KR20160051022A - Efficient open cycle ocean thermal energy conversion (OTEC) using vacuum membrane distillation (VMD) for selective power generation and seawater desalination - Google Patents

Efficient open cycle ocean thermal energy conversion (OTEC) using vacuum membrane distillation (VMD) for selective power generation and seawater desalination Download PDF

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Abstract

Provided is efficient open cycle ocean thermal energy conversion (OTEC) using vacuum membrane distillation (VMD) for selective power generation and seawater desalination, wherein the OTEC withdraws seawater on a surface layer to flow into the VMD placed in a vacuum chamber by enabling steam generated from a VMD device to flow into a turbine to generate power by operating the turbine, and a heat exchange device is provided so as to desalinate condensed steam by heat exchanging the steam used in a turbine power generation device with deep water at a lower temperature.

Description

진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치 {Efficient open cycle ocean thermal energy conversion (OTEC) using vacuum membrane distillation (VMD) for selective power generation and seawater desalination}[0001] The present invention relates to an open-type seawater temperature difference generation and desalination apparatus using a vacuum film evaporation method,

본 발명은 프레온계 냉매 및 암모니아뿐만 아니라 작동 유체로서 이산화탄소를 사용하지 않는 개방형 해수 온도차 발전 및 담수화 장치에 관한 것이다. 더욱 상세히 설명하면 해수 온도차 발전 과정에 진공막 증류법을 적용하여, 해수의 증발률을 획기적으로 향상시켜서, 단위 시간당 전력과 담수 생산량을 동시에 선택적으로 증가시키는 방법이다. The present invention relates to an open seawater temperature difference power generation and desalination apparatus that does not use carbon dioxide as a working fluid as well as a freon refrigerant and ammonia. More specifically, the vacuum film distillation method is applied to the seawater temperature difference generation process to dramatically improve the evaporation rate of seawater, thereby selectively increasing power and fresh water production per unit time.

증발된 수증기는 전력생산 또는 해수 담수화 중 하나의 목적만을 위하여 사용될 수도 있고, 일부는 전력 생산에 그리고 그 나머지는 담수화에 사용되도록 운전을 조절할 수 있어, 기존의 해수 온도차 발전에서 필요한 플랜트의 체적을 최소화하는 동시에, 전력 및 담수 생산량을 획기적으로 증가시킬 뿐 아니라, 상대적으로 최적화시킬 수 있도록 한 해수 온도차 발전과 담수화 장치 및 그 발전과 담수화 방법에 관한 것이다.
The evaporated water vapor can be used only for one purpose of power generation or seawater desalination, and the operation can be controlled so that some of it is used for power generation and the remainder is used for desalination, thereby minimizing the volume of the plant required for conventional seawater temperature difference generation The present invention also relates to a seawater temperature difference power generation and desalination apparatus, a power generation method, and a desalination method, which not only increase power and fresh water production dramatically but also optimize relatively.

해양심층수란 태양광이 도달하지 않은 수심 200m 이상의 깊은 곳에 존재하는 해수자원을 말하며, 우리나라는 동해에 해양심층수 자원이 풍부하게 부존하고 있다. 도 1은 해양 표층수와 심층수를 나타낸 개략도이다. 해양심층수는 표층해수에 비해 병원성 미생물이 매우 적고 청정하여 식수로 적합하고, 무기영양염류가 풍부하고 미생물 오염의 원인이 되는 분해성 용존 유기물이 적어, 수산 양식수로도 적합하다. 또한 연중 일정한 온도를 유지하고 있어 생물 및 수질 관리가 용이하므로, 양호한 양식사육 환경을 조성할 수 있고, 다양한 미네랄과 필수 미량 원소를 비롯한 유용물질이 균형 있게 용존 되어 있어, 21세기의 유용한 청정자원으로 주목을 받고 있다.Deep sea water refers to seawater resources that are deep within 200m or less of the depth of the sea, and Korea has abundant deep ocean water resources in the East Sea. Fig. 1 is a schematic view showing ocean surface water and deep water. Marine deep seawater has fewer pathogenic microorganisms compared to surface seawater and is clean, suitable as drinking water, rich in inorganic nutrients, and degradable soluble organic matter that causes microbial contamination, and is also suitable as aquaculture water. It maintains a constant temperature throughout the year, facilitating the management of biological and water quality. It is able to create a good aquaculture environment and has a balanced balance of useful substances including various minerals and essential trace elements. It is getting attention.

일반적으로, 해양 온도차 발전은 수온이 높은 해양표층수와 수온이 낮은 해양심층수를 각각 기화열원과 응축열원으로 활용하여 전기를 생산하는 발전 시스템으로서, 해양 표층수(表層水)와 심해(深海) 냉수의 온도차를 열에너지로 이용하여 전기를 생산하는 발전시스템이다. 해양 온도차 발전은 발전 해면 가까이의 상온의 해수로 암모니아, 프레온 따위의 비등점이 낮은 액체를 가스화하여, 그 증기압이 높은 가스로 터빈을 돌리는 발전 방식인데, 터빈을 돌린 다음의 가스는 심해의 냉수로 식혀서 액체로 전환되는 방식으로 이루어진다. 도 2는 기존의 공지된 해양 표층수와 심층수를 이용한 온도차 발전의 원리를 나타낸다.In general, the ocean temperature difference generation is a power generation system that produces electricity by using ocean surface water with high temperature and deep ocean water with low water temperature as vapor heat source and condensation heat source, respectively. The temperature difference between ocean surface water and deep sea cold water Is used as thermal energy to produce electricity. The ocean temperature difference power generation is a method of generating electricity by gasifying ammonia and low boiling point liquid such as ammonia and freon, and turning the turbine to a gas having a high vapor pressure. The gas after turning the turbine is cooled by deep cold water Liquid < / RTI > FIG. 2 shows the principle of temperature difference generation using known ocean surface water and deep water.

경제성 있는 해양 온도차 발전을 위해서는 대량의 해양표층수와 해양심층수를 연속적으로 확보할 수 있어야 하는데, 냉각수로 사용되는 해양심층수는 우리나라 동해안에 거의 무한량으로 부존하고 있고, 수온도 2℃ 이하를 나타내기 때문에 온도차 발전용 냉각수로 활용될 수 있다.In order to develop the economical ocean temperature difference, it is necessary to continuously obtain a large amount of ocean surface waters and deep ocean water. The deep ocean water used as cooling water is almost unlimited in the east coast of Korea and the water temperature is 2 ° C or less. And can be utilized as cooling water for power generation.

특히 표층수는 태양열에 의해서 가열되며, 계절과 지리적인 영향을 많이 받게 되므로 우리나라와 같은 경우 연중 고온의 표층수를 확보하기가 어려운 해양환경이다. 다만, 여름철 수온이 25℃를 초과하기 때문에 계절적으로 온도차 발전이 가능하다. 이후 태평양 연안 도서국가에서의 활용 가능성은 매우 크다.In particular, since surface water is heated by solar heat and is subject to seasonal and geographical influences, it is difficult to secure surface water at high temperatures throughout the year in the case of Korea. However, since summer water temperature exceeds 25 ℃, seasonal temperature difference generation is possible. It is very likely to be used in Pacific Island countries.

