KR101716836B1 - 동결식 해수의 담수화 장치 - Google Patents

동결식 해수의 담수화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 해수의 담수화 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 의하면, 해수를 공급하는 해수 공급부; 및 상기 해수 공급부로부터 공급되는 해수에서 담수 성분을 냉각시키는 동결 처리부를 포함하는 해수의 담수화 장치가 제공된다.

Description

동결식 해수의 담수화 장치 {APPARATUS FOR DESALTING SEAWATER INTO FRESH WATER}
본 발명은 해수의 담수화 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 해수를 동결처리과정을 통해 담수와 소금을 생산하는 동결식 해수의 담수화 장치에 관한 것이다.
물과 에너지는 중요한 자원으로서, 향 후 물부족뿐만 아니라 에너지 부족 문제를 해소하기 위한 기술개발이 진행되고 있다.
해수로부터 담수를 생산방법은 열원을 이용하여 해수를 가열하고 가열에 의해 발생한 증기를 응축시켜 담수를 얻는 증발법과, 해수에 높은 압력을 가해 삼투현상(Osmosis)을 역으로 이용하여 해수를 반투막(Semi-permeable Membrane)을 통과시켜 담수를 생산하는 역삼투법(Reverse Osmosis, RO) 등이 있다.
증발법에 의해 해수를 가열하고, 가열에 의해 생성된 증기로부터 담수를 생성하는 방식은 국내 등록특허 제10-1082109호 등 다양하게 게시되어 있다.
그런데, 해수를 가열에 의해 끓게 하여 증기를 발생하는 방식은 가열 온도가 높아야 하기 때문에 가열 방식과는 다른 담수화 방식이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안한 것으로서,
본 발명의 목적은 물을 동결하는 방식에 따라 순수 물은 얼며, 이물질 등 불순물은 얼지 않는 원리를 이용하여 해수를 얼리면서 순수 물은 얼음이 되고 염도가 있는 소금은 얼지 않는 원리를 이용하여 해수에 순수물과 소금을 분리하는 방식으로 히트펌프를 이용하여 증발부의 열은 물을 얼리는 열원으로 사용하고 응축부의 열은 농축된 해수를 증발시켜 천일염을 생산하는 열원으로 사용하거나 난방 등 온열이 필요한 장소에 온열로 이용 난방 및 급탕 등에 이용하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 동결과정을 통해 해수로부터 담수와 소금 또는 온열을 생성할 수 있는 해수의 담수화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 냉매 싸이클을 이용하여 해수로부터 담수와 소금을 생성할 수 있는 해수의 담수화 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 해수의 담수화 장치는
해수를 공급하는 해수 공급부; 및 상기 해수 공급부로부터 공급되는 해수에서 담수 성분을 냉각시키는 동결 처리부를 포함하는 해수의 담수화 장치가 제공된다.
상기 동결처리부는, 브라인 용액이 수용된 냉각조와, 상기 냉각조 내에 설치되어서 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수가 저수되는 해수 수용조와, 상기 냉각조의 브라인 용액과 열교환하면서 상기 냉각조를 통해 상기 해수 수용조를 냉각시키는 냉각부를 구비할 수 있다.
상기 동결 처리부는 상기 해수 수용조 내로 에어를 공급하는 에어 공급부를 더 구비할 수 있다.
상기 냉각부는, 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발 순환 과정을 통해 상기 브라인 용액과 직접 또는 간접적으로 열교환하여 상기 냉각조를 냉각시키는 냉매 싸이클링부를 구비할 수 있다.
상기 해수의 담수화 장치는 상기 동결 처리부에서 동결되지 않은 농축 해수를 가열하여 증발시키는 가열부를 더 포함하며, 상기 가열부는 상기 냉매 싸이클링부의 응축 과정에서 발생하는 열을 이용할 수 있다.
상기 해수의 담수화 장치는 상기 가열부에서 증발된 증기를 응축하여 담수화하는 내부 증발기를 더 포함하며, 상기 내부 증발기는 상기 냉매 싸이클링부의 증발 과정의 냉각을 이용할 수 있다.
