KR101218131B1 - 태양열과 폐열을 이용한 상압 방식의 다중효용 담수장치 - Google Patents

태양열과 폐열을 이용한 상압 방식의 다중효용 담수장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수를 증발시켜 담수화하는 다중 효용 방식의 담수장치에 관련된 것으로서 특히 증발 열원으로서 태양에너지와 디젤 발전기의 폐열을 이용하는 한편 상압 조건에서 다중 효용 방식의 담수화를 실현하여 에너지 효율을 향싱시키는 한편, 본 담수 장치의 초기 구축비용 및 유지 관리비를 절감할 수 있는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치에 관련된 것이다.

Description

태양열과 폐열을 이용한 상압 방식의 다중효용 담수장치{Ambient pressure type multi-effect distiller using solar thermal energy and waste heat}
본 발명은 해수를 증발시켜 담수화하는 다중 효용 방식의 담수장치에 관련된 것으로서 특히 증발 열원으로서 태양에너지와 디젤 발전기의 폐열을 이용하는 한편 상압 조건에서 다중 효용 방식의 담수화를 실현하여 에너지 효율을 향상시키는 한편, 본 담수 장치의 초기 구축비용 및 유지 관리비를 절감할 수 있는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치에 관련된 것이다.
일반적으로 해수를 담수화하는 기술로서는 물의 증발현상을 이용하는 증발법과 막을 이용하는 막여과법이 있다.
상기 막여과법으로서는 역삼투압법이 사용되는데, 상기 역삼투압법은 전기 에너지 소모량이 많고 유지, 보수가 어려워서 소용량화하기 어렵고 전력 인프라가 부족한 지역에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
상기 증발법으로서는 감압 방식의 다중 효용법이 사용되는데, 상기 감압 방식의 다중 효용법은 초기 구축비용 및 유지 관리비가 과다하여 에너지 수급이 어려운 지역에는 사용하기 부적절한 문제점이 있다.
따라서 상술한 바와 같이 도서지역등과 같이 소용량의 담수 설비가 필요한 곳에 적용가능한 것으로서 초기 구축비용과 유지 관리비가 저렴하고 에너지 소모가 적으며 특히 상기 도서지역에서 많이 이용하고 있는 디젤 발전기의 폐열과 태양에너지만을 이용할 수 있는 담수 장치의 개발이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 담수 장치를 제공하기 위한 것으로서 증발 열원으로서 태양에너지와 디젤 발전기의 폐열을 이용하여 에너지 효율을 향상시키는 한편 상압 조건에서 다중 효용 방식의 담수화를 실현하여 초기 구축비용 및 유지 관리비를 절감할 수 있는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치를 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 해수가 저장되는 해수 저장조(300)와, 태양열과 폐열을 이용하여 해수를 증발,담수처리하는 증발 담수부(200)와, 상기 태양열과 폐열 또는 상기 증발 담수부(200)에서 발생한 응축열을 열원으로 하여 해수를 증발,담수처리하는 상압 다중효용 담수부(100)를 포함하는 담수 장치(10)로서,
상기 증발 담수부(200)는 상기 해수 저장조(300)에 설치되어 폐열을 공급하는 폐열 공급부(230)와, 상기 해수 저장조(300)의 상부에 설치되되 일측 방향으로 경사지게 배치되어 상기 태양 에너지가 투과하도록 하는 한편 그 저면에는 증발된 해수가 응축되는 투명 커버(240)와, 상기 해수 저장조(300) 일측에 배치되는 담수 집수로(400)를 포함하고, 상기 상압 다중효용 담수부(100)는 상기 해수 저장조(300) 일측에 수직방향으로 일정간격 이격되어 설치되는 다수개의 플레이트(110)와 상기 플레이트(110)에 각각 부착되어 해수가 흐르면서 증발하는 윅(120)을 포함하는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치에 일 특징이 있다.