기존의 해수온도차 발전에서 터빈을 구동하기 위해서 사용되는 냉매는 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 거치면서 열교환함으로서 전력을 생산하는 폐쇄식으로 운용된다. 폐쇄식의 온도차 발전의 경우 암모니아ㅇ프레온 따위의 비등점이 낮은 액체를 가스화한 냉매를 사용하는데 냉매의 특성에 따라 발전효율이 결정되는 특성을 갖게 된다.In the conventional seawater temperature difference power generation, the refrigerant used to drive the turbine is operated in a closed mode that produces electricity by heat-exchanging through compression, condensation, expansion and evaporation processes. In the case of the closed-phase temperature difference power generation, the refrigerant gasified by the ammonia o low-boiling point liquid is used, and the power generation efficiency is determined according to the characteristics of the refrigerant.

지금까지는 냉동기, 에어컨, 열펌프 등에 사용되는 냉매로는 메탄 또는 에탄에서 유도한 염화불화탄소(Chlorofluorocarbon, 이하 CFC라 한다)와 수소화염화불화탄소(Hydrochlorofluorocarbon, 이하 HCFC라 한다)가 주로 사용되어 왔고, CFC와 HCFC에 의한 성층권 내 오존층 붕괴가 중요한 지구환경문제로 대두되었으며 이로 인해 성층권 오존을 붕괴하는 CFC와 HCFC의 생산과 소비는 1987년에 만들어진 몬트리올 의정서에 의해 규제를 받고 있다.Chlorofluorocarbon (hereinafter referred to as CFC) and hydrofluorofluorocarbon (hereinafter referred to as HCFC), which are derived from methane or ethane, have been mainly used as refrigerants for refrigerator, air conditioner, heat pump and the like. The collapse of the stratospheric ozone layer by CFCs and HCFCs has emerged as an important global environmental issue, and the production and consumption of CFCs and HCFCs, which disrupt stratospheric ozone, are regulated by the Montreal Protocol,

따라서 본 발명은 프레온계 냉매 및 암모니아뿐만 아니라 작동 유체로서 이산화탄소를 사용하지 않는 개방형 해수 온도차 발전장치로서 해수 온도차 발전과정에 진공막증류법을 적용하여, 해수의 증발률을 획기적으로 향상시켜서, 단위 시간당 전력량과 담수량 생산을 각각 증가시킬 뿐만 아니라, 전력과 담수 생산량의 비율을 용이하게 조절하기 위한 새로운 발전 및 담수화 방법을 제공하고자 한다.
Accordingly, the present invention is an open-type seawater temperature difference power generation apparatus that does not use carbon dioxide as a working fluid as well as a freon refrigerant and ammonia. By applying the vacuum film distillation method to the seawater temperature difference generation process, the evaporation rate of seawater is remarkably improved, And fresh water production, as well as new power generation and desalination methods to easily control the ratio of power and fresh water production.

국내공개특허공보 제10-2011-0101754호는 해양 온도차 발전 사이클에서 응축용 냉각수로 사용되는 해양심층수와 기화용 온수로 사용되는 해양표층수 혹은 발전소 배출수를 기본적으로 사용하며 기존의 해양 온도차 발전 사이클에 비하여 소량의 해양심층수를 활용하여 발전 효율을 증대시킬 수 있는 해양심층수와 해양표층수 혹은 발전소 배출수를 이용한 다단 사이클형 해양 온도차 발전시스템에 관한 구성이 개시되어있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0101754 basically uses ocean surface water used as condensation cooling water and ocean surface water used as vaporizing hot water or power plant discharge water in the ocean temperature difference power generation cycle and compared with the existing ocean temperature difference power generation cycle There is disclosed a configuration related to a multi-stage cycle type offshore thermal power generation system using deep sea water and ocean surface water or power plant drain water, which can increase power generation efficiency by utilizing a small amount of deep sea water. 국내공개특허공보 제10-2011-0101754호는 해수 온도차 발전 장치에 관한 것으로, 외부 발전소의 복수기로부터 배출되는 온배수와 열교환하여 액체 상태의 냉매를 기화시키는 증발기와, 기화된 냉매의 압력에 의해 터빈을 회전시켜 전기 에너지를 발생시키는 발전기와, 해중(海中)에 설치되며, 해중의 해수와 열교환하여 기체 상태의 냉매를 액화시키는 응축기와, 액화된 냉매를 증발기로 송출하여 냉매를 냉매 순환관 내에서 순환시키는 냉매 순환 펌프를 포함하는 구성이 개시되어있다.Japanese Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0101754 relates to a seawater temperature difference power generation apparatus comprising an evaporator for vaporizing a refrigerant in a liquid state by heat exchange with a hot water discharged from a condenser of an external power plant, A condenser installed in the sea for heat exchange with the seawater in the sea to liquefy the gaseous refrigerant, and a condenser for sending the liquefied refrigerant to the evaporator so as to circulate the refrigerant in the refrigerant circulation tube And a refrigerant circulation pump for circulating the refrigerant. 국내공개특허공보 제10-2013-914호는 원자력 발전소를 포함하여 터빈을 사용하여 전력을 생산하는 각종 발전소의 복수기에서 배출되어 버려지는 온배수에 포함된 에너지를 재사용하기 위해 발전소 복수기에서 배출되는 온배수를 해수의 온도차를 이용한 온도차 발전시스템을 통하여 재사용하고, 온도차 발전시스템에서 사용되었던 저온수를 다시 발전소 복수기 냉각수로 공급하는 폐회로를 구성하여 전력을 생산하는 고효율 온도차 발전시스템에 관한 구성이 개시되어있다.Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2013-914 discloses a method for reusing energy contained in a waste water discharged from a condenser of various power plants using a turbine including a nuclear power plant, There is disclosed a configuration for a high efficiency temperature difference power generation system in which power is produced by constituting a closed circuit which is reused through a temperature difference power generation system using a temperature difference of seawater and which supplies low temperature water used in a temperature difference power generation system to cooling water of a power plant condenser. 국내등록특허공보 제10-1356122호는 압축기로부터 고온고압의 작동유체가 유입되는 터빈 1과; 상기 터빈1로부터 나온 작동유체를 다시 증발기의 내부를 통과시켜 온도와 압력이 증가된 작동유체가 유입되는 터빈 2와; 상기 터빈 2로부터 유출된 고온의 냉매와 펌프로부터 유출된 저온의 냉매를 서로 열교환시키는 재생기와; 상기 터빈2로부터 유출되어 재생기의 내부를 통과한 고온고압 냉매를 응축시키고자 응축기의 열원으로 공급되는 심층수와, 상기 펌프로부터 유출되어 재생기의 내부를 통과한 냉매를 증발시키고자 증발기의 열원으로 공급되는 표층수를 포함하는 해양 표층수 및 심층수 열원용 해양온도차 다단 터빈 발전사이클에 관한 구성이 개시되어있다.Korean Patent Publication No. 10-1356122 discloses a turbine 1 in which a high-temperature, high-pressure working fluid flows from a compressor; A turbine 2 through which the working fluid from the turbine 1 passes through the inside of the evaporator and into which a working fluid with increased temperature and pressure flows; A regenerator for exchanging heat between the high-temperature refrigerant flowing out of the turbine 2 and the low-temperature refrigerant flowing out of the pump; A deep water which is supplied to the heat source of the condenser to condense the high temperature and high pressure refrigerant which has flowed out from the turbine 2 and has passed through the inside of the regenerator and a condenser which is supplied to the heat source of the evaporator to evaporate the refrigerant flowing out of the pump, There is disclosed a configuration relating to an ocean surface temperature multi-stage turbine power generation cycle for ocean surface water and deep water heat source including surface water. 그러나 상기 선행문헌에는 본 발명의 기술적 특징인 표층해수를 취수하여 (기존의 개방형 해수 온도차 발전 장치의 진공 챔버보다 훨씬 크기가 작은) 진공챔버안의 진공막 증발 장치로 유입시키고, 막의 내벽 표면에서 물이 증발하여 수증기가 되고, 이 수증기가 이동하여 터빈을 회전 시키면서 동시에 담수화까지 이루어지는 온도차 발전 및 담수화를 위한 구성은 개시되고 있지 않다.However, in the above-mentioned prior art, the surface seawater as a technical feature of the present invention is taken in and introduced into a vacuum film evaporator in a vacuum chamber (which is much smaller than the vacuum chamber of an existing open type sea water temperature power generator) There has not been disclosed a configuration for generating a temperature difference and desalination which evaporates and becomes steam, and this water vapor travels to rotate the turbine and to desalinate. 또한, 발전 전력량과 해수 담수화량을 선택적으로 조절하여, 전력과 담수의 생산비율을 필요에 따라 조절할 수 있는 운전 방법에 관해서는 개시되지 않아 차이를 보인다.In addition, a method of selectively adjusting the power generation amount and the seawater desalination amount and adjusting the production ratio of the power and the fresh water as needed may not be disclosed.