상기 가열부와 상기 내부 증발기는 상기 동결 처리부에서 상기 해수가 냉각되는 구역과 분리된 공간에 설치될 수 있다.
상기 동결 처리부는 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수가 저수되는 해수 수용조와, 상기 해수 수용조에 저수된 해수에 일부가 침수 상태로 접촉되면서 회전될 수 있게 설치된 냉각드럼과, 상기 냉각 드럼을 냉각시키는 냉각부와, 상기 냉각드럼의 표면에 동결된 담수 얼음을 상기 냉각드럼으로부터 접촉에 의해 분리하여 얼음통으로 수거하는 얼음분리기를 구비할 수 있다.
상기 동결 처리부는 회전할 수 있게 설치된 냉각드럼과, 상기 냉각드럼을 냉각하는 냉각부와, 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수를 상기 냉각드럼의 표면에 분사하는 해수 분사부와, 상기 냉각드럼의 표면에 동결된 담수 얼음을 상기 냉각드럼으로부터 접촉에 의해 분리하여 얼음통으로 수거하는 얼음분리기와, 상기 냉각드럼 하부에 설치되어 비동결되어 낙하하는 해수를 수집하는 해수 드레인조를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 해수의 담수화 장치에 의하면, 해수를 동결과정을 통해 담수와 소금 또는 온열을 생성할 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 담수화 장치를 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 해수 담수화 장치의 구체적 구성을 도시한 실시예이다.
도 3은 도 2의 냉각조 부분을 확대한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 해수 담수화 장치의 구체적 구성을 도시한 다른 실시예이다.
도 5는 도 1에 도시된 동결처리부의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 동결처리부의 또 다른 실시예를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해수의 담수화 장치를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 담수화 장치의 개략적인 구성이 블록도로서 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 해수의 담수화 장치(100)는 해수 공급부(110), 동결 처리부(130), 가열부(150), 응축부(160), 해빙부(180)를 구비한다.
해수 공급부(110)는 해수를 동결처리부(130)로 공급할 수 있도록 되어 있다.
동결 처리부(130)는 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수에서 담수 성분이 냉각에 의해 동결되고 소금성분은 미동결될 수 있게 처리하여 동결된 담수와 농축해수를 생성할 수 있도록 되어 있다.
가열부(150)는 동결처리부(130)에서 미동결된 농축해수를 가열하여 증발시켜 소금을 생성한다. 또한, 가열부(150)는 냉매 싸이클에 의한 냉매 순환방식에 의한 열교환에 의해 동결처리부(130)가 구축되는 경우 온열도 생산하도록 구축될 수 있다.
응축부(160)는 가열부(150)에 의해 증발된 증기를 응축하여 담수화하고, 담수는 담수 저장조(170)에 저장처리된다.
해빙부(180)는 동결처리부(130)에서 동결된 담수 얼음을 수거 및 해빙하여 담수 저장조(170)로 저장처리할 수 있도록 되어 있다.
자연해빙을 적용하는 경우 해빙부(180)는 생략될 수 있다.
이러한 담수화 장치(100)에서 해수를 냉각하되 에어를 공급하면서 담수얼음과 농축해수를 분리 생성할 수 있는 동결처리구조를 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 담수화 장치(200)는 메인 하우징(210)과, 해수 수용조(222), 냉각조(224), 에어공급부(230), 농축해수 이송부(240), 얼음 회수부(282), 담수저장조(170), 가열수조(237), 압축기(261), 응축기(263), 팽창변(265), 증발관(267), 내부 증발기(268)를 구비한다.
메인 하우징(210)은 상호 독립되게 폐쇄된 제1 및 제2 내부 공간(211)(212)을 갖는 구조로 되어 있다.
해수 수용조(222)는 제1 내부공간(211) 내에 해수를 이송받아 수용할 수 있도록 형성되어 있다.
해수 수용조(222)는 다수개가 적용되어 있다.
해수 공급부는 해수조(112)에 담수된 해수를 펌프(116)로 펌핑하여 해수 공급관(114)을 통해 해수 수용조(222)로 공급할 수 있도록 되어 있다.
