KR20140133517A - 정수용 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

입력 액체로부터 정화 액체를 생성하기 위한 장치는 상기 입력 액체로 채워지는 증발 챔버, 및 채널을 가지는 응축 챔버를 포함하며, 상기 채널은 입력 액체 내에 배치되고, 액체-포화 가스는 증발 챔버 내의 입력 액체로부터 생성되며, 상기 액체-포화 가스는 채널의 제1 단부 내로 안내되고 상기 정화 액체는 상기 채널의 제2 단부에서 출력된다.

Description

정수용 방법 및 장치 {METHODS AND APPARATUSES FOR WATER PURIFICATION}

교차 참조

본 출원은 발명의 명칭이 "정수용 방법 및 장치"이고 2012년 1월 11일에 출원되고 출원 번호가 제61/585,293호인 가 특허 출원, 및 발명의 명칭이 "정수용 방법 및 장치"이고 2012년 11월 16일에 출원되고 출원 번호가 제61/727,661호인 가 특허 출원으로부터 우선권을 청구한다. 상기 출원들은 참조로서 본원에 포함된다.

발명의 분야

본 발명은 일반적으로 정수용 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 가습-제습(humidification-dehumidification, "HDH")을 사용한 정수용 방법 및 장치에 관한 것이다.

깨끗한 식수의 부족은 세계 많은 곳에서 여전히 질병, 고통 및 최종 죽음에 대한 주요 원인이 된다. 심지어 일반 국민이 물을 이용할 수 있는 곳에서조차, 종종 이용가능한 물이 농업에서 사용된 화학 약품에 의해, 예를 들면 산업 오염물에 의해, 또는 수원 내로 스며드는 오물에 의해 오염된다. 또한, 바다에 매우 근접한 영역은 높은 염분의 수원을 가져서 결과적으로 음용에 부적합하다.

배수망(distribution network for the water)에서 정압(positive pressure)이 항상 유지되지 않기 때문에 중앙에서 처리하는 물은 또한 세계 많은 곳에서 안전하지 않다. 배수망에서의 누출은 이러한 시스템에서 물의 오염을 유발할 수 있다. 더욱이, 초기 처리 후 물이 저장되는 다수의 지점, 예를 들면 저장 탱크는 지속적인 감독 및 위생 관리 중 어느 것도 부족하다. 특히, 저장 탱크는 규칙적으로 세정되지 않고, 이에 의해 오염의 근원이 되고 온갖 곤충류, 동물, 세균 성장, 및 조류 성장을 포함하는 자체의 생태계를 가진다.

병에 든 물의 사용은 대도시에서 증가하였다. 그러나, 최종 사용자에게 병에 든 물의 운반이 종종 어렵고 병에 든 물을 위한 플라스틱류의 무차별적인 사용은 처분 및 재활용의 악몽을 유발하였기 때문에, 시골에서는, 병에 든 물의 사용은 가능하지 않거나 원하지도 않는다.

존재하는 수원이 가진 이 같은 딜레마를 해결하기 위한 노력으로, 수원을 정화하기 위한 여과 분야에서 광범위한 노력이 있었다. 여과를 위한 기존의 기술은 시스템을 최적 상태로 유지하기 위하여 다단의 필터를 가지는 지속적으로 교체가능한 소모품의 사용을 요구한다. 방치 또는 비-가용성 때문에 이러한 소모품이 교체되지 않으면, 이러한 시스템으로부터 생산되는 물(output water)(또는 생성되는 물(product water)로 지칭됨)의 품질은 심각하게 저하되고 많은 경우에서 내부 오염에 의한 실제 입력되는 물보다 더 악화된다.

정수 기술의 두 개의 일반적인 종류가 있으며: 하나는 증발 및 응축, 또는 열 증류의 원리를 기반으로 하며, 다른 하나는 막 여과를 기반으로 한다. 막 여과 기술 중에서, 역삼투(reverse osmosis, "RO") 및 전기 투석이 가장 대표적이다. 열 증류에 대해, 대형의 고성능 플랜트에 이용가능한 다양한 진공 열 담수화 기술뿐만 아니라 소형의 정화 장치에 더 적합한 HDH라 칭하는 상압 증류 기술이 있다.

RO 기반 기술들의 급속한 발전은 최근에 RO를 이의 낮은 초기 투자 비용 및 고 에너지 효율에 의해 모든 정수 기술들 중에서 선호하는 것으로 만들었다. 해수 담수화에 대해, RO(에너지 회수가 사용될 때)의 정수의 비에너지 비용(specific energy cost)이 4 내지 7kWh/ton이며, 반면 MSF(multiple stage flash evaporation, 다단 순간 증발) 및 MED(multiple effects evaporatiion distillation, 다중 효용 증발 증류)를 사용하는 가장 큰 열 담수화 플랜트가 20 내지 200kWh/ton의 비에너지 소비를 갖는다. HDH 시스템은 150kWh/ton 내지 400kWh/ton 초과 범위로 비에너지 비용에 대해 심지어 더 나빠진다. 이러한 비교에 대한 단 하나의 예외는, 4kWh/ton 내지 12 kWh/ton 바로 아래의 범위로, RO의 에너지 소모 수준에 비교가능한 비에너지 소모 수준을 달성할 수 있는 기계적 증기 압축(mechanical vapor compression, "MVC")이다.

그러나, 열 증류는 일반적으로 1 ppm(백만분율) 훨씬 미만의 TDS(total dissolved solid, 총 용존 고형물) 수준을 구비한 더 높게 정화된 물을 생성하는 반면, RO 플랜트에 대해서는 20 ppm 정도 미만의 물 순도를 생성하는 것이 비현실적이다. 용존 화학물 분자의 크기가 RO 막의 평균 공극 크기와 유사한 경우 RO는 또한 경량의 용존 화학물 분자를 필터링할 수 없다. RO는 또한 막이 파울링(fouling), 스케일링(scaling), 및 플러깅(plugging) 되기가 상당히 더 쉬우며 급속한 산화는 공기에 바로 노출되는 경우 막을 용이하게 파손시킬 수 있다. 모든 정수 기술이 파울링의 가능성을 감소시키기 위해 그리고 주 정화 프로세스의 적절한 조작을 보장하기 위해 사전 처리 또는 사전-여과를 요구하는 반면, RO는 전형적으로 RO 막의 고장을 방지하기 위해 더 많은 사전 처리를 요구하고, RO 막의 표준 절반 수명이 약 2년이며 이는 이에 따라 RO의 소모품의 비용이 이의 총 조작 비용의 많은 부분을 나타낸다.

RO의 낮은 초기 비용 장점은 주로 이의 특수한 충전 밀도(packing density), 또는 면적 대 용적 비율에 있다. 열 증류가 이의 에너지 비용을 낮추기 위해 잠열을 회수하도록 열 교환기 표면에 의존하는 반면, RO 및 다른 막 기술이 염수로부터 깨끗한 물을 분리하기 위해 대형 여과 표면에 의존하여, 충전 밀도가 정화 기술의 양 종류에 있어서 매우 중요한 역할을 한다. 대형 표면적을 갖는 것은 물 생산을 증가시킬 뿐만 아니라, 단위 표면적 당 정화된 물 생성 속도인, 표면 로딩 인자(surface loading factor)를 감소시킬 수 있다. 표면 로딩을 줄이는 것은 물 생성 속도를 감소시키는 희생을 하여 조작 효율을 엄청나게 개선할 수 있는데, 이는 RO 시스템 및 열 증류 플랜트 양자 모두에 있어서 내부 엔트로피 생성을 상당히 감소시키기 때문이다.

비록 MVC 열 증류 기술은 비에너지 비용 면에서 RO를 대부분 따라잡았지만, 이의 초기 자본금이 이의 매우 낮은 충전 밀도에 의해 유사한 RO 기술보다 여전히 상당히 더 높다. HDH 시스템은 전형적으로 비용면에서 RO 보다 낮으며 HDH 시스템의 저온 대기압 작동 때문에 RO 보다 더 깨끗한 물을 생성하는 잠재성을 갖는다. 그러나, 이러한 시스템의 매우 낮은 비에너지 효율이 이러한 시스템의 폭 넓은 수용에 대한 주요 장애가 되고 있다.

또 다른 단점은 존재하는 증류 기술이 상당히 비용이 많이 들어서 구현할 수 없는데 이는 이러한 기술이 포화된 가스를 재응축하기 전에 물을 증기로 변환하기 위해 많은 양의 에너지를 사용하기 때문이며 이러한 기술이 전형적으로 고가의 스테인리스 강 또는 다른 고가의 금속으로 이루어지기 때문이다.

존재하는 증류 기술의 주요 단점 중 하나는 봉쇄(containment)를 위한 고 강도 재료 및 열 교환 벽을 채용하는 요건이다. HDH는 고강도 재료를 활용하고 고강도 재료를 플라스틱 기재(substrate)와 같은 더 싸고 더 얇은 재료로 교체하는 요구를 제거하는, 대기압 증발(가습) 및 응축(제습)을 이용하여 상기 문제점을 부분적으로 해결한다.

존재하는 증류 기술의 또 다른 단점은 비교적 낮은 충전 밀도, 또는 열 교환 표면의 표면 대 용적 비율이다. 예로서, 나선형으로 감긴 필터 및 중공형 튜브 RO 필터는 자릿수가 더 크고 더 작은 여과 플랜트가 동일한 용량을 위해 건조되는 것을 허용하는 충전 밀도를 갖는다. 증류 플랜트의 경우 더 높은 충전 밀도는 또한 동일한 물 생성 용량에 대해 열 교환 표면상의 낮은 로딩을 의미할 수 있으며, 이는 동일한 물 생산 용량을 유지하면서 잠열 회수 효율을 상당히 개선한다.

존재하는 증류 기술 중 일부에 대해 여전히 또 다른 단점은 직접적인 2-상 대 2-상 열 교환의 결함이다. 직접적인 잠열 교환을 하기 위해, 열 교환 표면의 증발기 및 응축기 측 양자 모두는 동일한 벽에 속해야 한다. 또한, 공통 열 교환 벽의 양측은 2-상 유동을 포함하여야 하며, 이는 양측이 복합 유동에서 액상 구성 성분 및 기상 구성 성분을 가져야 하는 것을 의미한다.

도 1은 종래 기술의 HDH를 사용하는 정수용 방법 및 장치의 도면을 예시한다. 종래 기술은 증발 챔버(12)와 응축 챔버(14) 사이에 수직 열 교환 벽(10)을 포함한다. 급수(16)는 분무기(18)를 통해, 증발 챔버(12)의 상부 근처로 하방으로 분무된다. 공기 송풍기(20)는 증발기 챔버(12)의 저부(bottom)로부터 급수의 낙하하는 미스트(falling mist; 28)에 대해 송풍한다. 또한 증발하지 않은 급수의 나머지인 응축된 염수(24)를 저장하기 위해 증발 챔버(12) 저부에 염수 트레이(22)가 있다. 염수 트레이(22) 내의 염수는 증발 챔버(12)의 염수 출구(26)를 통해 제거될 수 있다. 수직 열 교환 벽(10)은 응축 챔버(14)로부터의 잠열이 증발 챔버(12)로 유동하는 것을 허용한다(일반적인 방향에 대해 점선 화살표 참조). 급수(16)의 일 부분이 증발할 때, 포화 가스는 응축 챔버(14)로 지향된다. 응축 챔버(14)는 이어서 포화 가스를 응축하고 생성수(30)를 생성한다. 생성수(30)는 모아지고 저장 및 사용을 위해 출구(34)를 통해 응축 챔버의 밖으로 지향된다. 비 응축 가스는 개방 루프 프로세스에서 응축 챔버(14)의 저부 근처의 공기 출구(32)를 통해 응축 챔버(14)의 밖으로 지향된다. 잠열 교환 프로세스가 재사용을 위한 잠열을 완전히 회수하지 못하기 때문에, 히터(36) 형태의 부가 열원이 추가의 증기를 응축 챔버(14) 내로 도입하여 급수를 예열하는 것이 요구된다.

