KR102105349B1

KR102105349B1 - 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치

Info

Publication number: KR102105349B1
Application number: KR1020190019785A
Authority: KR
Inventors: 홍성주; 박찬우; 김민수
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2020-05-29

Abstract

본 발명은 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치에 관한 것으로서, 특히 이중 분리막을 이용하여 수증기의 응집 및 수집량을 증대시킬 수 있는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치에 관한 것이다.
본 발명의 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치는, 제1플레이트와; 상기 제1플레이트의 일면에 인접하게 배치되면서 상기 제1플레이트와의 사이에 고온유체가 이동하는 제1유로를 형성하는 제1분리막과; 일면이 상기 제1플레이트의 일면과 대면하는 제2플레이트와; 상기 제2플레이트의 일면에 인접하게 배치되면서 상기 제2플레이트와의 사이에 제2유로를 형성하는 제2분리막과; 상기 제1분리막과 제2분리막 사이에 배치되어, 상기 제1분리막과 제2분리막을 상호 이격시키면서 그 내부에 이격공간을 형성하는 스페이서;를 포함하여 이루어지되, 상기 제1분리막과 제2분리막은 수증기가 투과하는 소수성 고분자 재질로 이루어져 액상의 유체는 투과하지 못하고, 상기 제1유로와 상기 이격공간 상호간의 증기압차에 의해 상기 고온유체에서 발생되어 상기 제1분리막을 투과한 후 상기 이격공간으로 이동한 수증기는, 상기 이격공간과 제2유로 상호간의 증기압차에 의해 상기 제2분리막을 투과한 후 상기 제2유로를 통해 이동하는 것을 특징으로 한다.

Description

이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치 { VAPOR EXCHANGER USING DOUBLE LAYERS MEMBRANE }

본 발명은 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치에 관한 것으로서, 특히 이중 분리막을 이용하여 수증기의 응집 및 수집량을 증대시킬 수 있는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치에 관한 것이다.

최근, 급변하는 기후 변화로 인해서 수많은 나라에서 물부족 현상이 가속화되고 있고, 또한, 지속되는 인구증가에 따라 산업과 농업에서 사용되는 용수량이 증대되고 있다.

예를 들면, 지구상의 물자원 중에서 17%는 빙하상태, 08%만이 담수 상태로 존재하고 있으며, 대부분의 물은 바다에 분포되어 있다.

이러한 물부족 현상을 해결하기 위해, 전세계적으로 해수를 담수화시키는 해수담수화 공정에 대한 기술 개발이 활발히 연구되고 있는 실정이다.

일반적으로, 해수담수화 방법은 크게 증발법(Distillation), 역삼투법(Reverse Osmosis), 전기장을 이용한 전기투석법(Electro-dialysis), 냉열에너지를 이용한 냉동법(Freezing Process) 및 소수성 막을 이용한 막증류법(membrane distillation) 등이 있다.

이 중 막증류법을 이용한 해수 담수화 기술은, 다른 방식에 비하여 운전 방식이 간단하고 높은 운전압력이 필요하지 않으며 처리된 담수의 순도가 높은 장점이 있다.

막증류법은 간략하게 설명하면, 고온유체에서 발생되는 수증기가 분리막을 투과한 후 냉각플레이트에 응집되어 수증기를 수집되는 원리이다.

종래의 막증류법을 이용한 수증기 교환장치는, 1개의 소수성 분리막을 이용하기 때문에, 고온유체의 열이 냉각플레이트에 쉽게 전달되어 수증기의 응집력이 약해져 수증기의 수집효율이 저하되는 단점이 있었다.

