KR200426456Y1

KR200426456Y1 - 태양열을 이용한 물 또는 액체의 열팽창에 의한 물 또는액체의 양수장치

Info

Publication number: KR200426456Y1
Application number: KR2020060009862U
Authority: KR
Inventors: 홍정호
Original assignee: 홍정호
Priority date: 2006-04-10
Filing date: 2006-04-10
Publication date: 2006-09-18

Abstract

본 고안은 태양열을 이용하여 물 또는 물과 유사한 특성을 가진 액상의 유체를 가열하여 물 또는 액체(이하 "물 또는 액체"를 "물"을 대표로 기술함)에 열팽창을 일으켜서 이때 발생되는 물의 열팽창과 증기 또는 기체(이하 "증기 또는 기체"를 "증기"를 대표로 기술함)의 상변화에서 오는 부피의 팽창력을 이용하여 물을 높은 곳으로 밀어 올리고, 한편으로는 팽창된 증기가 열교환기에서 열교환 되는 과정에 물과 증기가 응축되면서 생기는 수축력을 이용하여 물을 낮은 곳에서 끌어올리는 방법으로 물을 양수할 수 있게 하는 장치에 관한 것으로서, 그 구성은 태양열 포물선 반사경의 중심부에 집열통수관이 장착된 집광형 태양열집열기(기존 상용의 PTC형 태양열집열기, CPC형 태양열집열기 또는 원통형 포물선경 집열기를 이용함)와, 물을 냉각 및 가열시킬 수 있는 이중관식 열교환기와, 역류방지용 체크밸브와 집수 및 충전조로 구성한 것이다. 보다 구체적으로는 높은 곳에 집수 및 충전조를 설치하고, 집수 및 충전조 아래 지상에는 집광형 태양열집열기를 설치하고, 집광형 태양열 집열기 밑에는 열교환기를 설치한다. 집수 및 충전조와 태양열집열기와 열교환기간의 결합은 하부 송수호스 밑 끝 부분 흡입구에 역류방지용 체크밸브를 설치해서 물이 양수되는 방향으로만 흐르게 하고, 하부송수호스 위쪽 끝 부분은 열교환기 하부의 외관 입수구에 연결한다. 열교환기 하부의 내관배수구와 집수 및 충전조간에는 열교환기 안쪽으로 물(액체)이 역류하지 못하게 하는 체크벨브를 설치하고, 여기에 하부 배수호스를 연결한다. 열교환기 상부의 외관에는 상부 송수호스를 연결하고, 상부송수호스 위쪽은 티(T)관 한쪽 입구에 연결한다. 티(T)관 나머지 두 입구 중 한쪽 입구와 집수 및 충전조간에 충전호스와 잠금 밸브를 설치하고, 나머지 티(T)관 입구와 집열통수관 사이에는 물(액체)이 집열통수관 입구 안쪽 방향으로만 흐를 수 있게 체크벨브를 설치하고, 집열통수관 출구와 열교환기 상부 내관 사이에는 물이 열교환기 안쪽 방향으로만 흐를 수 있게 체크벨브와 상부 배수호스를 설치하여 태양열 양수 시스템을 구성한 것이다.

이와 같이 설치된 양수 시스템에서 양수과정은, 태양열에 의해 집열통수관이 가열되면 집열통수관 내의 물이 가열되고, 이때 물의 온도팽창과 수증기발생으로 상변화가 생기면 증기의 부피 팽창으로 집열통수관 내의 압력이 상승하게 되는데, 이때 가열된 물과 증기는 집열통수관 출구 쪽의 체크밸브를 통하여 배출된다. 여기서 배출된 물과 증기는 열교환기를 통과하면서 냉각 응축된다. 이때 집열통수관 내의 압력은 급격히 내려가게 되므로 물은 집열통수관 입구 쪽의 체크밸브를 통하여 집열통수관 안으로 흡입되어 급수가 이루어지고, 급수된 물은 다시 태양열에 의하여 가열된다. 이러한 과정이 반복되면서 지속적으로 물이 한쪽 방향으로 이송하게 되는데, 이때 열교환기는 가열 팽창된 물과 증기를 냉각시킨다. 반면에 집열통수관으로 유입되는 물은 예열시켜 집열통수관에 공급되게 함으로서 집열통수관 내에서의 열팽창을 신속하게 일으켜서 양수능력을 향상시킬 수 있게 하고 또한 증기발생 온도(100℃ 이상)까지 물(액체)이 가열됨으로 동시에 살균도 이루어지게 한다. 또한 태양열 양수기의 가동 초기에 관로내의 공기가 없도록 물을 채워주는 역할과 양수된 물을 저장 및 배수하는 집수 및 충전조로 구성하여서 된 태양열 에너지를 이 용한 물의 열팽창에 의한 물의 살균을 겸한 양수장치에 관한 것이다.