본 발명은 기존의 해수온도차 발전에서 터빈을 구동하기 위해서 사용되는 냉매가 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 거치면서 열교환함으로서 전력을 생산하는 폐쇄식으로 운용되는 방법과는 달리 프레온계 냉매 및 암모니아뿐만 아니라 작동 유체로서 이산화탄소를 사용하지 않는 개방형 해수 온도차 발전 및 담수화 장치로서 진공막증류법을 적용한 선택적 발전/담수화 방법을 제공한다.
Unlike a conventional method in which a refrigerant used for driving a turbine in a seawater temperature difference power generation is operated in a closed mode in which electric power is produced by heat exchange while undergoing compression, condensation, expansion and evaporation processes, As well as a selective generation / desalination method employing a vacuum membrane distillation method as an open seawater temperature difference power generation system that does not use carbon dioxide as a working fluid and a desalination apparatus.

본 발명의 해양 표층수 및 심층수를 열원으로 이용하는 해양온도차 발전 사이클은 표층 해수를 취수하여 진공막증발장치 안으로 유입시켜 막의 표면에서 증발하여, 기체상 수증기로 바꿔, 막을 통과시켜, 진공 챔버에 모이도록 하는 진공막증발장치; 진공막증발장치로부터 발생된 수증기 일부를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌리기 위한 터빈장치; 진공막 증발장치로부터 발생된 수증기 나머지 부분을 제 2 응축기에 유입하여 저온의 심층수와 열교환 함으로서 수증기를 응축시키는 열교환 장치 및 담수화 장치; 터빈에서 사용된 수증기를 저온의 심층수와 열교환함으로서 응축된 수증기를 담수화하기 위한 열교환장치 및 담수화 장치; 최적의 발전 대 담수화 비율에 의해서 증발기 이후, 저온 펌프 이후, 그리고 제 1 응축기 이후에 기체와 액체의 단위 시간당 유량을 조절하는 분할기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
In the ocean temperature difference power generation cycle using ocean surface water and deep sea water of the present invention as a heat source, the surface sea water is taken and introduced into the vacuum film evaporator to evaporate on the surface of the membrane to convert it into gas phase water vapor, Vacuum film evaporator; A turbine device for introducing a part of steam generated from the vacuum film evaporator into the turbine to rotate the turbine; A heat exchanger and a desalination device for introducing the remaining portion of the steam generated from the vacuum film evaporator into the second condenser and performing heat exchange with the low temperature deep water to condense the steam; A heat exchanger and a desalination device for desalinating condensed water vapor by exchanging water vapor used in the turbine with low temperature deep water; And a divider for adjusting the flow rate of gas and liquid per unit time after the evaporator, after the cryogenic pump, and after the first condenser according to the optimal power generation to desalination ratio.

해양 온도차 발전시스템에서 응축용 냉각수로 사용되는 해양 심층수와 기화용 온수로 사용되는 해양 표층수를 사용하여, 무한한 해양 열에너지를 이용하여 발전 및 담수화 겸용 시스템을 구성함으로서 기존의 폐쇄형 해양 온도차 발전시스템보다 효율을 증대시킬 수 있고, 전력 생산과 담수 생산량을 필요에 따라 실시간으로 적절히 조절할 수 있어, 계절적 그리고 지역적 환경에 원활히 대응하여 생산 효율을 최적화 시킬 수 있다. By using ocean surface water used as cooling water for condensation and ocean surface water used as vaporizing hot water in marine temperature difference power generation system, it is possible to construct power and desalination combined system using infinite ocean thermal energy, And the power generation and desalination production can be appropriately adjusted in real time as needed to optimize the production efficiency by smoothly responding to the seasonal and local environment.

또한, 플래쉬 증발기 대신에 VMD 증발기를 적용 시, 플래쉬 증발기의 생산량과 같은 양을 생산하기 위한 VMD 증발기의 체적이 현저하게 감소되어 설치 및 유지비용이 저감되며, 비슷한 크기의 증발기를 이용했을 때는 VMD를 사용했을 경우에 플래쉬 증발보다 수십배 이상의 전력 및 담수 생산이 가능하다. 전력과 담수의 생산총량은 진공 챔버의 크기와 그 내부에 설치된 진공막 증발 장치의 막의 유효 표면적에 비례하게 되므로, 원하는 생산량에 따라 진공 챔버의 크기를 최적화하여 설계할 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 증발기 및 탑재구조물(선박, 바아지 등)의 초기투자비가 감소됨으로서 발전량이 증가되는 효과가 있다.
In addition, when the VMD evaporator is applied instead of the flash evaporator, the volume of the VMD evaporator to produce the same amount as the production amount of the flash evaporator is remarkably reduced, and the installation and maintenance cost is reduced. When the evaporator of the same size is used, When used, it is possible to produce power and desalination water several tens times higher than flash evaporation. The total production amount of electric power and fresh water is proportional to the size of the vacuum chamber and the effective surface area of the film of the vacuum film evaporator installed therein, so that it is possible to optimize the size of the vacuum chamber according to the desired production amount. Therefore, the initial investment cost of the evaporator and the mounting structure (ship, barge, etc.) is reduced, and the power generation amount is increased.

