KR101567655B1 - Tvc-med의 비응축가스 벤팅구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비응축가스(Non-Condensible Gas)가 TVC(Thermo-Vapor Compressor)에 의해 재순환되면서 증발기 내부에 축적되어 열전달 효율을 낮추는 현상이 개선되도록 하는 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조는 해수가 제공되는 유입관, 상기 해수를 가열하여 증기를 발생시키는 열교환기, 상기 증기가 흐르는 튜브를 갖고 상기 해수가 상기 튜브에 분사되어 일부가 증발되고 농축됨으로써 담수와 농염수를 형성하는 이펙트(Effect), 상기 농염수가 배출되는 농염수배출관이 구비되는 다중효용장치(MED)에 있어서, TVC가 연결된 이펙트의 전이펙트에서 TVC가 연결된 이펙트의 다음이펙트 또는 최종응축기로 직접 연결되는 비응축가스 바이패스 파이프가 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조 {TVC-MED having Non-condensible Gas Venting System}
본 발명은 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비응축가스(Non-Condensible Gas)가 TVC(Thermo-Vapor Compressor)에 의해 재순환됨으로써 증발기 내부에 축적되어 열전달 효율을 낮추는 현상이 개선되도록 하는 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조에 관한 것이다.
MED(Multi Effects Distillation)는 해수담수화장치의 일종으로서 다중효용증발법으로 불리기도 한다. 증발법은 해수(Seawater)를 증발시켜 증발된 수증기를 응축하여 담수(Distillated Water)를 생산하는 방법으로 크게 다단 증발법(MSF, Multi Stage Flashing)과 다중효용 증발법(MED)이 있으며, 다중효용 증발법(MED)은 다단 증발법(MSF)에 비하여 전력소모가 적어 최근 널리 쓰이고 있는 방법이다.
MED 해수담수화 설비는 발전소의 스팀 터빈(Steam Turbine)이나 배열회수증기발생기(Heat Recovery Steam Generator) 등으로부터 증기(Steam)를 받아 해수(Feed Seawater)를 가열하고, 그 가열된 해수로부터 증기가 발생한 후 응축된 담수(Distillate)를 얻으며, 남은 농염수(Brine)는 바다로 돌려보내게 된다. 한편, 각 단(Effect)에서 발생한 증기 중에서 응축되지 않는 것은 다음 단(Next Effect)의 튜브(tube)내로 들어가 열원으로 작용한다.
도 1에는 통상적인 다단 증발(Multi Stage Flashing: MSF) 방식의 해수 담수화 설비의 측단면도가 도시되어 있고, 도 2에는 도 1에 도시된 해수 담수화 설비를 구성하는 증발기에 있어서, 증발기 내부에서 응축되지 않고 잔존하는 비응축가스를 다음 단의 증발실로 배출하는 구조의 단면도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 MSF방식의 해수 담수화 설비는 여러 단의 증발실이 일렬로 배열되어 이루어진 증발기(evaporator)(1), 상기 증발기(1)에 해수(brine)를 가열하여 공급하는 해수 가열기(brine heater) 및 상기 해수 가열기에서 가열된 해수(brine)를 상기 증발기(1)에 고루 보내주는 디스터리뷰션 헤더(3)와 상기 증발기(1)에 보충되는 해수에서 공기, 특히 산소를 제거하는 탈기기(2)를 포함하여 구성된다.
도 1에 도시된 것과 같이, 해수 담수화 설비의 증발기(1)에서는 하부에 위치하는 증발 챔버(flash chamber)에서 고온의 해수가 증발하고, 증발된 수증기는 상부의 튜브 번들(tube bundle)로 대류에 의해 이동하며, 상기 수증기는 상기 튜브 번들의 표면에서 응결하여 증류수가 생성되며, 생성된 증류수는 증류수 도관(distillate duct)에 모이게 된다.
그런데, 해수 담수화 설비를 구성하는 증발기에 유입되는 해수에는 응축이 되지않는 O2, CO2 등의 비응축가스(Non-Condensible Gas)가 소량 존재하게 되는데, 이 가스를 적절히 배출시켜야만 증발기의 원활한 운전이 가능하다.
