KR101615297B1 - 유압식 담수화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

유압식 담수화 시스템, 장치 및 방법은 파이프 및 마찰력을 부여하며 유동을 제어하는 밸브를 포함하는 수반되는 인프라스트럭처를 통한 염수 유동을 생성하여 액체 해수의 압력을 기화점까지 낮춤으로써 액체 해수를 기화시켜서 증기를 생성하는 단계와, 상기 증기를 포획하는 단계와, 주변 환경에 의해서 공급되는 고압을 사용하여 상기 증기를 응축시켜서 담수를 생성하는 단계와, 증기 온도보다 높은 주변 온도를 유지시킴으로써 응축 동안에 방출된 열을 회수하는 단계와, 상기 회수된 열을 사용하여 상기 염수의 기화를 주기적으로 촉진 및 계속하는 단계를 포함한다. 신규한 스프링이 장착된 펌프가 유체를 펌핑하는 데 사용되어 상기 담수화 공정을 촉진한다.

Description

유압식 담수화 장치 및 방법{HYDRAULIC DESALINATION DEVICE AND METHOD}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2011년 5월 16일에 출원된 미국 가 출원 번호 61/486,596호를 우선권으로 주장하고 있고, 또한 2012년 5월 8일에 출원된 미국 가 출원 번호 61/608,428호를 우선권으로 주장하고 있으며, 또한 2012년 5월 21일에 출원된 미국 가 출원 번호 61/613,728호를 우선권으로 주장하고 있고, 이러한 우선권 주장된 문헌들의 전체 내용은 본 명세서에서 원용하여 포함된다.
본 발명은 해수와 같은 염수를 담수화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
세계의 전체 물의 약 97%가 음용 불가능한 해수이다. 나머지 3%인 담수만이 자연적으로 음용 가능한 물이다. 인구가 증가함에 따라서 이러한 담수가 점점 더 많이 요구되고 있으며, 따라서 이미 귀하게 된 물이 미래에는 더욱더 그 가치가 올라가게 될 것이다. 오랫동안, 해수를 담수화하는 공정이 개발되어 왔는데 이는 인류를 둘러싸고 있는 지구의 97%의 물을 담수로 공급하기 위한 것이다. 지금까지, 이러한 공정은 담수화가 광범위하게 사용될 수 있을 정도로 경제적으로 충분히 효율적인 단계에 이르지는 못했다. 그러나 이러한 상황은 특히 담수가 멀리 있거나 접근하기 힘든 경우에 담수를 찾아서 사용하는 데 드는 비용보다 효율적인 새로운 담수화 공정이 개발된다면 변하게 될 것이다.
현재, 일반적으로, 두 가지 기본적인 타입의 기술이 해수 담수화를 위해서 사용되고 있다. 제 1 기술은 이른바 열적 담수화이고 제 2 기술은 이른바 멤브레인 공정 담수화이다. 거의 모든 기존의 담수화 공정은 궁극적으로 이러한 열적 기반 공정 또는 멤브레인 기반 공정 중 하나에 속한다. 각 기술이 갖는 1차적인 문제점은 담수화를 하는 데 대량의 에너지가 필요하다는 것이다. 열적 공정의 경우에, 대량의 열이 기화를 위해서 공급되어야 한다. 이 공정에서 필요한 온도는 화씨 212도 또는 그 이상이다. 멤브레인 기반 공정의 경우에, 대량의 압력을 해수에 공급하여 해수로부터 그 용해된 염분을 제거해야 한다. 이러한 공정에서 필요한 압력은 제곱 인치당 1000 파운드(psi) 또는 그 이상이다. 주변 온도 및 압력이 통상적으로 화씨 72도이면서 14.7 psi이기 때문에, 이렇게 많은 에너지가 기존의 시스템에 도입되어야 하는 것은 자명하다. 그러나 주변 환경만으로 이러한 공정 조건을 만족시킬 수 없다. 따라서, 전적으로 주변 온도 및 압력에 의해서만 지원되는 새로운 담수화 공정은 에너지 요구 수준이 다른 기존 공정의 에너지 요구 수준보다 매우 낮기 때문에 본질적으로 유리하다.
본 발명은 상술한 통상적인 담수화 공정 및 시스템이 가지고 있는 단점을 경제적으로 극복하면서 그 자신만의 이점을 제공한다.
발명의 일 태양에 따르면, 본 발명은 유압식 담수화 시스템, 장치 및 방법에 관한 것이며, 이는 파이프 및 마찰력을 부여하며 유동을 제어하는 밸브를 포함하는 수반되는 인프라스트럭처를 통한 염수 유동을 생성하여 액체 해수의 압력을 기화점까지 낮춤으로써 액체 해수를 기화시켜 증기를 생성하는 단계와, 상기 증기를 포획하는 단계와, 주변 환경에 의해서 공급되는 고압을 사용하여 상기 증기를 응축시켜서 담수를 생성하는 단계와, 증기 온도보다 높은 주변 온도를 유지시킴으로써 응축 동안에 방출된 열을 회수하는 단계와, 상기 회수된 열을 사용하여 상기 염수의 기화를 주기적으로 촉진 및 지속하는 단계를 포함한다. 이 시스템은 염수 및 담수를 동시에 펌핑하도록 구성된 스프링 적재형 펌프를 사용한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 담수화 방법이 제공된다. 이 방법은 파이프 및 이에 수반되는 인프라스트럭처를 통한 염수 유동을 생성하여 액체 해수의 압력을 기화점까지 낮춤으로써 액체 해수를 기화시켜서 증기를 생성하는 단계와, 상기 증기를 포획하는 단계와, 주변 환경에 의해서 공급되는 고압을 사용하여 상기 증기를 응축시켜 담수를 생성하는 단계와, 증기 온도보다 높은 주변 온도를 유지시킴으로써 응축 동안에 방출된 열을 회수하는 단계와, 상기 회수된 열을 사용하여 상기 염수의 기화를 주기적으로 촉진 및 지속하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 염수 담수화 시스템이 제공된다. 이 시스템은 상류 격납부 및 하류 격납부를 실질적으로 둘러싸도록 구성된 격납 용기와, 염수 소스로부터의 염수를 상기 상류 격납부로 펌핑하고 상기 하류 격납부로부터 응축된 담수를 펌핑하며 상기 담수 및 염수를 동시에 펌핑하도록 구성된 복수의 스프링이 장착된 펌프를 포함하는 펌프 시스템과, 상기 복수의 스프링이 장착된 펌프의 흡입 측 상에서 염수 유동에 가해지는 마찰력을 제어하여 상기 염수의 압력을 수증기를 생성하도록 상기 격납 용기 내의 염수의 기화를 유발하는 기화점까지 낮추는 적어도 하나의 마찰 밸브와, 염수를 담수화하여 담수를 생성하도록, 공기를 상기 격납부 내에 주입하여 상기 수증기의 상기 하류 격납부 내로의 응축을 강제하는 공기 소스를 포함한다.
본 발명을 더 이해시키기 위해서 제공되는 첨부 도면들은 본 명세서에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성하고 본 발명의 실례들을 예시하며 상세한 설명 부분과 함께 본 발명의 다양한 원리들을 설명하는 것을 돕는다. 본 발명 및 본 발명이 실시되는 다양한 방식의 기본적인 이해를 위해서 필요한 것보다 더 자세하게 본 발명의 구조적 세부 사항을 나타낼 의도는 없다.
도 1a는 본 발명의 원리에 따라 구성된 유압식 담수화 시스템의 해수에서 담수로의 변화의 실례를 나타내고 있으며 본 발명의 원리에 따라서 해수에서 담수로의 전체적인 진행의 간단한 공정을 나타내고 있다.
도 1b는 본 발명의 원리에 따라 구성된 유압식 담수화 시스템의 해수에서 브라인 수(brine water) 또는 브라인으로의 변화의 실례를 나타내고 있으며 본 발명의 원리에 따라서 해수에서 브라인 수로의 전체적인 진행의 간단한 공정을 나타내고 있다.
도 2a는 도 1a 및 도 1b의 유압식 담수화 시스템의 구성에 포함될 수 있는 소정의 구성 요소들의 보다 상세한 단면도이다.
도 2b는 도 1a 및 도 1b의 유압식 담수화 시스템의 구성에 포함될 수 있는 소정의 구성 요소들의 다른 보다 상세한 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 원리에 따라 구성된 펌프 시스템의 다수의 유압식 담수화 펌프 장치들의 실례의 순차적 탑-다운 도면이다.
도 3b는 도 3a의 다수의 담수화 펌프 장치들의 측 단면도이고 이들의 작동 시퀀스의 실례를 나타내며 도 2에 도시된 구성 요소들의 펀넬(funnel)에 연결되기 위해서 사용될 수 있는 예시적인 밸브 및 파이프를 나타내고 있다.
도 4는 본 발명의 원리에 따라 구성된 유압식 담수화 펌프 장치들과 연관될 수 있는 마찰 밸브 및 유동 밸브의 실례의 순차적 탑-다운 도면이며 또한 이들의 예시적인 작동 시퀀스를 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 원리에 따라서 구성 및 수행되는 시스템 및 방법에 의해서 생성되는 열역학적 사이폰(siphon)의 실례를 도시하고 있다.
도 6은 통상적인 비유압식 담수화 펌프에 대한 펌프 및 NPSHR(Net Positive Suction Head Required) 곡선의 실례를 나타내고 있다.
도 7은 본 발명의 원리에 따라 구성된 유압식 담수화 펌프에 대한 펌프 및 NPSHR(Net Positive Suction Head Required) 곡선의 실례를 나타내고 있다.
도 8은 본 발명의 원리에 따른 유압식 담수화 펌프의 실례의 탑-다운 도면이다.
도 9a는 본 발명의 원리에 따라 구성된 예시적인 열 교환 장치의 탑-다운 도면이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 열 교환 장치의 측 단면도이다.
본 발명의 다양한 태양과 원리 및 이들의 유익한 세부 사항들은 첨부 도면들을 참조하여 다음의 상세한 설명 부분에서 기술되거나 예시되는 비한정적 실례들을 참조하여 보다 완전하게 설명될 것이다. 첨부 도면들에서 예시되는 특징부들은 반드시 실제 축척대로 도시된 것은 아니며 일 실시예의 특징부들이 다른 실시예들에서 사용될 수 있다는 데 주목해야 하며 이러한 바는 본 명세서에서 명시적으로 기술되지는 않을지라도 본 기술 분야의 당업자는 인지하게 될 것이다. 잘 알려진 구성 요소 및 프로세싱 또는 처리 기술들에 대한 설명은 본 발명의 다양한 태양들을 불필요하게 모호하게 하지 않도록 하기 위해서 생략될 수 있다. 본 명세서에 사용되는 실례들은 단지 본 발명이 실시될 수 있는 방식의 이해를 촉진하고 본 기술 분야의 당업자가 본 발명의 다양한 실시예들을 실시할 수 있도록 하기 위해서 제공되었다. 따라서, 본 명세서의 실시예들은 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되며 본 발명의 범위는 오직 첨부된 청구 범위 및 이에 대하여 적용 가능한 법률에 의해서만 규정된다. 또한, 몇몇 첨부 도면에 나와 있는 유사한 참조 부호는 유사한 구성 요소를 나타낸다.
도 1a는 본 발명의 원리에 따라 구성된 유압식 담수화 시스템의 해수에서 담수로의 변화의 실례를 나타내고 있으며 본 발명의 원리에 따라서 해수에서 담수로의 전체적인 진행의 간단한 공정을 나타내고 있다.
도 1b는 본 발명의 원리에 따라 구성된 유압식 담수화 시스템의 해수에서 브라인 수(brine water) 또는 브라인으로의 변화의 실례를 나타내고 있으며 본 발명의 원리에 따라서 해수에서 브라인 수로의 전체적인 진행의 간단한 공정을 나타내고 있다.