공개특허 10-2017-0129507

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로써, 이중 분리막을 장착하여 제1플레이틀 통해 이동하는 고온유체의 열이 냉각플레이트인 제2플레이트로 전달되는 것을 효과적으로 차단하고, 이를 통해 수증기의 발생 및 응집율을 증가시켜 수증기의 수집효율을 증대시킬 수 있는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치는, 제1플레이트와; 상기 제1플레이트의 일면에 인접하게 배치되면서 상기 제1플레이트와의 사이에 고온유체가 이동하는 제1유로를 형성하는 제1분리막과; 일면이 상기 제1플레이트의 일면과 대면하는 제2플레이트와; 상기 제2플레이트의 일면에 인접하게 배치되면서 상기 제2플레이트와의 사이에 제2유로를 형성하는 제2분리막과; 상기 제1분리막과 제2분리막 사이에 배치되어, 상기 제1분리막과 제2분리막을 상호 이격시키면서 그 내부에 이격공간을 형성하는 공기가;를 포함하여 이루어지되, 상기 제1분리막과 제2분리막은 수증기가 투과하는 소수성 고분자 재질로 이루어져 액상의 유체는 투과하지 못하고, 상기 제1유로와 상기 이격공간 상호간의 증기압차에 의해 상기 고온유체에서 발생되어 상기 제1분리막을 투과한 후 상기 이격공간으로 이동한 수증기는, 상기 이격공간과 제2유로 상호간의 증기압차에 의해 상기 제2분리막을 투과한 후 상기 제2유로를 통해 이동하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2플레이트의 온도는 상기 고온유체의 온도보다 낮다.

상기 제1유로는 상기 제1플레이트의 일면에 형성된 홈 형상으로 이루어지되, 상기 제1분리막은 홈 형상으로 이루어진 상기 제1유로를 덮으면서 상기 제1플레이트에 결합된다.

상기 제2분리막은 상기 제2플레이트와 이격되어 그 사이에 상기 제2유로를 형성하되, 상기 제2분리막을 투과한 수증기는 저온의 상기 제2플레이트의 일면에 응결되어 이동한다.

또는, 상기 제2유로는 상기 제2플레이트의 일면에 형성된 홈 형상으로 이루어지되, 상기 제2분리막은 홈 형상으로 이루어진 상기 제2유로를 덮으면서 상기 제2플레이트에 결합되고, 상기 제2분리막을 투과한 수증기는 홈이 형성된 저온의 상기 제2플레이트의 일면에 응결되어 이동한다.

상기 제2분리막은 상기 이격공간의 열이 상기 제2유로로 이동하는 것을 차단하되, 상기 제2분리막의 기공은 상기 제1분리막의 기공보다 크게 형성되어 수증기의 투과력이 더 높다.

상기 이격공간을 진공시키는 진공펌프를 더 포함하여 이루어진다.

금속재질로 이루어진 상기 제1플레이트에 열을 가하여 가열부재;를 더 포함하여 이루어지되, 상기 가열부재에서 상기 제1플레이트에 가하는 열에 의해 상기 제1유로를 이동하는 유체가 고온유체로 변화된다.

금속재질로 이루어진 상기 제2플레이트를 냉각시키는 냉각부재;를 더 포함하여 이루어지되, 상기 냉각부재에 의해 냉각된 상기 제2플레이트의 온도는 상기 고온유체의 온도보다 낮게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

제1분리막과 제2분리막으로 이루어진 이중 분리막을 장착함으로써, 제1플레이틀 통해 이동하는 고온유체의 열이 냉각플레이트인 제2플레이트로 전달되는 것을 효과적으로 차단하고, 이를 통해 수증기의 발생 및 응집율을 증가시켜 수증기의 수집효율을 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치의 사시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치의 분해사시도,
도 3은 도 1의 A-A선을 취하여 본 평단면도,
도 4는 도 1의 B-B선을 취하여 본 정단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치에 작동과정도. (a) 평단면도 (b) 정단면도
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치의 평단면도.

본 발명의 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치는, 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 제1플레이트(10)와, 제1분리막(20)과, 제2플레이트(30)와, 제2분리막(40)과, 공기가(50) 등을 포함하여 이루어진다.

상기 제1플레이트(10)는 대략 평판 형상으로 이루어진다.