도 2에는 MSF(Multi Stage Flashing) 방식의 해수담수화 설비에 있어서 비응축 가스의 배출을 위하여 증발기 각 단의 상부에 벤팅 파이프(venting pipe)(4)를 설치하여 진공 펌프(vacuum pump)를 이용하여 강제로 배출시키는 방법이 도시되어 있다.
도 3에는 종래기술에 따른 MED장치의 개요가 도시되어 있으며, 도 4에는 종래기술에 따른 TVC-MED장치의 구성도가 도시되어 있다.
MED 장치에 있어서는 비응축가스를 다음 단(Effect)으로 이송시켜 최종단에서 벤팅 시스템으로 배출하는 방식으로 이루어져 왔다. 그런데, TVC(Thermo-Vapor Compressor)가 구비된 MED(Multi Effect Distillate)에 있어서는 비응축가스가 TVC를 통해 재순환되면서 증발기 내부에 축적되어 열전달 효율을 감소시키게 되는 문제점이 있다.
또한, MED 장치의 용량이 작은 경우에는 별다른 문제가 없으나, MED 장치의 용량이 대형화되는 경우에 있어서는 이러한 열전단 효율의 감소는 커다란 문제점으로 부각될 수 있다.
해수 담수화 설비의 증발기에 있어서 비응축가스의 제거에 대하여 대한민국 등록실용신안 제20-0328112호 '증발기의 비응축가스 벤팅구조', 대한민국 등록특허 제10-0749223호 '다단증발법에 의한 해수 담수화 설비의 증발기', 대한민국 등록실용신안 제20-0328109호 '해수 가열기의 비응축 가스 벤팅 구조' 등을 참조할 수 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 그 목적은 비응축가스(Non-Condensible Gas)가 TVC(Thermo-Vapor Compressor)에 의해 재순환됨으로써 증발기 내부에 축적되어 열전달 효율을 낮추는 현상이 개선되도록 하는 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조는 해수가 제공되는 유입관, 상기 해수를 가열하는 열교환기(Fianl Condenser), 증기를 공급하는 TVC, 상기 증기가 흐르는 튜브를 갖고 상기 해수가 튜브에 분사되어 일부가 증발되고 농축됨으로써 담수와 농염수를 형성하는 이펙트(Effect), 상기 농염수가 배출되는 농염수배출관이 구비되는 다중효용장치(MED)에 있어서, TVC가 연결된 이펙트의 전이펙트에서 TVC가 연결된 이펙트의 다음이펙트 또는 최종응축기로 직접 연결되는 비응축가스 바이패스 파이프(Non-Condensible Gas By-pass Pipe)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조는 해수가 제공되는 유입관, 상기 해수를 가열하는 열교환기, 증기를 공급하는 TVC, 상기 증기가 흐르는 튜브를 갖고 상기 해수가 튜브에 분사되어 일부가 증발되고 농축됨으로써 담수와 농염수를 형성하는 이펙트(Effect), 상기 농염수가 배출되는 농염수배출관이 구비되는 다중효용장치(MED)에 있어서, TVC가 연결된 이펙트의 전이펙트에서 벤팅시스템으로 직접 연결되는 비응축가스 바이패스 파이프가 구비되는 것을 특징으로 한다.
각 실시예에 있어서, 상기 TVC는 이젝터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 비응축가스 바이패스 파이프의 일단은 TVC가 연결된 이펙트의 전이펙트의 증기박스에 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 비응축가스 바이패스 파이프의 일부에는 유체를 제한하고 압력을 조절하기 위한 오리피스(Orifice)가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조에 의하면 비응축가스 바이패스 파이프에 의해 비응축가스(Non-Condensible Gas)가 TVC(Thermo-Vapor Compressor)에 의해 재순환되지 않도록 함으로써 증발기 내부의 열전달 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1에는 종래기술에 따른 MSF 방식의 해수 담수화 설비의 측단면도가 도시되어 있다.
도 2는 도 1의 부분상세도로서 증발기에서의 비응축가스의 벤팅구조가 도시되어 있다.
도 3에는 종래기술에 따른 MED 장치가 도시되어 있다.