도 1은 해양 표층수와 심층수를 나타낸 개략도이다.
도 2는 기존의 공지된 해양 표층수와 심층수를 이용한 온도차 발전의 원리를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 진공막 증발장치를 이용한 해양온도차 발전 계통도를 나타낸다.
도 4는 전력생산을 위한 개방형 온도차 발전의 모식도를 나타낸다.
도 5는 농축수와 담수로 pressure-retarded osmosis (PRO)로 발전을 하는 과정을 나타낸다.
Fig. 1 is a schematic view showing ocean surface water and deep water.
FIG. 2 shows the principle of temperature difference generation using known ocean surface water and deep water.
3 is a schematic diagram of a marine temperature difference generation system using the vacuum film evaporator of the present invention.
Fig. 4 shows a schematic diagram of an open type temperature difference generation for power generation.
FIG. 5 shows the process of development of concentrated-water and pressure-retarded osmosis (PRO) in fresh water.

개방형 OTEC에 대한 개념 및 구동 순서는 다음과 같다. 증발기에서는 외부로부터 유입된 표층해수의 일부분이 수증기압의 차이에 의해서 증발을 하게 된다. 이때 증발기 내부의 압력은 표층해수의 온도에 해당하는 수증기압보다 낮아야 하며, 일반적인 경우 대기압의 1-3%의 압력이 유지된다.The concept and operation sequence for open OTEC is as follows. In the evaporator, a part of the surface seawater flowing from the outside is evaporated by the difference of water vapor pressure. At this time, the pressure inside the evaporator should be lower than the water vapor pressure corresponding to the temperature of the surface sea water, and in general, the pressure of 1-3% of the atmospheric pressure is maintained.

증발되는 물의 양은 투입되는 표층 해수량의 1% 이하이기 때문에 대부분의 표층해수는 다시 해양으로 되돌려지게 된다. 다량의 표층해수가 투입되어야 하는 이유는 증발의 추진력인 표층해수와 심층수의 온도차가 적으므로 (약 섭씨 20도), 증발시에 수면 또는 물방울의 표면에서 잠열을 흡수함으로 일어나는 온도분극현상(경계층에서의 온도 변화)을 최소화 하여야 하기 때문이다. 증발된 수증기는 바람을 일으켜서 터빈을 회전시켜 전기를 발생시킨다.Since the amount of water evaporated is less than 1% of the amount of surface seawater input, most of the surface seawater is returned to the ocean. The reason why a large amount of surface sea water should be injected is that the temperature difference between the surface sea water and the deep water which is the driving force of evaporation is small (about 20 degrees Celsius), so that the temperature polarization phenomenon caused by absorbing latent heat on the surface of water or water drops The temperature change of the fuel cell) must be minimized. The evaporated water vapor causes the wind to rotate the turbine to generate electricity.

전력발생에 사용된 수증기는, 응축기로 보내진다. 온도가 낮은 심층수가 응축기로 유입되어, 터빈 회전에 사용된 수증기의 보유열을 열교환기에서 빼앗아 응축시킨다. 유입된 심층수는 열교환 만을 목적으로 하기 때문에 열교환기에서 응축수 생산에 사용된 후 전량이 해양으로 방출된다. 담수화를 하지 않고, 전력 생산 만이 목적인 경우에는 유입된 심층수의 표면과 터빈을 통과한 수증기를 직접 접촉 시키는 직접 응축기 (direct condenser)가 사용되고, 담수화를 목적으로 할 때는 표면 응축기 (surface condenser)가 사용된다. 이때, 표면 응축기에서 응축된 수증기는 담수이므로, 실제 이 응축 작용은 해수의 상변화를 이용한 담수화 과정과 동일하다.
The water vapor used for power generation is sent to the condenser. Deep seawater having a low temperature flows into the condenser, and the heat of the steam used in the rotation of the turbine is taken away from the heat exchanger and condensed. Since the imported deep water is only for heat exchange, it is used for the production of condensate in the heat exchanger, and then the whole amount is discharged to the ocean. Direct condensers are used to directly contact the surface of the incoming deep water and the steam passing through the turbine, and a surface condenser is used for desalination purposes. . At this time, since condensed water vapor in the surface condenser is fresh water, the condensation effect is the same as the desalination process using the phase change of seawater.

도 3은 본 발명의 진공막 증발장치를 이용한 해양온도차 발전 계통도를 나타낸다.3 is a schematic diagram of a marine temperature difference generation system using the vacuum film evaporator of the present invention.

1. 해양온도차를 이용한 농축수와 담수 생산 및 발전1. Production and development of concentrated water and desalination using ocean temperature difference

본 발명의 진공막 증발장치를 이용한 해양온도차 발전 설계예로서 온도차 발전은 증발한 수증기의 증발 유량을 먼저 결정하고 (전력생산 200kW급, 3.5 kg/s), 전체 시스템을 설계하였다.As a design example of the temperature difference generation using the vacuum film evaporator of the present invention, the evaporation flow rate of the evaporated steam was determined first (power generation of 200 kW, 3.5 kg / s) and the whole system was designed.

표층 해수(20-35도)를 취수하여 진공 챔버 안에 있는 진공막증발 장치 안으로 유입시킨다. 이때 일부의 수량이 막의 표면에서 증발하여, 기체상 수증기로 바뀌며, 막을 통과하여, 진공 챔버에 모이게 된다. 이 투입수의 온도는 약 25-30도이며, 농도는 일반 표층해수의 농도인 35,000 ppm 이다(도 3의 1 참조).The surface seawater (20-35 degrees) is taken and introduced into the vacuum evaporator in the vacuum chamber. At this time, a part of the water evaporates on the surface of the membrane, is converted into gas phase water vapor, passes through the membrane, and is collected in the vacuum chamber. The temperature of this input water is about 25-30 degrees, and the concentration is 35,000 ppm, which is the concentration of normal surface sea water (see 1 in FIG. 3).

증발막증류 장치를 통과한 표층수는 이전에 막을 통과한 투과수의 수량에 비례해서, 온도가 약간 낮아지고, 농도는 미세하게 높아진다. 그러나, 막투과 수량이 해양 표층 입수량에 비해서 상대적으로 매우 적기 때문에 (약 0.6 %) 이러한 온도 및 농도의 변화는 크지 않다. 진공막 증발장치를 통과한 증발하지 않은 대부분의 표층수는 다시 해양으로 방출한다(도 3의 2 참조).The surface water passing through the evaporation membrane distillation apparatus is slightly lower in temperature and slightly higher in concentration, in proportion to the quantity of the permeated water that has passed through the membrane beforehand. However, since the membrane permeation rate is relatively small (about 0.6%) compared to the ocean surface layer, the change in temperature and concentration is not significant. Most non-evaporated surface water that has passed through the vacuum film evaporator is again released to the ocean (see 2 in FIG. 3).