상기 제1분리막(20)은 소수성 고분자 재질로 이루어지고, 상기 제1플레이트(10)의 일면에 인접하게 배치되면서 상기 제1플레이트(10)와의 사이에 고온유체가 이동하는 제1유로(11)를 형성한다.

본 실시예에서는 상기 제1플레이트(10)의 일면에 상하방향으로 길게 다수개의 홈을 형성하여 상기 제1유로(11)를 형성하였다.

그리고, 상기 제1분리막(20)은 홈 형상으로 이루어진 상기 제1유로(11)를 덮으면서 상기 제1플레이트(10)에 결합된다.

상기 제2플레이트(30)는 대략 평판 형상으로 이루어지고, 일면이 상기 제1플레이트(10)의 일면에 대면하게 배치된다.

상기 제2플레이트(30)의 온도는 상기 제1유로(11)를 이동하는 고온유체의 온도보다 낮다.

상기 제2플레이트(30)는 수증기가 응집되는 냉각플레이트 역할을 한다.

상기 제2분리막(40)은 소수성 고분자 재질로 이루어지고, 상기 제2플레이트(30)의 일면에 인접하게 배치되면서 상기 제2플레이트(30)와의 사이에 제2유로(31)를 형성한다.

본 발명의 실시예에서 상기 제2분리막(40)은 상기 제2플레이트(30)와 이격되어 그 사이에 상기 제2유로(31)를 형성하도록 하였다.

그러나, 도 6에 도시된 바와 같이 상기 제2플레이트(30)의 일면에 상하방향으로 길게 다수개의 홈을 형성하여 상기 제2유로(31)를 형성하고, 상기 제2분리막(40)이 상기 제2유로(31)를 덮으면서 상기 제2플레이트(30)에 결합되게 할 수도 있다.

상기 제2분리막(40)은 상기 이격공간(51)의 열이 상기 제2유로(31)로 이동하는 것을 차단한다.

상기 제1분리막(20)과 제2분리막(40)은 수증기가 투과하는 소수성 고분자 재질로 이루어져 있기 때문에, 액상의 유체 즉 액체는 투과하지 못하지만, 수증기는 투과할 수 있다.

상기 공기가(50)는 상기 제1분리막(20)과 제2분리막(40) 사이에 배치되어, 상기 제1분리막(20)과 제2분리막(40)을 상호 이격시키면서 그 내부에 이격공간(51)을 형성한다.

상기 스페이서(50)의 내부에 공기가 존재할 수도 있으나, 바람직하게는 상기 이격공간(51)의 내부와 연통되는 진공펌프(60)를 장착하여 상기 이격공간(51)을 진공시키도록 한다.

위와 같이 상기 진공펌프(60)에 상기 이격공간(51)을 진공시키고, 상기 제1분리막(20)과 제2분리막(40)을 사용함으로써, 상기 제1유로(11)의 열이 상기 제2유로(31) 전달되는 것을 최소화하여, 보다 많은 수증기가 상기 제2유로(31)에 응결되어 수집되도록 할 수 있다.

도 5(a)는 본 발명의 실시예에 따른 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치에 작동과정을 평단면도로 도시하였고, 도 5(b)는 본 발명의 실시예에 따른 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치에 작동과정을 정단면도로 도시하였다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1유로(11)에 고온유체가 공급되게 되면 상기 제1유로(11)에는 고온유체에 의해 수증기가 발생하게 된다.

이때, 상기 제1유로(11)와 상기 이격공간(51) 상호간의 증기압차에 의해, 상기 제1유로(11) 존재하는 수증기는 상기 제1분리막(20)을 투과한 후 상기 이격공간(51)으로 이동하게 된다.

그리고 상기 이격공간(51)으로 이동한 수증기가 어느 정도 이상 충진되게 되면, 상기 이격공간(51)과 상기 제2유로(31) 상호간의 증기압차에 의해, 상기 이격공간(51)에 존재하는 수증기는 상기 제2분리막(40)을 투과한 후 상기 제2유로(31)로 이동하게 된다.