도 4는 종래기술에 따른 TVC-MED의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조의 구성도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조는 해수가 제공되는 유입관, 상기 해수를 가열하는 열교환기(Final Condenser), 증기를 공급하는 TVC, 상기 증기가 흐르는 튜브를 갖고 상기 해수가 상기 튜브에 분사되어 일부가 증발되고 농축됨으로써 담수와 농염수를 형성하는 이펙트(Effect), 상기 농염수가 배출되는 농염수배출관이 구비되는 다중효용장치(MED)에 있어서, TVC가 연결된 이펙트의 전이펙트에서 TVC가 연결된 이펙트의 다음이펙트 또는 최종응축기로 연결되는 비응축가스 바이패스 파이프가 구비되는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조의 구성도이다. 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 TVC-MED의 비응축가스 벤팅구조에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
발전설비 또는 열원(Heat source)으로부터 고압 스팀(High Pressure Steam)부터 저압 스팀(Low Pressure Steam) 까지 다양한 압력의 스팀이 TVC로 공급되고 증발기로부터 TVC로 흡입된 저압 스팀이 혼합되어 TVC 출구에서 최종적으로 담수생산에 적합한 압력의 스팀이 되어 증발기(Evaporator, 10)에 공급된다. 여기서, 열원은 열교환기(Heat Exchanger)일 수 있다. 증발기(10)는 여러 개의 이펙트(Effect, 11)가 순차적으로 연결되어 이루어진다.
이펙트(11) 내부에는 수평상태로 놓여진 다수개로 이루어진 전열관(Heat transfer Tube, 12)이 있다. TVC 출구에서 나온 스팀은 증발기 내부의 전열관(12) 내부로 흐른다.
해수가 유입관을 통해 각 이펙트(11)에 연결된다. 각 이펙트(11)의 상부에서 해수가 분사된다. 분사된 해수는 전열관(12)의 외벽을 적시면서 아래로 흐르게 된다. 전열관(12) 내부를 흐르는 스팀은 응축되어 담수(distillate, fresh water)를 형성하게 되고, 분사된 해수는 스팀의 잠열(응축열)을 받아 덥혀지면서 일부는 증발하게 된다. 전열관(12)을 거치면서 증발된 해수는 농축되어 증발기(10) 하부에 쌓인다.
해수의 증발에 의해 형성된 증기(Vapor)는 데미스터(13)를 거쳐 다음 이펙트로 넘어가 열원으로 작용하게 된다(11a→11b→11c→11d→11e→11f). 이러한 과정은 각 이펙트(11)에서 반복적으로 수행된다. 최초 이펙트(11a)에서 다음 이펙트로 넘어가면서 증기의 압력과 온도는 낮아지게 되고, 최종 이펙트(11f)에서의 압력과 온도는 가장 떨어지게 된다. 최종 이펙트(11f)에서 발생한 증기는 열교환기를 거치며 응축되며 담수로 된다. 즉, 열교환기에서 해수와의 온도 교환이 일어난다. 최종 이펙트(11f)에서 배출된 농염수는 펌프에 의해 바다로 되돌려보내지게 된다.
도 5a에 제1실시예가 도시되어 있다. TVC(15)가 연결된 이펙트(11c)의 전이펙트(전(前)Effect, 11b)에서 TVC(15)가 연결된 이펙트(11c)의 다음 이펙트(11d) 또는 최종응축기로 직접 연결되는 비응축가스 바이패스 파이프(Non-Condensible Gas By-pass Pipe, 20)가 구비된다. 비응축가스 바이패스 파이프(20)의 일단은 TVC(15)가 연결된 이펙트(11c)의 전이펙트(11b)의 증기박스(Vapor Box, 13b)에 연결되고, 타단은 TVC(15)가 연결된 이펙트(11c)의 다음 이펙트(11d)의 증기통로로 연결될 수 있다.