이때, 상기 폐열 공급부(230)는 폐열을 발생하는 폐열 소스(231)와, 상기 해수 저장조(300) 내부에 장치되어 상기 폐열을 전달하는 공급 파이프(232)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 플레이트(110)의 상측 일면에 설치되어 상기 윅(120)에 해수를 공급하는 해수 공급부(130)와, 상기 플레이트(110)에서 상기 윅(120)이 설치되는 반대측면의 하측에 설치되어 응축수가 모아지는 담수 포켓(140)을 더 포함하여,
상기 해수 저장조(300)와 인접되어 최초로 설치되는 제 1단 플레이트(110-1)의 경우, 상기 해수 저장조(300)에서 해수가 증발된 수증기가 응축이 일어나서 담수 포켓(140)에 낙하되어 저장되고, 이때 발생하는 응축잠열과 상기 제 1단 플레이트(110-1)의 전면에 입사된 태양 복사에너지을 합하여 제 1단 윅(120a)에 흐르는 해수를 가열하는 열원으로 작용될 수 있다.
또한, 상기 해수 공급부(130)는 상기 윅(120)이 설치된 플레이트(110)의 반대면에 설치하고, 상기 윅(120)은 상단에 형성된 절곡부를 해수 공급부(130)에 내입하여, 상기 절곡부를 통해 표면장력에 의해 흡수되는 해수가 상기 윅(120)의 길이방향을 향해 유동하면서 증발되고, 증발되고 남은 잔여 해수는 상기 윅(120)의 하단으로 낙하되어 배출되며, 상기 제 1단 플레이트(110-1)와 이격되어 연속 설치되는 다수개의 제 2, 3, 4플레이트(110-2,110-3,110-4)의 경우, 상기 각 플레이트의 전면에 맺힌 응축수는 상기 담수 포켓(140)으로 흘러내리면서 응축잠열을 상기 윅(120)에 흐르는 해수에 전도시켜 해수를 증발시키고, 증발된 증기는 인접한 다음 단의 플레이트의 전면에 응축되어 저장되도록 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의해 상압 방식의 다중 효용 장치를 이용하여 진공 장치등의 설비를 생략할 수 있어 전체 구조를 보다 간단히 할 수 있고 태양열과 폐열만을 이용하거나 혹은 각각 단독 열원으로 이용할 수 있어 설비의 유연성을 향상시키고 에너지 효율과 담수 생산량을 향상시키는 한편 초기 구축비용 및 유지 관리비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 도시하는 사시도,
도 2 및 도 3은 상기 실시예의 측면도 및 상압 담수 장치의 확대도이다.
도 4는 해수 공급부의 또 다른 실시예를 도시하는 일부 확대도이다.
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.
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 1 내지 도 4와 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다
본 발명의 담수장치(10)는 도시된 바와 같이 해수가 저장되는 해수 저장조(300)와, 태양열과 폐열을 이용하여 해수를 증발,담수처리하는 증발 담수부(200)와, 상기 태양열과 폐열 또는 상기 증발 담수부(200)에서 발생한 응축열을 열원으로 하여 해수를 증발,담수처리하는 상압 다중효용 담수부(100)를 포함한다.
이때, 상기 증발 담수부(200)는 상기 해수 저장조(300)에 설치되어 폐열을 공급하는 폐열 공급부(230)와, 상기 해수 저장조(300)의 상부에 설치되되 일측 방향으로 경사지게 배치되어 상기 태양 에너지가 투과하도록 하는 한편 그 저면에는 증발된 해수가 응축되는 투명 커버(240)와, 상기 해수 저장조(300) 일측에 배치되는 담수 집수로(400)를 포함한다.
즉, 상기 증발 담수부(200)는 태양열과 폐열을 동시에 또는 각각 단독으로 이용하여 해수를 증발시킨 후 증발된 수증기를 응축하여 담수를 생산하는 것이다.
다시 말해서 상기 태양열이 상기 투명 커버(240)를 투과한 후 상기 해수 저장조(300)에 저장된 해수를 증발시켜 수증기를 생산하고, 상기 수증기는 상기 해수 저장조(300)에서 상승하다가 상기 투명 커버(240)의 저면에 접촉한다.
이때, 상기 수증기는 상기 투명 커버(240) 저면에서 응축되어 담수화된 후 상기 투명 커버(240)의 저면을 따라 이동한다.
상기 투명 커버(240)는 도시된 바와 같이 일측방향(도면상 좌측방향)으로 경사지게 배치되어 있으므로, 상기 응축된 담수(C)는 상기 투명 커버(240)의 저면을 따라 도면상 좌측방향으로 유동하게 되며 최종적으로 담수 집수로(400)에 집수된다.
