KR102040920B1 - 고온 방류수의 열원회수 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대규모 공단의 폐수처리장에서 정화처리된 고온의 방류수를 하천으로 방류 전에 그 열원을 받아서 축적하고 이를 새로운 에너지원으로 사용할 수 있는 고온 방류수의 열원회수 시스템에 관한 것으로, 고온의 방류수와 저온의 방류수가 분리상태로 집수되는 집수조와, 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브를 구비하고, 고온 방류수가 상기 증발기를 통해 열원이 회수되며, 저온 순환수가 상기 응축기를 통해 고온 순환수로 열교환이 이루어지게 하는 히트펌프와, 상기 히트펌프와 제1순환라인으로 연결되고 상기 히트펌프와 열교환이 이루어져 고온 순환수가 저장되는 온수탱크 및, 상기 온수탱크의 고온 순환수가 제2순환라인을 따라 순환되어 내부 용수가 가열되는 양만수조를 포함한다.

Description

고온 방류수의 열원회수 시스템{Recovery system for using a heating source in the hot wastewater}

본 발명은 고온 방류수의 열원회수 시스템에 관한 것으로, 특히 대규모 공단의 폐수처리장에서 정화처리된 고온의 방류수를 하천으로 방류 전에 그 열원을 받아서 축적하고 이를 새로운 에너지원으로 사용할 수 있는 고온 방류수의 열원회수 시스템에 관한 것이다.

화석 에너지자원의 고갈과 고유가 정책으로 에너지 단가가 상승함에 따라 에너지 비용절감과 에너지 재활용이 요구되는 시점에 있다. 버려지는 폐열에서 에너지를 회수하는 기술은 에너지를 재활용하여 에너지낭비를 줄일 수 있는 것은 물론, 환경보호에 중요한 역할은 하게 된다.

예를 들면, 대단위 공단지역인 파주 LG디스플레이 폐수처리장에서 정화를 거쳐 배출되는 방류수는 200,000 ton/day 정도이고, 방류수의 연평균 온도가 27℃ 정도이다. 이러한 고온의 방류수를 그대로 버려지는 것은 국가적 차원에서 에너지 낭비가 될 뿐만 아니라, 다양한 환경문제를 일으키는 원인이 되고 있다.

예컨대, 고온의 방류수는 동절기에 해당 지천주변을 따라 타지역에 비해 자주 짙은 안개가 발생되어 교통문제를 일으키는 원인이 되었다. 또한, 고온의 방류수는 지천에서 강으로 유입되는 지점에 물고기가 온도차에 따라 폐사함으로써 어류의 생태계를 교란시키는 한 원인이 되었다.

한편, 기존 방류수의 열원 회수기술에 대하여 등록특허 10-1033415(특허문헌 1), 10-0609455(특허문헌 2) 및 등록실용신안 20-0419356(특허문헌 3)에 개시되어 있다.

상기 특허문헌 1,2,3은 하수처리장이나 폐수처리장에서 방류수의 열원을 회수하기 위한 것으로, 생활하수를 기준으로 할 때 방류수 열원이 높지 않으므로 이를 재활용하는데 한계가 있고, 대규모 방류수의 열원을 그대로 축적하기 어려운 문제점을 지니고 있다.

등록특허 10-1033415(2011.05.11) 등록특허 10-0609455(2006.08.03) 등록실용신안 20-0419356(2006.06.20)

이에 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 방류수로부터 열원을 받아서 이를 축적하고 온도를 낮춘 방류수를 배출함으로써 지천 주변에 안개발생의 빈도와 농도를 낮출 수 있는 고온 방류수의 열원회수 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 방류수를 지천수와의 온도차를 줄임으로써 방류수로 인한 어류의 폐사를 예방할 수 있는 고온 방류수의 열원회수 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 대용량의 방류수로부터 열원을 받아서 이를 축적하여 해당 지역 농수산 분야의 에너지원으로 재활용할 수 있는 고온 방류수의 열원회수 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 고온의 방류수와 저온의 방류수가 분리상태로 집수되는 집수조와, 증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브를 구비하고 상기 고온 방류수가 상기 증발기를 통해 열원이 회수되며, 저온 순환수가 상기 응축기를 통해 고온 순환수로 열교환이 이루어지게 하는 히트펌프와, 상기 히트펌프와 제1순환라인으로 연결되고 상기 히트펌프와 열교환이 이루어져 고온 순환수를 저장하는 온수탱크 및, 상기 온수탱크의 고온 순환수가 제2순환라인을 따라 순환되어 내부 용수가 가열되는 양만수조를 포함하는 고온 방류수의 열원회수 시스템을 제공한다.

