KR101318971B1 - 히트 펌프를 이용한 조수 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히트 펌프를 이용한 조수 장치에 관한 것으로, 공급된 해수와 온수의 제 1 열교환을 통해 해수를 증발시킨 후, 저온 저압의 기체 냉매와 수증기의 제 2 열교환을 통해 응결시켜 담수를 제조하는 담수화부와, 공급된 원수와 고온 고압의 기체 냉매와의 제 3 열교환을 통해 담수화부에 온수를 공급하고, 제 1 열교환에 따라 생성된 냉수를 제 3 열교환을 수행하도록 순환시키는 온수 순환계와, 저온 저압의 기체 냉매가 제 2 열교환을 통해 저온 저압의 혼합 냉매가 되면, 액상 냉매를 분리시킨 후 압축하여 제 3 열교환을 위해 고온 고압의 기체 냉매를 제공하고, 제 3 열교환을 통해 고온 고압의 액체 냉매가 되면, 제 2 열교환을 위해 저온 저압의 기체 냉매로 변환하여 담수화부에 제공하는 냉매 순환계와, 담수화부를 통해 제조된 담수를 저장하는 담수 저장계를 포함할 수 있다.

Description

히트 펌프를 이용한 조수 장치{HEAT PUMP USED FRESH WATER GENERATOR}
본 발명은 히트 펌프를 이용하여 해수를 담수화할 수 있는 히트 펌프를 이용한 조수 장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 조수 장치는 해수를 담수화하여 담수를 생산하는 장치로서, 염분을 제거하는 기술, 즉 해수를 끓여 수증기로 증발시킨 후 응축시키는 방식으로 담수를 생산할 수 있다.
특히, 바다를 운항하는 선박, 함정 등에서는 운항 시 필요한 식수를 선박이나 함정에 저장한 상태로 출항하거나 또는 조수 장치를 이용하여 식수를 확보할 수 있다.
이러한 조수 장치는 육상에서는 역삼투압 현상을 이용하여 해수를 담수로 제조하는 방식이 일반적인데, 해수를 고압 펌프로 이송시켜 삼투압 이상의 높은 압력을 가해 분리막을 통과시키면 해수 속의 담수만 분리막을 통과하고, 염분은 분리되도록 함으로써, 담수를 생산할 수 있다.
또한, 선박에 적용되는 저압 증발 방식의 조수 장치의 경우 내부에 진공 상태를 유지한 상태에서 엔진의 남은 열원인 냉각수(jaket water) 또는 보일러의 스팀을 사용하여 담수를 생산할 수 있다.
하지만, 상술한 바와 같이 선박에 필요한 식수를 저장한 상태에서 출항할 경우 별도로 대형의 식수 저장 공간을 필요로 하며, 식수를 구입하는데 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 상술한 바와 같이 역삼투압 방식의 조수 장치는 대형 공장 설비나 담수화 플랜트에서 사용되는 것으로, 대형의 처리 시설이 필요하고, 많은 비용이 소요되는 문제점이 있고, 저압 증발 방식의 조수 장치는 메인 엔진이 없는 해상 구조물인 경우 여러 대의 발전기 엔진이 설치되어야 하며, 이러한 발전기 엔진은 부하 변동이 심하여 폐열로 생산되는 냉각수의 양이 일정하지 않아 선박에 일률적으로 적용하기에는 한계가 있는 실정이다.
본 발명은 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 히트 펌프의 구성을 이용하여 낮은 압력에서 가열된 물과의 열교환을 통해 해수를 증발시키고, 팽창변을 통과한 찬 냉기와 수증기의 열교환을 통해 수증기를 응결시켜 담수를 제조할 수 있는 히트 펌프를 이용한 조수 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 공급된 해수와 온수의 제 1 열교환을 통해 상기 해수를 증발시킨 후, 저온 저압의 기체 냉매와 수증기의 제 2 열교환을 통해 응결시켜 담수를 제조하는 담수화부와, 공급된 원수와 고온 고압의 기체 냉매와의 제 3 열교환을 통해 상기 담수화부에 상기 온수를 공급하고, 상기 제 1 열교환에 따라 생성된 냉수를 상기 제 3 열교환을 수행하도록 순환시키는 온수 순환계와, 상기 저온 저압의 기체 냉매가 상기 제 2 열교환을 통해 저온 저압의 혼합 냉매가 되면, 액상 냉매를 분리시킨 후 압축하여 상기 제 3 열교환을 위해 상기 고온 고압의 기체 냉매를 제공하고, 상기 제 3 열교환을 통해 고온 고압의 액체 냉매가 되면, 상기 제 2 열교환을 위해 상기 저온 저압의 기체 냉매로 변환하여 상기 담수화부에 제공하는 냉매 순환계와, 상기 담수화부를 통해 제조된 상기 담수를 저장하는 담수 저장계를 포함하는 히트 펌프를 이용한 조수 장치가 제공될 수 있다.