또한, 본 발명은 태양열 외에 폐열을 이용하는데, 이때 상기 폐열 공급부(230)는 상기 해수 저장조(300)에 설치된다.
상기 폐열에 의해 상기 해수 저장조(300)에 저장된 해수가 증발되어 앞서 설명한 바와 같이 투명 커버(240)의 저면을 따라 도면상 좌측방향으로 유동하게 되며 최종적으로 담수 집수로(400)에 집수된다.
즉, 본 발명은 태양열 외에 폐열을 이용할 수 있어 기상관계상 태양열을 이용하지 못하는 경우에도 담수 처리를 할 수 있으며, 상술한 바와 같이 폐열을 이용하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 폐열 공급부(230)는 폐열을 발생하는 폐열 소스(231)와, 상기 해수 저장조(300) 내부에 장치되어 상기 폐열을 전달하는 공급 파이프(232)를 포함할 수 있다.
상기 폐열 소스(231)는 폐열을 생산하는 것이면 어느 것이나 사용가능하며 특히 도시된 바와 같이 도서지역에서 많이 사용하는 디젤 발전기를 폐열 소스로서 사용할 수 있다.
상기 상압 다중효용 담수부(100)는 상기 해수 저장조(300) 일측에 수직방향으로 일정간격 이격되어 설치되는 다수개의 플레이트(110)와 상기 플레이트(110)에 각각 부착되어 해수가 흐르면서 증발하는 윅(wick)(120)을 포함한다.
이때, 상기 플레이트(110)의 상측 일면에 설치되어 상기 윅(120)에 해수를 공급하는 해수(S) 공급부(130)와, 상기 플레이트(110)에서 상기 윅(120)이 설치되는 반대측면의 하측에 설치되어 응축수가 모아지는 담수 포켓(140)을 더 포함한다.
이와 같은 구성에 의해 상술한 바와 같이 상기 태양열과 폐열 또는 상기 증발 담수부(200)에서 발생한 응축열을 열원으로 하여 해수를 증발,담수처리하게 된다.
즉, 상기 해수 저장조(300)와 인접되어 최초로 설치되는 제 1단 플레이트(110-1)의 경우, 상기 해수 저장조(300)에서 해수가 증발된 수증기가 응축(C-1)이 일어나서 제1단 담수 포킷(140-1)에 낙하되어 담수(C)로서 저장된다.
이때 상기 수증기의 응축에 의해 발생하는 응축잠열과 상기 제 1단 플레이트(110-1)의 전면에 입사된 태양열을 합하여 제 1단 윅(120-1)에 흐르는 해수를 가열한다.
상기 제1단 윅(120-1)에 흐르는 해수가 가열되면 수증기가 발생되어 인접하는 제2단 플레이트(110-2)에 접촉하여 응축(C-2)되어 제2단 담수 포켓(140-2)에 담수(C)로서 저장되고 상기 응축열은 제2단 윅(120-2)에 흐르는 해수를 가열하여 수증기를 발생시키고 상기 수증기는 다시 인접하는 제3단 플레이트(110-3)에 접촉하여 응축(C-3)되며 동일한 과정을 계속 반복한다.
종래에는 증발 온도를 낮추기 위해 감압장치를 통해 감압한 후 증발시켜 담수화 처리를 수행하는 관계로 장비가 복잡하여 초기 구축비용 및 유지 관리비가 많이 소요되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명에 의한 경우 상술한 바와 같이 수증기를 감압할 필요가 없어 종래에 비해 장치가 단순화될 수 있고 이에 의해 초기 구축비용 및 유지 관리비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
한편 도시된 바와 같이 상기 해수 공급부(130)는 상기 윅(120)이 설치된 플레이트(110)의 반대면에 설치하고, 상기 윅(120)은 상단에 형성된 절곡부(120a)를 해수 공급부(130)에 내입하도록 하는 것도 가능하다.(도 3참조)
즉, 상기 해수 공급부(130)에 저장되어 있는 해수(S)가 상기 절곡부(120a)를 통해 표면 장력에 의해 상기 윅(120)의 길이방향(방향I)을 향해 유동하면서 증발되고, 증발되고 남은 잔여 해수는 상기 윅(120)의 하단으로 낙하되어 배출된다.