열 교환 벽으로서 기능하는 공통 벽(10)에 의해서만 분리되는, 증발 챔버(14)와 나란히 응축 챔버(12)를 배치함으로써, 수증기의 응축으로부터 생성된 잠열이 급수를 가열하기 위한 증발기로 전달되고, 이는 HDH 증류 프로세스의 주요 단점 중 하나를 제거한다.

불행하게도, 종래 기술의 설계에 의해, 몇몇 비효율성이 명백하게 된다. 먼저, 잠열 전달의 대부분이 응축 챔버(14) 내의 가스로부터 증발 챔버(12)의 다른 가스로 비효율적으로 전달되기 때문에 수직 열 교환 벽(10)이 충분히 활용되지 않는다. 이는 열 교환 벽(10)의 수직 배열 때문이고 증발 챔버(12) 내로 하방으로의 급수(16)의 미스트화(misting) 때문이다.

수직 열 교환 벽 배열에서, 너셀(Nusselt)에 의해 최초로 연구된, 막 응축은 일반적으로 더욱 효율적인 응축 메커니즘이 되는 것으로서 인정되는데, 이는 액체 막 응축물의 외부 경계에서 방출된 잠열이 가스를 통하여 가지 않고 열 교환 표면으로 직접 전달되기 때문이다. 그러나, 이를 생성시키기 위하여, 열 교환 표면은 상기 액체에 대한 강한 친화성을 가져야 한다, 즉 상기 표면은 친수성이 강해야 한다. 이는 이의 플라스틱 열 교환 표면을 구비한 종래 기술에 대한 케이스가 아니다. 액체에 대한 플라스틱 열 교환 표면의 낮은 친화성(습윤성)은 응축기 측 상의 응축 액체가 막 또는 적상 응축을 형성하고 증발기 측 상의 막 증발을 형성하는 것을 어렵게 하며, 이는 열 전달 효율을 상당히 감소시키고 회수될 수 있는 잠열의 부분이 적어지게 한다.

낮은 잠열 교환 성능은 내부 엔트로피 생성을 증가시킨다. 아래에서 명백하게 되는 바와 같이, 어떠한 내부 엔트로피 생성도 총 시스템 효율을 감소시키고 및/또는 물 생성 속도도 감소시킨다. 기계적 작업이 상기 시스템 내로 부가 엔트로피 유동을 도입하지 않기 때문에, 일반적인 경우 직접 열 입력에 대해 바람직하다. 그러나, 입력 열이 폐열 또는 다른 저 비용 열원으로부터 유도될 때, 기계적 작업 입력의 에너지의 더 효율적인 활용에도 불구하고 기계적 작업 입력 대신 입력으로서 상기 열원을 사용하는 것이 더 바람직할 수 있다.

또한, 개방 루프 프로세스는 재생되는 것으로부터 공기 출구(32)를 통해 보내지는 비 응축 가스 내에 여전히 남아 있는 현열(sensible heat)을 재생하지 않는다. 비록 증발 챔버의 저부로 비 응축 가스를 다시 보내는 것이 폐열의 일부를 회수하지만, 이 같은 프로세스는 비 응축 가스와 급수 사이의 큰 온도 차이 때문에 본질적으로 비효율적이다. 증발 챔버(12)는 또한 종래 기술의 설계의 비교적 낮은 표면 대 용적 비율 때문에 생성수의 임의의 상당한 양을 생성시키기 위해 큰 용적을 요구한다.

상기 종래 기술의 다른 주요 단점은 증발을 위해 요구된 열 입력을 제공하기 위한 고온 증기 주입의 사용이다. 아래에서 매우 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 고온 유체 주입을 통한 어떠한 직접 열 입력 또는 상기 시스템의 직접 가열도 시스템 내의 총 엔트로피를 한정되게 유지하기 위하여 분출되어야 하는 상기 시스템 내로 연속 엔트로피 스트림을 도입한다. 이 같은 엔트로피 분출은 전체 시스템 효율 및/또는 생성 속도를 감소시키는 에너지 소모를 증가시키는 것을 초래한다.

따라서, 상기 단점 모두를 해결하는 여과를 위한 새로운 방법, 시스템 및 장치를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 비용 효율적인 방식으로 효과적인 직접 잠열 전달을 허용하는 HDH를 사용하는 장치 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 여과 장치를 제공하는 것으로, 여기에서는 큰 전체 잠열 교환 표면을 제공하기 위하여 복수의 증발 챔버 및 응축 챔버가 배치되어 높은 물 생성 속도에서조차 개선된 잠열 재포획 성능을 위해 상기 교환 표면을 위한 낮은 로딩 인자를 보장한다.

본 발명의 또 다른 목적은 잠열 교환 성능을 강화하기 위하여 적상 응축 및 침투성 만액식 증발 챔버(percolating flooded evaporation chamber)를 활용하는 여과 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은 여과 시스템을 제공하는 것으로, 연행된 액체 소적(droplet)이 압축기 챔버 내로 들어가는 것을 방지하고 공기역학적으로 효율적인 스크린에 의해 가스 유동 상에 가해지는 항력 때문에 미스트를 보유하는 스크린의 압력 강하를 감소시키기 위해 공기역학적으로 효율적인 스크린 내에 모세관력이 채용된다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 충전 밀도(활성 표면적 대 용적 비율)에서 다른 여과 시스템에 필적하는 증발 및 응축 챔버를 단일 직물 내로 조합하는 불침투성 중공형 섬유 열 교환 매트릭스를 구비한 시스템, 예를 들면 역 삼투 여과 시스템을 위한 나선형으로 감긴 반-투과성 중공형 섬유 막이 제공된다.

본 발명의 또 다른 목적은 증발 챔버 내의 염수 농도를 제어된 수준으로 유지하기 위해 강화된 염수 침전 수단을 구비한 장치를 제공되는 것이다.

여전히 또한, 본 발명의 다른 목적은 입력 가스 스트림으로부터 응축 챔버로 오염된 부유 분진 및 액체 소적을 제거하기 위하여 비응축 캐리어 가스를 재순환하기 위한 전기 가스 여과를 하는 여과 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 내부 엔트로피 생성 속도를 예측하고 추정하고, 이 같은 실시간 센서 입력을 기반으로 최적 성능을 향해 시스템을 조종하기 위해 분포된 센서 및 액추에이터에 의한 자체-모니터링 성능을 구비한 여과 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은 조작 비용을 최소화하기 위해 다수의 에너지원 중에서 스위칭할 능력을 구비한 여과 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 중합체 기재의 잠열 전달 특성을 강화하기 위해 개선된 이방성 벌크 열 전도율 및 더 높은 기계적 강도를 구비한 중합체 열 교환 기재를 구비한 여과 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점은 이들의 각각의 도면과 함께 명세서의 나머지 부분을 참조함으로써 당업자에게 명백하게 될 것이다.

간략하게는, 본 발명은 입력 액체로부터 정화된 액체를 생성시키기 위한 장치를 개시하며, 증발 챔버 및 채널을 갖는 응축 챔버를 포함하며, 증발 챔버는 입력 액체로 채워지고 채널은 입력 액체 내에 배치되고, 액체-포화 가스는 증발 챔버 내의 입력 액체로부터 생성되고 액체 포화 가스는 채널의 제1 단부 내로 안내되고 상기 정화 액체는 채널의 제2 단부에서 출력된다.

본 발명의 장점은 정수용 저 비용 방법 및 장치가 제공된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 정수용 저 에너지 방법 및 장치가 제공된다는 것이다.

본 발명의 다른 장점은 정수용 에너지 효율적 방법 및 장점이 제공된다는 것이다.

본 발명의 또 다른 장점은 생성된 물의 품질이 높고 일관되게 유지된다는 것이다.

본 발명의 추가 장점은 시스템 조작의 상태를 자체 모니터링하고 최적 성능을 향하여 상기 시스템을 자동적으로 재조정하기 위한 본 시스템의 성능이다.

본 발명의 추가 장점은 복수의 에너지원이 활용될 수 있고 실시간으로 거의 최적 조작 조건을 제공하도록 복수의 에너지원 중에서 스위칭될 수 있다는 것이다.

본 발명의 전술된 및 다른 목적, 양태 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 아래의 상세한 설명으로부터 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 HDH를 사용하는 정수용의 종래 기술의 방법 및 장치의 도면을 예시한다.
도 2a는 본 발명에 관한 고정된 경계를 가지는 열역학 시스템의 일반적인 표현을 예시한다.
도 2b는 만액식 증발 챔버(flooded evaporation chamber)를 가지는 본 발명의 정수용 도면을 예시한다.
도 3은 부가 보조 증기 발생기를 가지는 정수용의 본 발명의 다른 실시예의 도면을 예시한다.
도 4는 증발 챔버 및 응축 챔버를 위한 다수의 채널을 가지는 정수용의 본 발명의 도면을 예시한다.
도 5는 증발 챔버 및 응축 챔버를 위한 다수의 패널을 가지는 본 발명의 정수 장치의 도면을 예시한다.
도 6은 본 발명의 정수 장치의 말단 매니폴드의 도면을 예시한다.
도 7은 본 발명의 정수 장치의 선단 매니폴드의 도면을 예시한다.
도 8은 본 발명의 정수 장치의 사시도를 예시한다.
도 9는 패널의 짝수의 채널을 통한 수 개의 구멍을 가지는 본 발명의 응축 챔버의 패널의 평면도를 예시한다.
도 10은 패널의 홀수의 채널을 통한 수 개의 구멍을 가지는 본 발명의 응축 챔버의 패널의 평면도를 예시한다.
도 11은 채널 및 스페이서의 일부를 통한 수 개의 구멍을 가지는 본 발명의 응축 챔버의 패널의 확대 사시도를 예시한다.
도 12는 본 발명의 응축 챔버의 수 개의 패널의 확대 사시도를 예시한다.
도 13은 본 발명의 응축 챔버를 형성하기 위한 튜브의 그룹화를 예시한다..
도 14는 본 발명의 응축 챔버용 직사각형 튜브 카트리지를 예시한다.
도 15는 스페이서를 가지는 본 발명의 응축 챔버의 튜브를 예시한다.
도 16a는 본 발명의 응축 챔버의 튜브의 단부에 대한 확대도를 예시한다.
도 16b 및 도 16c는 본 발명의 튜브의 스페이서를 위한 다양한 횡단면 형상을 예시한다.
도 17은 직사각형 튜브 카트리지를 가지는 정수용 본 발명의 다른 실시예의 도면을 예시한다.
도 18은 본 발명의 데미스터(demister)의 사시도를 예시한다.
도 19는 본 발명의 데미스터의 부가 사시도를 예시한다.
도 20은 본 발명의 데미스터의 동력학적 핀을 예시한다.

실시예의 아래의 상세한 설명에서, 실시예의 일 부분을 형성하고 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예의 예시에 의해 도시되는 첨부 도면을 참조한다.

아래 설명은 하수(dirty water) 정화와 관련하여 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명은 염수, 오염수, 또는 다른 액체를 포함하는 다수의 다른 액체를 정화하기 위해 적용될 수 있다는 것이 이해된다.

본 발명은 잠열 교환 효율을 최대화하기 위해 최소 엔트로피 생성 원리를 사용함으로써 그리고 열 교환 표면의 충전 밀도를 증가시킴으로써 현 기술의 다수의 결함을 극복한다. 부가적으로, 본 발명은 시스템 매개변수를 연속적으로 재조정하기 위해뿐만 아니라 낮은 조작 비용을 유지하도록 대안적인 에너지원을 스위칭하는 시스템 조작의 실시간 적응 제어를 제공한다.