상기 제2분리막(40)을 투과하여 상기 제2유로(31)로 이동한 수증기는, 저온의 상기 제2플레이트(30) 일면에 응결되어 도 5(b)에 도시된 바와 같이 물방울 또는 물줄기 형태로 이동하게 된다.

상기 제1분리막(20)과 제2분리막(40)은 동일한 것으로 이루어질 수 있다.

또는, 상기 제2분리막(40)은 상기 이격공간(51)의 열이 상기 제2유로(31)로 이동하는 것을 차단하면서, 상기 제2분리막(40)의 기공이 상기 제1분리막(20)의 기공보다 크게 형성되도록 할 수도 있다.

위와 같이 상기 제2분리막(40)의 기공이 상기 제1분리막(20)의 기공보다 크게 형성됨으로써, 상기 이격공간(51)에 존재하는 수증기가 상기 제2분리막(40)을 보다 쉽게 투과하여 상기 제2유로(31)로 대량으로 이동하도록 할 수 있다.

이때, 상기 제2분리막(40)의 기공은 최소한 상기 이격공간(51)의 열이 상기 제2유로(31)로 이동하는 것을 차단할 수 있는 크기로 이루어지도록 한다.

한편, 본 발명은 가열부재(15) 및 냉각부재(35)를 더 포함하여 이루어질 수도 있다.

상기 가열부재(15)는 금속재질로 이루어진 상기 제1플레이트(10)에 열을 가한다.

따라서, 상기 제1유로(11)에 처음부터 고온의 유체를 공급하지 않더라도, 상기 가열부재(15)에서 상기 제1플레이트(10)에 가하는 열에 의해 상기 제1유로(11)를 이동하는 유체를 고온유체로 변환시킬 수 있다.

그리고, 상기 제1유로(11)에 처음부터 고온유체가 공급될 경우에는, 상기 가열부재(15)가 상기 제1플레이트(10)를 가열하기 때문에, 상기 고온유체가 상기 제1플레이트(10)를 통해 배출될 때까지 고온상태를 계속하여 유지하도록 할 수 있다.

상기 냉각부재(35)는 금속재질로 이루어진 상기 제2플레이트(30)를 냉각시키는 역할을 한다.

상기 냉각부재(35)에 의해 냉각된 상기 제2플레이트(30)의 온도는 상기 고온유체의 온도보다 낮게 된다.

위와 같은 상기 가열부재(15)와 냉각부재(35)에 의해, 상기 제1플레이트(10)와 제2플레이트(30)의 온도차가 많이 발생하게 됨으로써, 상기 제1유로(11)를 이동하는 고온유체에서 보다 많은 수증기가 발생되어 상기 제2플레이트(30)에 보다 많이 응결되어 수집되도록 할 수 있다.

본 발명은 상기 제1플레이트(10)의 제1유로(11)를 이동하는 고온유체의 열이 상기 제1분리막(20), 제2분리막(40) 및 이격공간(51)에 의해 냉각플레이트 역할을 하는 상기 제2플레이트(30)로 전달되는 것을 최소화하여, 상기 제1플레이트(10)와 제2플레이트(30)의 큰 온도차에 의해 상기 고온유체에 존재하는 수증기가 보다 많이 생성되어 상기 제2플레이트(30)에 응결되어 수집되도록 할 수 있다.

특히, 상기 가열부재(15)와 냉각부재(35)에 의해 상기 제1플레이트(10)와 제2플레이트(30)의 온도차를 크게 할 수 있어, 수증기의 수집 효과를 더욱 높일 수 있다.

그리고, 상기 제2분리막(40)의 기공 크기를 상기 제1분리막(20)의 기공 크기보다 크게 함으로써, 상기 이격공간(51)에 존재하는 수증기가 상기 제2분리막(40)을 보다 많이 투과하여 상기 제2기공에 응결되어 수집되도록 할 수 있다.

