KR102035098B1 - 히트펌프 기술을 이용한 태양열 증발식 해수담수화 장치 - Google Patents

히트펌프 기술을 이용한 태양열 증발식 해수담수화 장치 Download PDF

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Abstract

해수담수화 장치가 개시된다. 상기 해수담수화 장치는 상부가 개방되고 내부에 수용 공간이 형성된 해수 용기와, 개방된 상부를 밀폐시키고 태양광을 투과시키는 태양광 투과창과, 상기 투과된 태양광으로 인한 태양열이 상기 수용 공간에 담긴 해수를 가열하여 상기 해수가 증발하면, 상기 태양광 투과창에 증발된 수분이 응결되어 생성된 담수를 모으는 담수 집수부와, 상기 해수에 잠기도록 배치되고, 열을 방출하여 상기 해수를 가열하는 응축부와, 상기 담수 집수부 위에 설치되고, 상기 해수가 가열되어 증발된 수분을 응결시키는 증발기를 포함한다.

Description

히트펌프 기술을 이용한 태양열 증발식 해수담수화 장치{SOLAR EVAPORATIVE DESALINATION APARATUS OF SEA WATER USING HEAT PUMP}
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 해수담수화 장치에 관한 것으로, 특히 히트펌프 기술을 접목시킨 증발식 해수담수화 장치에 관한 것이다.
태양열을 열원으로 하는 증발식 해수담수화 장치는 해수를 태양열로 증발시킨 후 다시 응축시켜 담수를 생산하는 방법으로 자연에서의 물을 순환과정을 그대로 이용하는 장치이다. 일반적인 태양열 증발식 해수담수화 장치는 햇빛을 통과하는 투명한 온실형 구조물 속에 해수를 담아놓고 투과된 햇빛으로 인한 태양열로 해수를 증발을 시킨 후, 상대적으로 차가운 태양광투과창에 다시 응축된 담수를 회수하는 원리로 해수를 담수화시킨다. 이 태양열 증발식 해수담수화 장치는 담수를 이송시키는 펌프를 제외하면 태양열만이 에너지원으로 사용되므로 운전비나 가동비가 저렴하다는 장점이 있다. 또한, 원리가 비교적 간단하여 건설비나 유지관리비용이 아주 경제적이다. 하지만 에너지원을 절대적으로 태양열에 의존하므로 일기변화에 따른 변수를 제어할 수 없다는 것이 단점이다. 따라서 증발식 해수담수화 장치는 연중 일조량이 많고 물이 부족한 중동지방에서 중소형 규모의 담수화 장치로 많이 사용되고 있다.
히트펌프는 전기를 공급받아 저온에서 열을 뽑아서 고온으로 보내주는 역할을 하는 장치로 주변에서 흔히 볼 수 있는 에어콘, 냉장고도 큰 범주에서 히트펌프로 분류된다. 제습기에서도 히트펌프를 사용하는데, 저온의 냉매가 흐르는 증발기에서는 주변의 공기보다 온도가 낮으므로 공기 중에 포함된 수분이 증발기 표면에 응축된다. 이는 온도가 낮아질수록 공기가 포함할 수 있는 최대 수분량이 줄어들기 때문이다. 특정 공기가 최대로 수분을 포함할 때의 온도를 이슬점이라고 하는데, 증발기의 온도가 이 이슬점의 온도보다 낮으면(일반적으로 훨씬 낮다.) 수분의 응축 일어난다. 공기 중에 포함된 절대적인 수분의 양을 나타내는 절대습도가 높을수록 이슬점은 높아진다. 따라서 제습기는 증발기에서 응축된 수분을 제거함으로써 실질적으로 공기 중에 포함된 수분의 양을 줄이는 방식으로 제습을 구현한다.
증발식 해수담수화 장치는 태양열로 해수를 데워서 증발이 잘 일어나게 함으로써 해수가 담긴 용기 내의 공기의 수분을 포화시킨다. 장치는 온실구조로 되어 있기 때문에 용기의 벽의 온도가 용기 내 공기의 이슬점보다 낮기 때문에 벽에 수분이 응결되어 담수를 얻는 것이다. 결론적으로, 증발식 해수담수화 장치의 단위 시간당 담수가 생성되는 속도는 해수의 온도가 높을수록, 용기 벽의 온도가 낮을수록 증가한다. 하지만 기존의 증발식 해수담수화 장치는 에너지원으로써 태양열에만 의존하고, 담수의 응축원으로써 외기온도 정도밖에 되지 않는 태양광투과창에 의존하므로, 담수생성속도가 높지가 않다.
등록특허공보 제10-0768334호는 자연에너지에 의해 작동 가능한 가열 수단에 의해 해수가 가열되어 증발되는 발명이 개시되어 있다. 그러나 상기 선행기술문헌은 해수를 가열시키기 위한 에너지원으로써 여전히 자연에너지에만 의존하므로, 담수의 생성 속도가 높지 않고, 일기가 좋지 않을 때에는 담수의 생성 속도가 급격히 떨어진다는 문제점이 남아있다.
등록특허공보 제10-0768334호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해수담수화 장치는 태양열 뿐만 아니라 히트펌프 기술을 이용하여 담수부 내부의 온도를 증가시키는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해수담수화 장치는 상부가 개방되고 내부에 수용 공간이 형성된 해수 용기와, 개방된 상부를 밀폐시키고 태양광을 투과시키는 태양광 투과창과, 상기 투과된 태양광으로 인한 태양열이 상기 수용 공간에 담긴 해수를 가열하여 상기 해수가 증발하면, 상기 태양광 투과창에 증발된 수분이 응결되어 생성된 담수를 모으는 담수 집수부와, 상기 해수에 잠기도록 배치되고, 열을 방출하여 상기 해수를 가열하는 응축부와, 상기 담수 집수부 위에 설치되고, 상기 해수가 가열되어 증발된 수분을 응결시키는 증발기를 포함한다.