본 발명에서는, 온수 순환계를 통해 제공된 온수와 해수의 제 1 열교환을 수행고, 이로부터 발생된 수증기와 냉매 순환계를 통해 제공된 저온 저압의 기체 냉매의 제 2 열교환을 수행하여 담수를 제조함으로써, 해수를 담수화하여 담수를 쉽게 제조할 수 있고, 간단한 구성으로 담수를 제조하는 설비를 구축할 수 있어 담수를 필요로 하는 다양한 위치 및 장비에 적용 설치할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프를 이용한 조수 장치의 구성도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 해수를 담수화하는 과정을 나타낸 흐름도.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 히트 펌프를 이용한 조수 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 조수 장치는 담수화부(100), 온수 순환계(200), 냉매 순환계(300), 담수 저장계(400) 등을 포함할 수 있다.
담수화부(100)는 공급된 해수와 온수의 제 1 열교환을 통해 해수를 증발시킨 후, 저온 저압의 기체 냉매와 수증기의 제 2 열교환을 통해 응결시켜 담수를 제조하는 것으로, 제 1 공급 밸브(110), 증발 탱크(120), 제 1 분리기(130), 진공 펌프(140), 제 2 분리기(150) 등을 포함할 수 있다.
제 1 공급 밸브(110)는 해수를 담수화부(100)에 공급하도록 조절되는 밸브로서, 밸브 개방을 통해 담수화부(100)에 필요한 해수를 담수화부(100)에 공급하고, 밸브 폐쇄를 통해 해수 공급을 선택적으로 차단할 수 있다.
증발 탱크(120)는 해수와 온수를 이용한 제 1 열교환을 수행하는 제 1 내부 공간과, 저온 저압의 기체 냉매와 수증기를 이용한 제 2 열교환을 수행하는 제 2 내부 공간으로 구획되며, 제 1 열교환을 통해 증발된 수증기를 제 2 열교환을 통해 응결시켜 담수를 제조한다.
제 1 분리기(130)는 제 1 내부 공간 및 제 2 내부 공간의 구획 부분에 구비되며, 제 1 내부 공간에서 증발된 기체 상태의 수증기를 제 2 공간으로 제공한다. 이러한 제 1 분리기(130)에는 염분을 제거하기 위한 필터를 내부에 구비할 수 있음은 물론이다.
진공 펌프(140)는 제 2 내부 공간을 진공 상태로 유지시키기 위해 제 2 내부 공간의 내부 공기를 배출시키며, 이러한 내부 공기의 배출 시 제 2 내부 공간에서 제조된 담수의 외부 배출을 차단하는 제 2 분리기(150)가 진공 펌프(140)와 증발 탱크(120)의 경로 상에 구비될 수 있다.
온수 순환계(200)는 공급된 원수와 고온 고압의 기체 냉매와의 제 3 열교환을 통해 담수화부(100)에 온수를 공급하고, 제 1 열교환에 따라 생성된 냉수를 제 3 열교환을 수행하도록 순환시키는 것으로, 제 2 공급 밸브(210), 보조 탱크(220), 제 1 응축기(230), 순환 펌프(240) 등을 포함할 수 있다.
이러한 온수 순환계(200)는 보조 탱크(220)의 후단에 제 1 응축기(230), 제 1 응축기(230)의 후단에 순환 펌프(240), 순환 펌프(240)의 후단은 증발 탱크(120)의 제 1 내부 공간에 저장된 해수 내부로 연결되고, 제 1 내부 공간에서 외부로 연장되어 보조 탱크(220)의 전단으로 연결될 수 있으며, 보조 탱크(220)의 앞단에는 제 2 공급 밸브(210)가 연결될 수 있다.
제 2 공급 밸브(210)는 원수를 공급하도록 조절되는 밸브로서, 온수 순환계(200)에 온수를 순환시키기 위해 밸브 개방을 통해 원수를 보조 탱크(220)로 공급하고, 밸브 폐쇄를 통해 원수 공급을 차단할 수 있다. 이러한 원수는 예를 들면, 해수, 담수 등을 사용할 수 있다. 여기에서, 공급된 원수는 보조 탱크(220)에 일시 저장될 수 있다.