이때, 상술한 바와 같이 상기 제 1단 플레이트(110-1)와 이격되어 연속 설치되는 다수개의 제 2, 3, 4플레이트(110-2,110-3,110-4)의 경우, 상기 각 플레이트의 전면(前面)에 맺힌 응축수(C-1)는 상기 담수 포켓(140)으로 흘러내리면서 응축잠열을 상기 윅(120)에 흐르는 해수에 전도시켜 해수를 증발시키고, 증발된 증기는 인접한 다음 단의 플레이트의 전면에 응축되어 상기 담수 포켓(140)에 저장된다.
물론 한편 상기 해수 공급부(130)는 상술한 바와 같은 표면 장력에 의해 상기 윅(120)에 해수를 공급하는 방식 뿐만 아니라 강제 공급 방식도 가능하다(도 4참조)
즉, 상기 해수 공급부(130)는 상기 윅(120)의 상부측에 설치되어 해수가 저장되는 해수 저장조(131)와, 상기 해수 저장조(131)에 저장된 해수를 상기 윅(120)에 공급하는 해수 투입 라인(132)을 포함하여 상기 해수를 상기 윅(120)에 강제 공급 할 수 있다.
이때, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 해수 저장조(131) 일측에 해수를 공급할 수 있는 밸브(131b)를 포함하는 것도 가능하다.
또한, 상기 해수 저장조(131) 내에 설치되어 상기 해수 저장조(131)의 내부 공간을 분할하는 분리벽(131a)을 설치하여 일측 공간에는 해수가 공급, 저장되고, 타측 공간에서는 과공급되는 해수가 넘쳐 드레인되도록 하여 해수의 수위를 일정하게 하고 이에 의해 상기 해수 투입 라인(132)에 공급되는 해수의 양을 일정하게 하는 것도 가능하다.
한편 상기 해수 저장조(131)에 해수가 공급되는 라인과 드레인 되는 라인에 밸브(131c,131d)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 해수 투입 라인(132)은 상기 윅(120)에 연결되어 해수가 능동적으로 상기 윅(120)에 공급될 수 있도록 하는 것으로서 이러한 기능을 수행하는 한, 재질의 종류나 형상에 관계없이 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.
상기 도 4는 도 3의 윅(120)관련 부분을 확대하여 도시한 것으로서 도시되지 않은 나머지 부분은 도 3과 동일하다.
한편 상기 투명 커버(240)는 이중막 구조를 사용하는 것이 바람직하다. 도시된 바와 같이 2개의 막(241,242)을 구비하되 그 내부에 공간을 두어 태양광을 투과시켜 단열 효과를 얻고 상기 해수 저장조(300)에서 발생하는 수증기는 하측 막(242)에서 응축되도록 하는 것이 바람직하다.
한편 도시된 바와 같이 상기 해수 저장조(300)와 담수 집수로(400)의 경우 상기 투명커버(240)가 걸쳐지는 L자 형상의 베이스(B)상에 하나의 격벽(B-1)을 설치하여 상기 격벽(B-1)과 상기 베이스(B)의 좌측 단수 사이 공간을 담수 집수로(400)로 하고 상기 격벽(B-1)과 상기 상압 다중효용 담수부(100)의 플레이트(110)사이 공간을 해수 저장조(300)로 사용할 수 있다.
그러나, 이는 상기 해수 저장조(300)와 담수 집수로(400)의 사용가능한 일 형태에 불과한 것으로서 상기 해수 또는 담수를 저장할 수 있는 형상인 한 다른 형상을 구비하는 경우라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.
또한, 상기 상압 다중효용 담수부(100)의 해수 공급부(130)와 담수 포켓(140)의 경우 도시된 바와 같이 상기 플레이트(110) 일측(도면상 좌측)에 경사지게 장착된 판체 형상을 사용할 수 있다.
그러나 이 역시 상기 해수 공급부(130)와 담수 포켓(140)의 사용가능 한 일 형태에 불과한 것으로서 상기 해수 또는 담수를 저장할 수 있는 형상인한 다른 형상을 구비하는 경우라도 모두 본 발명의 범주에 속함은 당연하다.
또한, 도시된 바와 같이 상기 상압 다중효용 담수부(100)의 플레이트가 4개가 배치될 수 있다.