원통형 포물선경 태양열집열기(Cylindrical Parabola Concentration Heat Collec-tor), PTC형 태양열집열기 (Parabolic Trough Concentration Solar Heat Collector), CPC형 태양열집열기 (Compound Parabolic Concentration Heat Collector), 집열통수관(Heat Collecting Pipe), 이중관식 열교환기(Double Pipe Heat Exchanger), 체크밸브(Check Valve), 집광형 태양열집열기(Solar Concentration Heat Collector),

Description

태양열을 이용한 물 또는 액체의 열팽창에 의한 물 또는 액체의 양수장치{Water or Liquid Pumping Apparatus by Heat Expansion of Water or Liquid That Heated by Solar Energy}

도 1은 태양열을 이용한 양수장치의 주요 구성도

도 2는 원통형 포물선경 태양열집열기의 A-A 단면도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 원통형 포물선경 태양열집열기 2 : 이중관식 열교환기

3 : 집수조 11 : 강화유리

12 : 집열통수관 13 : 원통형 포물선경(반사경)

14 : 단열재 21 : 하부 송수호스

22 : 상부 송수호스 23 : 상부 배수호스

24 : 하부 배수호스 25 : 충전호스

31 : 배출호스 101,102,201,202 : 체크밸브

203 : 티(T)관 301 : 배수 잠금 밸브

302 : 급수 잠금 밸브

a : 열교환기 외관 입수구 b : 열교환기 외관 배수구

c : 집열통수관 입수구 d : 집열통수관 배수구

e : 열교환기 내관 입수구 f : 열교환기 내관 배수구

본 고안은 태양열을 이용하여 물을 가열하는 과정에서 발생되는 증기가 상압(1기압)에서 약 1,600배의 부피 팽창력이 생기는 것을 이용하여 물을 낮은 곳에서 높은 곳으로 밀어서 이동시키는 동시에 열교환기에서 증기가 응축되면서 발생되는 약 1/1,600의 부피 축소에 의한 감압 작용으로 물을 낮은 곳에서 끌어올리는 원리를 이용한 물을 양수하는 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 원통형 포물선경의 중심부에 집열통수관이 있는 원통형 포물선경 태양열집열기(이하 "태양열집열기"로 칭함)와, 가열된 물은 냉각시키고 가열시킬 물은 예열시키는 이중관식 열교환기(이하 "열교환기"로 칭함)와, 4조의 역류방지용 체크밸브와, 집수 및 충전조로 구성한 것이다.

이와 같이 구성된 시스템에서 태양열이 포물선경을 거쳐 집열통수관에 집광되어 가열되면, 집열통수관 내의 물이 충분히 가열되어 물에 상 변화를 일으켜 증기가 발생된다. 이때 집열통수관 내의 압력이 상승하여 가열된 물과 증기는 집열통수관 출구 쪽의 체크밸브를 통하여 배출되며, 배출된 증기와 물은 열교환기를 지나면서 냉각과 응축이 된다. 이와 같이 집열통수관 내에서의 응축 작용으로 압력이 급격히 내려가게 되므로 물은 집열통수관 입구 쪽의 체크밸브를 통하여 집열통수관 안으로 흡입되어 급수가 되고, 급수된 물은 다시 태양열에 의하여 가열되는 과정이 반복되면서 지속적으로 물이 한쪽 방향으로 이송된다. 이때 열교환기는 가열 팽창된 물을 냉각시키고 반면에 집열통수관으로 유입되는 물은 예열시켜서 집열통수관 내로 공급되게 함으로서 집열통수관 내에서 열팽창을 신속하게 하여 양수능력을 향상시키고 또한 증기발생온도(100℃ 이상)까지 물이 가열됨으로 살균도 동시에 되는 태양열 에너지를 이용한 물의 열팽창에 의한 물의 살균과 양수장치에 관한 것이다.