제 1 응축기(230)는 보조 탱크(220)에 일시 저장된 원수가 제공되면, 고온 고압의 기체 냉매와 원수를 이용한 제 3 열교환을 통해 제공된 원수를 가열하여 온수를 배출한다.
순환 펌프(240)는 배출된 온수를 담수화부(100)에 구비된 증발 탱크(120)의 제 1 내부 공간에 저장된 해수를 통과할 수 있도록 펌핑하여 온수를 순환시킬 수 있다.
냉매 순환계(300)는 저온 저압의 기체 냉매가 제 2 열교환을 통해 저온 저압의 혼합 냉매가 되면, 액상 냉매를 분리시킨 후 압축하여 제 3 열교환을 위해 고온 고압의 기체 냉매를 제공하고, 제 3 열교환을 통해 고온 고압의 액체 냉매가 되면, 제 2 열교환을 위해 저온 저압의 기체 냉매로 변환하여 담수화부(100)에 제공하는 것으로, 액분리기(310), 압축기(320), 제 1 응축기(230), 제 2 응축기(330), 수액기(340), 팽창변(350) 등을 포함할 수 있다. 여기에서, 제 1 응축기(230)는 온수 순환계(200)에 구비된 보조 탱크(220)의 후단에 연결되면서 냉매 순환계(300)에 구비된 압축기(320)의 후단에 연결되어 제 3 열교환을 수행하는 것이므로, 동일한 도면부호를 부여하지만 온수 순환계(200)와 냉매 순환계(300)에 각각 포함되는 구성으로 하여 이하에서는 설명한다.
이러한 냉매 순환계(300)는 액분리기(310)의 후단에 압축기(320)가 연결되고, 압축기(320)의 후단에 제 1 응축기(230)가 연결되며, 제 1 응축기(230)의 후단에 제 2 응축기(330)가 연결되고, 제 2 응축기(330)의 후단에 수액기(340)가 연결되며, 수액기(340)의 후단에 팽창변(350)이 연결되고, 팽창변(350)의 후단은 증발 탱크(120)의 제 2 내부 공간으로 연장 연결되고, 제 2 내부 공간에서 외부로 연장 연결되어 액분리기(310)의 전단으로 연결될 수 있다.
액분리기(310)는 제 1 열교환을 통해 배출되는 저온 저압의 혼합 냉매(즉, 기체 상태의 냉매와 액상 냉매가 포함됨)에서 액상 냉매를 분리하고, 저온 저압의 기체 냉매를 배출할 수 있다.
압축기(320)는 액분리기(310)를 통해 제공된 저온 저압의 기체 냉매를 압축하여 고온 고압의 기체 냉매로 배출할 수 있다.
제 1 응축기(230)는 압축기(320)를 통해 제공된 고온 고압의 기체 냉매를 원수(또는 냉수)와 제 3 열교환을 수행하여 고온 고압의 액체 냉매를 배출할 수 있다.
제 2 응축기(330)는 제 1 응축기(330)를 통해 제공된 고온 고압의 액체 냉매를 재응축시켜 고온 고압의 액체 냉매를 배출할 수 있다.
수액기(340)는 제 2 응축기(330)를 통해 제공된 고온 고압의 액체 냉매를 일시 저장한 후 팽창변(350)으로 제공하고, 팽창변(350)에서는 이러한 고온 고압의 액체 냉매를 팽창시켜 담수화부(100)에 구비된 증발 탱크(120)의 제 2 내부 공간으로 저온 저압의 기체 냉매를 제공할 수 있다.
이러한 저온 저압의 기체 냉매는 제 2 내부 공간의 수증기와 제 3 열교환을 수행한 후 저온 저압의 혼합 냉매로 변환되어 외부로 배출되고, 이러한 저온 저압의 혼합 냉매는 액분리기(310)로 이송될 수 있다.
담수 저장계(400)는 담수화부(100)를 통해 제조된 담수를 저장하는 것으로, 담수 펌프(410), 담수 탱크(420) 등을 포함할 수 있다.
담수 펌프(410)는 담수화부(100)를 통해 제조된 담수를 펌핑하여 배출하는 것으로, 담수화부(100)의 제 2 내부 공간에 저장된 담수를 필요에 따라 펌핑하여 배출할 수 있다. 물론, 그 경로 상에 배출 조절 밸브를 구비할 수 있으며, 이러한 담수는 담수 펌프(420)에 저장될 수 있다.