냉각조(224)는 도 3에 도시된 바와 같이 브라인 용액(226)이 수용되며 해수 수용조(222)를 열교환에 의해 냉각시킨다.
냉각조(224)에 수용되는 브라인 용액은 물보다 빙점이 낮은 염화칼슘(CaCl2)등 공지된 다양한 물질이 적용될 수 있다.
에어 공급부(230)는 해수 수용조(222) 내로 연장된 에어 공급관(232)을 통해 에어공급기(231)로부터 에어를 공급하여 해수 수용조(222) 내의 해수를 유동시켜서 담수 성분이 동결되게 한다.
농축 해수 이송부(240)는 해수 수용조(222)에서 미동결된 농축해수를 제2 내부공간(212) 내에 설치된 가열수조(237)로 이송한다.
농축 해수 이송부(240)는 제어부(미도시)에 의해 제어되어 설정된 동결시간이 경과한 후 해수 수용조(222)에 미동결되고 남은 농축해수를 펌핑하여 가열수조(237)로 이송하도록 구축될 수 있다.
내부 증발기(268)는 메인 하우징(210)의 제2 내부공간(212) 내에 설치되어 있다.
냉매싸이클링부는 냉매를 압축, 응축, 팽창 및 증발하는 순환과정을 통해 냉각조(224)와 내부증발기(268)를 직접 또는 간접적으로 열교환에 의해 냉각시키도록 되어 있다.
냉매 싸이클링부는 냉매를 압축하는 압축기(261)와, 압축기(261)에서 압축된 냉매가 가열수조(237)와 열교환을 통해 가열하도록 배관된 응축기(263)와, 일단이 응축기(263)를 경유한 냉매가 제1 열교환기(275)를 거쳐 유입되게 접속된 팽창변(265)과, 팽창변(265)의 타단으로부터 냉각조(224)를 거쳐 제2 내부공간(212) 내에 설치된 내부 증발기(268)까지 배관된 증발관(267) 및 내부 증발기(268)로부터 압축기(261)로 이어져 냉매가 순환되는 순환관(262)을 갖는다.
냉매 싸이클링부는 냉매의 순환과정을 통해 냉각조(224)는 냉각시키고, 가열수조(237)는 가열할 수 있도록 되어 있다.
집수용기(269)는 내부 증발기(268)에서 응축된 응축수를 집수하고, 집수된 응축수는 이송관(172)을 통해 담수저장조(170)로 이송할 수 있도록 되어있다.
담수저장조(170)는 메인 하우징(210) 외부에 마련되어 집수용기(269)에 집수된 응축수를 모아 저장한다.
제1 열교환기(275)는 응축기(263)로부터 팽창변(265)으로 이어지는 냉매 순환라인과 온수 생성관(276)이 열교환 될 수 있게 형성되어 온수를 생성하도록 되어 있다.
참조부호 282는 해수 수용조(222)에서 동결된 담수 얼음을 수용하는 얼음 회수부이다.
이러한 담수화장치(200)는 해수가 해수 수용조(222)에 공급된 이후 냉매 싸이클링부의 가동에 의해 냉각조(224)가 냉각되면서 해수 수용조(222)내에 수용된 용액도 영하 이하로 온도가 하강하게 되며 이 과정에서 에어 공급부(230)에 의해 공급되는 에어에 의해 담수 즉, 물성분은 동결화 되고 소금 성분은 동결화가 억제된다.
따라서, 해수 수용조(222)에는 담수성분이 동결된 담수 얼음이 생성되고, 미동결된 용액은 농축해수가 된다.
해수 수용조(222)에 동결된 담수 얼음을 수집 및 메인 하우징(210) 외부로 추출하는 방식은 작업자가 취출하는 방식, 스크러버가 이동하면서 얼음을 수집조로 수집하고, 수집된 얼음을 외부로 이송하도록 하는 방식 등 다양한 방식으로 구축될 수 있다.
또한, 농축해수는 농축해수 이송부(240)를 통해 가열수조(237)에 공급되면, 가열에 의해 담수성분은 증기화 되고 내부 증발기(268)에 의한 응축과정을 거쳐 집수되고, 가열수조(237)에는 소금만 남게 된다.