상기 해수담수화 장치는 상기 응축기와 연결된 응축기 입출구 포트와, 상기 증발기와 연결된 증발기 입출구 포트와, 상기 응축기 입출구 포트와 상기 증발기 입출구 포트 각각과 연결된 압축기와 팽창밸브를 포함하는 태양광 발전부를 더 포함한다.
상기 해수담수화 장치는 상기 태양광 발전부는 태양광 패널을 더 포함하고, 상기 태양광 발전부는 상기 태양광 패널을 이용하여 태양광을 전기 에너지로 변환하고, 변환된 전기 에너지를 상기 압축기로 공급한다.
상기 해수담수화 장치는 상기 담수 집수부에 연결된 엘보와, 상기 엘보와 연결되고 상기 해수용기의 외부로 노출되는 담수 출구포트;를 더 포함하고, 상기 담수 집수부에 모인 담수가 상기 엘보를 통해 상기 출구 포트로 배출된다.
상기 태양광 투과창은 중앙 상단부로부터 양쪽 방향으로 해수의 수면에 대해서 일정한 각도 하향 경사진 삼각 형상의 구조를 형성하고, 상기 담수 집수부는 상기 태양광 투과창의 좌측과 우측 각각의 하부에 설치되고, 상기 담수 집수부의 일단은 상기 해수용기의 벽에 부착되고, 상기 증발기는 상기 태양광 투과창과 상기 담수 집수부 사이에 설치된다.
상기한 바와 같은 본 발명의 해수담수화 장치는 히트펌프의 응축기에서 나오는 열을 해수에 공급하므로 해수를 직접적으로 가열하고, 히트펌프의 증발기에서 포화수증기를 응축시킴으로써 담수의 생성 속도를 현저히 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 해수담수화 장치는 히트펌프의 에너지원으로써 태양광 패널을 이용한 태양광발전을 이용하므로 추가적인 에너지원 없이도 효율적으로 담수의 생성 속도를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 종래의 태양열 증발식 해수담수화 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 히트펌프 기술을 이용한 태양열 증발식 해수담수화 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 장치의 전체 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 해수담수화 용기부의 구체적인 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 용기부의 평면도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 용기부의 단면도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 담수 집수부의 확대도를 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 용기부의 측면도를 나타낸다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시 예 및 도면을 참조하여, 본 발명을 더욱 상술한다.
도 1은 종래의 태양열 증발식 해수담수화 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 개념도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 히트펌프 기술을 이용한 태양열 증발식 해수담수화 장치의 작동 원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 태양광 투과창을 투과한 햇빛이 온실형 구조물 속에 담긴 해수를 증발시키면, 상대적으로 차가운 태양광 투과창에 증발된 해수가 응축되고, 응축된 담수를 회수하는 원리로 해수를 담수화 시킨다. 담수를 이송시키는 펌프를 제외하면 태양열만이 에너지원으로 사용된다.
도 2를 참조하면, 히트펌프의 고온부인 히트펌프 응축기가 해수에 잠기게 설치하여 해수의 온도를 올리는데 사용되고, 히트펌프의 저온부인 히트펌프 증발기는 용기의 담수 집수부 위에 설치되어 담수를 응결시키는데 사용된다. 상기 히트펌프 증발기는 벽이나 태양광 투과창 뿐만 아니라 추가적인 담수 응축기 역할을 하고, 응축된 담수가 담수 집수부에 잘 모이도록 설계된다. 히트펌프 증발기는 외기의 온도보다 현저히 낮으므로 담수의 생성 속도를 극적으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 장치의 전체 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 해수담수화 용기부의 구체적인 구성도이다. 도 3을 참조하면, 해수담수화 장치는 해수담수화 용기부(10)와 태양광 발전부(40)를 포함할 수 있다.
해수담수화 용기부(10)는 히트펌프를 이용하여 해수담수화 용기부(10) 내부에 담긴 해수를 담수화시킨다. 일반적으로 히트펌프는 전기를 에너지원으로 하여 저온의 열을 고온으로 이송시키는 장치이다.
히트펌프는 압력차를 만드는 압축기, 팽창 밸브, 열을 흡수하는 증발기, 증발기 입출구 포트, 열을 방출하는 응축기, 및 응축기 입출구 포트로 구성된다. 해수담수화 용기부(10)는 히트펌프의 증발기와 히트펌프의 응축기를 포함할 수 있다.
태양광 발전부(40)는 응축기 입출구 포트와 증발기 입출구 포트를 통해 해수담수화 용기부(10)와 연결된다. 태양광 발전부(40)는 태양광 패널(41)과 히트펌프 케이스(42)를 포함한다.
태양광 발전부(40)는 태양광 패널(41)을 이용하여 태양광을 직접 전기에너지로 변환하고, 변환된 전기에너지를 이용하여 히트펌프를 구동시킬 수 있다. 즉, 변환된 전기 에너지는 상기 압축기로 공급되어 압축기의 구동에 사용된다. 히트펌프 케이스(42) 내부에는 태양광 패널(41)에서 발생한 직류 전류를 교류 전류로 변환하여 주는 인버터, 히트펌프의 압축기, 및 히트펌프의 팽창밸브를 포함할 수 있다.
