KR20110068728A - 열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치 및 이를 이용한 해수담수화 방법 - Google Patents

열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치 및 이를 이용한 해수담수화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고압 펌프에 의한 압력에너지가 열에너지로 변환되어 온도가 상승된 채로 버려지는 농축수로부터 폐열을 회수하고, 태양광에 의한 태양에너지를 이용하여, 역삼투막으로 유입되는 유입수의 온도를 상승시킴으로써, 농축수에 흡수되어 버려지는 에너지를 유용한 자원으로 재활용하게 되며 무공해 친환경 방법으로 담수화를 위한 에너지를 보충할 수 있는 에너지 절감형 해수담수화 장치와, 이를 이용한 해수담수화 방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 역삼투압 작용에 의해 유입수를 담수화하는 역삼투막 모듈(33)과; 취수 펌프(31)와; 고압 펌프(32)와; 농축수로부터 폐열을 회수하기 위한 농축수 열교환기(10)와; 상기 농축수 열교환기(10)에 의해 온도가 상승된 제1열교환수와 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 1차로 상승시키는 제1열교환기(11)와; 태양열 집열기(21)와; 태양열 집열기(21)로부터 공급되는 제2열교환수와, 제1열교환기(11)를 거쳐서 공급되는 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 2차로 상승시키는 제2열교환기(12)를 포함하여 구성되어, 유입수의 온도를 상승시켜 역삼투막 모듈(33)로 공급하여 고압 펌프(32)에 의해 소모되는 에너지를 절감하게 되는 특징으로 하는 열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치와, 이러한 에너지 절감형 해수담수화 장치를 이용하여 해수를 담수화시키는 방법이 제공된다.
담수화, 해수, 역삼투, 히트 파이프, 열교환기, 태양광 집열기, 자동제어

Description

열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치 및 이를 이용한 해수담수화 방법{Equipment and Method for Energy-efficient Seawater Desalination using Heat pipe}
본 발명은 열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치 및 이를 이용한 해수담수화 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 역삼투막을 이용하여 해수 혹은 기수를 담수화함에 있어서, 역삼투막을 통과하지 못한 농축수에 포함되어 있는 열을 히트 파이프형 열교환기를 이용하여 회수하고, 외부의 태양에너지를 이용하여 해수담수화 장치로 유입되는 유입수의 온도를 상승시킴으로써, 해수담수화에 필요한 에너지를 절감하고 처리수의 생산성을 높일 수 있는 에너지 절감형 해수담수화 장치 및 이를 이용한 해수담수화 방법에 관한 것이다.
해수의 담수화 방법은 크게 증발법과 역삼투법으로 나누어져 있으며, 최근에는 역삼투법이 널리 사용되고 있다. 역삼투법은 해수나 기수의 담수화 외에도 지표수 및 지하수의 처리, 산업폐수의 처리 및 무방류 재이용 등의 분야에서 주목받 고 있는 고도 수처리 방법이다. 역삼투법은 해수나 기수를 유입수로 하여, 유입수에 함유되어 있는 성분을 고분자 분리막을 이용하여 생산수와 농축수로 분리시키며, 생산수는 성분농도를 희박하게 하여 용수 및 음용수로 활용하고 농축수는 다시 바다로 배출한다.
이와 같이 해수의 분리 및 정제가 이루어지는 고분자 분리막에서, 물과 염을 분리하기 위해서는 용존되어 있는 성분들에 의해 유발되는 삼투압 이상의 압력을 유입되는 해수나 기수에 가해주어야 분리가 일어나기 시작한다. 해수 내에 용존되어 있는 염의 농도는 일반적으로 30,000~45,000 ppm으로서 이 농도에서 유발되는 삼투압은 20~30 기압이다. 즉 해수에서 소량의 담수를 획득하기 위해서는 20 기압 이상의 압력을 가해주어야 한다.