현재 농어촌이나 산간 벽지의 많은 곳에 전기 공급이 되지 않고 석유류를 구하기가 용이하지 않은 곳이 많으나 이와 같은 곳에서 물을 양수할 필요가 있어도 어려움이 많다.

본원의 고안은 다른 에너지가 없어도 태양열만 있으면 물을 양수할 수 있을 뿐만 아니라 살균도 되게 하는 것이 특징이다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 전기나 석유류가 없어도 태양열만 있으면 낮은 곳의 물을 높은 곳으로 퍼 올릴 수 있게 하는 방법에 관한 기술로서 태양열집열기와, 열교환기와, 역류방지 밸브와 집수 및 충전조로 구성되어 상기의 종합 구성이 태양열에 의해 물을 양수는 물론 살균도 할 수 있게 하는데 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 태양열을 효율적으로 흡수하여 물을 높은 온도까지 가열할 수 있게 하는 태양열집열기의 구성과, 가열된 배출수의 열을 회수하여 태양열 집열기에 공급되는 물을 예열할 수 있게 하는 열교환기의 구성과, 태양열 양수기가 초기 작동시 전체 양수장치내의 공기를 제거하고 대신 물을 채울 수 있게 하고 또한 양수된 물을 집수 및 배출할 수 있게 하는 집수 및 충전조의 구성과, 양수과정에서 물 흐름의 역류를 방지하는 밸브장치의 구성으로 이루어진 것에 특징이 있다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 고안의 주요구성요소 중에 태양열집열기와 열교환기는 여러 종류가 있으나 본 고안의 구성에서는 태양열집열기는 원통형 포물선경 태양열집열기(1)를 대표로 구성하고 열 교환기는 이중관식 열교환기(2)를 대표로 구성하여 설명한다.

본 고안은 도1에서와 같이 높은 곳에 설치된 집수 및 충전조(3)와, 집수 및 충전조 아래에 설치된 태양열집열기(1)와, 태양열집열기 밑에 설치된 열교환기(2)와, 4조의 역류방지용 체크밸브(101),(102),(201),(202)로 구성되었다. 더욱 구체적으로는 하부송수호스(21)의 밑 부분에서 물이 위로만 흐르고 아래로 역류되지 않게 체크밸브(201)를 설치하고, 하부송수호스 위쪽 부분을 아래쪽의 열교환기 외관 입수구(a)에 결합하고, 열교환기 아래 부분의 내관 배수구(f)에 체크벨브(202)를 설치하여 물이 열교환기 내부로 흘러 들어가지 않게 하였고, 이 체크밸브(202)와 집수 및 충전조 사이에 하부배수호스(24)를 연결하여 물이 집수 및 충전조 방향으로만 흐를 수 있게 하였다. 열교환기 위쪽 부분의 외관배수구(b)와 티(T)관(203) 사이에 상부송수호스(22)를 연결하고. 이 티(T)관 나머지 두 입구 중 한쪽 입구와 집수 및 충전조 사이에 충전호스(25)와 잠금 밸브(302)를 결합하여 설치하고, 나머지 티(T)관 입구와 집열통수관(12) 입수구(c) 사이에 집열통수관 안쪽으로만 물이 흐를 수 있게 체크밸브(101)를 결합하여 설치한다. 집열통수관 배수구(d)에는 집열통수관 안에 있는 물과 증기가 상부배수호스(23) 쪽으로만 흐를 수 있게 체크벨브(102)를 결합하여 설치하고, 이 체크밸브와 열교환기 위 부분의 내관입수구(e) 사이에 상부배수호스를 연결한다. 집수 및 충전조 아래 부분에는 잠금 밸브(301)와 배수용 호스(31)를 연결한다. 태양열집열기(1)의 구성은 태양열을 집광하여 한곳에 태양열을 모으는 원통형 포물선경(13)과 이 포물선경(13)의 초점이 되는 축 방향에 태양열을 흡수하는 집열통수관(12)을 설치하고, 포물선경 개구면에는 파장이 짧은 광선과 적외선은 통과시키고 복사열에 의한 긴 파장의 적외선은 차단하여 외부로 복사되지 않게 처리된 강화유리(11)로 개구면을 덮는다. 포물선경 외벽 면은 열 손실을 차단시키는 단열재(14)를 붙여 구성한 것을 특징으로 하여 이루어진 것이다.