도 2a는 본 발명과 관련하여 고정 경계를 구비한 열역학 시스템의 일반적인 표현을 예시한다. 열 및 질량 유동은 열역학 시스템의 경계를 가로질러 운반된다. 이 시스템의 총 엔트로피는 상태 변수이며, 이에 따라 총 엔트로피의 값은 열 증류 플랜트가 정상 상태 조작 조건에 도달할 때와 같이 정상 상태 동안, 또는 내연기관 내에서 생성하는 것과 같은, 완전한 열역학 사이클 후 동일하게 유지되어야 한다. 마찬가지로, 이 시스템의 총 내부 에너지가 또한 상태 변수이다.

열역학 제1 법칙(에너지 보존 법칙)은 이 시스템의 총 내부 에너지의 변화의 시간 속도가 총 열 입력(열 출력이 음의 열 입력과 동일한 대류) 더하기(plus) 질량 유량이 존재할 때마다 엔탈피 입력 및 순 동력 입력의 합이 동일하여야 하는 것을 명시한다. 이는 아래와 같으며,

(1)

열역학 제2 법칙은 총 시스템 엔트로피의 변화의 시간 속도가 각각의 직접 열 입력과 관련된 엔트로피 입력 비율의 합 더하기 각각의 질량 유동과 관련된 엔트로피 유동의 합, 더하기 내부 비가역 엔트로피 생성 속도의 합과 동일하다는 것을 명시한다. 비가역 엔트로피 생성 속도는 모두 양이어야 하고 이론적인 조건 하에서 단지 영이 될 수 있지만 결코 음이 되지 않는다. 이는 아래와 같으며,

(2)

여기서, S 및 U는 각각 총 시스템 엔트로피 및 총 시스템 내부 에너지이며,

는 위치(또는 포트)(k)와 관련된 질량 유량이며, P는 정미 동력 출력(출력인 경우 음의 값), c는 위치 k와 관련된 비 엔탈피(단위 질량 당)이며, s_k는 위치 k에서 질량 유동과 관련된 비 엔트로피이다.

는 소정의 내부 로케이션(

)에서의 내부 엔트로피 생성 속도이다. 내부 엔트로피 생성 비율은 열역학 제2 법칙에 따라 양의 값이어야 한다. 정상 상태 동안,

및

양자 모두 이미 논의된 이유 때문에 영이 되어야 한다.

일 예에 의해, 증발/응축 주 블록, 위치 1에서 하수 공급, 위치 2에서 증류수에 대한 출구 및 배출된 염수에 대해 다른 출구를 포함하는 이상적인 열 증류 시스템(340)을 고려한다. 비록 뚜렷한 출구를 가지는 것으로 용이하게 일반화될 수 있지만, 증류액 및 염수는 간단함을 위해 동일한 열역학적 매개변수를 가지는 것으로 가정된다. 상기 가정은 배출된 염수 및 증류액이 열 동력학적으로 근접하게 커플링될 때, 명확하며 염수의 TDS 농도는 염수의 비 엔트로피 및 엔탈피에 영향을 미치기에 충분히 중요하지 않다. 증류를 만드는 에너지는 전기 저항 히터 및 기계적 압축을 시뮬레이션하는 위치 0에서 기계적 작업 입력과 직접 가열의 조합으로 부터이다. 대안적으로, 직접 가열은 또한 매우 유사한 결과를 가지는 고온 증기 주입에 의해 교체되거나 보충될 수 있으며, 이에 따라 여기서 자세히 설명하지 않는다.

정상 상태 조건에 대해, 에너지 보존 및 제2 법칙 방정식은 아래와 같이 된다:

(3)

및

(4)

여기서 질량 유동 보존이 가정된다(급수로부터의 질량 유동이 증류액 및 염수 출력으로부터 조합된 질량 유동이 균형이 맞아야 한다).

이 경우 내부 엔트로피 생성(internal entropy production)은 열 전도 손실, 시스템 내의 유체 유동으로부터의 저항, 뿐만 아니라 기계적 압축 및 다른 비효율성으로부터의 에너지 손실로부터 나온다. 엔트로피 생성이 단지 역 온도(reverse temperature)에 의해 가중되는 에너지 변화이므로, 두 개의 온도(T1 및 T2) 사이의 열 유동(Q)에 대한 열 전도 손실은 간단히 아래와 같다.

(5)

불균등은 Q가 (T₁-T₂)와 동일한 부호를 가져야 한다는 사실로부터 생성하는데, 이는 열이 단지 더 높은 온도로부터 더 낮은 온도로 유동할 수 있기 때문이며, 이는 열역학 제2 법칙의 본질이다. 열 전도는 열 교환 벽을 가로질러 열이 전달되도록 횡방향으로, 스트림 방향으로 그리고 또한 열이 고온 내부 구역으로부터 더 차가운 외부 환경으로 누출될 때 일어날 수 있다. 유체의 움직임을 지연시키는 경향이 있는 유체 점성은 또한 내부 엔트로피 생성에 기여한다. 기계적 압축기, 모터 등의 내재하는 비효율성은 또한 내부 엔트로피 생성에 기여한다. 더욱 일반적으로, 연속 제한으로 감으로써, 내부 엔트로피 생성 속도는 변분 원리(variational principle)를 만족하는 양의 적분으로서 표현될 수 있으며, 이는 엔트로피 생성 속도 적분이 열 전도 방정식 및 점성 유체 동력학적 방정식에 대한 해법에 대해 이의 최소로 되도록 보여질 수 있다는 것을 의미한다. 이는 이어서 내부 시스템의 진정한 해법을 개략화되는 시험 함수의 사용을 허용한다.

변분 방법은 진정한 해법을 얻기가 어렵기 때문에 실제 동력학의 대략적인 추정을 제공하기 위하여 물리학, 수학, 컴퓨터 공학 등에서 널리 사용된다. 더욱이, 추장 에러의 크기가 변분 방법에 의해 예측될 수 있기 때문에, 시험 함수는 보통 우수한 결과를 제공한다. 엔트로피 생성 속도 추정의 경우, 시험 함수는 항상 더 큰 값을 부여할 것이며, 이에 따라 진정한 결과가 추정보다 더 향상되는 것을 항상 확신할 수 있기 때문에, 바람직한 더 많은 보존 평가를 제공할 것이다.

성능 비교는 지금부터 기계적 압축(Q=0으로 세팅함으로써)과 직접 가열(P=0으로 세팅함으로써) 사이에서 이루어질 수 있다. 내부 엔트로피 생성 속도가 증류 프로세스가 직접 가열 또는 기계적 증기 압축에 의해 구동되는지 여부에 대한 어떠한 명확한 종속성도 가지지 않는 비가역 프로세스에 대해서만 종속하지만 대신 단지 열 전도율, 벽 두께, 기하학적 형상, 유체 점성, 등과 같은 매개변수에만 종속하기 때문에, 기계적 동력 입력 및 열 입력이 동일하다고 가정하면, 엔트로피 생성이 대략 유사하게 되는 것을 예상할 수 있다.

동력 입력이 직접 열 입력의 형태에 있는 경우(예를 들면, 전기 히터를 사용함으로써)는 에너지 보존 방정식을 부여한다,

(6)

그리고 엔트로피 방정식은

(7).

효과적인 열 증류 시스템에 대해, 상기 항은 1보다 매우 더 작아야 하며(온도는 절대 온도임에 주의), 이에 따라 대수 항은 제1 항이 단지 테일러 급수 전개로 유지함으로써 개략화될 수 있다. 따라서,

(8)

대조적으로, 기계적 압축에 대해, 수식은 아래와 같이 되며,

이는 열 펌프 같은 인자에 의한 직접 가열을 위한 수식과 상이하거나,

. (10)

열 펌프 인자

는 1보다 매우 작고, 특히 T₁이 T에 근접할 때, 위의 관계식은 직접 가열에 비해 기계 압축의 열역학적 우월성을 설명한다. 또한, 내부 엔트로피 생성 속도를 감소시키는 중요성을 보여준다. 이는 현열 대 잠열 전달 프로세스와 관련하여 간접적인 잠열 대 현열 전달 프로세스 대신 직접 잠열 교환이 생성할 수 있는 것을 보장하는 것이 가장 중요하기 때문임을 설명한다. 현열 대 잠열 전달 프로세스는 응축 챔버와 증발 챔버 사이의 매우 효율적인 열 전달을 요구한다. 표면 로딩 인자를 낮추는, 표면 대 용적 비율을 명확히 가지는 것은 엔트로피 생성 속도의 큰 감소에 영향을 미치도록 온도차를 낮출 수 있다. 본 발명에서, 표면 대 용적 비율은 일반적으로 700m^-1 또는 그 초과일 수 있다. 직접 가열이 기계적 압축보다 들 효율적인 이유는 형태(

)에서의 상기 큰 엔트로피 입력 때문이다.

위에서 설명된 방정식은 내부 엔트로피 생성이 시험 함수 변분 방법에 의해 대략화될 수 있기 때문에 변분 원리로부터 입력 동력(기계적 또는 열) 요건을 추정하기 위한 방식을 제공한다.

도 2b는 만액식 증발 챔버(flooded evaporation chamber)를 가지는 정수를 위한 본 발명의 도면을 예시한다. 본 발명의 정수 장치(50)는 증발 챔버(52), 응축 챔버(54), 증발 챔버(52)와 응축 챔버(54) 사이의 열 교환 벽(56), 염수 챔버(68), 압축기(60), 데미스터(62), 및 염수 펌프(64)를 포함한다. 전형적으로, 입력 수는 입력 수 스트림에 내재하는 침전물의 침전에 의해 증발 챔버의 클로깅(clogging) 및 파울링을 방지할 뿐만 아니라 챔버 벽의 스케일링을 감소시키기 위해 사전 처리된다. 사전 처리는 주 HDH 프로세스와 간섭될 수 있는 더 큰 부스러기 또는 부유 분진을 제거하도록 스크린 필터 또는 침전물 필터를 사용함으로써 입력 수의 스크리닝(screening)을 포함할 수 있다. 더 미세한 용존 또는 비용존 입자뿐만 아니라 미생물은 또한 전자응집과 같은 응집 메커니즘, 완속 모래 여과기 또는 활성 탄소와 같은 생물학적 프로세스를 통한 여과에 의해 또한 배관 및 증발 챔버 상의 파울링 병원균의 성장을 방지하기 위한 사전 염소 처리에 의해 사전 처리될 수 있다. 칼슘 기반 용존 고체들은 챔버 벽의 스케일링 및 배관 작업을 방지하기 위하여 스케일 방지제 또는 응고-방지제로 처리되어야 한다. 초기 시작 동안, 순간적으로 중단된 후 증발 프로세스의 재개 동안, HDH 프로세스가 너무 불안정하게 되거나(예를 들면 제어기를 최적 상태로 되돌리기 위해 제어기에 대한 피크(peak) 챔버 온도에서의 급속한 강하에 의해 유발됨) 또는 다른 상황일 때, 사전 처리가 유발할 수 있다.