이와 같은 해수의 높은 삼투압을 극복하고 담수를 생산하는데 필요한 구동력으로서 고압펌프를 이용하게 되는데, 고압펌프의 모터를 구동하기 위하여 필요한 에너지는 1 m3의 담수를 생산하는데 약 6~10 kW/m3 가 된다. 최근에는 역삼투 공정에 사용되는 에너지를 절감하기 위한 에너지 회수장치가 개발되어 적용되고 있으나 이 경우에도 고압펌프의 모터를 구동하기 위해서는 약 3 kW/m3 이상의 에너지가 필요하다. 고압펌프에서는 에너지를 제공받아 압력에너지를 발생시키게 되는데, 역삼투과정을 거치면서 고압펌프에 의한 압력에너지는 결국 열에너지로 변환되어, 역삼투막을 통과하지 못한 농축수의 온도가 상승하게 된다. 그러나 종래에는 온도가 높아진 농축수를 재활용하지 못한채 단순히 버려왔다.
한편, 우리나라와 같이 계절의 구분이 명확하고, 겨울철의 해수 수온이 낮아지는 경우에는 해수 담수화에 필요한 에너지는 더욱 증가한다. 유입수의 온도가 감소하게 되면 역삼투막의 물 투과도 역시 감소하게 되므로, 온도가 낮은 유입수를 이용하여 동일한 양의 생산수를 얻기 위해서는 더 높은 압력을 가해주어야 하기 때문이다. 중동지역의 경우 평균 해수 온도가 35도 이상인데 비하여 국내의 겨울철 수온은 5~10도로 낮다. 따라서 국내와 같이 겨울철에 낮은 수온은, 담수화를 위하여 추가적인 에너지 비용을 발생시키기 때문에, 해수담수화 장치의 보급에 장애가 되고 있다.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 버려지거나 또는 손쉽게 획득할 수 있는 에너지를 이용하여 유입수의 수온을 상승시켜 역삼투막의 투과도를 높이고 역삼투막에 의한 담수화를 위하여 투입되는 에너지를 감소시킴으로써, 담수화에 필요한 에너지 비용을 줄일 수 있는 에너지 절감형 해수담수화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 고압 펌프에 의한 압력에너지가 열에너지로 변환되어 온도가 상승된 채로 버려지는 농축수로부터 폐열을 회 수하고, 태양광에 의한 태양에너지를 이용하여, 역삼투막으로 유입되는 유입수의 온도를 상승시킴으로써, 농축수에 흡수되어 버려지는 에너지를 유용한 자원으로 재활용하게 되며 무공해 친환경 방법으로 담수화를 위한 에너지를 보충할 수 있는 에너지 절감형 해수담수화 장치와, 이를 이용한 해수담수화 방법이 제공된다.
구체적으로 본 발명에서는 역삼투막을 구비하여 유입수가 통과될 때 역삼투압 작용에 의해 유입수를 담수화하는 역삼투막 모듈(33)과; 해수를 취수하여 공급하기 위한 취수 펌프(31)와; 역삼투막 모듈(33)로 유입수를 가압 공급하기 위한 고압 펌프(32)와; 상기 역삼투막 모듈(33)로부터 배출되는 농축수로부터 폐열을 회수하기 위한 농축수 열교환기(10)와; 상기 농축수 열교환기(10)에 의해 온도가 상승된 제1열교환수와 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 1차로 상승시키는 제1열교환기(11)와; 태양열에 의해 수온을 상승시키는 태양열 집열기(21)와; 태양열 집열기(21)로부터 공급되는 제2열교환수와, 제1열교환기(11)를 거쳐서 공급되는 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 2차로 상승시키는 제2열교환기(12)를 포함하여 구성되어, 유입수의 온도를 상승시켜 역삼투막 모듈(33)로 공급하여 고압 펌프(32)에 의해 소모되는 에너지를 절감하게 되는 특징으로 하는 열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치와, 이러한 에너지 절감형 해수담수화 장치를 이용하여 해수를 담수화시키는 방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 취수된 유입수는 1차적으로는 농축수에 포함된 열에너지 에 의하여 가열되고 2차적으로는 외부의 태양에너지에 의하여 가열되어 역삼투막 모듈로 공급되므로, 막의 물 투과도가 높아져 고압 펌프가 사용하는 전기 에너지를 절감할 수 있게 된다.