진공 챔버의 압력은 투입되어 오는 표층수의 온도에 해당하는 수증기압보다 낮아야 한다. 따라서, 0.01-0.03 atm 이 적정한 수준이다(도 3의 3 참조). 터빈으로 유입되는 수증기의 유량은 막증발기에서 생산된 수증기 증발 유량과 같으며, 터빈 채널의 구경과 확장계수에 따라서, 수증기의 속도와 터빈 통과 후의 온도가 결정된다(도 3의 4 참조).The pressure of the vacuum chamber should be lower than the water vapor pressure corresponding to the temperature of the input surface water. Therefore, 0.01-0.03 atm is appropriate (refer to 3 in FIG. 3). The flow rate of the water vapor entering the turbine is equal to the evaporation flow rate of the water vapor produced in the membrane evaporator, and the speed of the water vapor and the temperature after passing the turbine are determined according to the diameter and expansion coefficient of the turbine channel (see FIG.

저온 심층수 (5-8℃)를 유입하여, 열 교환기를 통과시키고, 다시 해양으로 방출하며, 이 방출수의 온도는 약 7-10도가 된다(도 3의 5, 6 참조). 이 저온 심층수는 다른 물과 섞이지 않고 열교환을 위해서만 사용되므로, 각 이온들의 성분비는 표층해수와 다르나, 전체 농도는 일반 표층해수와 마찬가지로 35,000ppm 을 유지한다. 터빈을 돌리는 데 사용되었던 더운 수증기 기체가, 이 차가운 열교환기의 표면에 접촉되어, 물로 응축된다(도 3의 7 참조). 여기에서 만약 직접 접촉법을 사용하게 된다면, 응축기가 필요없고, 유입된 저온 심층수의 수표면과 터빈을 통과한 수증기가 직접 접촉하여 응축이 일어나게 된다. 응축수들이 모두 수합이 되면, 그 온도는 심층 저온수보다는 조금 높은 약 9-12도가 된다. 이 응축수는 해수의 증발로부터 상전이를 통해서 염을 제거하여 만들어진 담수이므로, 그 농도는 0.0 ppm 에 가깝다(도 3의 7 참조).The low temperature deep seawater (5-8 캜) is introduced, passed through a heat exchanger, and then discharged to the ocean, and the temperature of the discharged water is about 7-10 캜 (see 5 and 6 in Fig. 3). Since this low temperature deep water is used only for heat exchange without mixing with other water, the composition ratio of each ion is different from that of surface sea water, but the total concentration is kept at 35,000 ppm like ordinary surface sea water. The hot water vapor that had been used to drive the turbine contacts the surface of this cold heat exchanger and condenses into water (see 7 in FIG. 3). Here, if direct contact is used, no condenser is needed, and the surface of the incoming low-temperature deep water and the water vapor passing through the turbine are in direct contact with each other and condensation occurs. When the condensates are all collected, the temperature is about 9-12 degrees, which is slightly higher than the deep low temperature water. Since this condensate is fresh water produced by removing salts through phase transformation from the evaporation of seawater, its concentration is close to 0.0 ppm (see 7 in FIG. 3).

도 3과 같이 본 발명은 진공막 증발장치 안으로 유입된 일부의 수량이 막의 표면에서 증발하여, 기체상 수증기로 바뀌며, 막을 통과하여, 진공 챔버에 모이게 되고 수증기로 증발되어 증발된 수증기가 터빈을 회전시켜 터빈과 연결된 발전기에서 전기 에너지를 발생시키고, 터빈에서 방출된 수증기는 저온의 심층수와 열교환함으로서 응축되어 액체 상태의 담수가 된다.
As shown in FIG. 3, the amount of water introduced into the vacuum evaporation apparatus is evaporated on the surface of the membrane, converted into vapor phase water vapor, passed through the membrane, collected in a vacuum chamber, evaporated by water vapor, The steam generated from the turbine is condensed by heat exchange with the low temperature deep water and becomes liquid fresh water.

1.1 VMD 구성 및 작동법에 의한 분류1.1 Classification by VMD Configuration and Operation

도 3의 1단계에서 이용되는 막증발법은 직접막증발 (direct contact membrane distillation), 진공막증발(vacuum membrane distillation), air-gap membrane distillation, sweep-gas membrane distillation의 네 가지가 이용될 수 있다. 이중에서 본 발명은 개방형 OTEC의 증발기를 대체 할 수 있는, 기본 기작이 OTEC 증발기와 유사한 진공막 증발법(VMD)을 이용한다.
The membrane evaporation method used in step 1 of FIG. 3 can be performed by four methods: direct contact membrane distillation, vacuum membrane distillation, air-gap membrane distillation, and sweep-gas membrane distillation . In this case, the present invention uses a vacuum film evaporation (VMD) method in which the basic mechanism is similar to the OTEC evaporator, which can replace the evaporator of open OTEC.

1.1.1 적용원리1.1.1 Application Principle

진공막증발법은 상단부와 하단부가 멤브레인으로 분리된 하단부분 내부를 펌프를 이용해서 진공상태로 만들고, 상단부는 더운 물이 오른쪽에서부터 유입되어 왼쪽으로 배출하면 막의 상단 표면에서 증발이 일어나며, 생성된 수증기들이 수증기압과 진공압의 차이를 추진력으로 해서 막을 통과하게 된다. 수집된 수증기는 외부의 응축기를 이용하여 담수화한다. 이 진공막증발법은 직접막증발법에 비해서 멤브레인을 통한 열손실과 물질전달의 저항이 매우 적은 것이 큰 장점이다.The vacuum evaporation method is a vacuum evaporation method in which the upper part and the lower part of the lower part separated by the membrane are vacuumed by using a pump and the upper part is evaporated at the upper surface of the membrane when hot water is introduced from the right side and discharged to the left, Pass through the membrane with the difference between the water vapor pressure and the vacuum pressure as the driving force. The collected water vapor is desalinated using an external condenser. This vacuum film evaporation method is a great advantage that the resistance to heat transfer and mass transfer through the membrane is very small as compared with the direct film evaporation method.

이와 같은 진공막 증발법을 개방형 OTEC 에 적용시키는 것이 본 발명의 기술적 특징이라고 할 수 있다, 본 발명의 셀계예에 의하면 예를 들어, 26℃ 의 표층해수가 유입되어 진공막증발 장치에서 사용되면, 잠열을 빼앗긴 방출수의 온도는 유입수보다 약간 낮게 될 것이고, 진공챔버에서 터빈으로 이동하는 수증기의 온도는 약 5℃ 차이를 가지는 21-24℃가 된다.According to the cell example of the present invention, when the surface layer seawater having a temperature of 26 占 폚 is introduced into the evaporation apparatus of a vacuum film, for example, The temperature of the effluent water deprived of latent heat will be slightly lower than the influent, and the temperature of the water vapor moving from the vacuum chamber to the turbine will be 21-24 ° C with a difference of about 5 ° C.