사전처리된 물은 또한 작동하도록 증기 압축기를 위한 수증기의 충분한 양을 공급하기 위하여 미리 한정된 온도로 가열될 수 있다. 압축기의 흡입 포트에 존재하는 수증기의 초기 시드(initial seed) 없이, 응축은 응축 챔버로부터 증발 챔버로 잠열 전달의 결과적인 결함에 의해 생성하지 않을 것이며 HDH 프로세스에 필수적인 증발과 응축 사이의 피드백 루프가 일어나지 않을 것이다. 물은 태양 에너지 또는 다른 저 품질 열원에 의해 동력이 전달되는 태양 물 가열기(도시되지 않음)를 사용함으로써 예열될 수 있다. 추가의 가열이 필요하다면, 다른 동력원을 사용하는 보조 가열기(또한 도시되지 않음), 예를 들면, 전기 히터가 입력 수를 미리 한정된 온도로 추가로 가열하기 위해 활용될 수 있다. 또한, 보조 히터는 주기적 자체-소독을 위해, 예를 들면 조작 온도가 연장된 시간 주기에 대해 안전한 구역(zone)에 도달하지 않을 때 온도를 더 높은 수준이 되게 하기 위해 사용될 수 있다.

사전 처리된 입력 수(66)는 증발 챔버(52)로 입력되고 이에 의해 증발 챔버(52)가 잠겨서(flood) 사전 처리된 입력 수(66)가 열 교환 벽(56)과 접촉한다. 전형적으로 응축 챔버(54)로부터 증발 챔버(52)로 전달되는 잠열은 증발 챔버(52) 내의 사전 처리된 입력 수(66)로 효과적으로 전달되는데, 이는 사전 처리된 입력 수(66)가 증발 챔버(52) 측 상의 열 교환 벽(56)을 완전히 덮기 때문이다. 응축 챔버와 증발 챔버 사이에서 명목상으로 수평한(선택적으로 적당한 기울기를 가지는) 열 교환 표면들을 구비하는 소수성 응축 챔버와 함께 이 같이 잠수된 증발 챔버는 높은 효율의 적상 응축(dropwise condensation) 및 침투 증발(precolating evaporation)을 촉진한다. 적상 응축에서, 응축물은 연속 필름 대신 열 교환 표면상에 아주 작은 비드(bead)를 형성한다. 소적이 너무 커서 자체적으로 유지할 수 없게 될 때까지 소적이 성장하여 갑작스런 급속한 병합 및 과대한 소적의 하방 미끄러짐이 상기 표면을 계속해서 쓸어내어 깨끗하게 하여 표면이 직접 노출되어 포화 가스 내의 분자들을 증발시키는 핵생성 영역이 있다.

이웃하는 소적의 갑작스런 병합 전의 최대 방울 반경은 이탈 반경(departure radius)이라 칭한다. 금속 표면에 대한 이탈 반경은 전형적으로 약 1 내지 3mm이지만 이탈 반경은 표면 온도, 표면 및 벌크 열 전도율, 증기 유동 속도 및 미끄럼 메커니즘과 같은 다양한 인자에 종속한다. 전형적으로, 중력 또는 세정 메커니즘의 힘이 소적 상의 표면 인장력보다 상당히 더 커지게 될 때의 지점까지 병합된 방울 크기가 증가할 때 미끄러짐이 발생한다. 적상 응축에서, 잠열 전달을 방해하는 표면 상의 액체 필름이 없어서 막 응축에 의한 것보다 10 배 이상 더 우수한 달성가능한 열 전달 계수를 초래한다.

미끄럼 운동은 적절한 각도에 의해 이의 대략적인 수평 배향으로부터 열 교환 표면의 기울임 및 압축기의 가스 유량뿐만 아니라 이의 압축비 조정의 조합에 의해 제어될 수 있다. 더 강한 미끄럼 운동은 응축물의 질량 유량을 증가시킬 뿐만 아니라 열 전달을 증가시키는 이탈 반경을 감소시킨다. 그러나, 열 전달 계수의 증가는 전형적으로 효율을 감소시키는 열 교환 표면의 응축 측과 증발기 사이의 온도 차에 있어서의 증가를 필요로 하는 응축물의 질량 유량에서의 증가보다 더 작다. 따라서 경사 각도는 시스템 성능의 최적화를 위해 활용될 수 있는 다른 제어 매개변수이다.

적상 응축은 막 응축에 대해 정반대로 단지 소수성 표면 재료로 실현된다. 증발 측 상에 유사한 효과가 침투, 또는 스파징(sparging) 증발로 달성될 수 있다. 침투 증발에서, 증발 챔버는 응축 챔버의 선단부로부터 재순환되는 삼투 기포로 스며드는 액체로 잠겨진다. 적상 응축과 반대로, 침투 증발은 친수성 표면을 선호하며 응축 챔버로부터의 캐리어 가스의 재순환으로부터 초래되는 기포 및 응축 챔버 내로 액체의 연속 증발로부터 기포의 성장은 열 교환 표면 바로 아래 걸려 있는 거품의 형성을 초래한다. 열 교환 벽의 저부(증발기 표면의 상부) 상에 기포의 이러한 비딩(beading)은 적상 응축의 정 반대이며 이 같은 반대 비딩은 매우 작은 접촉 각도를 요구하며; 이에 따라, 증발기 표면은 우선적으로 친수성이 되어야 한다.

침투 증발 프로세스에 대해 강화된 잠열 전달은 가스 비드의 성장 및 갑작스런 붕괴 및 과대한 공기 비드의 후속하는 상방 미끄러짐을 초래한다. 열 전달을 방지하도록 증발기 표면과 액체 사이에 가스 막이 없기 때문에, 열 전달 계수는 종래의 증발 챔버보다 자릿수가 더 클 수 있다.

비록 증발기 측 상의 열 교환 표면의 접촉 각도는 우선적으로 90°보다 작지만, 접촉 각도가 180°에 더 근접되지 않는 한 가스 비드가 여전히 형성될 수 있다. 더 큰 접촉 각도는 열 전달 효율을 감소시키는 공기 비드의 임계적 크기를 증가할 수 있다. 소수성 중합체의 대부분은 140°미만의 접촉 각도를 가지며, 이에 따라 강화된 잠열 전달은 여전히 침투-증발 원리를 기초로 하여 이 같은 표면상에서 일어난다.

HDH 프로세스에 존재하는 비응축 가스는 열 교환 표면을 가로지르는 열 전달 상에 크고 부정적인 영향을 미칠 수 있는데, 이는 비응축 가스가 열 교환 표면으로 증기 분자들의 접근을 방해하기 때문이며, 이에 의해 이들을 통해 확산하도록 증기 분자를 강제한다. 그러나, 열 전달이 난류 체제에서 상당히 강화되며, 이 난류 체제에서 횡방향 가스 움직임은 증기 분자가 응축 측 상의 열 교환 표면으로 대류로 열을 보내는 것을 허용한다. 증발 측 상에서, 난류 액체 움직임은 또한 액체의 대류 혼합이 액체의 저급한 열 전도를 극복하는 것을 유발할 수 있다.

전형적으로 좁은 채널 유동에서 달성될 수 있는 레이놀드 상수보다 더 큰 난류 유동의 시작을 위한 레이놀드 상수가 약 2200이지만, 유동은 미세구조화된 장애물을 통하여 그리고 외부 교반에 의해 난류를 유발될 수 있다. 비응축 가스가 다시 만액식 증발 챔버 내로 재순환하도록 채용되는 와류 형성 노즐 및 압축기 블레이드의 맥동 효과는 둘 다에 이 같은 효과를 제공할 수 있다.

유체의 난류 운동은 또한 이들의 능력들에서 부가 이익을 제공하여 열 교환 표면뿐만 아니라 비-열 교환 벽들을 긁어낸다. 이들은 또한 적상 응축을 위한 미끄럼 운동의 시작에 직접 영향을 미치는데, 이는 이웃하는 소적의 병합을 가속할 수 있으며 병합된 소적에 진동 운동을 제공하여 이들이 미세-스케일링된 핵생성 영역에서 제거되는 것을 유발하기 때문이다. 이는 열 교환 효율을 심지어 더 개선하는 더 작은 이탈 방울(drop) 반경을 초래한다.

그러나, 난류 운동의 존재는 압축기의 펌핑 압력 요건을 증가시키는 유체 항력을 증가시킬 수 있다. 따라서 증가된 압축기 동력 요건과 개선된 열 교환 효율 사이의 절충이 시스템 설계를 고려하게 될 것을 요구한다. 외부 벽이 잘 절연되면, 난류 운동 거의 모두가 결국 열로 전환될 것이며, 이 열은 응축물 생성을 증가시키기 위해 활용될 것이며, 동일한 방식의 열의 직접 주입은 어떠한 경우에서도 수행되고 이에 따라 전체 에너지 효율이 단지 난류 유도 열 생성이 압축기를 구동하기 위해 사용되는 기계적 에너지보다 들 효과적인 정도로만 감소될 것이다. 직접 열 주입 대 기계적 에너지 입력의 상대적 비효율성은 아래 부분에서 상세하게 될 것이다.

증발 챔버(52) 및 염수 챔버(68)는 또한 사전 처리된 입력 수(66)로부터 염수가 증발 챔버(52)로부터 중력 구동 침전에 의해 염수 챔버(68)의 저부로 유동하는 것을 허용하도록 연결될 수 있다. 따라서, 증발 챔버(52)에서의 염소 농도는 이론적으로 염수 챔버(68)의 저부에서 염소 농도보다 더 작다. 염수 챔버(68)가 염수로 더욱더 농축시키기 때문에, 삼투 압력은 증발 챔버(52)에서 염소 농도를 증가시킬 수 있다. 염소 챔버(68)의 부가 수준(70)은 이동하기 위한 삼투 압력을 위해 요구된 총 경로를 증가시키기 위해 사용될 수 있다.

염수 펌프(64)는 염소 농도를 감소시키기 위해 염소 챔버(68)로부터 염수를 펌핑할 수 있어, 임의의 삼투 압력을 완화한다. 염수 챔버(64)는 디지털 방식으로 제어될 수 있어 염수 농도가 염수 펌프(64)에 의해 요구된 펌핑의 양을 결정할 수 있다. 염수 펌프(64)는 염수 농도를 기반으로 한 펌핑의 속도를 자동적으로 설정할 수 있다. 펌핑된 염수는 추가로 분리될 수 있어 농축된 염수 및 침전물이 폐기되고, 펌핑된 염수의 나머지가 증발 챔버(52)로 재순환될 수 있다.

가스가 증발 챔버(52)로부터 증발될 때, 가스는 사전 처리된 입력 수에 의해 많이 포화된다. 증발기 챔버(52)로부터 많이 포화된 가스는 데미스터(62)를 통하여 압축기(60)의 입구(76)로 안내된다. 압축기(60)는 많이 포화된 가스를 압축하고 응축 챔버(54)로 압축기(60)의 출구(78)를 통하여 과포화 가스를 출력한다. 압축기(60)는 또한 상기 가스를 위한 압축 비율 및 압축기(60)의 입구(76) 및 출구(78)에서 가스의 유량을 조정하기 위해 디지털식으로 제어될 수 있다.

데미스터(62)의 목적은 기포가 증발 챔버 내의 액체로부터 분리되는 것을 허용하는 것이다. 전형적으로, 데미스터는 미세 코팅된 또는 코팅되지 않고 충분히 작은 메시 크기를 구비한 금속 스크린을 포함하여 증발 챔버 내의 미스트의 형태의 연행된 액체 소적을 압축기 하우징 내로 들어가는 것으로부터 제거한다. 이 같은 연행된 소적은 부식성이고 압축기에 유해하고 또한 응축기 측 상의 응축물을 상호 오염시킬 수 있는 무기 또는 유기 오염물을 포함할 수 있다. 그러나, 가스 속도가 전형적으로 액체의 속도보다 3자리수 더 빠르기 때문에, 유동 저항은 데미스터 스크린에 의해 가스 상에 가해져 상당한 압력 강하를 초래할 수 있다. 이는 압축기의 효율을 감소시키고 보상하기 위한 더 많은 입력 동력을 요구하여, 전체 에너지 효율의 상당한 감소를 초래한다.