상기 히트펌프에서 1차로 열회수된 방류수가 모이고, 방류수 피드백라인을 따라 상기 히트펌프로 재순환되어 2차로 열회수되게 하는 방류조를 더 포함한다.

상기 양만수조는 상기 제2순환라인이 내부를 따라 원주방향으로 순환하도록 형성되어 고온 순환수로부터 간접방식으로 열원을 공급받고, 하부에 여과조가 구비되게 구성하는 것이 바람직하다.

상기 온수탱크와 양만수조는 각각 온도센서가 구비되어 설정된 온도가 될 때까지 순환수가 순환되도록 제어되게 구성할 수 있다.

상기 양만수조의 내부 용수 온도를 필요시 냉각시키는 냉각기를 포함하여 구성할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고온 방류수의 열원회수 시스템에 의하면, 고온 방류수의 열원을 회수하여 저온 방류수를 배출함으로써 지천 주변에 발생하는 안개의 빈도와 농도를 낮출 수 있게 되며, 지천수와의 온도차를 줄임으로써 방류수로 인한 하천생태계 피해를 줄일 수 있게 된다.

그리고, 본 발명에 따른 고온 방류수 열원회수 시스템은 고온 방류수에서 회수한 열원을 어류양식, 원예 등 농수산분야에서 냉난방에너지원으로써 이용함으로써 국가적 에너지 정책에 부합할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 고온 방류수 열원회수 시스템은 집수조의 방류수, 온수탱크의 순환수 및 양만수조의 내부 용수를 각각 분리되어 섞이지 상태로 열원을 전환할 수 있기 때문에 다양한 분야에서 용이하게 응용할 수 있고, 친환경으로 에너지를 활용할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 고온 방류수의 열원회수 시스템 전체를 도시한 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 열원회수 시스템의 방류조, 히트펌프, 온수탱크의 물순환을 도시한 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 열원회수 시스템의 히트펌프를 도시한 구성도,
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 열원회수 시스템의 양만수조를 도시한 평면도와 측면도이다.

이하, 본 발명에 따른 고온 방류수의 열원회수 시스템에 대한 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 따라 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고온 방류수의 열원회수 시스템 전체를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열원회수 시스템의 방류조, 히트펌프, 온수탱크의 물순환을 도시한 구성도이다.

본 발명에 따른 고온 방류수의 열원회수 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 집수조(10), 방류수 펌프(20), 히트펌프(30), 방류조(40), 온수탱크(50), 양만수조(60)를 포함한다.

상기 집수조(10)는 구획벽(12)이 형성되어 한쪽 공간부에 폐수처리장에서 정화처리된 고온 방류수가 유입되고, 다른쪽 공간부에 상기 히트펌프(30)를 거쳐 온도 강하된 방류수가 집수되도록 되어 있다.

여기서, 집수조(10)의 양쪽 공간부에 방류수의 온도차는 5℃ 이상 차이가 나도록 되어 있다. 이는 파주 LG디스플레이 공단에서 정화처리된 방류수는 연평균 온도가 27℃ 정도이고, 상기 히트펌프(30)를 1회 거칠 때 대략 5℃ 정도 온도가 떨어져서 배출되기 때문이다. 물론, 히트펌프(30)에서 배출되는 방류수를 상기 방류조(40)에서 재차 히트펌프(30)로 재순환시켜 온도를 더 떨어뜨려서 배출시킬 수도 있다.

상기 방류수 펌프(20)는 상기 집수조(10)의 내부 방류수 공급라인(14)에 설치되어 고온 방류수를 상기 히트펌프(30)로 압송시키도록 되어 있다. 여기서, 방류수 공급라인(14)을 따라 상기 히트펌프(30)로 유입되는 고온 방류수는 후술하는 증발기(32)를 거치면서 온도가 떨어져 방류수 배출라인(16)을 따라 집수조(10)에서 집수시켜 외부로 배출하도록 되어 있다.