따라서, 압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 히트 펌프의 구성을 이용하여 온수와 해수의 열교환, 수증기와 저온 저압의 기체 냉매의 열교환을 수행함으로써, 해수를 담수화하여 담수를 쉽게 제조할 수 있고, 간단한 구성으로 담수를 제조하는 설비를 구축할 수 있어 담수를 필요로 하는 다양한 위치 및 장비에 적용 설치할 수 있는 장점이 있다.
다음에, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 조수 장치에서 온수 순환계를 통해 제공된 온수와 해수의 제 1 열교환을 수행하고, 이로부터 발생된 수증기와 냉매 순환계를 통해 제공된 저온 저압의 기체 냉매의 제 2 열교환을 수행하여 담수를 제조하는 과정에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 히트 펌프를 이용하여 해수를 담수화하는 과정을 나타낸 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 제 1 공급 밸브(110)의 개방을 통해 담수화부(100)에 필요한 해수를 담수화부(100)에 공급하고(S202), 제 2 공급 밸브(210)의 개방을 통해 원수를 보조 탱크(220)로 공급한다(S204).
S204에서 공급되는 원수는 보조 탱크(220)에 일시 저장된 후 제 1 응축기(230)로 제공되고, 제 1 응축기(230)에서는 제공된 원수와 냉매 순환계(300)를 통해 제공된 고온 고압의 기체 냉매의 제 3 열교환을 수행한다(S206). 이러한 제 3 열교환을 통해 원수를 가열하여 제 1 응축기(230)의 후단에 연결된 순환 펌프(240)로 온수를 제공할 수 있다.
순환 펌프(240)는 담수화부(100)에 구비된 증발 탱크(120)의 제 1 내부 공간에 저장된 해수를 통과할 수 있도록 펌핑하여 제공된 온수를 순환시키고, 제 1 내부 공간에 저장된 해수와 순환되는 온수와의 제 1 열교환을 수행한다(S208).
S208의 과정을 통해 해수는 온수의 열을 이용하여 증발됨으로써, 수증기가 제공될 수 있다(S210). 이러한 수증기는 제 1 내부 공간과 제 2 내부 공간의 구획 부분에 구비된 제 1 분리기를 통해 염분이 제거된 기체 상태의 수증기만 제 2 내부 공간으로 이동 제공될 수 있다.
한편, 액분리기(310)의 후단에 압축기(320)가 연결되고, 압축기(320)의 후단에 제 1 응축기(230)가 연결되며, 제 1 응축기(230)의 후단에 제 2 응축기(330)가 연결되고, 제 2 응축기(330)의 후단에 수액기(340)가 연결되며, 수액기(340)의 후단에 팽창변(350)이 연결되고, 팽창변(350)의 후단은 증발 탱크(120)의 제 2 내부 공간으로 연장 연결되고, 제 2 내부 공간에서 외부로 연장 연결되어 액분리기(310)의 전단으로 연결되는 냉매 순환계(300)를 통해 냉매가 상변화를 수행하면서 순환될 수 있다(S212).
그리고, 제 2 내부 공간에 제공된 수증기는 팽창변(350)을 통해 제공된 저온 저압의 기체 냉매와 제 2 열교환을 수행한다(S214). 이러한 제 2 열교환을 통해 저온 저압의 기체 냉매는 저온 저압의 혼합 냉매로 상변화하여 배출될 수 있다.
S214의 과정을 통해 수증기는 응결되어 제 2 내부 공간의 하부에 마련된 저장 공간에 담수화되어 저장됨으로써, 담수를 제조할 수 있다(S216).
이러한 담수는 담수 펌프(410)를 통해 펌핑되어 담수 탱크(420)에 저장될 수 있다(S218)
상술한 바와 같은 S202 내지 S218의 과정은 설명의 편의를 위해 단계별로 구분한 것으로, 온수 순환과 냉매의 순환은 동시에 지속적으로 수행될 수 있고, 이에 따라 담수를 제조할 수 있다.
따라서, 온수 순환계를 통해 제공된 온수와 해수의 제 1 열교환을 수행하고, 이로부터 발생된 수증기와 냉매 순환계를 통해 제공된 저온 저압의 기체 냉매의 제 2 열교환을 수행하여 담수를 제조함으로써, 해수를 담수화하여 담수를 쉽게 제조할 수 있고, 간단한 구성으로 담수를 제조하는 설비를 구축할 수 있어 담수를 필요로 하는 다양한 위치 및 장비에 적용 설치할 수 있는 장점이 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.