이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 구체적으로 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
우선 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 일 실시예에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 절감형 해수담수화 장치를 도시한 전체 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 해수담수화 장치에 사용되는 열교환기의 일예로서, 볼텍스형 열교환기의 구조를 보여주는 개략도이며, 도 3은 태양광 집열판을 이용하여 유입수의 온도를 상승시키는 구성을 보여주는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 에너지 절감형 해수담수화 장치는, 역삼투압 방식으로 해수를 담수화시키는 해수담수화 장치로서, 역삼투막을 구비하여 유입수가 통과될 때 역삼투압 작용에 의해 유입수를 담수화하는 역삼투막 모듈(33)과, 해수를 취수하여 공급하기 위한 취수 펌프(31)와, 역삼투막 모듈(33)로 유입수를 가압 공급하기 위한 고압 펌프(32)와, 상기 역삼투막 모듈(33)로부터 배 출되는 농축수로부터 폐열을 회수하기 위한 농축수 열교환기(10)와, 상기 농축수 열교환기(10)에 의해 온도가 상승된 제1열교환수와 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 1차로 상승시키는 제1열교환기(11)와, 태양열에 의해 수온을 상승시키는 태양열 집열기(21)와, 태양열 집열기(21)로부터 공급되는 제2열교환수와, 제1열교환기(11)를 거쳐서 공급되는 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 2차로 상승시키는 제2열교환기(12)를 포함하여 구성된다.
우선 전체적인 유입수의 흐름을 살펴보면, 취수 펌프(31)에 의해 취수된 해수는 유입수로서 고압 펌프(32)로 이송된다. 고압 펌프(32)는 역삼투에 필요한 높은 압력과 유량을 발생시켜 유입수를 역삼투막 모듈(33)로 공급하게 되고, 역삼투 작용에 의해 담수화된다. 상기 고압 펌프(32)는 속도조절이 가능한 모터가 설치됨으로써 역삼투막의 투과도에 따라 회전속도를 조절하도록 구성될 수 있다.
역삼투막 모듈(33)의 역삼투막을 통과하지 못한 농축수는 위와 같은 고압펌프(32)의 가압 및 역삼투 과정을 거치면서 온도가 상승한다. 농축수는 배출관(36)에 연결된 농축수 열교환기(10)를 통과하게 되는데, 제1열교환수가 상기 농축수 열교환기(10)를 지나가면서, 농축수로부터 열을 전달받게 된다. 농축수 열교환기(10)를 지난 농축수는 제1열교환수에 열을 전달하여 냉각되면서 배출된다. 도면에서 부재번호 34는 농축수 열교환기(10)로의 농축수 공급을 제어하는 역압 밸브(34)이고, 부재번호 35는 역삼투막을 통과한 처리수를 배출하기 위한 처리수 배관(35)이며, 부재번호 24는 상기 처리수 배관(35)에 구비된 전도도 센서(24)이다.
취수 펌프(31)로부터 고압 펌프(32)에 이르는 유입수 공급관(37)에는 제1열 교환기(11)가 구비되어 있는데, 상기 농축수 열교환기(10)로부터 공급되는 제1열교환수가 제1열교환기(11)를 지나게 되고, 유입수 공급관(37)을 통해 고압 펌프(32)로 이송되는 유입수와 열교환되면서, 제1열교환수로부터의 열이 유입수로 공급되어 유입수의 온도가 상승된다. 이를 위하여 농축수 열교환기(10)와 제1열교환기(11)의 사이에는 제1열교환수공급관(25)이 연결되어 있다. 상기 제1열교환수공급관(25)에는 조절 밸브(22)가 구비되어 있어, 후술하는 것처럼, 유입수의 온도가 과도하게 높아질 경우 제1열교환수의 공급을 제한하게 된다.
제1열교환기(11)를 지나면서 열교환에 의해 온도가 상승된 유입수는 유입수 공급관(37)을 통해 계속하여 고압 펌프(32)로 공급되는데, 제1열교환기(11)와 고압 펌프(32) 사이에서 유입수 공급관(37)에는 제2열교환기(12)가 구비되어 있다.
상기 제2열교환기(12)에는 태양열 집열기(21)에 의해 가열된 제2열교환수가 공급된다. 즉, 태양열 집열기(21)에 의해 모아진 열에너지가 제2열교환수에 의해 제2열교환기(12)로 전달되는 것이다. 따라서 제2열교환기(12)에서는, 제2열교환수와 유입수 간의 열교환이 일어나게 되고, 유입수는 제2열교환수로부터 전달받은 열에너지에 의해 온도가 더 상승된 채로 고압 펌프(32)로 공급된다. 이를 위하여 태양열 집열기(21)와 제2열교환기(12)의 사이에는 제2열교환수공급관(26)이 연결되어 있다. 상기 제2열교환수공급관(26)에도 조절 밸브(27)가 구비되어 있어, 후술하는 것처럼, 유입수의 온도가 과도하게 높아질 경우 제2열교환수의 공급을 제한하게 된다.