그러나 이 역시 상기 상압 다중효용 담수부(100)의 사용가능한 일 형태에 불과한 것으로서 상기 플레이트의 개수에 의해 본 발명이 제한되지 않음은 분명하다.
100 : 상압 다중효용 담수부 110 : 플레이트
120 : 윅 130 : 해수 공급부
140 : 담수 포켓 200 : 증발 담수부
400 : 담수 집수로 230 : 폐열 공급부
240 : 투명 커버 300 : 해수 저장조

Claims (5)

  1. 해수가 저장되는 해수 저장조(300)와, 태양열과 폐열을 동시에 또는 각각 단독으로 이용하여 해수를 증발,담수처리하는 증발 담수부(200)와, 상기 태양열과 폐열 또는 상기 증발 담수부(200)에서 발생한 응축열을 열원으로 하여 해수를 증발,담수처리하는 상압 다중효용 담수부(100)를 포함하는 담수 장치(10)로서,
    상기 증발 담수부(200)는 상기 해수 저장조(300)에 설치되어 폐열을 공급하는 폐열 공급부(230)와, 상기 해수 저장조(300)의 상부에 설치되되 일측 방향으로 경사지게 배치되어 상기 태양 에너지가 투과하도록 하는 한편 그 저면에는 증발된 해수가 응축되는 투명 커버(240)와, 상기 해수 저장조(300) 일측에 배치되는 담수 집수로(400)를 포함하고,
    상기 상압 다중효용 담수부(100)는 상기 해수 저장조(300) 일측에 수직방향으로 일정간격 이격되어 설치되는 다수개의 플레이트(110)와 상기 플레이트(110)에 각각 부착되어 해수가 흐르면서 증발하는 윅(120)을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐열 공급부(230)는 폐열을 발생하는 폐열 소스(231)와, 상기 해수 저장조(300) 내부에 장치되어 상기 폐열을 전달하는 공급 파이프(232)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트(110)의 상측 일면에 설치되어 상기 윅(120)에 해수를 공급하는 해수 공급부(130)와, 상기 플레이트(110)에서 상기 윅(120)이 설치되는 반대측면의 하측에 설치되어 응축수가 모아지는 담수 포켓(140)을 더 포함하여,
    상기 해수 저장조(300)와 인접되어 최초로 설치되는 제 1단 플레이트(110-1)의 경우, 상기 해수 저장조(300)에서 해수가 증발된 수증기가 응축이 일어나서 담수 포켓(140)에 낙하되어 저장되고, 이때 발생하는 응축잠열과 상기 제 1단 플레이트(110-1)의 전면에 입사된 태양열을 합하여 제 1단 윅(120-1)에 흐르는 해수를 가열하는 열원으로 작용하는 것을 특징으로 하는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 해수 공급부(130)는 상기 윅(120)이 설치된 플레이트(110)의 반대면에 설치하고,
    상기 윅(120)은 상단에 형성된 절곡부를 해수 공급부(130)에 내입하여,
    상기 절곡부를 통해 표면장력에 의해 흡수되는 해수가 상기 윅(120)의 길이방향을 향해 중력에 의해 유동하면서 증발되고, 증발되고 남은 잔여 해수는 상기 윅(120)의 하단으로 낙하되어 배출되며,
    상기 제 1단 플레이트(110-1)와 이격되어 연속 설치되는 다수개의 제 2, 3, 4플레이트(110-2,110-3,110-4)의 경우, 상기 각 플레이트의 전면에 맺힌 응축수는 상기 담수 포켓(140)으로 흘러내리면서 응축잠열을 상기 윅(120)에 흐르는 해수에 전도시켜 해수를 증발시키고, 증발된 증기는 인접한 다음 단의 플레이트의 전면에 응축되어 저장되는 것을 특징으로 하는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 해수 공급부(130)는 상기 윅(120)의 상부측에 설치되어 해수가 저장되는 해수 저장조(131)와, 상기 해수 저장조(131)에 저장된 해수를 상기 윅(120)에 공급하는 해수 투입 라인(132)을 포함하여,
    상기 해수를 상기 윅(120)에 강제 공급하는 것을 특징으로 하는 태양열과 폐열을 이용한 상압방식의 다중효용 담수장치.
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