낮은 온도 및 낮은 압력 조작에 의해, 금속 스크린을 플라스틱 데미스터로 교체하는 것이 가능하다. 플라스틱 몰딩의 가요성에 의해, 와이어 메스의 횡단면적은 더 길고 더 많은 스트림라인 형상으로 재형성될 수 있다. 공기 역학적으로 형성된 횡단면이 동일한 정면 영역을 갖는 원형 형상 횡단면보다 항력 계수에서 2 내지 3 자리수 작을 수 있다는 것이 주지되어 있다. 이는 전체 에너지 효율을 개선하는 것을 돕는 데미스터를 가로질러 압력 강하를 상당히 감소시킬 것이다. 데미스터 스크린을 가로지르는 마찰 압력 강하에 대해 손실된 에너지는 손실되지 않는다. 대신, 손실된 에너지는 응축 챔버 내로의 열 에너지 입력으로 부가되는 열로 변환될 수 있다.

바람직한 실시예가 거의 수평한 만액식 증발 챔버를 사용하고 압축기의 흡입력 아래 있기 때문에, 흡입력은 데미스터의 입구에 항상 염수 액체를 가져올 수 있으며, 따라서 가스 및 염수 액체의 더 유효한 분리가 요구된다. 데미스터의 바람직한 실시예는 염수 액체에 대해 음의 모세관력을 가할 수 있는 데미스터 메시를 위한 테플론과 같은 높은 친수성 플라스틱 재료들을 적용하게 된다.

과포화 가스는 응축 챔버(54)로 입력되어 열 교환 벽(56) 상의 응축 수(즉, 생성 수 또는 정화 액체)를 형성한다. 열 교환 벽(56)은 실질적으로 수평 방향을 따라 정렬되어 중력이 바람직하게는 상당한 친수성인 열 교환 벽(56)에 대해 실질적으로 수직하여, 응축 수가 열 교환 벽(56) 상의 적상 응축을 형성하는 것을 유발한다. 응축 챔버(54)로부터 임의의 나머지 가스는 침투 증발을 통하여 증발 및 잠열 회수 성능을 강화하도록 경로(72)를 통해 증발 챔버(52)로 재순환될 수 있다. 응축 챔버(56)는 출구(74)를 가질 수 있어 응축 수, 즉 생성 수가 저장 탱크(도시되지 않음)로 또는 다른 사용을 위해 유동하는 것을 허용한다. 응축 챔버(54)는 또한 추가 응축을 위한 릿지(80)를 포함할 수 있다. 릿지(80)는 열 교환 벽(56) 상으로 임의의 응축 수를 떨어뜨리기 위해 약간 기울어질 수 있다.

생성 수 및 사전 처리된 입력 수(66)가 열 교환 벽(56)의 어느 한 측부 상에 있기 때문에, 응축 챔버(56)로부터 증발 챔버(52)로의 잠열 전달이 상당히 증가하여, 정수 장치(50)에 대한 더 큰 전체 효율을 초래한다.

열 교환 효율을 추가로 개선하도록, 열 교환 벽의 기재의 벌크 열 전도율은 높아야 하며, 교환 표면은 가능한 커야 하고 벽 두께는 가능한 작아야 한다. 열 교환 벽(56)은 다양한 열 전도성 재료, 예를 들면 폴리프로필렌, 반-부식 내성 금속 합금, 폴리카보네이트, 및/또는 다른 재료로 구성될 수 있다.

비록 스테인리스 강, 구리 니켈 합금, 또는 티타늄 모두는 폴리프로필렌 또는 폴리카보네이트와 같은 플라스틱 기재보다 자리수들이 더 큰 벌크 열 전도율을 가지지만, 비록 이들이 화학적으로 처리될 수 있거나 표면 에너지를 개선하기 위해 금 코팅될 수 있지만, 이들이 적상 응축에 대해 전도성이 아닌 높은 습윤성을 갖는다. 폴리카보네이트 및 폴리프로필렌과 같은 플라스틱 기재는 벌크에서 여러 자리수만큼 더 싸며 이들의 우수한 부식 내성 때문에 더 얇게 제조될 수 있다. HDH 프로세스가 대기 압력에서 또는 대기 압력 근처에서 조작되기 때문에, 금속 기재의 강도가 요구되지 않는다. 벽의 더 작은 두께는 중합체의 낮은 열 전도율을 부분적으로 보상할 수 있다.

또한, 중합체 기재 캡의 벌크 전도율은 탄소 블랙, 탄소 섬유 또는 탄소 나노튜브와 같은 높은 전도성 필러로 강화될 수 있다. 탄소 블랙과 같은 탄소 첨가물은 4배 만큼 크게 벌크 열 전도율을 증가시킬 수 있다. 탄소 섬유와 같은 나노-구조화된 탄소 기재, 및 또한 순수 은만큼 높은 열 전도율을 가지고 또는 탄소 나노미터의 경우 은 및 구리보다 20배 만큼 더 높은 탄소 나노미터 및 그래핀, 벌크 열 전도율에서의 예상된 증가는 자리수가 더 클 수 있다. 탄소 섬유 및 탄소 나노미터 부가물은 또한 기계적 강도 및 중합체 기재의 단단함을 상당히 증가시킬 수 있으며 심지어 더 얇은 벽 구성을 허용한다.

도 3은 부가 보조 증기 발생기를 가지는 정수용의 본 발명의 다른 실시예의 도면을 예시한다. 본 발명의 정수 장치(50)는 응축 챔버(54) 내로의 직접 증기 분사를 위한 보조 증기 발생기(82)를 포함할 수 있다. 정수 장치(50)의 시동시, 보조 증기 발생기(82)는 응축 및 증발 프로세스를 증진하기 위해 초기화될 수 있다. 보조 증기 발생기(82)는 기계적 에너지, 태양 에너지, 열 에너지, 전기 에너지, 또는 동력 생성을 위한 다른 수단에 의해 동력이 전달될 수 있다. 기계, 태양 및/또는 열을 사용함으로써, 정수 장치는 매우 환경 친화적일 수 있고 주변 천연 자원에 영향을 미친다(leverage).

도 4는 증발 챔버 및 응축 챔버용 다수 채널을 가지는 정수를 위한 본 발명의 도면을 예시한다. 본 발명의 정수 장치(100)는 응축 챔버(108)의 다수의 채널(106)과 엮인(interlaced) 증발 챔버(104)의 다수의 채널(102)을 가짐으로써 구성된다. 최외측 채널을 제외하고 증발 챔버(104)의 임의의 하나의 채널이 응축 챔버(108)의 임의의 두 개의 채널들 사이에 있고 또한 응축 챔버(108)의 하나의 채널이 증발 챔버(104)의 두 개의 채널들 사이에 있도록 증발 챔버(104)의 채널(102) 및 응축 챔버(108)의 채널(106)이 엮인다. 더욱이, 증발 챔버(104)의 각각의 채널과 응축 챔버(108)의 각각의 채널의 인터페이스 사이에 열 교환 벽, 예를 들면 열 교환 벽(110)이 있다. 증발 챔버(104)의 채널(102)과 응축 챔버(108)의 채널(106)은 실질적으로 수평 방향을 따라 정렬될 수 있어 응축 수가 중력에 의해 열 교환 벽 상으로 모이도록 의도될 것이다.

증발기 챔버(104)의 채널(102)은 이들의 단부에서 함께 연결된다. 또한, 응축 챔버(108)의 채널(106)은 이들의 단부에서 함께 연결된다. 정수 장치(100)의 압축기(112)는 포화된 가스를 수용하기 위해 증발 챔버(104)로부터 입구(114) 그리고 과포화된 가스를 응축 챔버(108)로 출력하기 위해 응축 챔버(108)에 출구(116)를 가질 수 있다. 데미스터(118)는 증발 챔버(104) 및 압축기(112) 사이에 연결될 수 있어 포화된 가스를 데미스트한다. 또한, 공기 여과 장치(도시되지 않음), 예를 들면 일렉터 스태틱 프리시피테이터(elector static precipitator) 또는 다른 전기 여과 시스템은 원하지 않는 입자에 대해 포화된 가스를 추가로 여과하기 위해 사용될 수 있다. 정수 장치(100)는 P-트랩(124)을 통해 또는 다른 방법 또는 장치에 의해 가스를 응축 챔버(108)로부터 증발 챔버(104)로 재순환할 수 있다. 응축 챔버(108)로부터의 생성 수는 생성 수 저장부(126)로 안내된다. 생성 수는 중력에 의해 또는 다른 방법을 사용하여 응축 챔버(108)의 채널로부터 생성 수 저장부(126)까지 내려온다. 가스는 또한 응축 챔버(108)의 채널(106)로부터 증발 챔버(104)에 추가로 연결되는 P-트랩(124) 까지 내려온다. 압력이 증발 챔버(104)보다 응축 챔버(108)에서 더 크기 때문에, 응축 챔버(108)로부터의 가스는 P-트랩(124)을 통하여 유동할 것이고 증발 챔버(104)로 배출된다. 고압에 의해, 증발 챔버(104)에서의 입력 수는 P-트랩(124)을 통하여 응축 챔버(104)로 역 유동하지 않을 것이다. 거품 생성 노즐(도시되지 않음) 또는 다른 거품 생성 메커니즘은 또한 가스가 증발 챔버(104) 내로 안내될 때 거품을 생성하도록 P-트랩(124)의 단부에 위치될 수 있다.

염수 챔버(128)는 입력 수를 증발 챔버(104)로 제공할 수 있다. 염수 챔버(128)는 삼투 압력을 위해 취해진 경로를 증가시키도록 다수의 수준(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 또한, 염수 챔버(128)의 저부로부터 약간 농축된 염수를 펌핑하기 위한 염수 챔버(128)로부터 염수 출구(130)가 있을 수 있다. 염수 챔버(128)는 또한 입력 수를 입력하기 위해 증발 챔버(104)를 입력 수로 채우기 위한 입구(132)를 가질 수 있다.

생성 수의 양을 증가시키기 위해, 본 발명의 정수 장치는 다수의 패널을 포함하는 응축 챔버를 가질 수 있으며, 각각의 패널은 다수의 채널을 갖는다. 패널은 단부에서 상호 연결될 수 있고 서로로부터 떨어져 미리 한정된 거리로 이격된다. 패널은 공동 내에 추가로 배치되고 여기에서 공동은 증발 챔버로서 기능하도록 입력 수로 채워진다. 이에 따라, 입력 수는 패널 둘레로 채워져서 패널의 배리어(barrier)는 패널의 채널들 내의 응축 수와 패널의 외부에서 입력 수 사이의 열 교환 벽으로서 기능한다. 이러한 배열체의 추가의 설명은 후속하는 설명에서 제공된다.

예를 들면, 도 5는 응축 챔버를 위한 다수의 패널들을 가지는 본 발명의 정수 장치의 도면을 예시한다. 정수 장치(150)는 직사각형 형상의 폼 팩터(form factor)를 가질 수 있으며 선단 매니폴드(152)는 정수 장치(150)의 상부 측에 위치되고 말단 매니폴드(154)는 정수 장치(1150)의 하부 측에 위치된다. 또한, 응축 챔버의 패널(156)은 직사각형일 수 있으며 수직, 수평, 또는 정수 장치(150)에서 다른 각도로 장착될 수 있다. 패널(156) 각각은 다수의 채널(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 또한, 응축 챔버의 패널(156)은 또한 형상이 직사각형일 수 있어 정수 장치(10)의 전체 폼 팩터와 일치한다. 정수 장치(150)의 증발 챔버는 패널(156) 외부 이지만 정수 장치(150) 내의 영역(예를 들면 영역(1640)), 상부 섹션(158), 및 하부 섹션(160)을 포함할 수 있다. 이 영역, 상부 섹션(158) 및 하부 섹션(160)은 입력 수 및 입력 수 내의 임의의 가스가 정수 장치(150)의 이러한 3개의 섹션들 사이로 자유롭게 유동할 수 있도록 연결된다.