따라서, 막의 양단에 걸리는 수증기압 차이가 적으므로, 막의 재질과 모듈을 특수하게 설계할 필요가 있다. 막은 기본적으로 소수성이어야 하며, 막의 두께는 기존의 상용화 제품들 보다 얇고 (0.1mm 이하), 기공의 크기는 약 0.2-0.3um 이상으로 크게 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 표층해수와 심층수의 온도차에 의한 수증기압 차이가 상대적으로 적기 때문에 막의 기공을 크게 함으로 증발효율을 증가시켜야 하고, 만약 wetting이 일어나더라도, 증발 없이 막을 통과한 물이 막의 유효 표면적을 크게 변화 시키지 않기 때문에, 증발 효율이나 생산 담수의 농도에 크게 영향을 미치지 않기 때문이다.
Therefore, it is necessary to specially design the material and the module of the membrane because the difference in the water vapor pressure across the membrane is small. The membrane should be basically hydrophobic, and the membrane thickness should be thinner (less than 0.1 mm) and larger than the pore size of the conventional commercialized products by about 0.2-0.3um or more. This is because the difference in water vapor pressure due to the temperature difference between the surface seawater and the deep water is relatively small so that the evaporation efficiency should be increased by increasing the porosity of the membrane and even if wetting occurs, the water passing through the membrane without evaporation greatly changes the effective surface area of the membrane Because it does not significantly affect evaporation efficiency or the concentration of freshwater produced.

1.1.2 기본기작1.1.2 Basic Mechanism

온도가 높은 쪽의 막표면에서 26도의 표층 해수는 증발하여 막을 통하여 그 반대편으로 이동하게 되는데, 증발의 이유는 진공을 걸어주는 막의 반대편 쪽의 압력을 26도에 해당하는 표층 해수의 수증기압보다 낮게 유지시키기 때문이다. 수증기가 막의 기공내부를 통과하는 기작은 Knudsen확산과 viscous flow로 설명된다. Knudsen 확산은 막의 기공이 수증기 입자의 평균 자유 행로보다 작은 경우, 입자간 충돌보다는 수증기 입자와 기공의 내벽 사이의 충돌에 의해서 물질 전달이 이루어 지는 것이고, viscous flow는 막의 양단에 걸리는 수증기압 차이에 의해서 생기는 수증기 기체 흐름에 의한 대류적 물질이동의 기작이다.
At the higher temperature surface, 26 degrees of surface water seeps and evaporates and moves to the opposite side through the membrane. The reason for evaporation is to keep the pressure on the opposite side of the membrane that is holding the vacuum lower than the water vapor pressure of surface seawater I will. The mechanism by which water vapor passes through the pores of the membrane is explained by Knudsen diffusion and viscous flow. Knudsen diffusion is the transfer of material by collision between water vapor particles and the inner wall of the pore, rather than collision between particles, when the pore of the membrane is smaller than the average free path of the water vapor. Viscous flow is caused by the difference in vapor pressure across the membrane It is a mechanism of convective mass transfer by steam gas flow.

1.1.3 Module1.1.3 Module

본 발명의 막증발법의 모듈은 (1) plate and frame (평막), (2) tubular capillary 또는 hollow fiber, (3) spiral wound의 세가지를 들 수 있다.The module of the film evaporation method of the present invention includes (1) plate and frame, (2) tubular capillary or hollow fiber, and (3) spiral wound.

평막은 막과 spacer가 주기적으로 겹겹이 쌓이는 형태로 만들어 진다. 이 방법은 설치와 운영이 매우 쉽기 때문에 가장 많이 쓰이는 모듈의 형태이다. 하지만, 단위 부피당 막면적 비율이 다른 모듈보다는 적다는 단점이 있기 때문에 실제 산업용으로는 선호되지 않는다.Plates are made in a periodic stack of membranes and spacers. This is the most common form of module because it is very easy to install and operate. However, it is not preferred for practical industrial use because it has a drawback that the membrane area ratio per unit volume is smaller than other modules.

Capillary tubular 또는 hollow fiber module은 평막이 가지는 적은 막면적 비율이라는 단점을 해소한다. 평막이 가로 세로 두께로 그 기하학적 구조가 표현된다면, hollow fiber는 내경, 외경, 그리고 길이로 표현된다. 막의 집적도가 매우 높은 반면, 작은 구경의 내부로 유입수를 넣는데 필요한 압력이 관건이 될수 있다. Tubular module 은 hollow fiber에 비해서 구경이 크고 (약 1cm), 스스로 지지할 수 있기 때문에, 자주 이용된다. 막의 집적도가 hollow fiber 보다는 작지만, 평막보다는 큰 것도 장점으로 작용한다.The capillary tubular or hollow fiber module eliminates the disadvantage of the small membrane area ratio of the flat membrane. If the flat membrane is represented by its geometric structure in transverse thickness, the hollow fiber is expressed as inner diameter, outer diameter, and length. While the density of the membrane is very high, the pressure required to introduce the influent into the small caliber can be the key. Tubular modules are often used because they are larger in diameter (about 1 cm) than hollow fibers and can support themselves. The density of the membrane is smaller than that of the hollow fiber, but it is also advantageous that the membrane is larger than the flat membrane.

Spiral wound module은 역삼투법에서 흔히 쓰이는 형태이다. Flexible 한 평막을 spacer와 함께 말아서 만드는 모듈형태인데, 다른 모듈에 비해서 막과 막 사이의 유체 유동을 만들기 위한 필요 압력이 높은 편이다. 막의 집적도는 높으나 구조상 막오염 (membrane fouling)이 일어나기 쉽다. 상업용 Spiral wound는 보통 1 미터 이상 길게 만드는 것이 보통인데, 증발법의 경우 막의 길이에 따른 열손실로 인해서 그 길이를 약 30-50 cm 이상으로 제조하는 것은 바람직하지 않다. 따라서, 다른 모듈에 비해서 spiral wound는 막증발법에 덜 적합하다. 특히 본 발명의 장치인 VMD-OTEC 에 적용될 경우, 수증기 분자가 확산을 통해 이동할 수 있는 공간이 다른 모듈에 비해 매우 작다.
Spiral wound modules are a common form of reverse osmosis. Flexible flat membranes are modules that are rolled together with a spacer, which requires a higher pressure to create a fluid flow between membrane and membrane than other modules. Although the degree of integration of the membrane is high, membrane fouling is apt to occur in the structure. Commercial spiral wound is usually made longer than 1 meter. In the case of evaporation method, it is not preferable to make the length of about 30-50 cm or more because of heat loss according to the length of film. Therefore, spiral wound is less suitable for film evaporation than other modules. Especially when applied to the VMD-OTEC, an apparatus of the present invention, the space in which water vapor molecules can move through diffusion is very small compared to other modules.

1.1.4 막의 재질1.1.4 Material of membrane

막증발법에 이용되는 막의 재질은 polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) 및 polypropylene (PP)로 나누어진다. 각각의 막은 그 물리적 특성에 의해서 구체화 되는데, 기공크기, LEP (liquid entry pressure), 공극률, tortuosity, thermal conductivity 가 그것이다. LEP 는 막의 면을 지나는 물의 최대 압력인데, 온도가 높은 유입수 측의 수압이 이 LEP보다 국소적으로 높으면, 막의 표면에서 증발이 일어나지 않고, 물이 직접 막을 통과하는 막 젖음 (membrane wetting) 이 발생하게 된다. 이 wetting이 주는 단점은 본 발명인 VMD-OTEC 의 경우, 위에서 말한 것처럼 DCMD보다 매우 적다. 그러나, wetting 의 발생 확률은 가능한 한 낮추는 것이 바람직하다.Membrane materials used in the membrane evaporation method are polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polypropylene (PP). Each membrane is characterized by its physical properties: pore size, liquid entry pressure (LEP), porosity, tortuosity, and thermal conductivity. LEP is the maximum pressure of water passing through the membrane surface. If the water pressure at the higher inlet water side is locally higher than this LEP, evaporation does not occur at the surface of the membrane and membrane wetting through water directly occurs do. The disadvantage of this wetting is that the VMD-OTEC of the present invention is much smaller than the DCMD as described above. However, it is desirable to lower the probability of occurrence of wetting as much as possible.