도 1a 및 도 1b에 관련하여서 도시된 바와 같이, 일반화된 예시적인 유압식 담수화 장치 및 방법은 파이프 및 이에 수반되는 인프라스트럭처를 통한 유동을 생성하여 액체 염수의 압력을 기화점까지 감압하는 단계와, 증기를 포획하는 단계와, 담수를 생성하는 주변 환경에 의해서 제공되는 높은 압력을 사용하여 상기 증기를 응축하는 단계와, 증기 온도보다 높은 주변 온도를 유지함으로써 응축 동안에 방출된 열을 회수하는 단계와, 상기 회수된 열을 사용하여 주기적으로 기화 단계를 촉진 및 지속하는 단계를 포함한다.
이하에서 보다 상세하게 기술하는 바와 같이, 도 1a 및 도 1b는 격납 용기를 포함하는 물 기화 탱크(120), 담수화 시스템(100)을 통해서 담수 및 염수를 포함하는 물을 펌핑하는 펌프 시스템(125) 및 파티션(130)에 의해서 분리되는 다수의 펀넬을 수용하는 펌프 스테이션의 실례를 나타내고 있다. 도 1a 및 도 1b는 지면 높이 및 염수 소스와 관련하여 펌프 스테이션 인프라스트럭처의 실례를 나타내고 있다. 또한, 공기 노즐(174)은 담수 측으로 공기를 주입하도록 구성된다. 도 1a는 염수를 담수화하는 본 발명의 일 태양을 더욱 명확하게 예시하는 반면에 도 1b는 염수를 브라인화하는 본 발명의 일 태양을 더욱 명확하게 예시하고 있다.
본 발명의 원리에 따라서, 도 1a는 해수를 담수화하는 전체적인 과정의 간단한 공정을 나타내고, 도 1b는 해수를 브라인화하는 전체적인 과정의 간단한 공정을 나타내고 있다. 도 1a 및 도 1b의 이러한 일반화된 단계들은 다른 도면들을 참조하여서 이하에서 보다 상세하게 기술된다.
도 1a에서, 단계(S1)는 해양 등과 같은 염수 소스로부터의 해수의 담수화 시스템(100)으로의 유동을 일으키는 입력 간선(force main)을 예시하고 있다. 단계(S2)에서, 해수는 주 마찰 밸브를 만날 수 있다. 단계(S3)에서, 상기 해수는 펀넬(135b)로 흐른다(도 2a 참조). 단계(S4)에서, 상기 해수는 상류 격납부를 생성하는 물 기화 탱크(120) 내의 파티션(130)에 의해서 격납될 수 있다. 단계(F5)에서, 상기 해수가 이하에서 보다 상세하게 기술될 바와 같이 기화되어서 기화 탱크(120) 내에서 증기 성분이 생성된다. 단계(F6)에서, 이 증기 성분은 상기 물 기화 탱크(120) 내에서 응축되고 액체 담수로 포획되어 하류 격납부를 형성한다. 단계(F7)에서, 상기 하류 격납부는 파티션(130)과 함께 펀넬(135b)에 의해서 격납될 수 있다. 단계(F8)에서, 상기 담수는 가령 고정 마찰 밸브(set friction valve)와 같은 마찰 밸브를 갖는 흡입 파이프를 지나갈 수 있다. 이 담수는 약 2% 주입된 공기를 포함할 수 있다. 단계(F9)에서, 상기 담수는 펌프(가령, 도 3a 및 도 3b의 165a 내지 165e)에 들어가고 담수 저장 구역 내로 방출될 수 있다.
도 1b에서, 단계(S1) 내지 단계(S4)가 도 1a를 참조하여 기술된 바와 동일하게 수행된다. 단계(B5)에서, 펀넬(135a)의 상류 격납부 내에서 모아진 브라인이 흡입 파이프의 제 1 부분(가령, 도 3b 참조)으로 흐른다. 단계(B6)에서, 상기 브라인은 흡입 파이프의 제 2 부분을 통과하여 계속 진행된다. 단계(B7)에서, 상기 브라인은 상기 흡입 파이프의 제 3 부분으로 이동한다. 단계(B8)에서, 상기 브라인은 펌프(가령, 도 3a 및 도 3b의 165a 내지 165e)와 만나고 브라인 격납 구역 내로 방출될 수 있다. 각 펌프(가령, 도 3a 및 도 3b의 165a 내지 165e)는 이하에서 보다 상세하게 기술될 바와 같이 염수 및 담수를 동시에 펌핑하도록 구성될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1a 및 도 1b의 구성에서 포함될 수 있는 소정의 구성 요소들의 보다 상세한 도면이다. 도시된 바와 같이, 펌프 스테이션(115)은 증기 공간(122)을 둘러싼 봉입 곡선 구조물로서 도시된 물 기화 탱크(120)와, 파티션(130)에 의해서 분리된 다수의 펀넬들(135a 내지 135b)과, 열 소스(145) 및 기화 탱크(120)에 연결되어 기화 탱크(120)의 내부에서 가열이 가능하게 하는 하나 이상의 열 도관들(140)을 포함하도록 구성된다. 상기 파티션(130)은 본 명세서에서 기술되는 담수화 공정에 의해서 생성 및 포획된 담수(우측에 도시됨)로부터 염수(좌측에 도시됨)를 분리하도록 구성될 수 있다. 탱크 캡(160)은 가령 기화 탱크(120)의 배출 또는 상기 기화 탱크(120)의 세정 시에 사용되기 위해서 상기 기화 탱크로의 접근을 허용한다. 펀넬(135a)은 염수 보유 구조물을 포함하며 입력 간선 파이프(1)를 연결하기 위한 입력 간선 파이프 커넥터(150)를 갖도록 구성되며(도 3b 참조) 또한 흡입 파이프(12)에 연결되고 이에 수용되도록 구성된다(도 3b 참조). 펀넬(135b)은 담수 보유 구조물을 포함하며 흡입 파이프(5)에 연결될 수 있는 흡입 파이프 커넥터(155)를 갖도록 구성될 수 있다(도 3a 및 3b 참조). 상기 기화 탱크(120)는 상류 격납부 및 하류 격납부를 실질적으로 둘러싸도록 구성될 수 있는 격납 용기를 포함하며 이하에서 보다 완전하게 기술될 바와 같이 응축용 수증기를 포함할 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 탱크 파티션(130)은 또한 응축 동안에 방출되는 열에 대해서 담수 하류 측에서 해수 상류 측으로의 열적 유동 경로를 제공할 수 있는 열 교환기(131)를 수용하도록 구성될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 원리에 따라 구성된 펌프 시스템의 다수의 유압식 담수화 펌프 장치들의 실례의 순차적 탑-다운 도면이다. 도 3b는 도 3a의 다수의 담수화 펌프 장치들의 측 단면도이고 이들의 작동 시퀀스의 실례를 나타내며 도 2a 및 도 2b의 펀넬들(funnel)에 연결되기 위해서 사용될 수 있는 예시적인 밸브 및 파이프를 나타내고 있다.
표 1은 도 3a 및 도 3b의 다수의 유압식 담수화 펌프 장치들에 포함될 수 있는 소정의 다양한 구성 요소의 실례들의 교차 참조를 제공하고 참조 번호(1 내지 28)를 나타내고 있으며,(특정 적용 상황에 의존하여 변할 수 있는) 예시적인 정량 및 구성 요소들을 예시적으로 설명하고 있다:
일정 유동을 위한 파이프 스케줄- 1,200 GPM Station
참조 번호 정량 구성 요소 및/또는 기능
1 4 10" 입력 간선 파이프(해수, 3.5% 염분 가정)
2 1 10" 게이트 밸브
3 1 8" 고정 마찰 밸브
4 1 8" 긴 반경 90' 벤드
5 22 8" 흡입 파이프(담수 & 공기 소스)
6 1 8" 트루 웨이(True Wye)
7 7 8" 45' 벤드
8 3 8" 웨이(WYE)
9 10 8" 유동 밸브
10 10 8" 90' 벤드(Bend)
11 15 8" (담수 & 공기, 약 0% 염분)의 담수 저장 구역으로의 방출 파이프
12 10 2" 흡입 파이프(브라인, 대략 35% 염분)
13 6 2" 90' 벤드
14 2 2" 티(tee)
15 2 2" 45' 벤드
16 2 3" x 2" 동심 리듀서(Concentric Reducer)
17 1 3" x 3" x 4" 트루 웨이(True WYE)
18 1 4" 트루 웨이
19 23 4" 흡입 파이프(브라인, 대략 35% 염분)
20 3 4" 웨이
21 6 4" 45' 벤드(Bend)
22 10 4" 유동 밸브
23 10 4" 90' 벤드
24 15 4" 방출 파이프(브라인, 대략 35% 염분)
25 1 10" 고정 마찰 밸브
26 1 10" 긴 반경 90' 벤드(Bend)
27 1-5 브라인을 브라인 저장 구역으로 방출하는 파이프
28 1-5 담수용 방출 파이프
유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)은 본 명세서에서 기술되는 유압식 담수화 시스템 및 공정에서 물에 대한 구동원으로서 기능할 수 있다. 본 발명의 원리에 따라서, 상기 유압식 담수화 시스템 및 공정은, 도 3b에 도시된 바와 같은 밸브와 파이프(170)(인프라스트럭처의 일부임) 및 도 1 A 및 도 1b에 도시된 공기 노즐, 기화 탱크 및 다른 장치들과 결합되어, 스프링이 장착된 펌프들일 수 있는 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)을 사용하는 것을 포함한다. 이러한 요소들은 서로 합쳐서 열 역학적 사이폰(thermodynamic siphon)을 구성하며 이 사이폰의 실례가 도 5에 도시되며 이는 통상적인 담수화 공정과 관련된 기화 단계의 정상 억제 열(normally prohibitive heat)을 효과적으로 바이패스하여 전체적인 에너지 요구 수준을 크게 저감시킬 수 있다.
유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e) 각각은 일반적으로 복잡한 내부 구성 요소들, 소형 튜브 장치들 및 통상적인 펌프 내에서 큰 마찰 손실을 유발하는 좁은 통과 경로부들이 없는 간단한 구성이다. 이러한 구성은 유사한 직경 및/또는 유사한 둘레를 갖는 압축 스프링(163)에 의해서 확장될 수 있는 상대적으로 대형의 원통형 펌프 캐비티(cavity)(164)를 포함할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e) 각각은 2 개의 파이프 유입구(5 및 19) 및 2 개의 파이프 출구(11 및 24)를 갖도록 구성될 수 있다. 이 4 개의 유입구 및 출구 모두는 각각의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)의 최상부에 위치할 수 있다. 단일 유입구(5) 및 출구(11)는 서로 쌍을 이루며 담수 및 공기의 혼합물의 흡입 및 배출을 위해서 사용될 수 있다. 다른 단일 유입구(19) 및 출구(24)는 서로 쌍을 이루며 브라인의 흡입 및 배출을 위해서 사용될 수 있다. 담수와 공기의 혼합 유동은 펌프 캐비티(164)(및 스프링) 내의 파티션에 의해서 브라인 유동과 분리되게 유지될 수 있다. 가령, 도 8에 예시된 바와 같은 펌프 파티션은 각각의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)에 의해서 유도되는 유동의 대략 90%가 담수와 공기의 혼합 유동을 포함하고 나머지 10%는 브라인을 포함하도록 배치될 수 있다. 이러한 비율은 브라인 내에서 염분을 그대로 유지시키면서 통상적인 해수 또는 다른 염수 소스를 담수화하는 효율을 최대화시킬 수 있다. 필요하다면 상이한 염수 염분 또는 보다 작은 담수화 유닛들을 수용하도록 다른 비율 및 다른 파티션 위치가 선택될 수도 있다.