패널(156)의 채널은 증발 챔버로부터 패널(156)의 채널 내로 입력 수의 임의의 누출을 방지하도록 증발 챔버로부터 밀봉된다. 그러나, 패널(156)의 채널로부터의 건조 공기는 말단 매니폴드(154)를 통해 증발 챔버 내로 재순환된다. 압축기(162)는 상부 섹션(18)에서 증발 챔버로부터 높게 포화된 가스를 수용할 수 있고 패널(156)의 채널로 연결하는 선단 매니폴드(152)로 과 포화 가스를 출력한다. 이에 따라, 과 포화 가스는 패널(156)의 채널의 상부로부터 패널(156)의 채널의 저부로 안내된다. 패널(156)의 채널 내의 응축 수는 말단 매니폴드(154) 내에 모여서 생성 수 저장부(도시되지 않음) 또는 사용을 위해 추가로 안내된다.

정수 장치(150)를 위해 위에서 설명된 폼 팩터가 본 발명의 구현을 위해 사용될 수 있는 다수의 폼 팩터들 중 단지 하나라는 것이 이해된다. 당업자가 다양한 다른 폼 팩터를 구현하기 위해 본 발명을 사용할 수 있다는 것이 명백하다. 따라서, 본 발명의 이러한 다른 폼 팩터는 또한 본 발명에 의해 포함된다.

도 6은 본 발명의 정수 장치의 말단 매니폴드의 도면을 예시한다. 말단 매니폴드(154)는 P-트랩(172), 슬릿(174), 배수공(176), 장착 페그(mounting peg; 178), 및 생성 수 안내부(180)를 포함한다. P-트랩(172)은 가스를 응축 챔버의 패널(156)로부터 증발 챔버로 슬릿(174)을 통해 재순환한다. 슬릿은 증발 챔버 내로 거품의 생성을 증진하기 위한 거품 생성 장치(도시되지 않음)를 가질 수 있다. 배수공(176)은 패널(156)을 생성 수 안내부(180)로 연결하여 패널(156) 내에서 응축된 생성 수가 수집되고 이어서 생성 수 안내부(180)를 통해 생성 수 저장부로 안내되는 것을 허용한다. 장착 페그(178)는 패널(156)이 정수 장치 내에 장착 및 고정되는 것을 허용한다.

도 7은 본 발명의 정수 장치의 선단 매니폴드의 도면을 예시한다. 본 발명의 선단 매니폴드(152)는 증발기 입구(182), 포화된 가스 출구(184), 및 장착 페그(186)를 포함한다. 증발기 입구(182)는 증발 챔버로부터 높게 포화된 가스를 수집하고 이어서 상기 가스를 본 발명의 정수 장치의 압축기의 입구로 안내한다. 압축기는 높게 포화된 가스를 압축하여 과 포화 가스를 포화된 가스 출구(184)를 통해 패널(156)로 출력한다. 장착 페그(186)는 패널(150)을 장착 및 고정하기 위해 사용된다. 도 8은 본 발명의 정수 장치의 사시도를 예시한다. 위에서 설명된 바와 같이, 정수 장치(200)는 직사각형 폼 팩터를 가질 수 있다. 정수 장치의 사시도는 이 같은 폼 팩터를 예시한다.

도 9는 패널의 짝수 채널을 통하여 수 개의 구멍을 가지는 본 발명의 단일 패널의 평면도를 예시한다. 각각의 패널은 복수의 채널, 예를 들면 채널(1-18)을 가질 수 있다. 채널은 직사각형, 타원형, 또는 다른 형상을 포함하는 하나 또는 둘 이상의 횡단면 형상을 가질 수 있다. 이러한 예에서, 채널은 형상이 직사각형이어서 채널의 평면도가 직사각형이다. 채널(1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 및 17)은 외부 액체 및/또는 가스에 대해 실질적으로 불침투성이고, 반면 채널(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 및 18)은 상기 채널의 내부를 패널의 외부에 존재하는 외부 액체 및/또는 가스로 링크하는 구멍을 갖는다. 이에 따라, 천공된 채널(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 및 18)은 패널의 외부에 존재하는 액체 및/또는 가스로 채워진다. 천공된 채널(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 및 18)의 단부는 임의의 외부 액체 및/또는 가스가 응축 챔버 및 임의의 천공되지 않은 채널 내로 유입되는 것을 방지하기 위해 밀봉된다. 본질적으로, 천공되지 않은 채널은 응축 챔버로서 기능하고 천공된 채널이 패널이 증발 챔버를 증가시킨다.

전형적으로, 패널의 채널은 패널의 외부로부터 채널 내로 누출하는 가스 및/또는 액체로부터 실질적으로 불침투성이다. 그러나, 열역학적 프로세스를 개선하기 위하여, 패널을 따른 모든 다른 채널은 천공된 채널이 패널을 둘러싸는 외부 액체 및/또는 가스로 채워지는 것을 허용하는 채널로 절단되는 구멍을 가질 수 있다. 예를 들면, 액체가 패널을 둘러싸는 경우, 액체는 모든 측부로부터 천공되지 않은 채널을 둘러쌀 수 있는데, 이는 패널의 인접한 채널이 천공되기 때문이다.

천공되지 않은 채널은 위에서 설명된 바와 같이 천공되지 않은 채널의 일 측부로부터 천공되지 않은 채널의 다른 측부로 유동하는 높게 포화된 가스를 갖는다. 패널의 외부는 증발 챔버 내의 액체와 접촉한다. 이에 따라, 천공되지 않은 채널을 형성하는 패널의 벽은 응축 챔버와 증발 챔버 사이의 열 교환 벽으로서 작용한다. 증발 챔버 내로 재순환되는 가스는 또한 채워진 영역을 통하여 이동할 수 있어, 구멍 및 패널의 네트워크를 통하여 충돌하고 스텀블링(stumbling)한다. 가스의 경로가 증가하기 때문에, 재순환 가스는 정수의 압축기의 입구에 의해 수집되기 전에 추가로 포화될 수 있다.

도 10은 패널의 홀수의 채널을 통하여 수개의 구멍을 가지는 본 발명의 다른 패널의 평면도를 예시한다. 채널(1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 및 17)은 구멍을 갖는다. 구멍은 천공된 채널(1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 및 17)이 패널의 외부에 존재하는 액체 및/또는 가스로 채워지는 것을 허용한다. 채널(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 및 18)은 패널의 외부로부터 천공되지 않은 채널(2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 및 18)로의 누출을 방지하도록 패널의 외부로부터 밀봉된다. 채널(1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 및 17)의 단부는 임의의 외부 액체 및/또는 가스가 응축 챔버 및 패널의 임의의 천공되지 않은 채널로 유입되는 것을 방지하기 위해 밀봉된다.

응축 챔버는 패널의 어레이(도 5에 도시된 바와 같음)를 가질 수 있으며, 여기에서 각각의 패널은 다수의 채널을 갖는다. 앞에서의 논의된 바와 같이, 각각의 패널의 소정의 채널은 예를 들면 패널을 따라 모든 다른 채널에 구멍을 가질 수 있어, 패널 외부의 임의의 액체 및/또는 가스가 천공되지 않은 채널 내로 누출되는 것을 실질적으로 방지한다. 하나의 패널 및 인접한 패널로부터 천공된 채널은 오프셋되어 제 1 패널의 하나의 천공된 채널을 통하여 제2의 인접 패널의 다른 천공된 채널로 교차할 수 있은 직접적인 수직 라인이 없다. 이 목적은 응축 챔버의 천공된 채널을 통하여 교차하여야 함으로써 증발 챔버의 일 단부로부터 증발 챔버의 다른 단부로 임의의 가스를 취할 수 있는 경로를 증가시키는 것이다.

따라서, 수 개의 패널은 응축 챔버의 부분을 형성하도록 어레이 내에 배열될 수 있으며, 여기에서 제1 패널은 상기 패널의 짝수 채널 상에 천공된 채널을 가지며, 제2 패널은 상기 패널의 홀수 채널 상에 천공된 채널을 가지며, 제3 채널은 상기 채널의 짝수 채널 상에 천공된 채널을 가져서 등 등 구멍이 임의의 두 개의 인접한 패널로부터 오프셋되어 경로를 증가시켜 임의의 가스가 증발 챔버의 일 측부로부터 증발 챔버의 다른 측부로 취해지는 것이 요구될 수 있다.

구멍은 또한 다양한 길이를 가질 수 있다. 또한, 제1 패널의 구멍은 또한 제3 패널의 구멍으로부터 오프셋될 수 있어 임의의 재순환 가스가 증발 챔버 내에서 입력 수를 통하여 이동하여야 하는 길이를 더 증가시킨다.

도 11은 채널 및 스페이서 중 일부를 통하여 수 개의 구멍을 가지는 본 발명의 패널의 확대 사시도를 예시한다. 본 발명의 패널(260)은 임의의 두 개의 인접한 패널을 서로로부터 분리하도록 스페이서(262)를 가지고 모든 다른 채널에서 천공되는 패널을 포함할 수 있다.

도 12는 본 발명의 수 개의 패널의 확대 사시도를 예시한다. 수 개의 패널(280 내지 286)은 응축 챔버의 일 부분을 형성하도록 서로 인접하게 배치된다. 패널(280, 286)들 각각은 천공된 채널을 갖는다. 더욱이, 스페이서(290 내지 296)는 구조적 일체성을 위해 패널(280 내지 186) 사이에 배치된다.

도 13은 본 발명의 응축 챔버를 형성하기 위한 튜브의 그룹화를 예시한다. 본 발명의 일 실시예에서, 복수의 튜브, 예를 들면 튜브(300 내지 312)는 함께 그룹화될 수 있어 본 발명의 응축 챔버의 채널을 형성할 수 있다. 튜브의 벽은 튜브 내의 응축된 액체-포화 가스와 튜브 외부인 증발 챔버의 입력 액체 사이의 열 교환 벽으로서 기능할 수 있다. 스페이서, 예를 들면 스페이서(320 내지 326)는 튜브 둘레에 위치 설정될 수 있어 인접한 튜브가 함께 그룹화될 때 임의의 두 개의 인접한 튜브들 사이에 갭이 존재한다. 튜브가 증발 챔버 내에 잠길 때, 증발 챔버 내의 입력 수 및 가스가 튜브의 외부 즉, 임의의 두 개의 인접한 튜브 사이의 공간을 채워서 각각의 튜브를 둘러싼다.

바람직하게는, 증발 챔버 내의 입력 액체의 용적은 응축 챔버의 튜브의 내부 용적과 동일하다. 증발 챔버 내의 튜브의 밀집한 패킹에 의해, 열 교환 벽의 총 표면적은 상당히 증가된다. 예를 들면, 일 피트 x 일 피트 x 2 피트의 용적 내에 함께 그룹화되는 튜브의 그룹은 약 700 ft² 또는 그 초과의 열 교환 벽을 위한 총 표면적을 가질 수 있다. 이에 따라, 일반적으로 말해서, 본 발명의 충전 밀도는 일부 역삼투 여과 시스템과 필적될 수 있다.

튜브는 열 교환 벽의 총 표면적을 최대화하고 및/또는 증발 챔버 및 응축 챔버를 위한 다른 고려를 최대화하는 다양한 구성으로 함께 그룹화된다. 예를 들면, 바람직하게는, 튜브는 육각형 패턴으로 패킹되고, 여기서 튜브의 각각에 대한 반경 방향 중심으로부터 등거리이다. 튜브 그룹화의 경계 내의 튜브에 대해(즉, 내부 튜브), 내부 튜브는 6개의 인접한 튜브를 가질 것이다. 예를 들면, 튜브(330)는 내부 튜브이고 튜브(33)를 둘러싸는 6개의 인접한 튜브를 갖는다.