도 4를 참조하면, 해수담수화 용기부(10)는 해수용기(11), 해수용기(11)를 덮는 태양광 투과창(12), 및 해수용기(11) 내에 설치된 히트펌프부(20)와 담수부(30)를 포함할 수 있다.
해수용기(11)는 상부가 개방되고 내부에 수용 공간이 형성된다. 상기 공간에 해수가 담긴다. 해수용기(11)의 개방된 상부는 태양광이 입사할 수 있도록 태양광 투과창(12)으로 밀폐된다. 예컨대, 태양광 투과창(12)은 중앙 상단부로부터 양쪽방향으로 하향경사진 삼각형상의 구조를 형성한다.
태양광 투과창(12)을 투과한 햇빛으로 인한 태양열로 해수를 데워서 증발이 잘 일어나게 함으로써 해수담수화 용기부(10) 내의 공기의 수분을 포화시킨다. 해수담수화 용기부(10)는 온실구조로 되어 있기 때문에 해수담수화 용기부(10)의 벽의 온도가 해수담수화 용기부(10) 내 공기의 이슬점보다 낮기 때문에 벽에 수분이 응결되어 담수가 생성된다. 또한, 상대적으로 차가운 태양광 투과창(12)에도 수분이 응결되어 담수가 생성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 용기부의 평면도를 나타낸다. 도 4와 도 5를 참조하면, 히트펌프부(20)는 응축기 입출구 포트(21), 증발기 입출구 포트(22), 담수응축기(또는 증발기; 23), 및 응축기(24)를 포함할 수 있다.
압축기로부터 생성된 고온?E고압의 증기가 응축기 입구 포트(21)를 통해서 응축기(24)로 전달된다. 응축기(24)는 해수에 잠기게 배치되므로 응축기(24)로부터 방출되는 열에 의해 직접적으로 해수를 가열한다. 따라서, 태양열에만 의존하여 열을 공급하는 것보다 빠른 속도로 해수가 증발한다. 응축기(24)에서 나오는 열이 해수에 공급되어 해수의 온도를 상승시켜 포화수증기의 압력을 높임으로써 더욱 많은 양의 수분이 공기 중에 존재하도록 한다.
응축기(24)가 열을 방출한 후 고압의 액체 냉매를 응축기 출구 포트(21)를 통해서 팽창 밸브로 배출한다. 팽창 밸브가 상기 고압의 액체 냉매를 팽창시켜 저온?E저압의 액체 상태로 증발기 입구 포트(22)를 통해 증발기(23)로 전달시킨다.
증발기(23)는 태양광 투과창(12)에 응축된 담수를 회수하기 위한 담수 집수부(31) 위에 설치되어 담수를 응결시키는 역할을 한다. 증발기(23)는 포화 증발기(23)는 태양광 투과창(12) 뿐만 아니라 추가적으로 응결의 역할을 수행하고, 증발기(23)의 온도는 외기의 온도보다 현저히 낮으므로 담수 생성 속도를 극적으로 향상시킬 수 있다.
증발기(23)가 열을 흡수한 후 완전한 가스로 변환된 냉매를 증발기 출구 포트(22)를 통해서 압축기로 배출한다.
정리하면, 단위 시간당 담수가 생성되는 속도는 해수의 온도가 높을수록, 해수담수화 용기부(10)의 벽 또는 태양광 투과창(12)의 온도가 낮을수록 증가하는데, 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 장치는 응축기(24)로부터 방출되는 열이 해수를 빠르게 증발시키고, 외기의 온도보다 현저히 낮은 증발기(23)가 추가적으로 응결의 역할을 수행함으로써 담수의 생성 속도를 극적으로 향상시킬 수 있는 것이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 용기부의 단면도를 나타내고, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 담수 집수부의 확대도를 나타낸다. 도 6과 도 7을 참조하면, 담수부(30)는 담수 집수부(31), 담수 집수엘보(32), 및 담수 출구포트(33)를 포함할 수 있다. 태양광 투과창(12), 해수담수화 용기부(10)의 벽, 및 증발기(23)로부터 생성된 담수가 담수 집수부(31)에 모이면, 생성된 담수는 담수 집수엘보(32)를 통해 담수 출구포트(33)로 배출된다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 해수담수화 용기부의 측면도를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 태양광 투과창(12)은 중앙 상단부로부터 양쪽 방향으로 해수의 수면에 대해서 일정한 각도 하향 경사진 삼각 형상의 구조를 형성한다. 담수 집수부(31)가 태양광 투과창(12)의 좌측과 우측 각각의 하부에 설치되어 태양광 투과창(12)의 경사면을 타고 흘러 내리는 담수가 담수 집수부(31)에 모이도록 한다.
담수 집수부(31)의 일단은 해수용기(11)의 벽에 부착되어 해수용기(11)의 벽을 타고 흘러 내리는 담수가 담수 집수부(31)에 모이도록 한다. 증발기(23)는 태양광 투과창(12)과 담수 집수부(31) 사이에 설치되어, 증발기(23)에 응축된 담수가 담수 집수부(31)에 모이는 한편, 태양광 투과창(12)의 경사면을 타고 흘러 내리는 담수가 증발기(23)에 떨어지지 않도록 한다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10; 해수담수화 용기부
11; 해수용기
12; 태양광 투과창
20; 히트펌프부
21; 응축기 입출구 포트
22; 증발기 입출구 포트