도 3b는 또한 본 발명의 원리에 따른 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)의 작동 시퀀스를 예시하고 있다. 각각의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)에 유체가 들어가면, 스프링(163)은 펌프 캐비티(164)가 상대적으로 저속의 유속 아래 방향으로 확장되게 한다. 펌프 캐비티(164) 확장이(대략 그의 최대 위치까지) 완료되면, 펌프의 바닥에 있는 전기 기계적 프레스(166)(또는 다른 유사한 구동형 프레스 메카니즘)가 구동되어 상기 캐비티를 그의 최초의 비 팽창된 위치로 압축하기 시작한다. 이러한 압축 동안에, 브라인 및 담수/공기는 그들의 출구(11 및 24)를 통해서 방출되고 각각의 저장 구역으로 보내진다. 각각의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)의 작동에 대한 보다 세부적인 기술은 다음에 제공된다.
4 개의 작동하는 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e) 각각은 아래의 표 2에 도시된 단계를 통해서 리드미컬하게 그러나 비동기적으로 구동 가능하게 순환하며 이 표 2는 각각의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)의 작동과 관련된 유동 밸브들의 작동을 나타내고 있다(도 3b에서 도시된 바와 같이, "펌프 위치 1"은 160a에 대응하고, "펌프 위치 2"은 160b에 대응하고, "펌프 위치 3"은 160c에 대응한다):
단계 1(및 하위 단계들) 단계 2(및 하위 단계들) 단계 3(및 하위 단계들) 단계 4(및 하위 단계들)
1-1. 흡입 파이프 상의 유동 밸브가 완전 개방 위치에 있음 2-1. 흡입 파이프 상의 유동 밸브가 완전 개방 위치에 있음 3-1. 흡입 파이프 상의 유동 밸브가 완전 폐쇄 위치에 있음 4-1. 흡입 파이프 상의 유동 밸브가 완전 폐쇄 위치에 있음
1-2. 스프링이 펌프 위치 1에 있음(펌프 캐비티 빔/비팽창됨) 2-2. 스프링이 펌프 위치 3에 있음(펌프 캐비티 충진됨/팽창됨) 2-3. 스프링이 펌프 위치 3에 있음(펌프 캐비티 충진됨/팽창됨) 2-4. 스프링이 펌프 위치 1에 있음(펌프 캐비티 빔/비팽창됨)
1-3. 방출 파이프 상의 유동 밸브가 완전 폐쇄 위치에 있음 2-3. 방출 파이프 상의 유동 밸브가 완전 폐쇄 위치에 있음 3-3. 방출 파이프 상의 유동 밸브가 완전 개방 위치에 있음 4-3. 방출 파이프 상의 유동 밸브가 완전 개방 위치에 있음
1-4. 전기 기계적 프레스가 확장된 위치에 있지만 팽창을 허용하도록 전기 공급 차단 1-4. 전기 기계적 프레스가 수축된 위치에 있으며 팽창이 종료되면 전기 공급 차단 1-4. 전기 기계적 프레스가 수축된 위치에 있지만 팽창을 시작하도록 전기 공급함 1-4. 전기 기계적 프레스가 확장된 위치에 있지만 수축이 종료되면 전기 공급함
일정 유동(소형) 유닛에 있어, 오직 2 개의 작동 펌프들이 요구될 수 있다. 따라서, 단계(P2, P3 및 P4)는 소형 유닛 구성에 있어서 단계(P1)에서 단계(P2)로의 천이가 발생하는데 상대적으로 긴 시간을 취할 수 있기 때문에 단일 단계로 간주될 수 있다.
연속 유동은 담수화 공정을 연장시키기 위해서 통상적으로 필요하다. 이와 달리, 유압식 담수화 펌프 장치가 물을 방출하고 있을 때에 기화는 정지될 수 있다. 도 3b에 예시된 바와 같이, 연속 유동을 유지하기 위해서, 복수의(가령, 2 개, 3 개 또는 4 개의) 유압식 담수화 펌프 장치들이 병렬로 설치되며 유동 밸브들(가령, 유동 밸브(22))이 각 펌프의 흡입 라인 및/또는 배출 라인에 부착된다. 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165d)은 한 시점에 오직 하나의 유압식 펌프가 유체를 끌어당기도록 리드미컬하게 작동할 수 있다. 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165d) 중 하나는 여분의 스페어 펌프(165e)로서 기능할 수 있다. 다른 펌프 장치들 중 하나가 고장나면, 이 스페어 펌프(165e)가 가동되어 연속 유동을 유지할 수 있다.
유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e) 모두는 유속(flow rate)을 전달하고 압력을 가하기 위한 그들의 성능과 관련하여 특정 특성 또는 관계를 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로, 펌프는 유체를 저속의 유속으로 펌핑할 때에 주변에 대해서 압력을 보다 많이 가하게 된다. 이러한 관계는 유속이 주변에 어떻게 영향을 주는 것과 상관없이 펌프 장치 그 자체 내에서 존재하며 이는 펌프 곡선으로 알려져 있다. 통상적인 펌프 곡선은 도 6에 도시되어 있다.
통상적인 펌프는 유속이 증가하면 그 주변에 압력을 가하는 펌프 성능이 감소하도록 펌프 내의 유속에 의해서 영향을 받는 내부 메카니즘, 튜브 및 통과 경로 상의 특징을 갖는다. 이렇게 용량이 감소하는 것은 유속, 보다 중요하게는 유동 속도가 펌프 내에서 증가할 때 펌프 내의 마찰 손실로 인한 것이다. 마찰 손실은 유동 속도에 크게 의존하며 유동 속도가 소폭 증가하면 마찰 손실은 비교적 많이 증가하게 된다.
종국적으로, 유속이 펌프 내에서 증가하면, 펌프가 더 이상 적절하게 작동할 수 없는 시점에 이르게 된다. 이 시점은 펌프에 의한 NPSHR(Net Positive Suction Head Required)가 NPSHA(Net Positive Suction Head Available)와 같거나 이를 초과할 때이다. NPSHR은 이전에 기술된 펌프 내의 마찰 계수와 관련되며, 펌프를 통한 유속이 증가할수록 증가한다. 이러한 직접적 관계는 NPSHR 곡선으로 지칭된다. 도 6은 또한 통상적인 NPSHR 곡선을 나타내고 있다. NPSHA는 기본적으로 펌프의 흡입 측 상의 주변부에 의해서 제공되는 총 압력이다. 엄밀히 말하자면, 펌프는 유체를 끌어올릴 수 없다. 어느 정도의 압력이 흡입 측 상에 존재해야만 유체가 펌프 내로 밀려들어갈 수 있다. 정의 상, NPSHA 압력은 주변 대기 압력에 흡입 측 유체 소스의 펌프 위의 높이로부터의 압력을 더하고 외부 흡입 파이프 내의 유체 유동으로부터의 마찰 손실을 감산한 것이다(NPSHA = 대기 압력 + 유체 높이 - 마찰 계수).
유체가 액체이고 NPSHR이 NPSHA와 동일하면, 기화가 발생한다. 펌프 내의 마찰 손실은 액체의 압력을 저하시키고 이로써 증기 거품이 상기 액체 내에서 형성될 수 있다. 본질적으로, 끓는 형태가 발생한다. 이러한 보일링 또는 끓음은 캐비테이션(cavitation)으로 지칭되며 정상 환경 하에서 펌프에게 문제가 될 수 있다. 먼저, 이러한 캐비테이션은 바로 의도된 액체가 아닌 액체와 수증기의 혼합물을 펌핑해야 하기 때문에 펌프에 의해서 전달되는 액체의 유동을 저하시킨다. 둘째로, 증기 거품은 펌프의 내부 구성 요소들에 대해서 팽창과 터짐을 반복함으로써 펌프에 손상을 유발할 수 있다. 이러한 이유로 해서, 엔지니어들은 펌프의 NPSHR이 NPSHA와 동일하거나 이를 초과하는 상황을 피하려고 한다.
그러나, 적합한 환경에서, 마찰 손실을 사용하여 기화를 의도적으로 유발하는 바는 유리할 수 있다. 이는 심지어 기화가 주변 온도 및 압력에서 발생할 때에 담수화를 위해서 이상적일 수 있으며 이는 에너지 요구 수준이 상대적으로 낮아진다 것을 의미한다. 따라서, 이러한 담수화 공정은 비용 효과적이어서 큰 잠재력을 갖는다. 본 발명은 유압식 담수화를 제공하기 위해서 이러한 잠재력을 이용한다.
본 발명의 원리에 따른 유압식 담수화는 마찰 손실이 NPSHA와 동일하거나 이를 초과할 때에 기화를 유발하는 펌프의 능력을 이용한다. 그러나, 임의의 펌프 내의 기화는 특히 통상적인 펌프의 경우에 문제가 될 수 있다. 기화(또는 캐비테이션)은 또한 흡입 파이프 내의 마찰 손실이 NPSHA와 동일하거나 이를 초과할 때에도 이 펌프 외부에 있는 흡입 파이프 내에서도 발생할 수 있다. 그러나, 파이프의 한정된 공간 내에서 증기 거품이 팽창하고 터지게 되면 펌프의 내부 구성 요소들에서 발생했던 손상과 유사하게 파이프 내벽에 손상이 발생하기 때문에 파이프 내에서의 기화는 바람직하지 않다.
펌프의 흡입 측 상에서 기화를 안전하게 이용하기 위해서, 본 발명의 원리에 따른 유압식 담수화 시스템 및 방법은 다음으로 한정되지는 않지만 다음의 장치 및 특징부를 포함한다:
- 브라인(농축된 해수) 유동 및 공기/담수 혼합 유동을 모두 처리하면서 희망하는 유속 및 속도(가령, 2 내지 8 fps(feet-per-second))로 물을 파이프를 통해서 끌어들이는 유압식 담수화 펌프 장치들;
- 유압식 펌프 장치들의 흡입 측 상의 마찰을 제어하며 기화 탱크 내의 기화를 유발하는 마찰 밸브들;
- 상대적으로 작은 직경의 입력 간선 파이프와 큰 직경의 기화 탱크 간에 천이를 제공하며 브라인이 그로부터 유입되는 개구를 제공하는 기화 탱크의 상류에 있는 펀넬;
- 주변에 대한 손상을 최소화하면서 끓을 수 있는 기화 탱크;
- 열 교환기를 수용하며 기화 탱크를 상류 측 상의 해수와 하류 측 상의 담수로 분할하는 파티션 벽;
- 큰 직경의 기화 탱크와 작은 직경의 흡입 파이프 간에 천이를 제공하면서 기화 탱크의 하류에 있는 펀넬; 및
- 탱크의 상류 측 상에서 기화를 위한 열을 제공하면서 탱크의 하류 측 상에서 공기를 도입하여 응축을 유발하는 공기 노즐.
통상적인 펌프들은 하나의 위치에서 다른 위치로 유체를 이동시키는 데는 좋으나 대형 스케일로 해서 기화를 안전하게 유발하는데 있어서는 바람직하지 못하다. 본 발명의 원리에 따른 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)은 소형 스케일(가령, 10 gpm(gallon per minute))에서 대형 스케일(가령, 1000 gpm 이상)에 이르기까지 스케일에 대해서 유압식 담수화를 위해서 특정하게 설계된다.