이와 같이 구성된 본 고안의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.

상기의 모든 구성이 완성되면 체크벨브(201)가 연결된 쪽의 하부송수호스(21)를 양수할 물 속에 담그고 태양열양수기의 모든 관 안을 채울 수 있을 정도의 물을 집수 및 충전조(3)에 채운 다음, 잠금 밸브(302)를 열어서 물(액체)을 태양열양수기의 모든 관으로 흘려서 채우는데, 고안의 구성에서 설명한 것과 같이 태양열양수기를 구성하는데 있어서 집수 및 충전조(3)는 맨 위에 설치하고, 집열통수관(12)이 장창된 원통형 포물선경 태양열집열기(1)는 집수 및 충전조(3)의 아래 위치에 설치하고, 이중관식 열교환기(2)는 원통형 포물선경 태양열집열기(1)의 아래 위치에 설치하여서 집수 및 충전조(3)의 잠금 밸브를 열면 물은 위에서 아래로 흘러가면서 채워지는데, 충전호스(25)를 거쳐 티관(203)에 이르면 티관(203)의 한쪽 출구에서는 물이 상부송수호스(22)와 열교환기(2)의 외관과 하부 송수호스(21)를 거처서 체크밸브(201)로 흘러 들어가게 된다. 체크밸브(201)는 역방향으로 결합되어 닫히어 있는 상태이므로 물은 체크밸브를 통과하지 못하고 이 체크밸브(201)에서부터 물이 흘러 들어오는 방향으로 채워져 올라가면서 물이 흘러 들어오는 관 안의 공기를 물이 흘러 들어오는 집수 및 충전조(3) 방향으로 빠져나가게 한다. 한편 티관(203)의 다른 쪽 출구에서는 집수 및 충전조(3)에서 들어오는 물이 체크벨브(101)를 거쳐 집열통수관(12)과 체크벨브(102)와 상부배수호스(23)와 열교환기(2)의 내관과 체크벨브(202)와 하부배수호스(24)의 관 안으로 흘러 들어가서 물이 이중관식 열교환기(2)의 밑의 부분에서부터 채워져 올라가면서 관로 내의 공기는 물이 들어오는 집열통수관(12) 방향과 집수 및 충전조(3)쪽의 하부배수호스(24) 방향으로 빠져나가게 된다. 이때 체크밸브(101),(102),(202)는 모두 물이 흐르는 순방향으로 설치되어 있으므로 집수 및 충전조(3)의 수압으로 열려서 물이 흐를 수 있게 한다. 이와 같이 모든 관 내부의 공기가 위로 빠져나가게 한 다음 잠금 밸브(302)를 닫아서 태양열 양수기를 작동시킬 때 상부송수호스(22)로부터 물이 집열통수관(12)으로만 흘러 들어갈 수 있게 한다. 태양열 양수기의 관 안에 물이 채워지고 공기가 빠져나가게 한 다음 태양열집열기(1)의 개구면이 태양을 정면으로 향하게 고정시키면 태양열이 집열통수관(12)을 가열하고 동시에 관내의 물도 가열된다. 집열통수관 안에 있는 물이 충분히 가열되면 물에 상 변화가 생겨 증기가 발생하게 되는데, 이때 물과 증기의 부피가 급속도로 팽창하여 물과 증기는 집열통수관(12) 입수구(c) 쪽의 체크밸브(101)가 있는 방향으로는 나가지 못하고 집열통수관 배수구(d) 쪽의 체크밸브(102)로 빠져나가게 된다. 빠져나온 물과 증기는 물이 먼저 태양열집열기의 밑에 있는 열교환기(2)의 내관을 따라 아래로 흘러 들어가고 증기는 팽창력으로 물을 아래로 밀면서 열교환기의 내관을 따라 통과하게 된다. 이때 열교환기의 내관을 통과하는 물과 증기는 열교환기의 외관을 통과하는 물과 열교환 되어 물과 증기는 냉각 응축되고 이때 집열통수관(12)안의 압력은 급속히 낮아지면서 열교환기 내관 배수구(f) 쪽의 체크밸브(202)는 열교환기 내관의 응축압력으로 닫히고 이 응축압력은 입수구(c) 쪽의 체크밸브(101)로부터 물을 집열통수관 안으로 흡입 급수되게 한다. 급수된 물은 다시 태양열에 의하여 가열된다. 이러한 과정은 반복되면서 지속적으로 물이 한쪽 방향으로만 이송될 뿐만 아니라 동시에 고온에 의한 살균효과도 얻을 수 있게 한다. 이때 열교환기는 가열 팽창된 물과 증기를 냉각 및 응축시키고 반면에 집열통수관 안으로 들어가는 물은 예열시켜서 집열통수관 안으로 공급되게 함으로서 집열통수관 내부의 물이 신속히 가열될 수 있게 하여 양수 능력을 향상시킨다. 이와 같이 본 고안은 태양열 에너지를 이용하여 물을 양수할 수 있게 하고 살균까지 되게 하는 특징을 가진 물의 양수와 동시에 살균을 할 수 있게 하는 기술이다.