이러한 담수화 장치(200)에서 냉각부는 냉각조(224)의 브라인 용액(226)과 냉매와 열교환 하면서 냉각조(224)를 통해 해수 수용조(222)를 냉각시키는 구조가 적용되고, 가열부는 냉매가 응측되는 응축기(263)에 의해 구현되었다.
한편, 해수를 냉각하기 위한 또 다른 냉매 싸이클링 적용 방식이 도 4에 도시되었다. 앞서 도시된 도면에서와 동일 기능을 하는 요소는 동일 참조부호로 표기한다.
도 4를 참조하면, 냉매 싸이클링부는 냉매의 순환과정을 통해 간접열교환 방식으로 냉각조(224)는 냉각시키고, 가열수조(237)는 가열할 수 있도록 되어 있다.
즉, 냉매사이클링부는 제2 및 제3열교환기(372)(373)를 통해 냉각조(224)와 가열수조(237)와 각각 간접방식으로 열교환이 이루어질 수 있도록 구축되어 있다.
냉각조(224)에 수용된 브라인 용액은 내부 증발기(268)와 제2열교환기(372)를 거쳐 냉각조(224)로 다시 순환하는 제1순환라인(361)을 통해 순환하도록 되어 있다.
참조부호 363은 냉각조(224)로부터 내부 증발기(268)로 이어지는 브라인 용액 이송경로 상에서 내부 증발기(268)를 거치치 않고 제2열교환기(372)로 이송될 수 있게 설치된 바이패스관에 설치된 제1밸브로서, 내부 증발기(268)를 비가동하고자 할 때 개방되게 작동시켜 사용할 수 있도록 되어 있다.
참조부호 364는 제1순환라인(361)상에 설치되어 브라인 용액을 펌핑하는 펌프이다.
냉매싸이클링부는 냉매를 압축하는 압축기(261)에서 압축된 냉매가 제3열교환기(373), 팽창변(265) 및 제2열교환기(372)를 거쳐 다시 압축기(261)로 순환하도록 된 독립된 제2순환경로(362)를 통해 순환하도록 구축되어 있다.
여기서 제3열교환기(373)에서 냉매는 응축되고, 제2열교환기(372)에서는 증발된다.
따라서, 제2열교환기(372)를 통해 간접식으로 냉각되는 브라인용액은 냉각조(224)에서 해수를 냉각할 수 있다.
또한, 제3열교환기(373)는 제2순환경로(362)와 온수 생성관(276)이 열교환 될 수 있게 형성되어 온수를 생성하도록 되어 있다.
또한, 온수 생성관(276)의 출력단(276a)에서 분기되어 가열수조(237)을 경유한 후 온수 생성관(276)의 입력단(276b)으로 순환하도록 된 가열수 순환경로(378)가 마련되어 있다. 참조부호 379는 가열수 순환경로로 가열수의 순환 또는 차단을 조정할 수 있도록 설치된 제2밸브이다.
따라서, 가열수조(237)를 가열하고자 할 때는 제2밸브를 개방하면 된다.
한편, 동결처리부는 도 5에 도시된 바와 같이 해수공급부로부터 공급된 해수가 저수되는 해수 수용조(322)에 일부가 침수상태로 접촉되면서 회전될 수 있게 냉각드럼(331)이 설치된 구조가 적용될 수 있다.
이러한 구조에서 냉각부(330)는 냉각드럼(331)의 표면을 냉각시키도록 구축되어 있다.
얼음 분리기(340)는 냉각드럼(331)의 표면에 동결된 담수 얼음을 냉각드럼(331)으로부터 접촉에 의해 분리하여 얼음통(345)으로 수거할 수 있도록 된 분리날(347)이 적용되어 있다.
여기서 해수 수용조(322)에 미동결되는 농축해수는 앞서 도 2를 통해 설명된 농축해수 이송부에 의해 가열수조(237)로 이송되게 구축하면 된다.
또 다르게는 도 6에 도시된 바와 같이 냉각드럼(331)의 표면에 해수를 노즐(414)을 통해 분사하는 해수 분사부(410)가 적용될 수 있다.