일반적으로, 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)은 통상적인 펌프 내에서 큰 마찰 손실을 유발하는 좁은 유체 이동 경로, 소형 튜빙 유닛 및 복잡한 내부 구성 요소들이 실질적으로 없도록 구성된다. 전술한 바와 같이, 이러한 구성은 작은 직경의 압축 스프링(163)에 의해서 팽창할 수 있는 상대적으로 대형의 원통형 펌프 캐비티(164)를 포함한다. 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e) 각각은 2 개의 파이프 유입구 및 2 개의 파이프 출구를 갖도록 구성될 수 있다. 이 4 개의 유입구 및 출구 모두는 각각의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)의 최상부에 위치할 수 있다. 단일 유입구 및 출구는 서로 쌍을 이루며 담수 및 공기 혼합물의 흡입 및 배출을 위해서 사용될 수 있다. 다른 단일 유입구 및 출구는 서로 쌍을 이루며 브라인의 흡입 및 배출을 위해서 사용될 수 있다. 담수와 공기의 혼합 유동은 펌프 캐비티(164)(및 스프링) 내의 파티션에 의해서 브라인 유동과 분리되게 유지될 수 있다. 가령, 도 8에 예시된 바와 같은 펌프 파티션은 각각의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)에 의해서 유도되는 유동의 대략 90%가 담수와 공기의 혼합 유동을 포함하고 나머지 10%는 브라인을 포함하도록 배치될 수 있다. 이러한 비율은 브라인 내에서 염분을 그대로 유지시키면서 통상적인 해수 또는 다른 염수 소스를 담수화하는 효율을 최대화시킬 수 있다. 필요하다면 비용 효율적으로 상이한 염수 염분 또는 보다 작은 담수화 유닛들을 수용하도록 다른 비율 및 다른 파티션 위치가 선택될 수도 있다. 각각의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)에 유체가 들어가면, 스프링(163)은 펌프 캐비티(164)가 상대적으로 저속의 유속 아래 방향으로 확장되게 한다. 펌프 캐비티(164) 확장이 완료되면, 펌프의 바닥에 있는 전기 기계적 프레스(166)(또는 다른 유사한 구동형 프레스 메카니즘)가 구동되어서 상기 캐비티를 그의 최초의 비 팽창된 위치로 압축하기 시작한다. 이러한 압축 동안에, 브라인 및 담수/공기는 그들의 출구(11 및 24)를 통해서 방출되고 각각의 저장 구역으로 보내진다.
일반적으로, 연속 유동은 담수화 공정을 연장시키기 위해서 통상적으로 필요하다. 이와 달리, 유압식 담수화 펌프 장치가 물을 방출하고 있을 때에 기화는 정지될 수 있다. 도 3b에 예시된 바와 같이, 연속 유동을 유지하기 위해서, 복수의(가령, 2 개 내지 5 개 또는 그 이상의) 유압식 담수화 펌프 장치들이 병렬로 설치되며 유동 밸브들이 각 펌프 장치의 흡입 라인 및/또는 배출 라인에 부착된다. 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165d)은 한 시점에 오직 하나의 유압식 펌프가 유체를 끌어당기도록 리드미컬하게 작동할 수 있다. 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165d) 중 하나는 여분의 스페어 펌프(165e)로 기능할 수 있다. 다른 펌프 장치들 중 하나가 고장나면, 이 스페어 펌프(165e)가 가동되어 연속 유동을 유지할 수 있다.
간단한 설계의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)의 다른 이점은 공기와 물의 혼합물이 펌프의 성능에 악영향을 주지 않는다는 것이다. 액체 또는 가스를 펌핑하도록 만들어진 통상적인 펌프는 종종 액체 가스 혼합물과 연관된 상이한 속도 및 밀도를 처리하는데 있어서 약하다. 스프링이 장착된 펌프 내의 유동 속도는 너무 낮아서 상이한 밀도에도 불구하고 임의의 심각한 문제를 야기한다.
압축 스프링에 필요한 크기 및 수치는 스프링에 대한 몇몇 일반적인 가이드라인 및 펌프와 연관된 유동 밸브가 개방 및 폐쇄하는데 드는 시간에 의해서 좌우될 수 있다. 이러한 가이드라인들은 다음의 내용을 포함한다:
- 자유 스프링 길이(어떠한 힘도 스프링에 작용하지 않을 때에 스프링(163)의 길이)는 스프링의 전체 직경의 10배보다 크지 않아야 한다.
- 압축 작동 범위는 최대 압축(스프링의 완전 압축 길이 - 자유 스프링 길이)의 약 80%와 가령 최대 압축의 약 20% 사이에 있어야 한다.
- 스프링(163)의 와이어 직경은 전체 스프링 길이의 약 1/12보다 작지 않아야 한다.
- 스프링의 팽창 체적은 펌프의 유동 밸브가 개방 및 폐쇄를 하는데 적합한 시간을 부여할 수 있도록 그 팽창 시작 및 종료 사이에 최소 약 15 초가 경과하도록 충분하게 커야 한다.
추가적으로, 스프링(163)의 팽창을 유발하는데 요구되는 힘은 간단한 선형 등식 F = kx이고, 여기서 F는 스프링의 팽창을 위해서 필요한 힘이며 k는 대체로 스프링의 재료 특성에 의존하는 상수이고, x는 스프링 팽창 길이이다. 이러한 간단한 선형 관계식은 스프링의 크기를 조절하는 것을 용이하게 하며 이로써 최종 유압식 담수화 원리는 희망하는 레이트로 담수를 생성하도록 해 준다.
설계상, 스프링이 장착된 펌프들(유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165d)은 펌프를 통한 유속에 의존하는 펌프 곡선 및 NPSHR 곡선을 갖는다. 스프링이 장착된 펌프들은 통상적인 펌프 내에서 큰 마찰 손실을 유발하는 좁은 유체 이동 경로, 소형 튜빙 유닛 및 복잡한 내부 구성 요소들을 구비하지 않기 때문에, 상기 펌프 곡선 및 NPSHR 곡선은 도 7을 참조하여 기술된 바와 같이 완전하게 수평이다. 주변부에 압력을 가하는 펌프의 능력에 영향을 주는 유일한 요소는 팽창 동안의 스프링의 선두 면의 위치이다. 유체가 액체 형태로 펌프에 도달하게 되면, 펌프 내의 어떠한 것도 액체가 캐비테이션되도록 할 수 없다. 따라서, 스프링이 장착된 펌프에 대한 NPSHR 곡선은 완전하게 수평일 뿐만 아니라 실제 모든 유동에 대해서 제로와 같다. 도 7은 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)과 같은 스프링이 장착된 펌프에 대한 예시적인 펌프 곡선 및 NPSHR 곡선을 예시하고 있다. 어떠한 NPSHR도 갖지 않는 주요 이점은 펌프가 유압식 담수화의 낮은 NPSHA 환경에서도 사용하기에 매우 안전하고 효율적이라는 것이다.
도 4는 본 발명의 원리에 따라 구성된 유압식 담수화 펌프 장치들과 연관될 수 있는 마찰 밸브 및 유동 밸브의 실례의 순차적 탑-다운 도면이며 또한 이들의 예시적인 작동 시퀀스를 나타내고 있다. 유동 밸브들(가령, 유동 밸브(22,70))은 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)에 들어가서 나오는 유체를 제어하도록 구성되는 밸브를 포함한다. 이들은 또한 조절 마찰 밸브(가령, 마찰 밸브(25,75))에서 나오는 유체를 제어할 수 있다. 유동 밸브들은 가령 스톱 밸브, 스톱 체크 밸브, 비복귀 체크 밸브, 핀치 밸브 또는 임의의 다른 유사하게 기능하는 밸브를 포함한다. 유동 밸브는 유압식 또는 전기식으로 구동되어서 펌프 작동 시퀀스(및 조절 마찰 밸브 작동 시퀀스)에 따라서 작동한다.
마찰 밸브(가령, 마찰 밸브(25,75))는 기화 탱크(20)로부터 상류 방향에 있는 파이프 내에서의 유동을 제한하도록 구성된다. 마찰 밸브를 사용하는 목적은 마찰 압력(friction head)을 염수 유동에 부여하여 기화 탱크(20) 내의 희망하는 위치에서 기화가 발생할 수 있도록 하기 위한 것이다. 마찰 밸브(가령, 마찰 밸브(25,75))는 고정 또는 조절된다. 고정 마찰 밸브는 유압식 담수화 동안에 변화되지 않는 하나의 부분적으로 폐쇄된 위치로 고정된다. 조절 마찰 밸브는 유압식 담수화 동안에 부분적으로 폐쇄된 위치에서보다 완전하게 폐쇄된 위치로 조절될 수 있다. 유동 밸브(22, 70)는 조절 마찰 밸브와 함께 사용되어 조절 마찰 밸브가 보다 완전하게 폐쇄된 위치에서 부분적으로 폐쇄된 위치로 리셋되는 시간을 이 조절 마찰 밸브에 제공한다. 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)과 같이, 조절 마찰 밸브들로 병렬로 리드미컬하게 작동하여 연속 유동을 유지시킨다. 적어도 하나의 여분의 조절 마찰 밸브를 포함하면 하나 이상의 다른 작동하는 조절 마찰 밸브가 고장날 시에 이 여분의 밸브를 사용할 수 있다. 유동 밸브(22, 70)와 같이, 마찰 밸브(25,75)도 역시 유압식 또는 전기식으로 구동되어 조절 마찰 밸브 작동 시퀀스에 따라서 작동한다. 가령, CSV(cycle stop valve)와 같은 밸브는 유압식 담수화 시에 고정 또는 조절 마찰 밸브로서 작동하는 데 필요한 성능 특성을 갖는다. 조절 마찰 밸브 작동 시퀀스는 다음의 도 4를 참조하여 기술된다.
본 실례에서, 마찰 밸브의 작동은 다음의 표 3의 단계를 통한 리드미컬하지만 비동기적인 순환을 포함한다:
단계 1(및 하위 단계들) 단계 2(및 하위 단계들) 단계 3(및 하위 단계들)
F-1. 조절 마찰 밸브가 부분적으로 폐쇄된 위치에 있음 F-1. 조절 마찰 밸브가 보다 완전하게 폐쇄된 위치에 있음 F-1. 조절 마찰 밸브가 부분적으로 폐쇄된 위치에 있음
F-2. 입력 간선 상의 하류 유동 밸브가 완전 개방 위치에 있음 F-2. 입력 간선 상의 하류 유동 밸브가 완전 개방 위치에 있음 F-2. 입력 간선 상의 하류 유동 밸브가 완전 폐쇄 위치에 있음
F-3. 이 단계를 겪고 있는 조절 마찰 밸브는 표 2의 펌프 작동 시퀀스의 단계 1을 겪는 펌프와 동기적으로 작동함 F-3. 이 단계를 겪고 있는 조절 마찰 밸브는 표 2의 펌프 작동 시퀀스의 단계 2를 겪는 펌프와 동기적으로 작동함 F-3. 이 단계를 겪고 있는 조절 마찰 밸브는 표 2의 펌프 작동 시퀀스의 단계 3 및 단계 4를 겪는 펌프들과 동기적으로 작동함
F-4. 조절 마찰 밸브를 통한 유동은 최대 유동(표 2의 펌프 작동 시퀀스의 단계 1)과 동일함 F-4. 조절 마찰 밸브를 통한 유동은 최소 유동(표 2의 펌프 작동 시퀀스의 단계 2)과 동일함 F-4. 조절 마찰 밸브를 통한 유동은 제로 유동(표 2의 펌프 작동 시퀀스의 단계 3 및 단계 4)과 동일함
전술한 바와 같이, 기화 탱크(120)는 유압식 담수화 공정 동안에 기화가 안전하게 발생할 수 있는 곳이다. 기화 탱크(120)의 크기는 증기에 대한 유동 속도 한계치로 일반적으로 허용되는 가령 약 200 fps 아래로 증기 유동 속도를 한정하도록 조절된다. 기화 탱크(120)는 그의 중심선을 통해서 파티션 벽(130)을 가지며 이 파티션 벽은 상류 측 상의 해수를 하류 측 상의 담수로부터 분리시킨다. 또한, 파티션 벽(130)은 응축 동안에 방출될 열에 대해서 담수 측에서 해수 측으로의 유동 경로를 제공할 수 있는 열 교환기(131)를 하우징하도록 구성될 수 있다. 이 기화 탱크(120)는 유압식 담수화 공정에서 대형 단일 피스의 장비이다.