이에 따라, 비응축가스가 TVC(15)를 통해 재순환되지 않게 된다. 즉, 낮은 압력의 이펙트에서 발생한 증기의 일부를 높은 압력의 증기를 이용하여 흡입하여 고압의 증기와 혼합하며 압축한 후 이 열을 재활용하기 위하여 설치한 TVC(15)에 의해 증기가 재순환되는 과정에서 비응축가스(NCG)가 포함되어 재순환됨으로써 비응축가스가 누적되어 증기 중에 포함된 비율이 증대될 수 있던 문제점이 해결될 수 있게 된다. 비응축가스는 비응축가스 바이패스 파이프(20)에 의해 TVC(15)를 건너뛰어 TVC(15)가 연결된 이펙트(11c)의 다음 이펙트(11d) 또는 최종응축기로 연결된다.
도 5b에 제2실시예가 도시되어 있다.
TVC(15)가 연결된 이펙트(11c)의 전이펙트(11b)에서 벤팅시스템(Venting System, 16) 으로 직접 연결되는 비응축가스 바이패스 파이프(Non-Condensible Gas By-pass Pipe, 21)가 구비된다. 비응축가스 바이패스 파이프(21)의 일단은 TVC(15)가 연결된 이펙트의 전이펙트(11c)의 증기박스(Vapor Box, 15c)에 연결되고, 타단은 최종 압축기(final condenser)로부터 나오는 벤팅시스템(16)으로 연결된다.
이에 따라, 제1실시예와 마찬가지로 비응축가스가 TVC(15)를 통해 재순환되지 않게 된다.
상술한 모든 실시예에서, 상기 TVC(15)는 이젝터로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 벤팅시스템(16)은 최종 응축기(final condenser) 압력의 영향을 받으므로 비응축가스 바이패스 파이프(21)를 통해 배출되어야 하는 유량보다 더 큰 유량이 형성될 수 있다. 이에 따라, 비응축가스가 비응축가스 바이패스 파이프(21) 내에서 과도한 유량이 흐르게 되는 현상을 방지하기 위해 상기 비응축가스 바이패스 파이프(21)의 일부에는 오리피스(25)가 설치될 수 있다. 비응축가스 바이패스 파이프(21)의 일부에 오리피스(25)가 설치됨에 따라서 비응축가스 바이패스 파이프(21)를 지나는 증기 유량은 제한되고 압력은 조절되어 안정적으로 벤팅시스템(16)으로 흘러가게 된다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.
10 증발기 11 이펙트
12 전열관 13 데미스터
15 TVC 16 벤팅시스템
20, 21 비응축가스 바이패스 파이프 25 오리피스

Claims (5)

  1. 해수가 제공되는 유입관, 상기 해수를 가열하여 증기를 발생시키는 열교환기, 상기 증기가 흐르는 튜브를 갖고 상기 해수가 상기 튜브에 분사되어 일부가 증발되고 농축됨으로써 담수와 농염수를 형성하는 이펙트(Effect), 상기 농염수가 배출되는 농염수배출관이 구비되는 다중효용장치(MED)에 있어서,
    TVC가 연결된 이펙트의 전이펙트에서 TVC가 연결된 이펙트의 다음이펙트 또는 최종응축기로 직접 연결되는 비응축가스 바이패스 파이프(Non-Condensible Gas By-pass Pipe)가 구비되는 것을 특징으로 하는 다중효용장치.
  2. 해수가 제공되는 유입관, 상기 해수를 가열하여 증기를 발생시키는 열교환기, 상기 증기가 흐르는 튜브를 갖고 상기 해수가 상기 튜브에 분사되어 일부가 증발되고 농축됨으로써 담수와 농염수를 형성하는 이펙트(Effect), 상기 농염수가 배출되는 농염수배출관이 구비되는 다중효용장치(MED)에 있어서,
    TVC가 연결된 이펙트의 전이펙트에서 벤팅시스템으로 직접 연결되는 비응축가스 바이패스 파이프가 구비되며,
    상기 비응축가스 바이패스 파이프의 일부에는 오리피스가 설치되는 것을 특징으로 하는 다중효용장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 TVC는 이젝터인 것을 특징으로 하는 다중효용장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비응축가스 바이패스 파이프의 일단은 TVC가 연결된 이펙트의 전이펙트의 증기박스에 연결되는 것을 특징으로 하는 다중효용장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 비응축가스 바이패스 파이프의 일부에는 오리피스가 설치되는 것을 특징으로 하는 다중효용장치.





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