를 진공상태로 만드는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 담수부는 상기 증발기와 응축기 사이에 세퍼레이터를 구비하여, 상기 담수부 내부를 진공상태로 만들기 위해 상기 이젝터가 작동되는 경우, 상기 증발기 내 물방울이 이젝터로 흡입되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트파이프는 I형, U형, 루프형 중 어느 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트파이프는 다수개가 일체형으로 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히트파이프는 다수개의 방열핀을 외부로 돌출형성하여 발열면적 이 증대되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 축열조는 열원에 의해 가열된 고온수가 저장되며, 상기 열원으로는 태양열 집열기를 이용하여 태양열이 사용되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 담수부는 외벽에 단열재를 설치하여 열손실이 저감되도록 하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 해수를 증발시켜 담수를 생성시, 증발기에 히트파이프가 사용됨으로 인하여, 태양열 시스템을 통해 가열된 열전달매체의 열에너지가 증발기에 효율적으로 전달될 수 있으며, 상기 히트파이프 및 히트파이프에 형성된 다수의 방열핀을 통해 발열면적이 극대화되어 추가적인 효율상승을 꾀할 수 있음은 물론, 담수장치의 외벽에 설치되는 단열재를 통해, 사용되어지는 열에너지가 손실되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치를 상세히 설명하도록 한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치는 축열조(10), 히트파이프(20), 담수부(60)를 포함한다.

상기 축열조(10)는 열에너지가 저장되어 내부에 순환되는 열전달매체가 가열 되도록 하는 것이다. 본 발명에서는 상기 열원으로 태양열을 사용하였으며, 도 2에서 보는 바와 같이, 태양열 집열기(12)를 통해 축열조(10) 내 열전달매체가 가열되도록 한다. (물론 사용자의 실시예에 따라서 태양열 외에 엔진열 등의 각종 고열원이 이용될 수도 있음은 당연하다.)

상기 열전달매체로는 물이 사용되지만, 사용자의 선택에 의해 다양한 열전달매체로 변경가능함은 당연할 것이다.

상기 담수부(60)는 증발기(23), 응축기(30), 담수 저장부(40)로 이루어지며, 열손실이 최소화될 수 있도록 외벽에는 단열재(80)가 설치된다.

상기 증발기(23)는 히트파이프(20)가 내설되되, 내부에 지면과 수평을 이루는 분리벽(22)을 형성하여, 수직방향으로 내설되는 단일개 또는 다수개의 히트파이프(20)를 상, 하로 구획하도록 한다. 여기서 구획이란 히트파이프(20) 자체를 상, 하 두개로 분리한다는 것이 아니라, 상기 분리벽(20)과 히트파이프(20)를 기준으로 증발기(23) 내 공간을 상단과 하단으로 나누기 위함이다.

즉, 상기 분리벽(22)의 하단으로는 고온수가 유입되며, 고온수는 분리벽(22)의 하단에 위치되어 있는 히트파이프(20)의 하단부를 가열한 후, 내부에 설치된 가이드 베인(Guide Vane, 25)에 의해 유동라인(13)측으로 가이드되어 축열조(10)로 이동하는 순환을 반복하게 되며, 상기 분리벽(22)의 상단에는 해수가 저장되는 해수 저장조(24)가 형성되어 있기에, 상기 고온수에 의해 가열된 히트파이트(20) 내 열매체가 상부로 이동하면서 해수 저장조(24) 내 해수를 증발잠열을 통해 가열하 고, 열을 발산하여 온도가 저하된 열매체는 다시 히트파이프(20)의 하단부로 이동되어 고온수에 의해 재가열되는 순환을 하게 되는 것이다.