산소 및 질소와 같은 응축되지 않는 가스의 소정의 레벨이 유압식 담수화 동안에 기화 탱크 내에서 수거될 수 있다. 이 레벨은 일정하게 유지되어야 하며 담수화 공정의 성능이나 효율에 크게 영향을 주지 말아야 한다. 그러나, 기화 탱크 내에 응축되지 않는 가스가 허용 불가능한 레벨까지 축적되면, 진공 펌프가 탱크 내에 설치되어 과잉 비응축 가스를 방출할 수 있다.
2 개의 펀넬들(135a, 135b)이 유압식 담수화 공정에서 사용될 수 있다. 일 펀넬(135a)은 기화 탱크(120)의 상류 측 상에 구성되며 다른 펀넬(135b)은 기화 탱크(120)의 하류 측 상에 구성될 수 있다. 양 펀넬들은 파이프(이 파이프에서 산업 표준 상 액체 물이 가령 약 2 내지 약 8 fps의 속도로 유동)와 기화 탱크(여기서, 수증기가 가령 약 200 fps 정도의 속도로 유동) 사이에서 천이를 제공한다.
해수(가령, 약 3.5% 염분을 포함한다고 가정함)가 기화 탱크(120) 내에서 기화되면, 뒤에 남은 물은 보다 염분으로 더 농축된다. 이러한 남은 물은 보다 높은 염분(가령, 대략 35% 염분)을 가져서 브라인이 된다. 또한, 상류 펀넬은 그의 바닥에 개구를 가지고 있으며 이 개구로부터 브라인이 브라인 흡입 파이프로 유입되며 이 파이프는 종국적으로 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165b)에서 종단된다. 하류 펀넬(135b)에서 공기 및 담수의 혼합물은 대략 0%의 염분을 갖는다.
공기 노즐은 소형이지만 유압식 담수화 시스템의 중요한 부분이다. 이 공기 노즐은 하류 펀넬 바로 뒤의 담수 유동 내로 공기를 도입한다. 이 단계의 중요한 측면은 주변 공기일지라도 공기는 기화 탱크 내의 수증기보다 높은 온도 및 압력을 갖는다는 것이다. 주변 공기 압력 및 온도는 가령 약 14.7 psi 및 화씨 72도이다. 수증기의 압력은 가령 대략 0.3 psi이며 그 온도는 대략 화씨 68도이다. 엄밀하게 마찰 손실을 통해서 압력을 낮춤으로써 기화가 발생할 수 있다. 해수/염수의 온도를 증가시키기 위한 어떠한 열도 부가되지 않으며, 이 해수/염수의 온도는 일반적으로 대략 화씨 68 도가 되는 것으로 고려되지만 가변적이다.
기화 탱크 내의 수증기보다 높은 압력 및 온도를 갖는 주변 공기의 중요성은 다음과 같이 이중적이다:
- 도입된 공기에 의해서 만들어지는 고압은 수증기가 액체 담수로 응축될 수 있게 한다.
- 도입된 주변 공기의 고온은 응축 동안에 수증기에 의해서 방출된 열이 상류 측을 향해서 다시 기화 탱크 내로 복귀하게 하며 이 열은 기화를 완료하는데 필요하다.
외부의 주변을 넘어서 있는 소스로부터의 압력 또는 열을 가하지 않고 응축 및 기화를 달성하는 이러한 능력은 유압식 담수화에 모든 다른 담수화 공정에 비해서 특별한 이점을 제공하는 것이다. 어느 정도의 반복적 순환을 통해서, 체적당 대략 2% 공기를 수증기로 도입하면 기화 탱크의 하류 측 상의 희망하는 위치에서 액체 물 레벨을 확립하는데 적합한 양이 일관되게 나타날 것이라고 관측되었다.
유압식 담수화의 예시적인 개요
일반적으로, 유압식 담수화는 파이프 및 인프라스트럭처를 통한 유동을 생성하여 액체 해수의 압력을 기화점까지 낮춤으로써 액체 해수를 기화시켜서 증기를 생성하는 단계와, 상기 증기를 포획하는 단계와, 주변 환경에 의해서 공급되는 고압을 사용하여 상기 증기를 응축시켜서 담수를 생성하는 단계와, 증기 온도보다 높은 주변 온도를 유지시킴으로써 응축 동안에 방출된 열을 회수하는 단계를 포함한다. 상기 회수된 열을 사용하여 상기 염수의 기화를 주기적으로 촉진 및 계속하게 된다.
유압식 담수화 공정의 예시적인 개요
유압식 담수화는 염수를 2 개의 최종 산물인 담수 및 브라인으로 변형시킨다. 이하에서 제공되는 단계들은 시작부터 끝까지 유압식 담수화를 진행하여 상기 2 개의 최종 산물로 변형될 때의 염수의 예시적인 경시적 경로를 나타내고 있다.
염수에서 담수로의 경시적 경로
염수에서 담수로의 경시적 경로에는, 다음의 단계들이 포함된다:
- 염수가 입력 간선에 들어가며 담수화 펌프 스테이션(115)을 향해서 이동한다. 입력 간선의 제 1 부분은 염수 소스로부터 상기 스테이션 내의 마찰 밸브(25)까지 연장된다. 설계상, 이 입력 간선에서의 유동 속도는 가령 약 2 내지 8 fps 사이에서 유지되어야 한다. 염수 내의 압력이 입력 간선을 이동하면서 유발되는 마찰 손실에 의해서 저감된다.
- 이 스테이션(115) 내에서 염수가 유동이 일정한지 아니면 가변적인지의 여부에 따라서 고정 마찰 밸브 또는 조절 마찰 밸브를 통과한다. 마찰 밸브는 염수에 압력을 가한다. 마찰 밸브를 통과한 후에, 염수는 입력 간선의 제 2 부분을 통과하게 되는데 이 제 2 부분은 마찰 밸브에서 상류 펀넬(135a)까지 연장된다. 염수 내의 압력이 마찰 밸브 및 입력 간선을 통과함으로써 발생하는 마찰 손실로 인해 더욱더 감소한다.
- 염수가 상류 펀널(135a)에 들어가며 기화 탱크(120)를 향해서 상부 방향으로 이동한다. 이러한 상부 이동은 염수 내의 압력을 더 저감시킨다. 펀넬(135a)은 기화 시에 발생하는 높은 속도에 대해서 유동의 단면적을 증가시킨다.
- 염수가 기화 탱크(120)에 들어가고 계속 상부 방향으로 이동하며 이로써 염수 내의 압력이 더 떨어진다. 결국, 염수 내의 압력은 기화점까지 감소한다.
- 어느 정도의 염수가 기화되고 증기(122)가 상부 방향으로 기화 탱크의 상부 부분으로 빠져나가며 기화 탱크를 횡단한다. 설계상, 증기(122)의 유동 속도는 가령 약 200 fps 이하로 유지된다. 탱크 파티션(130)은 기화 탱크(120)의 중심을 통한 벽을 포함하며 액체 염수를 액체 담수로부터 분리한다. 이 벽은 기화 탱크(120)의 최상부까지 연장되지 않으며 이로써 증기가 이를 넘어갈 수 있다. 염수가 기화되는 탱크 파티션의 일측은 기화 탱크(120)의 상류 측으로 지칭된다. 수증기(122)가 담수로 응축되는 탱크 파티션의 일측은 기화 탱크의 하류 측으로 지칭된다.
- 더 하류 방향으로 들어온 주변 공기의 도입으로 인해서, 증기(122)의 응축이 기화 탱크(120)의 하류 측 상의 탱크 파티션(130)의 최상부 아래에서 실시된다. 담수는 하류 펀넬(135b)을 향해서 하부 방향으로 이동한다.
- 담수가 하류 펀넬(135b)에 들어가며 담수 흡입 파이프(5)를 향해서 아래로 이동한다. 펀넬(135b)은 유동의 단면적을 저감시켜서 이상적인 유동 속도가 하류의 담수 흡입 파이프(5) 내에서 생성되게 한다.
- 담수가 담수 흡입 파이프(5)에 들어가며 펌프들(165a 내지 165e)을 향해서 이동한다. 담수 흡입 파이프는 이 담수 흡입 파이프에 압력을 부가하는 것이 필요하거나 바람직한 경우에 작동 상의 유연성을 제공하기 위해서 고정 마찰 밸브(75)를 포함한다. 설계상, 이 담수 흡입 파이프 내의 유동 속도는 가령 약 2 내지 약 8 fps 사이에서 유지되어야 한다. 담수 흡입 파이프는 펌프들(165a 내지 165e)에서 종단된다. 마찰 밸브(75) 바로 상류에, 가령 약 체적 2%의 주변 공기가 이 흡입 파이프(5)에 도입되어 기화 탱크(120)의 하류 측에서 응축이 일어나게 할 수 있을 정도로 충분히 담수 내의 압력을 증가시킨다. 응축에 의해서 방출된 열은 열 교환기(131)를 통해서 기화 탱크(120)의 상류 측으로 흐르며, 여기서 이 열이 사용되어 기화를 촉진시킨다. 주변 환경으로의 열 손실은 봉입된 물 및 증기의 온도보다 높은 기화 탱크 외부의 주변 온도를 유지시킴으로써 실질적으로 막을 수 있다.
- 펌프 캐비티(164)가 팽창하면 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)로 담수가 들어간다. 펌프 캐비티(164)가 압축되면, 담수는 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)을 빠져나가며 담수 배출 파이프(11)를 향해서 이동한다. 배출 파이프(11)는 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)로부터 담수를 취하여 저장 구역으로 이동시키며 이 저장 구역에서 담수는 추가적 처리 또는 분배를 대기한다. 펌프 캐비티(164) 내의 이른바 펌프 파티션인 벽은 담수 및 이에 대응하는 담수 파이프를 브라인 및 이에 대응하는 브라인 파이프로부터 분리시킨다.
염수에서 브라인으로의 예시적인 경시적 경로
염수에서 브라인으로의 예시적인 경시적 경로에는, 다음과 같은 단계들이 포함된다:
- 염수가 입력 간선(1)에 들어가며 담수화 펌프 스테이션(115)을 향해서 이동한다. 입력 간선의 제 1 부분은 염수 소스로부터 상기 스테이션 내의 마찰 밸브(25)까지 연장된다. 설계상, 이 입력 간선(1)에서의 유동 속도는 가령 약 2 내지 8 fps 사이에서 유지되어야 한다. 염수 내의 압력이 입력 간선(1)을 이동하면서 유발되는 마찰 손실에 의해서 저감된다.
- 이 스테이션(115) 내에서 염수가 유동이 일정한지 아니면 가변적인지의 여부에 따라서 고정 마찰 밸브 또는 조절 마찰 밸브(25)를 통과한다. 마찰 밸브는 염수에 압력을 가한다. 마찰 밸브(25)를 통과한 후에, 염수는 입력 간선의 제 2 부분을 통과하게 되는데 이 제 2 부분은 마찰 밸브(25)에서 상류 펀넬(135a)까지 연장된다. 염수 내의 압력이 마찰 밸브 및 입력 간선을 통과함으로써 발생하는 마찰 손실로 인해서 더욱더 감소한다.
- 염수가 상류 펀넬(135a)에 들어가며 기화 탱크(120)를 향해서 상부 방향으로 이동한다. 이러한 상부 이동은 염수 내의 압력을 더 저감시킨다. 펀넬(135a)은 기화 시에 발생하는 높은 속도에 대해서 유동의 단면적을 증가시킨다.
- 염수가 기화 탱크(120)에 들어가고 계속 상부 방향으로 이동하며 이로써 염수 내의 압력이 더 떨어진다. 결국, 염수 내의 압력은 기화점까지 감소한다.