Claims (5)

  1. 상부가 개방되고 내부에 4면으로 둘러싸인 수용 공간이 형성된 해수 용기(11);
    개방된 상부를 밀폐시키고 태양광을 투과시키는 태양광 투과창(12);
    상기 투과된 태양광으로 인한 태양열이 상기 수용 공간에 담긴 해수를 가열하여 상기 해수가 증발하면, 상기 태양광 투과창(12)에 증발된 수분이 응결되어 생성된 담수를 모으는 담수 집수부(31);
    상기 해수에 잠기도록 배치되고, 열을 방출하여 상기 해수를 가열하는 응축기(24); 및
    상기 해수가 가열되어 증발된 수분을 응결시키는 증발기(23);를 포함하고,
    상기 태양광 투과창(12)은 상기 해수 용기(11)의 중앙 상단부로부터 이격되어 상기 수용 공간의 4면 중 대향하는 2면을 향하여 각각 해수의 수면에 대해서 일정한 각도로 하향 경사진 삼각 형상의 구조를 형성하고,
    상기 담수 집수부(31)는 상기 수용 공간의 4면 중 대향하는 2면 내부에서 각각 상기 대향하는 면에 평행하게 배치되고,
    상기 증발기(23)는 상기 수용 공간의 4면 중 대향하는 2면 내부에 각각 배치되고, 상기 태양광 투과창(12)과 상기 담수 집수부(31) 사이에 이격되어 상기 담수 집수부(31)와 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는, 해수담수화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 응축기(24)와 연결된 응축기 입출구 포트(21);
    상기 증발기(23)와 연결된 증발기 입출구 포트(22); 및
    상기 응축기 입출구 포트(21)와 상기 증발기 입출구 포트(22) 각각과 연결된 압축기와 팽창밸브를 포함하는 태양광 발전부(40)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수담수화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 태양광 발전부(40)는 태양광 패널(41)을 더 포함하고,
    상기 태양광 발전부(40)는 상기 태양광 패널(41)을 이용하여 태양광을 전기 에너지로 변환하고, 변환된 전기 에너지를 상기 압축기로 공급하는 것을 특징으로 하는 해수담수화 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 담수 집수부(31)에 연결된 담수 집수엘보(32); 및
    상기 담수 집수엘보(32)와 연결되고 상기 해수용기(11)의 외부로 노출되는 담수 출구포트(33);를 더 포함하고,
    상기 담수 집수부(31)에 모인 담수가 상기 담수 집수엘보(32)를 통해 상기 담수 출구포트(33)로 배출되는 것을 특징으로 하는 해수담수화 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 담수 집수부(31)의 일단은 상기 해수용기(11)의 벽에 부착되는 것을 특징으로 하는 해수담수화 장치.
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