상기 히트펌프(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 증발기(32), 압축기(34), 제1,2응축기(36,37) 및 팽창밸브(38)를 포함하고 있다. 여기서, 히트펌프(30)는 전체 방류수의 유량에 맞추어 그 용량을 설정하여야 하고, 복수의 히트펌프(30)를 사용할 경우 유량과 연동하기 위하여 병렬로 연결하여 사용할 수 있고, 목표치 온도저하 자체에 목적으로 할 경우 직렬로 연결하여 사용할 수 있다. 이 때, 히트펌프(30)를 통과하는 고온 방류수는 그 온도가 5℃ 정도 떨어지는 범위로 히트펌프(30) 용량을 설정하는 것이 바람직하다.

상기 증발기(32)는 방류수 공급라인(14)으로 공급되는 고온 방류수로부터 열원을 회수하도록 되어 있다. 이 때, 고온 방류수는 히트펌프(30)의 증발기(32)와 열교환이 이루어지게 되어 그 온도가 떨어진 상태로 방류수 배출라인(16)을 따라 배출되게 된다.

상기 압축기(34)는 상기 증발기(32)를 거친 저압의 냉매를 고온/고압으로 형성하게 한다.

상기 제1응축기(36)는 상기 온수탱크(50)로부터 저온 순환수가 공급되어 열교환 즉 냉매의 잠열을 공급받아서 온도가 높아진 상태로 상기 온수탱크(50)로 순환되도록 되어 있다. 여기서, 제1응축기(36)는 냉매를 1차로 냉각시키는 수냉식이다.

상기 제2응축기(37)은 1쌍으로 이루어져 공냉식으로 냉매를 2차로 냉각할 수 있도록 되어 있다. 여기서, 제2응축기(37)은 냉매순환라인(39)으로 피드백되도록 되어 있고, 필요에 따라 선택적으로 솔레노이드밸브를 통해 개폐하여 사용할 수 있도록 되어 있다.

결국, 히트펌프(30)는 증발기(32)에서 고온 방류수의 온도를 회수하고, 제1응축기(36)에서 저온 순환수의 온도를 상승시켜 온도탱크(50)에 열원을 축적하는 역할을 하게 된다. 또한, 히트펌프(30)는 제1,2응축기(36,37)를 구비하여 수냉식과 공냉식을 겸용으로 이용하고 있기 때문에 열전환 효율을 높일 수 있다.

상기 방류조(40)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 히트펌프(30)에서 방류수 배출라인(16)을 따라 열회수가 이루어진 방류수를 그대로 집수조(10)에 보내는 것이 아니라, 방류수 피드백라인(18)을 따라 재차 히트펌프(30)로 공급되어 2차로 열회수되도록 되어 있다. 물론, 2차 열회수된 방류수는 온도는 1차 회수때 보다 더 떨어지게 된다.

상기 온수탱크(50)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 히트탱크(30)에서 열교환이 이루어진 저온 순환수가 점차적으로 고온 순환수로 저장되도록 되어 있다. 다만, 온수탱크(50)의 순환수는 처음에 상수도로 공급받도록 되어 저온 상태로 유지된다. 이러한 저온의 순환수가 순환수 공급라인(52)을 따라 히트펌프(30)의 제1응축기(36)와 열교환이 이루어져 온도가 상승되면서 재차 온수탱크(50)로 유입되게 된다. 이렇게 순환수가 계속 반복적으로 순환하게 되면 온수탱크(50)에서 온도가 계속 높아지게 된다.

그리고, 온수탱크(50)는 상기 히트펌프(30) 쪽으로 순환수를 원활하게 순환시키기 위하여 제1순환수 공급라인(52)에 제1순환펌프(53)가 구비되어 있고, 상기 양만수조(60) 쪽으로 순환수를 원활하게 순환시키기 위하여 제2순환수 공급라인(54)에 제2순환펌프(55)가 구비되어 있다. 또한, 온수탱크(50)의 순환수를 설정온도로 유지하기 위하여 온도센서(56)가 구비되어 있다. 도면에는 도시되어 있지 않으나, 상기 제1순환펌프(53), 온도센서(56)를 컨트롤하는 컨트롤패널이 구비되어 있다.

상기 양만수조(60)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 온수탱크(50)의 고온 순환수가 제2순환라인(54)을 따라 순환되어 내부 용수가 가열되도록 되어 있다. 즉 양만수조는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 제2순환라인(54)이 내부를 따라 원주방향으로 순환하도록 형성되어 고온 순환수로부터 간접방식으로 열원을 공급받도록 되어 있다.