- 어느 정도의 염수가 기화되고 브라인 흡입 파이프(12)의 입구인 상류 펀넬(135a)의 바닥에 형성된 가령 4 개의 개구를 향해서 아래 방향으로 이동한다. 브라인은 증기와 함께 빠져나갈 수 없는 염 및 다른 성분들로 더욱 농축된 잔여 염수이다. 이 염수는 브라인 흡입 파이프(12)의 제 1 부분에 들어가며 이 부분은 상류 펀넬(135a)의 바닥에서 시작하여 티 또는 트루 웨이(true way)에서 끝난다. 가능하면, 이 브라인 흡입 파이프의 제 1 부분 내의 브라인 유동 속도는 가령 약 2 내지 약 8 fps 사이에서 유지되어야 한다.
- 브라인이 브라인 흡입 파이프(12)의 제 2 부분에 들어가며 이 부분은 티 또는 트루 웨이(true way)에서 시작하여 트루 웨이에서 끝난다. 이 흡입 파이프의 시작 부분에 있는 티 또는 티루 웨이는 2 개의 제 1 부분의 브라인 흡입 파이프라인들이 만나는 곳이다. 브라인 흡입 파이프의 제 2 부분 내에서의 유속은 제 1 부분 내에서의 유속의 2배이다. 설계상, 이 브라인 흡입 파이프의 제 2 부분 내의 브라인 유동 속도는 가령 약 2 내지 약 8 fps 사이에서 유지되어야 한다.
- 브라인이 브라인 흡입 파이프의 제 3 마지막 부분에 들어가며, 이 제 3 부분은 트루 웨이에서 시작하여 펌프에서 끝난다. 이 흡입 파이프의 시작 부분에 있는 티루 웨이는 2 개의 제 2 부분의 브라인 흡입 파이프라인들이 만나는 곳이다. 브라인 흡입 파이프의 제 3 부분 내에서의 유속은 제 2 부분 내에서의 유속의 2배이다. 설계상, 이 브라인 흡입 파이프의 제 3 부분 내의 브라인 유동 속도는 가령 약 2 내지 약 8 fps 사이에서 유지되어야 한다.
- 펌프 캐비티(164)가 팽창하면 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)로 브라인이 들어간다. 펌프 캐비티(164)가 압축되면, 이 브라인은 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)을 빠져나가며 브라인 배출 파이프(24)를 향해서 이동한다. 배출 파이프(24)는 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)로부터 브라인을 취하여 저장 구역으로 이동시키며 이 저장 구역에서 브라인은 추가적 처리를 대기하거나 소스 물로 돌아간다.
유압식 담수화의 작동 상의 이점
본 발명의 원리에 따른 유압식 담수화는 통상적인 담수화 공정이 안고 있는 다른 문제점의 영향을 받지 않는다. 가령, 고온에 의존하며 현재 사용되고 있는 담수화 공정은 스케일링에 있어서 문제점이 있는데 소금 또는 염분이 용액으로부터 나와서 파이프 및 수반 장치에 부착되거나 클록깅되거나 이를 부식시킨다. 멤브레인 기반 기술도 역시 반 침투 가능한 멤브레인 내의 매우 미세한 기공들로 인해서 스케일링에 민감하다. 이러한 멤브레인에 대해서 오직 소량의 스케일링만 하여도 그 성능이 저하되고 만다. 사전 처리는 통상적으로 스케일링과 관련된 문제를 다루고 멤브레인을 오염시킬 수 있는 물질을 제거하기 위해서 멤브레인 기반 기술에서 필요하다. 유압식 담수화는 이러한 스케일링과 관련된 문제점의 영향을 받지 않는데 그 이유는 이 담수화는 스케일링을 발생시키는 고온에서 수행되지 않으며 소량의 스케일링에도 매우 민감한 장비를 구비하고 있지 않기 때문이다. 또한, 멤브레인 기반 공정과는 달리, 유압식 담수화는 특별한 사전 처리가 필요 없다.
담수화를 위해서 요구되는 에너지
기화를 유발하기 위해서는 에너지가 필요하다. 정상적으로, 이 에너지는 열 형태를 취한다. 통상적인 기화 방법은 물에 영을 가하여 그 온도를 비등점까지 상승시킴으로써 시작한다. 이어서, 보다 많은 열이 물을 액체에서 증기로 변환시키기 위해서 필요하며 이러한 변환은 동일한 비등점에서 발생한다. 이렇게 부가되는 열은 기화열로 지칭되며 열적 담수화 공정은 이로 인해서 외부 에너지에 많이 의존하게 된다. 실제로, 기화를 유발하는데 필요한 에너지의 90% 이상은 비등점 온도에 이미 도달한 후에 이 최종 변환 단계 동안에 소비될 수 있다. 반대로, 본 발명에 따른 유압식 담수화는 다른 잘 알려진 유압식 현상인 사이폰을 시뮬레이션함으로써 이러한 최종 고 에너지 단계를 효과적으로 건너뛰게 된다.
통상적인 사이폰에서, 물 유동은 상류 탱크 또는 소스에서 수직 베리어 상에서 상승하며 상류 소스보다 낮은 하류 탱크 또는 싱크로 다시 아래로 이동한다. 소스와 싱크 간의 수직 베리어에도 불구하고, 통상적인 사이폰 내에서의 물 유동은 임의의 외부 에너지를 가하지 않고서 자연적으로 무한정하게 유지된다. 이러한 사이폰에서 행해져야 할 유일한 실제 작업은 준비하는 것뿐이다. 통상적인 사이폰을 준비하기 위해서, 물이 흐르게 되는 튜브가 먼저 물로 채워져야 한다. 이는 소스 및 싱크로부터 떨어져서 수행된다. 일단 채워지면, 튜브의 양단부가 차단된다. 튜브의 일 단부는 이어서 상류 소스에 배치되며 다른 단부는 하류 싱크에 배치된다. 이어서, 튜브의 단부들의 차단이 해제된다. 소스 및 싱크에서 실제로 일정한 레벨을 가정하게 되면, 유동을 유지하기 위한 다른 추가 에너지의 필요 없이 유동이 자연적으로 무한정하게 진행된다. 이로써, 중간의 수직 베리어가 필요 없게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 유압식 담수화는 다수의 방식으로 통상적인 사이폰을 시뮬레이션하는 일종의 열역학적 사이폰과 관련된다. 이러한 열역학적 사이폰에서, 에너지는 기화 열 상에서 증가하며 다시 매우 낮은 에너지로 복귀한다. 담수화 공정은 상대적으로 저 전력의 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)에 의해서 제공되는 에너지만으로 유지된다.
통상적인 사이폰에서와 같이, 수행되어야 할 실제 작업은 준비하는 것뿐이다. 이 열역학적 사이폰을 준비하기 위해서, 하류 공기 노즐이 차단되고 기화 탱크가 물로 채워진다. 이어서, 기화 탱크(120)는 상류 게이트 밸브를 차단함으로써 분리된다. 이어서, 가열기 및 유압식 담수화 펌프 장치들(165a 내지 165e)이 켜져서 탱크 배출을 시작한다. 일단 물 레벨이 요구되는 수위까지 내려가면, 게이트 밸브 및 공기 노즐이 모두 개방된다. 이어서, 가열기가 꺼지지만 스프링 적재 펌프들은 계속 작동된다. 유압식 담수화는 이 공정을 유지하기 위해서 필요한 어떠한 추가 외부 에너지를 소모하지 않고서도 자연적으로 무한정하게 진행된다.
열역학적 사이폰을 준비할 때에, 스프링이 장착된 펌프들은 기화 탱크를 충진할 수 없게 된다. 펌프는 액체를 끌어당길 수 없다. 대신에, 스프링 장착형 펌프들은 마찰력을 사용하여 유동의 일 측 상의 압력을 떨어뜨려서 대기압이 유동을 다른 측으로부터 밀어내게 한다. 기화 탱크가 매우 높으면, 이 대기압이 유동을 탱크의 최상부까지 밀어올리기에 충분하지 않을 수 있다. 이러한 경우가 발생하면, 침수 가능한 펌프가 해수 소스 내에 배치되거나 소화전이 사용되어 물을 탱크의 최상부까지 밀어올린다.
이전에 기술한 바와 같이, 공기 노즐은 유압식 담수화의 성공을 위해서 중요하다. 본질적으로, 공기 노즐(174)은 유압식 담수화를 구동하는 열역학적 사이폰이다. 공기 노즐(174)에서 도입된 공기는 응축을 강제하며 또한 열이 기화가 발생하는 위치로 흐르게 한다. 공기는 이러한 이벤트들을 강제하는데 그 이유는 주변 공기일지라도 공기는 수증기보다 높은 압력 및 온도를 갖기 때문이다. 공기 노즐(174)에 들어가는 공기에 의해서 영향을 받을 때에, 수증기는 응축되어 최소 저항 경로를 향해서 열을 방출할 수밖에 없으며 여기서 이 최소 저항 경로는 열 교환기(131)를 통하여 기화가 발생하는 기화 탱크(120)의 상류 측까지의 열 유동 경로이다. 응축 열로 지칭되는 응축 동안에 방출되는 열은 그 크기가 기화 열과 동일하다는 것을 주목할 필요가 있다. 이러한 방식으로 열을 재순환시킴으로써 유압식 담수화 동안에 상기 베리어, 기화 열이 필요 없게 된다.
유압식 담수화의 열역학적 사이폰 효과로 인해서, 가열기(145)는 초기 배출 동안에만 필요하게 된다. 그러나 필요하다면, 가열기(145)가 사용되어 주변 환경을 가열시켜 주변 공기가 탱크 내의 수증기(122)보다 높은 온도로 유지되는 것을 확실하게 보장할 수 있다. 이와 달리, 주변 공기의 온도가 낮게 되면 응축 동안에 주변 환경에서 열 손실이 발생하며 이로써 유압식 담수화 공정의 효율이 저감된다.
에너지 그레이드 라인
에너지 그레이드 라인은 유체 유동과 연관된 에너지를 계산하는데 사용되는 것이다. 이러한 계산의 목적은 유압식 담수화 펌프 장치들에 대한 작동 포인트를 결정하기 위한 것이다. 이 작동 포인트는 펌프 곡선이 시스템 곡선과 만나는 지점이다. TDH(Total Dynamic Head) 곡선으로 지칭되는 시스템 곡선은 유압식 담수화 펌프 장치의 외부에 있는 파이프 및/또는 장치 내에 존재하는 유동에 대한 저항이다. 작동 포인트는 통상적으로 특정 압력에서의 특정 유속으로 기술된다. 작동 포인트 및 시스템 곡선의 실례가 도 6에 나타나 있다.
분리를 위한 최소 에너지
물에 용해된 염분을 제거하기 위해서 필요한 최소 에너지는 일반적으로 가령 대략 입방 미터당 0.7 킬로와트시(kilowatt-hour) 정도이다. 이 최소 에너지는 용해된 염분에 대한 용액 열(엔탈피) 데이터 또는 해수와 담수 간의 평형 증기 압력 차로부터 결정된다. 최소 에너지를 계산하기 위한 용해 열 방법은 멤브레인 기반 기술에도 적용될 수 있다. 상이한 평형 증기 압력 방법은 열적 담수화 공정과 관련된다. 유압식 담수화는 열적 담수화의 형태이지만 다른 열적 담수화 형태와는 달리, 담수 평형 증기 압력을 정합시키기 위해서 인간이 만든 압축기가 해수 평형 증기 압력을 증축할 필요가 없다. 이러한 압축은 시스템 내에 도입된 고압 대기 공기에 의해서 자동으로 수행된다. 공기는 증기를 액체로 변환시킬 뿐만 아니라 필요한 예비적 증기 압축을 유발한다. 증기 압축이 도입된 주변 공기에 의해서 수행되기 때문에, 대응하는 가령 약 0.7 kWh/m3의 에너지가 공급될 필요가 없다. 공급되어야 하는 에너지는 오직 펌프 및 밸브에 대한 것이며 이는 약 0.7 kWh/m3의 에너지보다 매우 낮다. 따라서, 담수화를 위해서 일반적으로 인정되는 최소 에너지 요구 수준이 다른 공정에 적용되는 바와 동일한 방식으로 본원의 유압식 담수화 공정에는 적용되지 않는다. 유압식 담수화가 기화를 위해서 필요한 열을 재순환시키는 방식과 유사하게, 분리를 위해서 필요한 최소 에너지는 공정 자체 내에서 획득된다.