튜브가 증발 챔버 내에 잠기기 때문에, 튜브의 단부가 밀봉되어 증발 챔버로부터의 입력 액체는 응축 챔버의 튜브 내로 누출되지 않는다. 증발 챔버로부터 튜브의 단부를 밀봉하기 위한 다수의 방법이 구현될 수 있다. 예를 들면, 개스킷 조립체는 튜브의 단부에서 사용될 수 있어 증발 챔버로부터 튜브의 내부를 밀봉한다. 개스킷 조립체는 증발 챔버 내의 입력 액체가 튜브 내로 누출되는 것을 방지하기 위해 타이트한 밀봉을 제공하는 동안 포화 가스를 튜브의 내부로 보낼 수 있다. 개스킷 조립체는 아래의 설명에서 더 명백하게 될 것이다.

도 14는 본 발명의 응축 챔버를 위한 직사각형 튜브 카트리지를 예시한다. 본 발명의 다양한 실시예에서, 본 발명의 응축 챔버의 튜브는 직사각형 튜브 카트리지(358)에서 함께 그룹화될 수 있다. 직사각형 튜브 카트리지(358)의 튜브의 단부는 단부 캡(360 및 362)에 의해 밀봉된다. 직사각형 튜브 카트리지(358)의 단부 캡(360 및 362)은 개스킷 조립체를 형성하도록 본 발명의 정수 장치의 짝을 이룬 조립체(companion assembly; 도시되지 않음) 내로 삽입될 수 있다. 단부 캡(360 및 362)이 짝을 이룬 조립체에 끼워지면, 튜브의 외부 및 튜브의 내부는 서로 밀봉된다. 여기서, 튜브의 외부인 증발 챔버 내의 입력 액체는 튜브의 내부 내로 누출될 수 없다. 또한, 예를 들면 튜브가 세정되거나 교체되는 것을 요구하는 경우의 요구가 발생되었다면, 직사각형 튜브 카트리지(358) 및 개스킷 조립체는 각각의 정수 장치로부터 탈착가능하다. 부가적으로, 튜브 카트리지는 또한 다양한 형상, 예를 들면 타원형 형상, 원 형상, 사다리꼴 형상 등으로 형성될 수 있어, 본 발명의 정화 장치 내로 끼워질 수 있다.

도 15는 스페이서를 가지는 본 발명의 응축 챔버의 튜브를 예시한다. 본 발명의 응축 챔버의 튜브는 튜브의 외부 둘레에 스페이서를 가질 수 있다. 스페이서는 튜브가 함께 그룹화될 때 서로로부터 임의의 두 개의 인접한 튜브를 물리적으로 분리하는 기능을 한다. 또한, 스페이서는 튜브 근처로 이동하는 증발 챔버 내의 기포를 포획하도록 기능한다. 포획되면, 기포는 스페이서를 따라 구동되고, 이에 의해 증발 챔버의 단부에 도달하는 것으로부터 기포가 느려진다.

튜브의 스페이서는 튜브의 일단부로부터 튜브의 타단부로 연장하는 하나 또는 둘 이상의 핀을 가질 수 있다. 예를 들면, 튜브(370)는 스페이서(372)를 가질 수 있다. 스페이서(372)는 나선으로 일 단부로부터 타 단부로 튜브(370)의 외부 둘레로 연장하는 단일 핀이다. 스페이서(370)는 또한 튜브(370) 근처로 이동하는 기포를 포착하기 위해 핀의 단부에 립(lip) 또는 에지를 가질 수 있다.

대안적인 실시예에서, 튜브(370)의 스페이서는 나선으로 튜브(370)의 외부 둘레로 연장하는 다수의 핀(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 더욱이, 핀 대신에, 튜브(370)의 스페이서는 링일 수 있고, 이 링은 튜브(370)의 길이를 따라 다양한 위치에서 튜브(370)로부터 돌출한다(예를 들면 도 13에 예시된 바와 같음).

도 16a는 본 발명의 응축 챔버의 튜브의 단부에 대한 확대도를 예시한다. 튜브(370)의 스페이서(372)는 기포를 포획하도록 튜브(370)로부터 말단 측 상에 에지(374)를 가질 수 있다. 에지(374)는 스페이서(372)의 나머지에 대해 변화하는 각도로 설정될 수 있다. 에지(374)는 또한 튜브(370)의 길이를 따라 스페이서(372)와 함께 연장할 수 있다. 부가적으로, 에지(374)는 포획된 기포가 스페이서(372)를 피하는 것을 허용하도록 튜브(370)를 따른 소정의 위치에서 테이퍼질 수 있다.

도 16b 내지 도 16c는 본 발명의 튜브의 스페이서에 대해 다양한 횡단면 형상을 예시한다. 본 발명의 스페이서의 에지는 변화하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 스페이서(380)는 스페이서(380)의 양 측부(또는 어느 한 측부)로 연장하는 곡선형 에지(382)를 가질 수 있다. 또한, 스페이서(384)는 스페이서(384)의 양 측부(또한 어느 한 측부)로 연장하는 평평한 에지(386)를 가질 수 있다. 본 개시물을 기초로 하여, 다른 에지 형상이 또한 본 발명과 관련하여 사용될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 따라서, 또한 본 발명이 다양한 에지 형상을 또한 교시하는 것이 이해된다.

도 17은 직사각형 튜브 카트리지를 가지는 정수용 본 발명의 다른 실시예의 도면을 예시한다. 본 발명의 정수 장치(400)는 증발 챔버(402), 직사각형 튜브 카트리지(406)를 가지는 응축 챔버(404), 압축기(408), 염수 펌프(410) 및 생성 수 저장부(412)를 포함한다. 증발 챔버(402)는 입력 액체로 채워져서 직사각형 튜브 카트리지(406)가 입력 액체 내에 잠긴다. 직사각형 튜브 카트리지(406)는 제1 단부캡(414) 및 제2 단부캡(416)을 갖는다. 단부 캡(414 및 416)은 정수 장치(400)의 개스킷 조립체 내로 끼워져서 입력 액체가 직사각형 튜브 카트리지(406)의 튜브의 내부로 누출되는 것을 방지하기 위해 밀봉부를 형성한다.

후드(418)는 포화 가스를 증발 챔버(402)로부터 압축기(408)로 보낸다. 압축기(408)는 이어서 표준 가스를 가압할 수 있고 과포화 가스를 직사각형 튜브 카트리지(406)의 튜브로 출력할 수 있다. 과포화 가스는 단부캡(414)을 통하여 튜브의 다른 측부, 즉 단부 캡(416)을 가지는 측부로 이동한다. 압축기(408)는 이의 기계적 에너지를 정수 장치(400)로 전달하도록 정수 장치(400)의 열적 경계 내에 위치될 수 있다. 예를 들면, 압축기(408)는 증발기 챔버(402)(도시되지 않음) 내로 잠길 수 있어 압축기(408)로부터의 기계적 에너지가 입력 수를 가열하기 위해 전달된다. 또한, 압축기(408)의 진동은 또한 정수 장치(400)를 진동시키는 것을 보조하여 응축 챔버(404)의 튜브 및 스페이서로부터 다양한 염수 및 다른 불순물을 제거한다.

과포화 가스가 튜브 내에서 응축될 때, 생성 수는 생성 수 저장부(412) 내로 배수될 수 있다. 응축 챔버(404)의 튜브는 일정한 각도로 약간 기울어질 수 있어 중력이 생성 수를 생성 수 저장부(412) 아래로 당길 수 있다. 튜브로부터 건조 공기는 증발 챔버(402)의 저부 또는 응축 챔버(404)의 저부로 보내질 수 있다. 염수 농도가 미리 결정된 수준에 도달할 때, 염수 펌프(410)는 증발 챔버(402)의 저부로부터 염소를 펌핑하는 것을 시작하기 위해 작동될 수 있다.

본 발명에서 개시된 다른 특징들이 정수 장치(400)와 관련하여 사용될 수 있다는 것이 당업자에게 명백하다. 따라서, 상기 특징은 또한 본 발명의 이러한 실시예로 적용될 수 있다는 것이 이해된다.

도 18은 본 발명의 데미스터의 사시도를 예시한다. 본 발명의 데미스터(420)는 예를 들면 서로 상에 적층되는, 서로 접착되는, 서로 몰딩되는, 또는 두 개의 층을 형성하기 위해 다른 제조 기술을 사용하여 서로 상에 커플링되는, 공기 역학적 핀의 두 개의 층(422 내지 424)을 가질 수 있다. 제1 층(422)은 액체가 핀의 표면을 적시는 것을 방지하기 위해 소수성 재료로 이루어지는 복수의 공기역학적 핀을 포함할 수 있다. 제1 층(422)의 핀은 실질적으로 평행하게 정렬된다. 제2 층(424)은 이러한 핀의 표면이 젖는 것을 증진하기 위해 친수성 재료로 이루어진 복수의 공기 역학적 핀들을 포함할 수 있다. 제2 층(424)의 핀은 또한 실질적으로 평행하게 정렬될 수 있다. 제1 층(422)의 핀 및 제2 층(424)의 핀은 실질적으로 서로 수직하게 위치될 수 있다. 다른 층의 핀은 필요한 대로 부가될 수 있거나 설계된다.

가스 및 액체는 증발 챔버로부터 끓을 때 방출된 액체가 제1 층(422)과 접촉하게 되는 경향이 있을 것이지만 이는 제1 층이 소수성이고 액체가 더 작은 비드로 깨져서 분리될 것이기 때문이다. 더 작은 비드가 상방으로 계속되는 경우, 비드가 앞으로 예를 들면 압축기로 빠져나가는 것을 허용하지 않고 친수성인 제2 층(424)이 제2 층(424) 상의 상기 비드의 적심을 증진할 것이다. 입력 수의 비드가 제2 층(424) 상에 모일 때, 중력이 입력 수의 비드를 다시 증발 챔버로 당기도록 작동할 것이다.

도 19는 본 발명의 데미스터의 부가 사시도를 예시한다. 바람직하게는, 층의 임의의 두 개의 인접한 핀의 중앙 사이의 분리 거리는 핀의 각각의 폭의 1/5일 수 있다. 예를 들면, 동일한 층의 두 개의 인접한 핀의 중앙 사이의 분리부(440)는 상기 층의 핀의 폭(442)의 길이의 1/5이다. 다른 거리 배열은 본 개시물을 기초로 하여 당업자에게 명백하다.

도 20은 본 발명의 데미스터의 공기역학적 핀을 예시한다. 데미스터의 공기역학적 핀(460)은 가스가 핀을 통과하는 것을 허용하기 위한 공기 역학적 설계를 가질 수 있다.

상기 개시물로부터 명백한 바와 같이, 본 발명은 간단하고 모듈형이고 입수가능한 정수 방법, 장치, 및 국부 조건에 적용될 수 있는 시스템을 제공하여 적은 동력 및 태양 및 풍력 동력과 같은, 심지어 가능하게는 자연적으로 이용가능한 에너지원을 이용하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 자체 모니터링될 수 있고 최소 트레이닝으로 현장에서 유지가능하고 최적 시스템 성능을 유지하기 위한 소모품의 사용을 필요로 하지 않는다.

본 발명은 또한 효율 및 생성 수 출력을 최적화하도록 다양한 단계에서 온도 및 습기를 모니터링하도록 정수 장치 내부에 위치되는 센서를 활용할 수 있다. 예를 들면, 응축 챔버 내의 기류는 최대 고려를 조장하도록 정확한 차이를 유지하도록 제어될 수 있다.