위에서 설명한 것과 같이 본 고안은 태양열집열기를 비롯하여 열교환기와 집수 및 충전조와 체크벨브로 양수시스템을 구성하여서 전기 및 석유류와 같은 에너지가 없어도 태양열만을 이용하여 에너지비용 없이 물을 양수할 수 있게 하고 동시에 고온에 의한 물을 살균까지 할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims

기존의 포물선반사경(13)의 중심 축에 집열통수관(12)이 있는 태양열집열기(1)의 집열통수관 입수구(c)에 물 또는 액체가 집열통수관 안으로만 흘러 들어갈 수 있게 체크벨브(101)가 결합되고, 집열통수관 배수구(d)에는 집열통수관 밖으로만 물과 증기 또는 액체와 기체가 나갈 수 있게 체크밸브(102)가 결합된 태양열집열기와, 집열통수관에서 가열된 물과 증기 또는 액체와 기체가 집열통수관으로 유입되는 물 또는 액체와 열교환될 수 있게 하는 태양열집열기의 아래 위치에 설치된 열교환기(2)와, 태양열 양수장치의 모든 관로 안에 물 또는 액체를 채우고 양수한 물 또는 액체가 집수 및 배수될 수 있게 하는 태양열집열기 보다 높은 위치에 설치된 집수 및 충전조(3)를 구성하여서, 상기 각 구성간의 결합은 집열통수관 입수구(c)에 설치된 체크벨브(101)에 티관(203)을 결합하여 설치하고, 결합된 티관 한쪽 개구와 열교환기 외관 배수구(b) 사이에는 상부송수호스(22)를 연결하고, 티관 나머지 개구와 집수 및 충전조 사이에는 잠금 밸브(302)와 충전호스(25)를 연결하고, 열교환기 내관배수구(f)에는 역류방지 체크밸브(202)를 결합하여 설치하고, 이 체크밸브 반대쪽에는 하부 배수호스(24)를 연결하고, 하부배수호스 반대쪽은 집수 및 충전조에 연결하고, 열교환기 외관 입수구(a)쪽에는 하부송수호스(21)를 연결하고, 하부송수호스 아래쪽 끝 부분에는 물 또는 액체가 아래쪽으로 역류되지 않게 체크밸브(201)가 결합되고, 열교환기 내관 입수구(e)에는 상부배수호스(23)가 연결되고, 상부배수호스 반대쪽은 집열통수관 배수구(d)에 설치된 체크밸브(102)와 연결 되고, 집수 및 충전조에는 배출수 잠금 밸브(301)와 배출호스(31)가 연결되는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 물 또는 액체의 열팽창에 의한 물 또는 액체의 살균을 겸한 양수장치