상기 히트파이프(20)는 사용자의 실시예에 따라 'I'자형, 'U'자형, 루프(Loop)형 중 어느 하나가 사용될 수 있고, 외주면 또는 외주연에 다수의 방열핀(21)을 돌출형성하여 발열면적이 증대되도록 하며, 상기와 같은 형상의 히트파이프를 다수개 사용하여 일체형으로 사용될 수 있도록 한다. 고온수가 다수의 히트파이프(20)(히트파이프(20) 내부의 열매체)에 열을 전달하고, 열을 전달받은 히트파이프(20)는 발열하면서 해수 저장조(24)의 해수를 가열한 후, 다시 상기 축열조(10)로 유동되는 순환을 반복할 수 있도록 한다. 다시 말해, 상기 고온수는 히트파이프(20)에 열을 전달하여, 히트파이프(20)가 발열하면서 해수와 열교환을 하게 되고, 히트파이프(20)에 열을 전달한 고온수는 축열조(10)를 다시 거치면서 가열되어 다시 히트파이프(20)에 열을 전달하도록 유동되는 것이다.

상기 응축기(30)는 담수부(60) 내에서 증발기(23)의 상부측에 설치되는 것으로, 상기 증발기(23)에서 해수가 히트파이프(20)에 의해 가열되어 수증기가 발생하게 되는데, 상기 수증기가 응축기(30)로 이동되어 응축되는 것이다.

상기 응축기(30)는 펌프(32)를 통해 내부에 냉각수가 유동되는 응축관(31)으로 이루어지며, 상기 냉각수로는 해수가 사용되도록 한다. 또한, 수증기를 냉각시킨 후의 해수의 일부는 후술 될 이젝터(ejector, 70)를 통해 외부로 배출되며, 일부는 증발기(23) 내 해수 저장조(24)에 공급된다.

이러한 응축기(30)에서 응축된 수증기는 액체 상태의 담수가 되고, 이러한 담수는 응축기(30)의 하단, 즉 증발기(23)와 응축기(30)의 사이에 설치된 담수 저장부(40)에 모이게 되어, 상기 담수 저장부(40)의 일단에 형성된 배출부(41)를 통해 수거된다.

상기 이젝터(70)는 응축관(31) 및 증발기(23)에 연통 연결되어, 응축기(30)에서 수증기의 응축에 사용되어진 해수 및 증발기(23)의 해수를 외부로 배출시킬 수 있도록 하며, 또한, 상기 증발기(23)와 응축기(30)가 내부에 설치된 담수부(60)의 상부측에 연결되어, 담수부(60) 내의 공기를 흡입함으로써, 상기 담수부(60) 내부가 진공상태가 되도록 하여 상기 증발기(23) 내에서 해수의 증발이 촉진되도록 한다. 즉, 상기 통상의 이젝터는 외부로 압을 분사하며, 이로 인해 상기 이젝터 내부에 발생되는 부압을 통해 상기 담수부(60) 내 공기가 함께 흡입되어 외부로 배출되는 것이다.

상기 세퍼레이터(50)는 증발기(23)와 응축기(30) 사이에 위치되는 것으로, 도 2를 참조하자면, 증발기(23)와 응축기(30) 사이에 위치되는 담수 저장부(40)의 일측, 즉, 상기 증발기(23)에서 생성된 수증기가 응축기(30)로 이동되는 유로부분에 설치되는 것이다.

상기 이젝터(70)를 통해 담수부(60) 내를 진공상태를 만들시, 상기 이젝터(70)가 담수부(60) 내의 공기를 흡입하면서 증발기(23) 내 해수의 물방울 또한, 흡입하는 경우가 발생하는데, 이런 경우, 흡입된 물방울을 통해 이젝터(70) 내부에 부식이 발생되어 결론적으로 담수장치의 수명을 단축시키는 결과를 초래했다.

이로 인해, 상기 세퍼레이터(50)는 상기 증발기(23)에서 발생되는 수증기가 응축기(30)로 이동하되, 증발기(23) 내의 물방울들은 걸러주도록 하는 것이다. (도 2에 도시된 바와 같이, 이젝터(70)는 응축기(30)의 상부측 담수부(60)에 연결되어 있다.)