정수 장치의 제어 시스템은 예를 들면 입력 수 예열, 에너지 관리(태양 및 풍력 동력 생성을 포함함)를 제어하고, 곰팡이 형성을 방지하도록 안전한 온도를 유지하기 위해 다양한 단계에서 온도를 제어하기 위해 정수 장치를 연속적으로 모니터링할 수 있고, 무선/유선의 휴대 장치를 통해 그래픽 사용자 인터페이스를 제공하고 모든 시스템 조작, 자체 유지를 할 수 있고: 입력, 배출 및 생성 수의 품질을 시간 단위당 여러번 모니터링하고, 가능하게는 스케일링에 의해 유발되어 자체-플러싱/세정 사이클을 시작하는, 시스템의 효율이 저하될 때를 감지하고, 그리고 시스템을 주기적으로 자체 살균되도록 전기 히터를 제어함으로써 시스템이 안전온도 존을 조작하고 위험한 세균/곰팡이를 위한 번식지가 되지 않고 안전한 온도 존에서 작동하는 것을 보장하도록 연속하는 원리에 따른 시스템 온도를 모니터링할 수 있다. 부가적으로, 제어 시스템은 TDS 수준을 모니터링할 수 있다.

아마도 심지어 더 중요하게는, 제어 시스템은 최소 엔트로피 생성의 원리를 통하여 최대 에너지 효율을 위한 조작을 최적화하도록 적용될 수 있다. HDH 장치에서, 엔트로피 생성은 주로 소스 및 싱크 사이의 온도 차를 통한 열전달의 결과이다. 비록 엔트로피 생성 프로세스는 시스템 내부에 있으며, 이의 크기는 열 입력 및 출력 속도뿐만 아니라 실시간으로 각각의 외부 포트의 온도 및 질량 유량뿐만 아니라 입력 및 출력 속도를 모니터링함으로써 평가될 수 있다. 총 엔트로피 생산 속도가 얻어지면, MIMO(다수의 입력/다수의 출력) 적용 제어 알고리즘은 제어 최적화를 위한 목적적인 기능으로서 엔트로피 생성을 사용함으로써 엔트로피 생산을 최소 수준 근처로 유지하기 위해 적용될 수 있으며, 대부분의 에너지 효율인 조작 상태가 또한 적어도 엔트로피 생산을 하는 상태이고 그 반대도 가능하다. 대안적으로, 목적은 상이한 에너지 자원의 변화하는 비용을 고려하기 위해 엔트로피 생성이 아닌 유닛 에너지 비용이 되도록 선택될 수 있다. 이에 따라 가장 낮은 총 에너지 비용을 달성하도록 보조 증기 생성을 통한 직접 가열 및 기계적 압축의 혼합을 적용하는 것이 가능하게 될 것이다.

본 발명이 소정의 바람직한 실시예 또는 방법을 참조하여 설명되었지만, 본 발명이 이 같은 특정 실시예 또는 방법으로 제한되지 않는 것이 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명이 후술되는 청구범위에 의해 반영되는 것으로서 가장 넓은 의미로 이해되고 구성되는 것이 발명자의 견해이다. 이에 따라, 이 청구범위는 여기서 설명된 바람직한 장치, 방법 및 시스템뿐만 아니라 당업자에게 명백한 바와 같이 모든 다른 및 추가의 변화 및 수정도 포함하는 것으로서 이해되어야 한다.

Claims (20)

1. 입력 액체로부터 정화 액체를 생성하기 위한 장치로서,
   상기 입력 액체로 채워지는(flooded) 증발 챔버; 및
   상기 입력 액체 내에 배치되는 채널을 가지는 응력 챔버를 포함하며,
   액체-포화 가스가 상기 증발 챔버 내의 상기 입력 액체로부터 생성되고,
   상기 액체-포화 가스는 상기 채널의 제1 단부 내로 안내되고,
   상기 정화 액체는 상기 채널의 제2 단부에서 출력되는, 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 채널의 벽은 열 교환 벽이고 잠열이 상기 채널의 벽을 통해 상기 입력 액체와 상기 채널 사이로 전달되는, 장치.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 응축 챔버는 패널의 어레이이며 상기 패널 각각은 다수의 상기 채널을 갖는, 장치.
4. 제3 항에 있어서,
   다수의 상기 채널이 각 패널을 따라 나란히(in a row) 배열되는, 장치.
5. 제4 항에 있어서,
   선택된 상기 채널은 천공된 채널이고, 상기 입력 액체는 상기 천공된 채널의 내부로 유입되고, 상기 천공된 채널의 단부는 상기 입력 액체가 상기 응축 챔버를 채우는 것을 방지하기 위해 밀봉되는, 장치.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 채널은 튜브인, 장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 각 튜브는 스페이서를 가지며, 상기 튜브는 함께 그룹화되고, 상기 입력 액체는 상기 튜브들 사이에서 유동하는, 장치.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 각 튜브의 반경 방향 중심은 인접한 튜브의 반경 방향 중심과 등거리인, 장치.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 채널은 수평 방향으로 실질적으로 정렬되는, 장치.
10. 제1 항에 있어서,
    입구 및 출구를 가지는 압축기를 더 포함하며, 상기 압축기는 상기 입구를 통해 액체-포화 가스를 수용하고, 상기 압축기는 상기 액체 포화 가스를 가압하고, 상기 가압 액체 포화 가스는 상기 출구를 통해 상기 채널로 축출되는, 장치.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 응축 챔버 내의 상기 액체-포화 가스의 일부는 거품 생성 메커니즘을 통해 상기 증발 챔버로 재순환되는, 장치.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 액체-포화 가스의 상기 일부를 재순환하기 위한 P-트랩 채널을 더 포함하며, 상기 P-트랩 채널은 상기 증발 챔버를 상기 응축 챔버로 연결하고, 상기 응축 챔버 내의 압력은 상기 증발 챔버 내의 압력을 초과하는, 장치.
13. 제1 항에 있어서,
    침전 챔버를 더 포함하며, 상기 침전 챔버는 상기 액체 내의 더 무거운 입자가 상기 침전 챔버 내에 침전하는(settle) 것을 허용하기 위해 상기 증발 챔버에 연결되는, 장치.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 침전 챔버는 상기 침전 챔버로부터 입자를 펌핑하기 위해 디지털식으로 제어되는 펌프를 가지는, 장치.
15. 제13 항에 있어서,
    상기 침전 챔버는 다양하게 상호 연결된 수준을 가져 상기 상호 연결된 수준 각각에서 상이한 입자 농도를 허용하는, 장치.
16. 제1 항에 있어서,
    상기 증발 챔버에 의해 제공된 액체 포화 가스를 정화하기 위한 정전 집진기를 더 포함하는, 장치.
17. 입력 액체로부터 정화 액체를 생성하기 위한 장치로서,
    상기 입력 액체로 채워지는 증발 챔버;
    패널의 어레이를 포함하는 응축 챔버로서, 상기 각 패널은 상기 각 패널을 따라 나란히 배열되는 다수의 채널을 가지는, 응축 챔버; 및
    입구 및 출구를 가지는 압축기를 포함하며,
    상기 채널은 상기 입력 액체 내에 잠기며,
    상기 액체-포화 가스는 상기 입력 액체로부터 생성되며,
    상기 압축기는 상기 입구를 통해 상기 액체-포화 가스를 수신하며,
    상기 압축기는 상기 액체-포화 가스를 가압하며,
    상기 가압 액체 포화 가스는 상기 출구를 통해 상기 채널의 제1 단부로 축출되며,
    상기 정화 액체는 상기 채널의 제2 단부에서 출력되며,
    상기 채널의 벽은 열 교환 벽이며,
    상기 채널의 벽을 통해 잠열이 상기 입력 액체와 상기 채널 사이로 전달되는, 장치.
18. 제17 항에 있어서,
    상기 액체 포화 가스의 일부를 재순환하기 위한 P-트랩 채널;
    침전 챔버; 및
    상기 액체-포화 가스를 정화하기 위한 정전 집진기를 포함하며,
    상기 채널 중 선택된 채널이 천공된 채널이고,
    상기 입력 액체는 상기 천공된 채널의 내부로 유입되며,
    상기 천공된 채널의 단부는 상기 입력 액체가 상기 응축 챔버를 채우는 것을 방지하도록 밀봉되며,
    상기 채널은 수평 방향으로 실질적으로 정렬되며,
    상기 응축 챔버에서 상기 액체-포화 가스의 일부가 거품 생성 메커니즘을 통해 상기 증발 챔버로 재순환되며,
    상기 P-트랩 채널은 상기 증발 챔버를 상기 응축 챔버로 연결하며,
    상기 응축 챔버에서의 압력은 상기 증발 챔버에서의 압력을 초과하며,
    상기 침전 챔버는 액체 내의 더 무거운 입자가 상기 침전 챔버에 침전되는 것을 허용하기 위해 상기 증발 챔버에 연결되며,
    상기 침전 챔버는 상기 침전 챔버로부터 상기 입자를 펌핑하기 위한 디지털식으로 제어되는 펌프를 가지며,
    상기 침전 챔버는 다양하게 상호 연결된 수준을 가져 상기 상호 연결된 수준 각각에서 상이한 입자 농도를 허용하는, 장치.
    
19. 입력 액체로부터 정화 액체를 생성하기 위한 장치로서,
    상기 입력 액체로 채워지는 증발 챔버;
    튜브인 다수의 채널을 포함하는 응축 챔버; 및
    입구 및 출구를 가지는 압축기를 포함하며,
    상기 채널은 상기 입력 액체 내에 잠기며,
    액체 포화 가스가 상기 입력 액체로부터 생성되며,
    상기 압축기는 상기 입구를 통해 상기 액체 포화 가스를 수신하며,
    상기 압축기는 상기 액체-포화 가스를 가압하고,
    상기 가압 액체 포화 가스는 상기 출구를 통해 상기 채널의 제1 단부로 축출되며,
    상기 정화 액체는 상기 채널의 제2 단부에서 출력되며,
    상기 채널의 벽은 열 교환 벽이며,
    채널의 벽을 통해 상기 입력 액체와 채널 사이로 잠열이 전달되며,
    상기 튜브는 각각 스페이서를 가지며,
    상기 튜브는 함께 그룹화되고,
    상기 입력 액체는 상기 튜브들 사이로 유동하는, 장치.
20. 제19 항에 있어서,
    상기 액체-포화 가스의 일부를 재순환하기 위한 P-트랩 채널;
    침전 챔버; 및
    상기 증발 챔버에 의해 제공된 액체 포화 가스를 정화하기 위한 정전 집진기를 더 포함하며,
    상기 튜브의 각각의 반경 방향 중심이 인접한 튜브의 반경 방향 중심과 등거리이며,
    상기 채널은 실질적으로 수평 방향으로 정렬되며,
    상기 응축 챔버에서 상기 액체-포화 가스의 일부는 거품 생성 메커니즘을 통해 상기 증발 챔버로 재순환되며,
    상기 P-트랩 채널은 상기 증발 챔버를 상기 응축 챔버로 연결하고,
    상기 응축 챔버 내의 압력이 상기 증발 챔버 내의 압력을 초과하며,
    상기 침전 챔버는 액체 내의 더 무거운 입자가 상기 침전 챔버에서 침전되는 것을 허용하기 위해 상기 증발 챔버에 연결되며,
    상기 침전 챔버는 상기 침전 챔버로부터 상기 입자를 펌핑하기 위한 디지털식 제어 펌프를 가지며,
    상기 침전 챔버는 상기 상호 연결된 수준의 각각에서 상이한 입자 농도를 허용하는 다양하게 상호 연결된 수준을 가지는, 장치.

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