도 3에는 해수담수화 시설에 태양열 집열기(21)를 설치하는 방법의 예가 도 시되어 있다. 제2열교환기(12)에서는 용매의 증발과 응축에 의하여 무동력으로 열교환이 가능하므로, 이를 위하여 태양열 집열기(21)는 도 3에 도시된 것처럼 제2열교환기(1)보다 낮은 위치에 설치된다.
이와 같이, 본 발명에서는 취수된 유입수는 1차적으로는 농축수에 포함된 열에너지에 의하여 가열되고 2차적으로는 외부의 태양에너지에 의하여 가열되어 역삼투막 모듈(33)로 공급되므로, 막의 물 투과도가 높아져 고압 펌프(32)가 사용하는 전기 에너지를 절감할 수 있게 된다.
한편, 역삼투 모듈(33)에 공급되는 유입수의 온도가 지나치게 상승되면 역삼투막의 물 투과도는 증가하지만 염의 투과도 역시 높아지게 된다. 따라서 역삼투 모듈(33)에 공급되는 유입수가 일정 온도 이상이 되지 않도록 하는 것이 필요하다. 이를 위하여 유입수 공급관(37)에 온도센서(23)를 이용하여 유입수의 온도를 측정하고, 처리수 배관(35)에 설치된 전도도 센서(24)를 이용하여 처리수의 염 농도를 측정하여 모니터링한다. 온도와 전도도의 모니터링 결과, 유입수의 온도가 설정값(예를 들면, 섭씨 35 ~ 40도)을 초과하여 상승하거나, 처리수 내의 염 농도가 허용값(예를 들면, 700~1000 uS/cm)을 초과하게 되면, 조절 밸브(22, 27)를 작동시켜 제1열교환수 또는 제2열교환수가 열교환기(11, 12)로 공급되는 것을 차단하여 유입수로 열에너지가 전달되는 것을 차단함으로써 유입수의 온도가 더 이상 상승되는 것을 방지하게 된다. 물론 유입수의 온도가 설정값 이하인 경우 또는 처리수 내의 염 농도가 허용값 이하인 경우에는 조절 밸브(22, 27)는 개방된다.
한편, 본 발명에서 상기 제1열교환기(11) 및 제2열교환기(12)는 도 2에 도시 된 것과 같은 볼텍스형 히트파이프 열교환기(100)로 구성되는 것이 바람직하다.
볼텍스형 히트파이프 열교환기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 원통형의 주(主)관(101) 내부에 히트파이프(102)가 삽입된 형태로 구성되어 있으며, 히트파이프(102)의 외면에는, 히트파이프(102)의 지지와 열교환 효율의 향상을 위하여 소용돌이 모양의 방열판(103)이 돌출되어 구비되어 있다. 이러한 볼텍스형 히트파이프 열교환기(1)에서, 유입수는 주관(101)으로 공급되어 흐르게 되고, 제1열교환수 또는 제2열교환수는 히트파이프(102)로 공급되어 흐르게 되는데, 주관(101)으로 공급된 유입수는 방열판(13)을 따라서 회전류의 형태로 흘러서 열교환기를 통과하게 되고, 히트파이프(102)의 외면과 방열판(13)에서의 접촉에 의하여 히트파이프(102)를 지나는 열교환수로부터의 열이 유입수로 전달된다. 이때 회전류가 가지는 유체역학적 특성에 의하여 유체가 불안정해져서 유입수의 흐름에는 딘 볼텍스(Dean Vortex)가 발생하게 되며, 이에 따라서 열교환 효율이 증가하게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 절감형 해수담수화 장치의 개략적인 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 해수담수화 장치에 사용되는 열교환기의 일예로서, 볼텍스형 열교환기의 구조를 보여주는 개략도이다.