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

도 1은 종래의 담수화 장치를 나타낸 시스템도.

도 2는 본 발명에 따른 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치를 도시한 일실시예의 시스템도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 표시>

10: 축열조 11, 32: 펌프

12: 태양열 집열기 20: 히트파이프

21: 방열핀 23: 증발기

24: 해수 저장조 30: 응축기

31: 응축관 40: 담수 저장부

41: 배출부 50: 세퍼레이터

60: 담수부 70: 이젝터

Claims (11)

1. 해수 담수화 장치에 있어서,

   고온수가 저장되는 축열조(10)와;

   상기 축열조(10)로부터 순환되어 저장되는 고온수에 의해, 내부를 유동하는 열매체가 가열되어 발열하는 히트파이프(20)와;

   상기 히트파이프(20)를 해수 저장조(24)에 내설하여, 상기 히트파이프(20)의 발열을 통해 해수를 증발시킴으로써 담수를 만드는 담수부(60);를 포함하여 구성되며,

   상기 담수부(60)는 내설된 히트파이프(20)의 발열을 통해 해수를 가열하여, 수증기가 생성되도록 하는 증발기(23)와, 상기 증발기(23)에서 발생된 수증기를 응축시켜 담수를 만드는 응축기(30)와, 상기 담수를 저장하는 담수 저장부(40)로 이루어지고,

   상기 증발기(23)는 내부에 설치된 분리벽(22)으로 상기 히트파이프(20)가 상, 하로 구획되도록 하여, 상기 분리벽(22) 하단에서는 축열조로부터 순환되어 저장되는 고온수에 의해, 상기 히트파이프(20)의 하단부가 가열되어 히트파이프(20) 내 열매체가 상부로 유동되도록 하고, 상기 분리벽(22) 상단에서는 고온수에 의해 가열되어 히트파이프(20)의 상단부로 이동한 열매체가 히트파이트(20)의 상단부에서 발열하면서, 상기 해수 저장조(24) 내 해수를 증발잠열을 통해 가열하여 증발시키고, 열을 발산하여 온도가 저하된 열매체는 히트파이프(20)의 하단부로 이동되어, 분리벽(22) 하단부에 공급된 고온수에 의해 재가열되며,

   상기 응축기(30)는 냉각수가 유동되는 응축관(31)으로 이루어지고, 상기 냉각수로는 해수가 사용되며, 냉각되어 사용된 해수의 일부는 해수 저장조(24)로 공급되고,

   통상의 이젝터(70)를 구비하여, 상기 응축기(30)에서 사용되어진 해수를 외부로 배출시키고, 상기 담수부(60) 내 공기를 흡입하여 내부를 진공상태로 만들며,

   상기 담수부(60)는 상기 증발기(23)와 응축기(30) 사이에 세퍼레이터(50)를 구비하여, 상기 담수부(60) 내부를 진공상태로 만들기 위해 상기 이젝터(70)가 작동되는 경우, 상기 증발기(23) 내 물방울이 이젝터(70)로 흡입되지 않도록 하고,

   상기 히트파이프(20)는 I형, U형, 루프형 중 어느 하나의 형상을 가지며, 다수개가 일체형으로 사용되며, 다수개의 방열핀(21)을 외부로 돌출형성하여 발열면적이 증대되도록 하고,

   상기 축열조(10)는 열원에 의해 가열된 고온수가 저장되며, 상기 열원으로는 태양열 집열기(12)를 이용하여 태양열이 사용되도록 하며,

   상기 담수부(60)는 외벽에 단열재(80)를 설치하여 열손실이 저감되도록 하고,

   상기 분리벽(22)의 하단에 유입된 고온수는 분리벽(22) 하단 내부에 설치된 가이드 베인(Guide Vane, 25)에 의해, 상기 축열조(10)와 연결된 유동라인(13)측으로 가이드되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 태양열 증발식 해수 담수화 장치.
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