그리고, 상기 양만수조(60)는 하부에 여과조(62)가 구비되어 내부 용수가 정화되도록 되어 있고, 일측에 온도센서(64)가 구비되어 있다. 여기서, 양만수조(60)의 내부 용수는 제2순환펌프(55), 온도센서(64), 컨트롤패널(미도시)을 통해 설정된 온도까지 상승하게 된다.

한편, 상기 양만수조(60)의 내부 용수 온도를 필요시 냉각시키는 냉각기(70)를 포함하고 있다. 상기 냉각기(70)는 냉각라인(72)에 냉각용 펌프(74)가 설치되어 있다. 이는 양만수조(60)의 내부 용수의 온도가 설정 온도보다 올라가게 될 경우( 온도센서 고장 등) 비정상적인 상황에서 양만수조(60)에 있는 어류를 보호하기 위하여 가동되는 안전장치이다.

한편, 본 발명에 따른 고온 방류수 열원회수 시스템은 고온 방류수에서 회수한 열원을 양만수조(60)에 이용하는 것을 설명하였으나, 양만수조(60)를 대신 원예 등 농수산분야의 냉난방에너지원으로 용이하게 이용할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 고온 방류수의 열원회수 시스템에 의하면, 본 발명에 따른 고온 방류수 열원회수 시스템은 집수조(10)의 방류수, 온수탱크(50)의 순환수, 양만수조(60)의 내부 용수를 각각 분리하여 서로 섞이지 않은 상태로 열원을 전환할 수 있는 있기 때문에 다양한 분야에서 용이하게 응용할 수 있고, 친환경으로 열원을 활용할 수 있는 기술적 특징이 있다.

이상에서 본 발명에 따른 고온 방류수의 열원회수 시스템에 대한 하나의 바람직한 실시예를 설명하였지만 당업자에 의해 다양하게 변형하여 실시할 수 있고, 이러한 변형될 수 있는 실시 예들은 본 발명의 사상이나 기술적 구성으로부터 개별적으로 이해될 수 없으며, 본 발명의 청구범위에 당연히 속하는 것으로 이해할 수 있을 것이다.

10 : 집수조 12 : 구획벽
14 : 방류수 공급라인 16 방류수 배수라인
18 : 방류수 피드백라인 20 : 방수류 펌프
30 : 히트펌프 32 : 증발기
34 : 압축기 36,37 : 제1,2응축기
38 : 팽창밸브 40 : 방류조
42 : 재순환펌프 50 : 온수탱크
52 : 제1순환수라인 53 ; 제1순환펌프
54 : 제2순환수라인 55 : 제2순환펌프
60 : 양만수조 62 : 여과조
64 : 온도센서 70 : 냉각기
72 : 냉각라인 74 : 냉각용 펌프

Claims (5)

1. 고온의 방류수와 저온의 방류수가 분리상태로 집수되는 집수조;
   증발기, 압축기, 응축기 및 팽창밸브를 구비하고, 고온 방류수가 상기 증발기를 통해 열원이 회수되며, 저온 순환수가 상기 응축기를 통해 고온 순환수로 열교환이 이루어지게 하는 히트펌프;
   상기 히트펌프에서 1차로 열회수된 방류수가 모이고, 방류수 피드백라인을 따라 상기 히트펌프로 재순환되어 2차로 열회수되게 하는 방류조;
   상기 히트펌프와 제1순환라인으로 연결되고 상기 히트펌프와 열교환이 이루어져 고온 순환수가 저장되는 온수탱크; 및
   상기 온수탱크의 고온 순환수가 제2순환라인을 따라 순환되어 내부 용수가 가열되는 양만수조;를 포함하고,
   상기 양만수조는 상기 제2순환라인이 내부를 따라 원주방향으로 순환하도록 형성되어 고온 순환수로부터 간접방식으로 열원을 공급받고, 하부에 여과조가 구비된 고온 방류수의 열원회수 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 온수탱크와 양만수조는 각각 온도센서가 구비되어 설정된 온도가 될 때까지 순환수가 순환되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 고온 방류수의 열원회수 시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 양만수조의 내부 용수 온도를 필요시 냉각시키는 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 방류수의 열원회수 시스템.

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