유압식 담수화에 대한 예시적인 적용
유압식 담수화가 소형 스케일 프로젝트 및 대형 스케일 프로젝트 양자에 적용될 수 있는 방식을 나타내기 위해서, 4 개의 실례들이 기술되고 있다. 이들은 다음과 같다:
- 일정 유동: 일례로 약 1,200 gpm를 일정한 유량으로 끌어오기 위한 크기의 스프링이 장착된 펌프들;
- 연속 유동(소형): 일례로 약 8 gpm를 일정한 유량으로 끌어오기 위한 크기의 스프링이 장착된 펌프들;
- 연속 유동(대형): 일례로 평균적으로 약 1200 gpm를 끌어오기 위한 크기의 스프링이 장착된 펌프들; 및
- 가변 유동(소형): 일례로 평균적으로 약 8 gpm를 끌어오기 위한 크기의 스프링이 장착된 펌프들.
이들 4 개의 실례들에 대한 설명 및 비교가 이제 이하에서 기술된다. 이 실례들 중 어떠한 것도 파이프 또는 수반 장치에 대한 재료를 특정하지 않는다. 그러나, 폴리비닐 클로라이드(PVC), 고밀도 폴리에틸렌(HDPE), 광섬유 및 다양한 타입의 스테인레스 강(630SS, AL6XN, Sea-Cure)은 염분을 갖는 해수에서 사용되기에 적합하다고 잘 알려져 있다.
일정 유동 - 1,200 gpm 스테이션
이는 현장 구축형 펌프 스테이션(built-on-site pump station)을 포함한다. 풋프린트(footprint)는 대략 56 피트 * 56 피트이며 전체 수직 스팬은 대략 67 피트이다. 이 수직 스팬 중에서 약 38 피트는 지면 상에 있으며(A 프레임 루프를 포함함), 대략 29 피트는 지면 아래에 있다.
지면 위의 구조물은 대략 21 피트 높이의 천장을 갖는 1 층 빌딩일 수 있다. 기화 탱크(120),(초기 배출을 위한) 가열기(145) 및 임의의 제어 패널들이 빌딩(115)의 지상 부분 내에 존재한다. 계단 및 해치들이 설치되어 지하의 파이프 및 펌프로 접근할 수 있도록 한다.
빌딩(115)은 지면 아래의 2 개의 층을 포함한다. 제 1 층은 다수의 파이프를 하우징할 수 있다. 제 2 층은 펌프가 위치하는 곳이다. 5 개의 펌프가 설치될 수 있다. 4 개의 펌프는 함께 작동하여 연속 유동을 유지시키며 마지막 펌프는 스페어 펌프로서 사용될 수 있다. 유압식 담수화 펌프 장치 내의 스프링들은 그 직경이 54 인치이며 대략 977 피트 당 파운드의 스프링 상수 k(스프링의 팽창 잠재력의 척도)를 갖는다. 이 유압식 담수화 펌프 장치들은 가령 약 1200 gpm의 일정한 유량에서 유체 유동을 끌어온다.
스테이션(115)은 초기 배출을 위한 게이트 밸브(160) 및 고정 마찰 밸브를 구비하며 이 양 밸브는 모두 기화 탱크(120)의 상류에 있다. 스테이션이 오직 하나의 고정 마찰 밸브를 가질지라도, 기화 탱크 내에서 해수 레벨은 펌프들이 작동할 때에 펌프에 의해서 생성되는 일정한 유동으로 인해서 탱크 파티션의 8 피트 높이로 따라서 본질적으로 일정하게 유지될 것이다.
스테이션으로 들어오는 총 유동의 약 90% 이상은 담수로 변환되는데 이는 이 스테이션이 가령 약 1080 gpm 레이트로 담수를 생산하는 것을 의미한다. 이 스테이션이 요구하는 총 전력은 보수적으로는 모든 전력 소비량을 고려하여도 가령 약 40마력 또는 30킬로와트가 될 것으로 추정된다. 전력의 대부분은 펌프 캐비티를 압축하고 유동을 배출하는 전기 기계적 프레스를 구동하는데 사용된다. 잔여 전력 소비량은 밸브, 제어 패널 및 조명 간에 분배되며 필요한 경우 주변 환경 가열을 위해서도 사용될 수 있다. 이러한 스테이션에서의 전력 대 물의 비율은 가령 약 0.02 MIGD(megawatts per million imperial gallons)로 결정되거나 하루당 천 입방 미터 당 약 0.005 메가와트(MW/1,000 cubic meters per day)로서 결정될 수 있다.
일정 유동(소형) - 8 gpm 유닛
본 실례는 현장으로 전달되기 이전에 또는 이후에 조립될 수 있는 패키지 유닛을 포함한다. 이 패키지 유닛은 사람에 의해서 내부로 접근할 수 있게 하는 제거 가능한 패널을 포함할 수 있는 외벽을 포함한다. 풋프린트는 대략 11 피트 * 14 피트이며 전체 수직 스팬은 대략 22피트일 수 있다.
수직 스팬의 전부는 지면 위에 있거나 빌딩 바닥/선체 덱(deck)의 최상부에 위치할 수 있으며 이는 가령 3 층을 포함한다. 기화 탱크 및(초기 배출을 위한) 가열기는 최상부 층에 위치할 수 있다. 파이프 대부분은 제 2 층 내에 설치된다. 유압식 담수화 펌프 장치들은 제 1 층 내에 배치되며 제어 스위치가 최상부 층 또는 중간층에 배치되어 대부분의 인력의 육안 수준에서 제어가 인지되게 할 수 있다. 3 개의 펌프가 설치된다. 2 개의 펌프는 연속 유동을 유지하는데 함께 작동하며 나머지 하나는 여분의 스페어로서 사용할 수 있다. 펌프 내의 스프링은 가령 약 42인치의 직경을 가지며 가령 대략 601 ibs/ft의 스프링 상수 k를 갖는다. 유압식 담수화 펌프 장치들은 가령 약 8 gpm의 일정한 유량으로 유체 유동을 견인한다.
이 유닛은(초기 배출을 위한) 게이트 밸브와 하나의 고정 마찰 밸브를 포함하며 이 두 밸브는 모두 기화 탱크(120)의 상류에 있다. 이 유닛이 오직 하나의 고정 마찰 밸브를 가질지라도, 기화 탱크 내에서 해수 레벨은 펌프들이 작동할 때에 펌프에 의해서 생성되는 일정한 유동으로 인해서 탱크 파티션의 2 피트 높이로 따라서 본질적으로 일정하게 유지될 것이다.
이 유닛으로 들어오는 총 유동의 약 90% 이상은 담수로 변환되는데 이는 이 스테이션이 가령 약 7.2 gpm 레이트로 담수를 생산하는 것을 의미한다. 이 유닛이 요구하는 총 전력은 보수적으로는 모든 전력 소비량을 고려하여도 가령 약 0.025마력 또는 0.19킬로와트가 될 것으로 추정된다. 작동 시에, 이 유닛은 보다 적은 전력을 필요로 할 수 있다. 전력의 대부분은 펌프 캐비티를 압축하고 유동을 배출하는 전기 기계적 프레스를 구동하는데 사용된다. 잔여 전력 소비량은 밸브, 제어 패널 및 조명 간에 분배되며 필요한 경우 주변 환경 가열을 위해서도 사용될 수 있다. 이러한 유닛에서의 전력 대 물의 비율은 가령 약 0.02 MIGD(megawatts per million imperial gallons)로 결정되거나 하루당 천 입방 미터 당 약 0.005메가와트(MW/1,000 cubic meters per day)로 결정될 수 있다.
가변 유동- 1,200 gpm 스테이션
이 실례는 현장 구축형 펌프 스테이션(built-on-site pump station)을 포함한다. 풋프린트(footprint)는 대략 56 피트 * 58 피트이며 전체 수직 스팬은 대략 63 피트이다. 이 수직 스팬 중에서 약 38 피트는 지면 상에 있으며(A 프레임 루프를 포함함), 대략 25 피트는 지면 아래에 있다.
지면 위의 구조물은 대략 21 피트 높이의 천장을 갖는 1 층 빌딩일 수 있다. 기화 탱크(120),(초기 배출을 위한) 가열기(145) 및 임의의 제어 패널들이 빌딩(115)의 지상 부분 내에 존재한다. 계단 및 해치들이 설치되어 지하의 파이프 및 펌프로 접근할 수 있게 해 준다.
빌딩은 지면 아래의 2 개의 층을 포함한다. 제 1 층은 다수의 파이프를 하우징할 수 있다. 제 2 층은 펌프가 위치하는 곳이다. 5 개의 펌프가 설치될 수 있다. 4 개의 펌프는 함께 작동하여 연속 유동을 유지시키며 마지막 펌프는 스페어 펌프로서 사용될 수 있다. 유압식 담수화 펌프 장치 내의 스프링들은 그 직경이 54 인치이며 대략 3,520 피트 당 파운드의 스프링 상수 k를 갖는다. 이 유압식 담수화 펌프 장치들은 가령 약 994 내지 약 1,394 gpm에 이르는 범위의 레이트로, 전체 평균 약 1,200 gpm 레이트로 해서 유체 유동을 끌어올 수 있다.
이 스테이션은 초기 배출을 위한 게이트 밸브 및 4 개의 조절 마찰 밸브를 구비하며 모든 밸브는 모두 기화 탱크(120)의 상류에 있다. 이 스테이션이 순차적으로 작동하는 몇 개의 조절 마찰 밸브를 갖기 때문에, 기화 탱크 내에서 해수 레벨은 펌프들이 작동할 때에 탱크 파티션의 8 피트 높이로 따라서 실제적으로 불변하여서 일정하게 유지될 수 있다.
이 스테이션으로 들어오는 총 유동의 약 90% 이상은 담수로 변환되는데 이는 이 스테이션이 가령 약 1080 gpm 레이트로 담수를 생산하는 것을 의미한다. 이 스테이션이 요구하는 총 전력은 보수적으로는 모든 전력 소비량을 고려하여도 가령 약 40마력 또는 30킬로와트가 될 것으로 추정된다. 전력의 대부분은 펌프 캐비티를 압축하고 유동을 배출하는 전기 기계적 프레스를 구동하는데 사용된다. 잔여 전력 소비량은 밸브, 제어 패널 및 조명 간에 분배되며 필요한 경우 주변 환경 가열을 위해서도 사용될 수 있다. 이러한 스테이션에서의 전력 대 물의 비율은 가령 약 0.02 MIGD(megawatts per million imperial gallons)로 결정되거나 하루당 천 입방 미터 당 약 0.005 메가와트(MW/1,000 cubic meters per day)로서 결정될 수 있다.
가변 유동(소형) - 8 gpm 유닛
본 실례는 현장으로 전달되기 이전에 또는 이후에 조립될 수 있는 패키지 유닛을 포함한다. 이 패키지 유닛은 사람에 의해서 내부로 접근할 수 있게 하는 제거 가능한 패널을 포함할 수 있는 외벽을 포함한다. 풋프린트는 대략 7 피트 * 7 피트이며 전체 수직 스팬은 대략 13피트일 수 있다.