100 : 담수화부 110 : 제 1 공급 밸브
120 : 증발 탱크 130 : 제 1 분리기
140 : 진공 펌프 150 : 제 2 분리기
200 : 온수 순환계 210 : 제 2 공급 밸브
220 : 보조 탱크 230 : 제 1 응축기
240 : 순환 펌프 300 : 냉매 순환계
310 : 액분리기 320 : 압축기
330 : 제 2 응축기 340 : 수액기
350 : 팽창변 400 : 담수 저장계
410 : 담수 펌프 420 : 담수 탱크

Claims (5)

  1. 공급된 해수와 온수의 제 1 열교환을 통해 상기 해수를 증발시킨 수증기와 기체 냉매와의 제 2 열교환을 통해 응결시켜 담수를 제조하는 담수화부와,
    공급된 원수와 상기 기체 냉매와의 제 3 열교환을 통해 상기 담수화부에 상기 온수를 공급하고, 상기 제 1 열교환에 따라 생성된 냉수를 상기 제 3 열교환을 수행하도록 순환시키는 온수 순환계와,
    상기 기체 냉매가 상기 제 2 열교환을 통해 기체 상태의 냉매와 액상 냉매가 포함된 혼합 냉매가 되면, 상기 액상 냉매를 분리시킨 후 압축하여 상기 제 3 열교환을 위해 상기 기체 냉매를 상기 온수 순환계로 제공하고, 상기 제 3 열교환을 통해 상기 기체 냉매가 액체 냉매가 되면, 상기 제 2 열교환을 위해 상기 기체 냉매로 변환하여 상기 담수화부에 제공하는 냉매 순환계와,
    상기 담수화부를 통해 제조된 상기 담수를 저장하는 담수 저장계를 포함하며,
    상기 담수화부는, 상기 해수를 상기 담수화부에 공급하도록 조절되는 제 1 공급 밸브와, 상기 제 1 열교환을 수행하는 제 1 내부 공간과 상기 제 2 열교환을 수행하는 제 2 내부 공간으로 구획되며, 상기 제 1 열교환을 통해 증발된 상기 수증기를 상기 제 2 열교환을 통해 응결시켜 상기 담수를 제조하는 증발 탱크와, 상기 제 1 내부 공간 및 제 2 내부 공간의 구획 부분에 구비되며, 상기 제 1 내부 공간의 상기 수증기를 제 2 공간으로 제공하는 상기 제 1 분리기와, 상기 제 2 내부 공간을 진공 상태로 유지시키기 위해 내부 공기를 배출시키는 진공 펌프와, 상기 내부 공기의 배출 시 상기 제 2 내부 공간에서 제조된 상기 담수의 외부 배출을 차단하는 제 2 분리기를 포함하고,
    상기 온수 순환계는, 상기 원수를 공급하도록 조절되는 제 2 공급 밸브와, 상기 원수가 일시 저장되는 보조 탱크와, 일시 저장된 상기 원수를 상기 제 3 열교환을 통해 가열하여 상기 온수를 상기 담수화부에 전달하는 제 1 응축기와, 상기 온수를 상기 담수화부에 전달할 수 있도록 펌핑하여 순환시키는 순환 펌프를 포함하며,
    상기 냉매 순환계는, 상기 혼합 냉매에서 상기 액상 냉매를 분리하는 액분리기와, 상기 액분리기를 통해 제공된 상기 기체 상태의 냉매를 압축하는 압축기와, 상기 압축기를 통해 제공된 상기 기체 냉매를 이용하여 상기 제 3 열교환을 수행하는 제 1 응축기와, 상기 제 1 응축기를 통해 제공된 상기 액체 냉매를 재응축시키는 제 2 응축기와, 상기 제 2 응축기를 통해 제공된 상기 액체 냉매를 일시 저장하는 수액기와, 일시 저장된 상기 액체 냉매를 팽창시켜 상기 담수화부에 상기 기체 냉매로 제공하는 팽창변을 포함하고,
    상기 담수 저장계는, 상기 담수화부를 통해 제조된 상기 담수를 펌핑하여 배출하는 담수 펌프와, 상기 담수 펌프를 통해 배출된 상기 담수를 저장하는 담수 탱크를 포함하는 히트 펌프를 이용한 조수 장치.
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