도 3은 태양광 집열판을 이용하여 유입수의 온도를 상승시키는 구성을 보여주는 개략도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11, 12 : 열교환기
21 : 태양광 집열기
31: 취수 펌프
32: 고압 펌프
33: 역삼투막 모듈
34: 역압 밸브
35: 처리수 배관

Claims (3)

  1. 역삼투막을 구비하여 유입수가 통과될 때 역삼투압 작용에 의해 유입수를 담수화하는 역삼투막 모듈(33)과;
    해수를 취수하여 공급하기 위한 취수 펌프(31)와;
    역삼투막 모듈(33)로 유입수를 가압 공급하기 위한 고압 펌프(32)와;
    상기 역삼투막 모듈(33)로부터 배출되는 농축수로부터 폐열을 회수하기 위한 농축수 열교환기(10)와;
    상기 농축수 열교환기(10)에 의해 온도가 상승된 제1열교환수와 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 1차로 상승시키는 제1열교환기(11)와;
    태양열에 의해 수온을 상승시키는 태양열 집열기(21)와;
    태양열 집열기(21)로부터 공급되는 제2열교환수와, 제1열교환기(11)를 거쳐서 공급되는 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 2차로 상승시키는 제2열교환기(12)를 포함하여 구성되어;
    유입수의 온도를 상승시켜 역삼투막 모듈(33)로 공급함으로써 고압 펌프(32)에 의해 소모되는 에너지를 절감하게 되는 특징으로 하는 열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1열교환기(11) 또는 제2열교환기(12)는,
    원통형의 주(主)관(101) 내부에 히트파이프(102)가 삽입된 형태로 구성되어 있으며, 히트파이프(102)의 외면에는, 히트파이프(102)의 지지와 열교환 효율의 향상을 위하여 소용돌이 모양의 방열판(103)이 돌출되어 구비되어 있어, 유입수는 주관(101)으로 공급되어 흐르게 되고, 열교환수는 히트파이프(102)로 공급되어 흐르게 되는데, 주관(101)으로 공급된 유입수가 방열판(13)을 따라서 회전류의 형태로 흘러서 열교환기를 통과하게 되고, 히트파이프(102)의 외면과 방열판(13)에서의 접촉에 의하여 히트파이프(102)를 지나는 열교환수로부터의 열이 유입수로 전달되는 볼텍스 히트파이프 열교환기(100)로 구성되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치.
  3. 역삼투막을 구비하여 유입수가 통과될 때 역삼투압 작용에 의해 유입수를 담수화하는 역삼투막 모듈(33)과, 해수를 취수하여 공급하기 위한 취수 펌프(31)와, 역삼투막 모듈(33)로 유입수를 가압 공급하기 위한 고압 펌프(32)와, 상기 역삼투막 모듈(33)로부터 배출되는 농축수의 배출관(36)에 구비된 농축수 열교환기(10)와, 상기 취수 펌프(31)와 고압 펌프(32) 사이의 유입수 공급관(37)에 구비된 제1열교환기(11) 및 제2열교환기(12)와, 태양열에 의해 수온을 상승시키는 태양열 집열기(21)를 포함하여 구성된 해수담수화 장치를 이용하여 해수를 담수화하는 방법으로서,
    상기 농축수 열교환기(10)에서는 배출관(36)을 통해 배출되는 농축수로부터의 열교환에 의해 온도가 상승된 제1열교환수를 형성하여, 제1열교환기(11)에서 상기 제1열교환수와 유입수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 1차로 상승시키는 단계; 및
    태양열 집열기(21)로부터 공급되는 열에 의하여 온도가 상승된 제2열교환수를 형성하여, 제1열교환기(11)를 지나 제2열교환기(12)로 공급되는 유입수와, 상기 제2열교환수 간의 열교환이 이루어지도록 하여 유입수의 온도를 2차로 상승시키는 단계를 포함하여 구성되어 ,유입수의 온도를 상승시켜 역삼투막 모듈(33)로 공급함으로써 고압 펌프(32)에 의해 소모되는 에너지를 절감하게 되는 특징으로 하는 해수담수화 방법.
KR20090131926A 2009-12-15 2009-12-28 열교환기를 이용한 에너지 절감형 해수담수화 장치 및 이를 이용한 해수담수화 방법 KR20110068728A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101280116B1 (ko) * 2011-07-18 2013-06-28 한국수자원공사 막여과 공정의 원수 가온시스템
KR101384207B1 (ko) * 2012-05-01 2014-04-10 대우조선해양 주식회사 해상 설비용 해수 태양열 담수화 시스템
CN106745428A (zh) * 2017-01-11 2017-05-31 江苏科技大学 一种集热式太阳能多级闪蒸海水淡化装置及方法

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