본 발명에서 사용되는 막의 재질로는 PVDF 막이 적절하며, 열전달률은 0.17-0.21W/K·m, 공극률 (porosity) = 0.7-0.8, LEP = 100-200 kPa의 범위를 가진다. 막의 기공은 제조사에 따라서 다르지만, 최소 0.2 μm 이상, 최대 1.0 μm이하인 것이 보통이다. 같은 공극률이라도, 기공의 크기가 큰 경우에 수증기의 물질전달이 용이하다. 반면, 기공이 너무 크면 LEP가 감소하므로, 낮은 수압에도 위에서 말한 wetting이 쉽게 일어날 수 있다. VMD인 경우에도 막 기공이 너무 커서 wetting 이 심각하게 일어나면, 그 생산효율이 심각하게 저하될 수 있다.As the material of the film used in the present invention, a PVDF film is suitable, and the heat transfer coefficient is in the range of 0.17-0.21 W / Km, porosity = 0.7-0.8, and LEP = 100-200 kPa. The porosity of the membrane varies depending on the manufacturer, but it is usually at least 0.2 μm and at most 1.0 μm. Even with the same porosity, mass transfer of water vapor is easy when the pore size is large. On the other hand, if the pore is too large, the LEP is reduced, and the above-mentioned wetting can easily occur even at low water pressure. Even in the case of VMD, if the film pore is too large to cause wetting seriously, the production efficiency may be seriously degraded.

PTFE 막은 PVFD에 비해서 열전도도가 높은 반면 (0.25-0.29 W/K m), 공극률 역시 높다 (porosity=0.8-0.9). 높은 공극률 때문에 LEP 는 PVFD 에 비해서 약간 높은 100-300 kPa이 되고, 막의 구경은 일반적인 범위 안에 있으며 (0.2-1.0 um), PTFE 는 PP 를 그 지지체로 쓰는 경우가 많다.PTFE membranes have higher thermal conductivity (0.25-0.29 W / Km) and higher porosity (porosity = 0.8-0.9) than PVFD. Because of the high porosity, LEP is slightly higher than PVFD to 100-300 kPa, the membrane diameter is within the general range (0.2-1.0 μm), and PTFE often uses PP as its support.

PP는 그 자체로 막증발법의 막으로 쓰일 수도 있는데, 열전도도는 0.11-0.2 W/K m, 공극률은 약 0.70 의 특성을 가진다. PP의 경우 막증발 효율이 PVDF 와 유사하다.The PP itself can be used as a membrane of the evaporation method. The thermal conductivity is 0.11-0.2 W / Km and the porosity is about 0.70. In the case of PP, the film evaporation efficiency is similar to PVDF.

VMD를 개방형 OTEC에 적용할 때는, 앞서 말한 것과 같이, 특이하게도 wetting 이 큰 문제가 되지 않는다. 그 이유는 물이 막을 액체의 형태로 바로 통과를 하더라도 결국 진공 챔버 안에 머무르게 되기 때문에, 이 물의 표면에서도 증발이 지속적으로 발생하기 때문이다. Wetting 으로 통과한 물이 모두 증발이 된다면, 이 수증기 역시 터빈을 회전시키는 데 일조를 하게 될 것이다. 만약, 전량이 증발하지 않고, 잔여량이 지속적으로 축적된다면, 일시적으로 작동을 중단시켜서 이 물을 방출 (drain)시켜야 하며, 이것은 고인 물이 2차적으로 막의 외벽 표면을 막지 않도록 하기 위한 것이다.When applying the VMD to an open OTEC, wetting is not particularly a problem, as mentioned above. This is because evaporation continues to occur on the surface of the water, since the water will eventually remain in the vacuum chamber even if it passes directly in the form of a liquid. If the water that passes through the wetting process is all evaporated, this vapor will also help turn the turbine. If the entire volume does not evaporate and the remaining volume accumulates continuously, it must be temporarily shut down to drain this water, which is to ensure that the dead water does not secondarily block the outer wall surface of the membrane.

개방형 온도차 발전의 특징 중의 하나는 표층해수와 심층해수의 온도와, 그에 따른 진공압 차이가 거의 고정된 값으로 주어져 있기 때문에 이를 이용하여, 막의 재질을 개방형 온도차 발전에 맞추어 최적화시켜야 한다는 것이다. 중공사막 (hollow fiber)인 경우, 정상 상태에서 막의 기하학적 변형이 일어나지 않는 한도 내에서, 막의 내경과 외경, 기공의 구경, 공극률, 그리고 굴곡비 (tortuosity) 를 적절히 조절하여, wetting이 일어나지 않는 한도 내에서, 증발에 대한 저항을 최소화할 수 있다.
One of the characteristics of the open-type temperature difference power generation is that the temperature of the surface seawater and deep seawater and the corresponding vacuum pressure difference are given as fixed values so that the material of the membrane should be optimized to the open temperature difference development. In the hollow fiber, the inner diameter and outer diameter of the membrane, the aperture of the pores, the porosity, and the tortuosity of the membrane are appropriately adjusted so long as the membrane does not undergo geometric deformation in the steady state, , The resistance to evaporation can be minimized.

<실시예 1> &Lt; Example 1 >

개방형 온도차 발전 장치의 핵심 부분인 증발기 (flash evaporator) 는 표층해수를 sprout 방식으로 분사하여 증발시키는 것을 목적으로 한다. 목표하는 발전량에 따라서, 증발기의 체적이 결정되는데, 200kW인 경우 밑면적 18m2, 높이 6.9미터이고, 1.8MW 인 경우 직경 9.2 미터, 높이 약 20미터에 근접한다. 따라서 각각의 체적은 165.6m3 과 1506m3 이다. 200kW 개방형 온도차 발전의 수증기 증발량은 3.5 kg/s 로 디자인 되고, 1.8 MW 인 경우에는 33.4 kg/s 가 적절하다.The evaporator (flash evaporator), which is an integral part of the open-type temperature difference generator, aims to spray the surface seawater by sprout method and evaporate. Depending on the target power generation, the volume of the evaporator is determined, with a floor area of 18 m 2 and a height of 6.9 m for 200 kW and a diameter of 9.2 m and a height of about 20 m for 1.8 MW. Thus, the volumes are 165.6 m 3 and 1506 m 3, respectively. The steam evaporation of the 200 kW open-air temperature difference power generation is designed to be 3.5 kg / s, and for 1.8 MW, 33.4 kg / s is appropriate.