수직 스팬의 전부는 지면 위에 있거나 빌딩 바닥/선체 덱(deck)의 최상부에 위치할 수 있으며 이는 가령 3 층을 포함한다. 기화 탱크(120) 및(초기 배출을 위한) 가열기(145)는 최상부 층에 위치할 수 있다. 파이프 대부분은 제 2 층 내에 설치된다. 유압식 담수화 펌프 장치들은 제 1 층 내에 배치되며 제어 스위치가 최상부 층 또는 중간층에 배치되어 대부분의 인력의 육안 수준에서 제어가 인지되게 할 수 있다. 5 개의 펌프가 설치된다. 4 개의 펌프는 연속 유동을 유지하는데 함께 작동하며 나머지 하나는 여분의 스페어로서 사용할 수 있다. 펌프 내의 스프링은 가령 약 10인치의 직경을 가지며 가령 대략 211 ibs/ft의 스프링 상수 k를 갖는다. 유압식 담수화 펌프 장치들은 가령 약 6.93 내지 약 9.03 gpm에 이르는 범위의 레이트로 해서, 전체 평균 약 8 gpm 레이트로 유체 유동을 끌어올 수 있다.
이 유닛은 초기 배출을 위한 게이트 밸브 및 4 개의 조절 마찰 밸브를 구비하며 모든 밸브는 모두 기화 탱크(120)의 상류에 있다. 이 스테이션이 순차적으로 작동하는 몇 개의 조절 마찰 밸브를 갖기 때문에, 기화 탱크 내에서 해수 레벨은 펌프들이 작동할 때에 탱크 파티션의 2 피트 높이로 따라서 실제적으로 불변하여 일정하게 유지될 수 있다.
이 유닛으로 들어오는 총 유동의 약 90% 이상은 담수로 변환되는데 이는 이 스테이션이 가령 약 7.2 gpm 레이트로 해서 담수를 생산하는 것을 의미한다. 이 유닛이 요구하는 총 전력은 보수적으로는 모든 전력 소비량을 고려하여도 가령 약 0.025마력 또는 0.19킬로와트가 될 것으로 추정된다. 작동 시에, 이 유닛은 보다 적은 전력을 필요로 할 수 있다. 전력의 대부분은 펌프 캐비티를 압축하고 유동을 배출하는 전기 기계적 프레스를 구동하는데 사용된다. 잔여 전력 소비량은 밸브, 제어 패널 및 조명 간에 분배되며 필요한 경우 주변 환경 가열을 위해서도 사용될 수 있다. 이러한 유닛에서의 전력 대 물의 비율은 가령 약 0.02 MIGD(megawatts per million imperial gallons)로 결정되거나 하루당 천 입방 미터 당 약 0.005 메가와트(MW/1,000 cubic meters per day)로서 결정될 수 있다.
예시적인 적용례 간의 비교
상기 각 실례들은 소정의 상대적인 이점을 가지며 소정의 상대적인 단점을 갖는다. 대부분의 경우에, 장점 및 단점은 크기 및 복잡성으로 압축된다. 일정 유동 실례는 가변 유동 실례보다 대형이지만 그 크기는 그들의 보다 간단한 설계 및 작동에 의해서 오프셋될 수 있다. 일정 유동 실례는 가변 유동 실례에서 순차적으로 작동하는 4 개의 조절 마찰 밸브 대신에 기화 탱크의 상류에 있는 오직 하나의 고정된 마찰 밸브를 갖는다.
하나 이상의 고정 마찰 밸브가 본 명세서에서 기술되는 다양한 실례들에서 사용될 수 있다는 점을 주목해야 한다.
대형 스케일(가령, 1200 gpm)의 실례에 있어서, 크기 차는 수직 스팬에서 대략 4 피트이다. 일정 유동 1200 gpm 실례는 지하에서 29피트를 포함하여 수직 스팬에서의 67피트를 가지며, 가변 유동 실례는 지하의 25피트를 포함하여 수직 스팬에서의 63피트를 갖는다. 따라서, 일정 유동 실례는 가변 유동 실례보다 약 16% 더 깊이 지하에 배치된다.
소형 약 8 gpm 실례에서, 크기 차는 풋프린트 수직 스팬에서 크게 난다. 일정 유동 8 gpm 실례는 11 피트 * 14 피트 풋프린트를 가지며 22피트의 수직 스팬을 갖는다. 가변 유동 8 gpm 실례는 7 피트 * 7 피트 풋프린트를 가지며 13피트의 수직 스팬을 갖는다. 이는 일정 유동 실례가 풋프린트에 있어서 약 3 배정도 크고(154 평방 피트 대 49 평방 피트) 높이도 대략 69%만큼 더 높다. 이러한 크기 차는 일정 유동 실례의 설계 및 작동이 간단할지라도 가변 유동 구성을 사용하도록 강제하는 이유로 고려될 수 있다.
현재 존재하는 다른 타입의 펌프들이 유압식 담수화에서 이론상 사용될 수 있을지라도, 본 명세서에 기술된 새로운 스프링이 장착된 펌프들은 몇몇 특별한 이점을 갖는다. 이 스프링이 장착된 펌프가 제공하는 고유한 이점 중 몇몇은 다음과 같다:
- 실제 NPSHR 없음;
- 액체 물 및 공기의 혼합물을 처리할 수 있음;
- 담수/공기 유동 및 브라인 유동을 동시에 처리하도록 설계됨;
- 상이한 해수 염분을 처리하거나 소형이지만 보다 덜 효율적인 담수화 유닛들을 생성하도록 설계가(펌프 파티션을 이동시킴으로써) 수정될 수 있음; 그리고
- 스프링이 팽창하는 데 필요한 힘이 펌프 곡선의 전개 및 스프링의 크기 조절을 용이하게 하는 간단한 선형 등식이며 이로써 유압식 담수화 설계가 희망하는 레이트(동작 지점)로 담수를 생성하는 것을 보장해 줌.
유압식 담수화는 다른 담수화 공정보다 최소 20배 정도 효율적인 것으로 보이는 새로운 담수화 공정이며 실제 모든 희망하는 물 생성 유속에 대해서 가용할 수 있다. 모든 적용례들이 유압식 담수화를 구동하는 열역학적 사이폰으로부터 이점을 취하면서 소형 적용례(10 gpm 이하) 및 대형 적용례(1000 gpm 이상) 모두에 대해서 실현 가능하다는 것이 입증되었다. 다른 담수화 공정과는 달리, 유압식 담수화는 그 장비에 있어서 스케일링에 민감하지 않으며 스케일링을 피하기 위해서 특별한 사전 처리가 필요하지 않다. 이 새로운 공정의 작동을 위해서 필요한 몇몇 장치들(가령, 밸브, 공기 노즐)은 이미 다른 비담수화 산업에서도 존재하면서 사용되고 있는 것들이다. 다른 장치들(가령, 기화 탱크, 펀넬, 열 교환기)은 유압식 담수화를 위해서 특정하게 구성되며 스프링 적재형 유압식 담수화 펌프 장치(165a 내지 165e)는 그 전체 구성이 새로운 제품 또는 장치이다.
본 발명이 실례를 참조하여 예시적으로 기술되었지만, 본 기술 분야의 당업자는 본 발명이 첨부된 청구 범위의 기술적 사상 및 범위 내에서 수정이 수정될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 기술된 실례들은 단지 예시적이며 본 발명의 모든 가능한 설계, 실시예, 적용례 또는 수정예를 한정적으로 열거한 것은 아니다.

Claims (24)

  1. 담수화 방법으로서,
    파이프 및 부속 인프라스트럭처를 통해 염수 유동을 발생시키고, 상기 파이프 및 부속 인프라스트럭처에 의해 전해지는 마찰을 이용하여 액체 해수의 압력을 기화점까지 낮춤으로써 액체 해수를 기화시켜서 증기를 생성하는 단계와,
    상기 증기를 포획하는 단계와,
    주변 환경에 의해서 공급되는 고압을 사용하여 상기 증기를 응축시켜서 담수를 생성하는 단계와,
    증기 온도보다 높은 주변 온도를 유지시킴으로써 응축 동안에 방출된 열을 회수하는 단계와,
    상기 회수된 열을 사용하여서 상기 염수의 기화를 주기적으로 촉진 및 계속하는 단계를 포함하는 담수화 방법에 있어서,
    상기 액체 해수의 압력을 기화점까지 낮춤으로써 액체 해수를 기화시켜서 증기를 생성하는 단계에서의 인프라스트럭처는 적어도 하나의 마찰 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 염수를 보유하는 상류 측을 가지며 담수를 보유하는 하류 측을 갖는 기화 탱크를 제공하는 단계를 더 포함하며,
    상기 기화 탱크는 상기 증기를 포획하고 상기 증기의 온도보다 높은 주변 온도를 유지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상류 측 상에 기화 열을 제공하면서 상기 담수를 생성하기 위해서 상기 기화 탱크의 하류 측 상에 응축을 강제하는 공기를 상기 기화 탱크 내에 주입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 기화 탱크의 하류 측으로부터의 담수를 저장 구역으로 펌핑하면서, 상기 파이프 및 인프라스트럭처를 통하여 상기 기화 탱크의 상류 측에 이르는 유체 유동을 생성하기 위해서 상기 염수를 펌핑하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 펌핑 단계는 적어도 하나의 펌프를 사용하여 상기 염수와 담수를 동시에 펌핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 펌핑 단계는 다수의 스프링 장착형 펌프를 사용하여 상기 염수 및 담수를 동시에 펌핑하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상류 측으로의 염수의 연속 유동 및 상기 하류 측으로부터의 담수의 연속 유동을 유지하기 위해서 상기 복수의 펌프들이 상기 담수 및 염수를 동시에 펌핑하도록 상기 복수의 스프링 장착형 펌프들을 순환적으로 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 증기를 응축하여 담수를 생성하는 단계는 1080 gpm에 이르는 일정한 유동을 생성하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 마찰 밸브는 고정(set) 마찰 밸브와 적어도 하나의 조절 마찰 밸브 중 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 인프라스트럭처는 적어도 하나의 유동 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 액체 염수를 기화하는 단계는 마찰 밸브를 개방 및 폐쇄하여 상기 액체 염수의 기화를 보조하도록 염수 유동을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수화 방법.
  13. 제1항의 방법에 의해서 생성되는 담수.
  14. 염수 담수화 시스템으로서,
    상류 격납부 및 하류 격납부를 실질적으로 둘러싸도록 구성된 격납 용기와,
    염수 소스로부터의 염수를 상기 상류 격납부로 펌핑하고 상기 하류 격납부로부터 응축된 담수를 펌핑하며 상기 담수 및 염수를 동시에 펌핑하도록 구성된 복수의 스프링이 장착된 펌프들을 포함하는 펌프 시스템과,
    상기 복수의 스프링이 장착된 펌프의 흡입 측 상에서 염수 유동에 가해지는 마찰력을 제어하여 상기 염수의 압력을 수증기를 생성하도록 상기 격납 용기 내의 염수의 기화를 유발하는 기화점까지 낮추는 적어도 하나의 마찰 밸브와,
    염수를 담수화하여 담수를 생성하도록, 공기를 상기 격납부 내에 주입하여 상기 수증기의 상기 하류 격납부 내로의 응축을 강제하는 공기 소스를 포함하는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 주입된 공기는 상기 생성된 수증기보다 높은 온도 및 높은 압력을 갖도록 주입되는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 주입된 공기는 주변 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 스프링이 장착된 펌프들 각각은 오직 스프링에 의해 가해지는 텐션에 의해서 팽창하는 팽창 캐비티를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 스프링이 장착된 펌프들 각각은 전기 기계적 장치에 의해서 압축되는 팽창 캐비티를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 스프링이 장착된 펌프들 각각은 상기 담수 및 염수의 연속 유동을 유지시키도록 순환하여 작동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    1080 gpm의 레이트로 담수가 생성되는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 시스템.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 하류 격납부와 상류 격납부 간에 열을 교환하는 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염수 담수화 시스템.
  22. 삭제
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