이러한 본 발명은 해수 담수화 장치, 증류수 생산장치, 농도 조절 장치 등에 적용될 수 있다.

본 발명인 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치는 전술한 실시예에 국한하지 않고, 본 발명의 기술 사상이 허용되는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

10 : 제1플레이트, 11 : 제1유로, 15 : 가열부재,
20 : 제1분리막,
30 : 제2플레이트, 31 : 제2유로, 35 : 냉각부재,
40 : 제2분리막,
50 : 스페이서, 51 : 이격공간,
60 : 진공펌프.

Claims

제1플레이트와;
상기 제1플레이트의 일면에 인접하게 배치되면서 상기 제1플레이트와의 사이에 고온유체가 이동하는 제1유로를 형성하는 제1분리막과;
일면이 상기 제1플레이트의 일면과 대면하는 제2플레이트와;
상기 제2플레이트의 일면에 인접하게 배치되면서 상기 제2플레이트와의 사이에 제2유로를 형성하는 제2분리막과;
상기 제1분리막과 제2분리막 사이에 배치되어, 상기 제1분리막과 제2분리막을 상호 이격시키면서 그 내부에 이격공간을 형성하는 스페이서;를 포함하여 이루어지되,
상기 제1분리막과 제2분리막은 수증기가 투과하는 소수성 고분자 재질로 이루어져 액상의 유체는 투과하지 못하고,
상기 제1유로와 상기 이격공간 상호간의 증기압차에 의해 상기 고온유체에서 발생되어 상기 제1분리막을 투과한 후 상기 이격공간으로 이동한 수증기는, 상기 이격공간과 제2유로 상호간의 증기압차에 의해 상기 제2분리막을 투과한 후 상기 제2유로를 통해 이동하는 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.
청구항1에 있어서,
상기 제2플레이트의 온도는 상기 고온유체의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.
청구항2에 있어서,
상기 제1유로는 상기 제1플레이트의 일면에 형성된 홈 형상으로 이루어지되,
상기 제1분리막은 홈 형상으로 이루어진 상기 제1유로를 덮으면서 상기 제1플레이트에 결합되는 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.
청구항3에 있어서,
상기 제2분리막은 상기 제2플레이트와 이격되어 그 사이에 상기 제2유로를 형성하되,
상기 제2분리막을 투과한 수증기는 저온의 상기 제2플레이트의 일면에 응결되어 이동하는 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.
청구항3에 있어서,
상기 제2유로는 상기 제2플레이트의 일면에 형성된 홈 형상으로 이루어지되,
상기 제2분리막은 홈 형상으로 이루어진 상기 제2유로를 덮으면서 상기 제2플레이트에 결합되고,
상기 제2분리막을 투과한 수증기는 홈이 형성된 저온의 상기 제2플레이트의 일면에 응결되어 이동하는 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.
청구항2에 있어서,
상기 제2분리막은 상기 이격공간의 열이 상기 제2유로로 이동하는 것을 차단하되,
상기 제2분리막의 기공은 상기 제1분리막의 기공보다 크게 형성되어 수증기의 투과력이 더 높은 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.
청구항1에 있어서,
상기 이격공간을 진공시키는 진공펌프를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.
청구항2에 있어서,
금속재질로 이루어진 상기 제1플레이트에 열을 가하는 가열부재;를 더 포함하여 이루어지되,
상기 가열부재에서 상기 제1플레이트에 가하는 열에 의해 상기 제1유로를 이동하는 유체가 고온유체로 변화되는 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.
청구항2에 있어서,
금속재질로 이루어진 상기 제2플레이트를 냉각시키는 냉각부재;를 더 포함하여 이루어지되,
상기 냉각부재에 의해 냉각된 상기 제2플레이트의 온도는 상기 고온유체의 온도보다 낮게 되는 것을 특징으로 하는 이중 분리막을 이용한 수증기 교환장치.