또한, 냉각 드럼(331)의 하부에는 분사된 해수 중 비동결되어 낙하되는 해수를 수집하는 해수드레인조(325)가 마련되어 있다.
여기서, 분사 조즐(414)을 통해 분사되는 해수는 냉각 드럼(331)에 도달되면서 동결화가 잘 될 수 있게 분무하면 되고, 냉각드럼(331)의 표면온도도 담수성분이 동결될 수 있게 적절한 온도를 유지하도록 구축되면 된다.
한편, 동결과정을 거쳐 생성된 얼음에 미량의 염분이 포함될 수 있고, 염분의 분리효율을 높이기 위해 해빙과정을 거친 담수를 앞서 해수 공급부(110), 또는 해수 분사부(410)를 통해 공급하는 방식으로 가동하여 물과 소금에 대한 정제 분리 효율을 높이도록 할 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명된 해수의 담수화 장치에 의하면, 해수를 동결과정을 통해 담수와 소금 또는 온열을 생성할 수 있다.
110: 해수 공급부 130: 동결처리부
150: 가열부 160: 응축부
210: 메인 하우징

Claims (9)

  1. 해수를 공급하는 해수 공급부;
    상기 해수 공급부로부터 공급되는 해수에서 담수 성분을 냉각시키는 냉각부를 구비하는 동결 처리부; 및
    상기 동결 처리부에서 동결되지 않은 농축 해수를 가열하여 증발시키는 가열부를 포함하며,
    상기 냉각부는, 냉매의 압축, 응축, 팽창 및 증발 순환 과정을 통해 냉각조에 수용된 브라인 용액을 냉각시키는 냉매 싸이클링부를 구비하며,
    상기 냉각조는 상기 브라인 용액과 직접 또는 간접적으로 열교환하여 냉각되며,
    상기 가열부는 상기 냉매 싸이클링부의 응축 과정에서 발생하는 열을 이용하는 것을 특징으로 하는 해수의 담수화 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 동결처리부는,
    상기 냉각조 내에 설치되어서 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수가 저수되는 해수 수용조를 더 구비하며,
    상기 냉각부는 상기 냉각조의 브라인 용액과 열교환하면서 상기 냉각조를 통해 상기 해수 수용조를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 해수의 담수화 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 동결 처리부는 상기 해수 수용조 내로 에어를 공급하는 에어 공급부를 더 구비하는 것을 구비하는 것을 특징으로 하는 해수의 담수화 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가열부에서 증발된 증기를 응축하여 담수화하는 내부 증발기를 더 포함하며, 상기 내부 증발기는 상기 냉매 싸이클링부의 증발 과정의 냉각을 이용하는 것을 특징으로 하는 해수의 담수화 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가열부와 상기 내부 증발기는 상기 동결 처리부에서 상기 해수가 냉각되는 구역과 분리된 공간에 설치되는 것을 특징으로 하는 해수의 담수화 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 동결 처리부는
    상기 해수 공급부로부터 공급된 해수가 저수되는 해수 수용조와,
    상기 해수 수용조에 저수된 해수에 일부가 침수 상태로 접촉되면서 회전될 수 있게 설치되고 상기 냉각부에 의해 냉각되는 냉각드럼을 더 구비하며,
    상기 냉각드럼의 표면에 동결된 담수 얼음을 상기 냉각드럼으로부터 접촉에 의해 분리하여 얼음통으로 수거하는 얼음분리기를 구비하는 것을 특징으로 하는 해수의 담수화 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 동결 처리부는
    회전할 수 있게 설치되고 상기 냉각부에 의해 냉각되는 냉각드럼과,
    상기 해수 공급부로부터 공급된 해수를 상기 냉각드럼의 표면에 분사하는 해수 분사부와,
    상기 냉각드럼의 표면에 동결된 담수 얼음을 상기 냉각드럼으로부터 접촉에 의해 분리하여 얼음통으로 수거하는 얼음분리기와,
    상기 냉각드럼 하부에 설치되어 비동결되어 낙하하는 해수를 수집하는 해수 드레인조를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 해수의 담수화 장치.
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