본 발명의 개방형 온도차 발전의 증발기를 진공막증발 장치로 바꾸었을 때, 동일한 수증기 증발량을 위한 체적의 감소는 다음과 같이 산출할 수 있다. 일례로, 1.8MW 개방형 온도차 발전장치를 기준으로 하여 비교한다.When the evaporator of the open type temperature difference power generator of the present invention is replaced with a vacuum film evaporator, the decrease in volume for the same vapor evaporation amount can be calculated as follows. For example, a comparison is made based on a 1.8 MW open-type temperature difference generator.

일반적인 막여과 장치의 필요 체적은 막의 표면적을 모듈의 집적도로 나눈 값이 된다. 중공사 막인 경우, 집적도는 막의 외경에 반비례하여, 외경이 1 mm 인 경우, 약 1000 m3/m2 가 된다. 필요한 막의 면적은 개방형 온도차 발전의 수증기 증발량 (kg/s)을 진공 막증발 장치의 플럭스로 나누어 얻게 된다.The volume required for a typical membrane filtration device is the surface area of the membrane divided by the degree of integration of the membrane. In the case of a hollow fiber membrane, the degree of integration is inversely proportional to the outer diameter of the membrane, and is about 1000 m 3 / m 2 when the outer diameter is 1 mm. The area of the required membrane is obtained by dividing the steam evaporation amount (kg / s) of the open-type temperature difference power generation by the flux of the vacuum film evaporator.

이 플럭스를 결정하는 인자는 막의 양단에 걸리는 압력차, 온도차, 막의 두께, pore size, porosity, tortuosity 이다. 압력 차이는 증발기에 유입되는 표층해수의 온도와 증발기에서 유출되는 수증기의 온도로 결정됨으로, 표층해수와 심층수의 온도가 일정할 경우, 막증발의 기본 추진력이 되는 이 수증기압 차이는 일정하다고 볼 수 있다.The factors determining this flux are the pressure difference across the membrane, temperature difference, film thickness, pore size, porosity, and tortuosity. The difference in pressure is determined by the temperature of surface sea water flowing into the evaporator and the temperature of water vapor flowing out of the evaporator. Thus, when the temperature of surface sea water and deep water is constant, this difference in water vapor pressure, .

막의 두께는 일반적으로 0.1 mm 를 넘지 않으며, pore diameter 는 1-3micron 의 범위를 갖고, porosity는 0.7-0.8 이 일반적이며, tortuosity 는 porosity에 반비례하는데 그 값은 약 2.0 내외이다. 이 경우 최종적인 플럭스는 접촉각으로 추산할 수 있는 막의 소수성에 의해서 결정이 되는데, 그 값은 약 0.1 g/m2s 내외가 된다. 필요한 막의 면적은 334,000m2 로 계산되고, 필요 체적은 이 막면적을 집적도로 나눈 334m3 으로 1.8MW 의 증발기보다 약 5배 작은 크기를 가진다.The thickness of the film is generally not more than 0.1 mm, the pore diameter is in the range of 1-3 microns, the porosity is generally in the range of 0.7-0.8, and the tortuosity is inversely proportional to the porosity. In this case, the final flux is determined by the hydrophobicity of the film, which can be estimated as the contact angle, which is about 0.1 g / m 2 s. The required membrane area is calculated as 334,000 m 2 , and the required volume is 334 m 3 divided by the degree of integration, which is about 5 times smaller than the 1.8 MW evaporator.

따라서 종전의 tower-type 이었던 증발기를 높이 1-2미터 이내의 2차원적 평면에 설치할 수 있다. 기존의 개방형 온도차 발전의 경우, 증발기에서 유출되는 수증기의 온도는 증발기의 진공압력으로 결정된다.Therefore, the former tower-type evaporator can be installed in a two-dimensional plane within 1-2 meters in height. In the case of the conventional open-type temperature difference power generation, the temperature of the water vapor discharged from the evaporator is determined by the vacuum pressure of the evaporator.

즉, 증발기 진공 압력을 물의 포화 수증기압으로 놓았을 때, 이에 해당하는 온도이다. 이 증발기 내부에서 미세 물방울들이 형성되고, 상승했다가, 다시 하강하는 과정에서 물의 증발이 발생하게 된다. 이 때문에 상대적으로 큰 체적이 필요하고, 진공압력을 0.03 atm이하로 감소시켜 유지해야 한다.That is, when the evaporator vacuum pressure is set to the saturated water vapor pressure of water, it corresponds to the temperature. The water droplets are formed inside the evaporator, and the evaporation of the water occurs in the process of rising and falling again. For this reason, a relatively large volume is required and the vacuum pressure must be maintained at 0.03 atm or less.

그러나 막증발의 경우 막의 집적 형태를 다양하게 디자인하여 적용시킬 수 있고, 물의 증발이 막 표면에서 2차원 적으로 일어남으로 집적된 모듈 내부에서 진공압력을 효과적으로 더 감소시킬 수 있다. 막증발 모듈 내부의 압력을 심층 해수의 온도인 섭씨 8도에 해당하는 수증기압으로 설정을 하면, 막의 플럭스는 약 5배 이상 증가하여, 기존 개방형 온도차 발전의 증발기 체적의 약 20-30배 작은 체적만이 막증발 장치를 위하여 필요하게 된다.However, in the case of membrane evaporation, the integrated form of the membrane can be designed and applied in a variety of ways, and the evaporation of water can occur two-dimensionally on the membrane surface, effectively reducing the vacuum pressure inside the integrated module. If the pressure inside the membrane evaporation module is set to the water vapor pressure corresponding to the deep sea water temperature of 8 degrees Celsius, the flux of the membrane is increased by about 5 times, and the volume of the evaporator of the conventional open type temperature difference power generation is about 20-30 times smaller This is necessary for the membrane evaporator.

즉 증발기 체적 1500m3을 최대 50m3 (=5m × 5m × 2m)으로 감소시켜서 막증발 장치를 설치할 수 있으며, 동일한 전기 발생량을 기대할 수 있다.
That is, the vapor evaporator can be installed by reducing the evaporator volume of 1500 m 3 to a maximum of 50 m 3 (= 5 m × 5 m × 2 m), and the same amount of generated electricity can be expected.

<실시예 2> &Lt; Example 2 >

도 4는 전력생산을 위한 개방형 온도차 발전의 모식도를 나타낸다. 펌프를 이용하여, 표층해수를 취수하여 증발기(flash evaporator)로 유입시킨다. 실시예로서 200 kW 용 개방형 온도차 발전 장치인 경우, 일례로서 섭씨 26도의 표층해수를 620 kg/s 의 단위 시간당 유량으로 취수한다(도 4의 1).Fig. 4 shows a schematic diagram of an open type temperature difference generation for power generation. Using a pump, the surface seawater is taken and introduced into a flash evaporator. As an example, in the case of an open type temperature difference generator for 200 kW, surface sea water at 26 degrees Celsius is taken at a flow rate per unit time of 620 kg / s (1 in FIG. 4).

증발기에서는 유입된 표층해수의 0.5-0.6 퍼센트의 유량이 수증기(steam)로 증발되고, 유입 표층수 대부분은 온도가 약간 낮아져서 다시 해양으로 방출된다. 이 증발기 방출수의 온도가 유입 표층해수보다 낮아지는 이유는 표층해수가 증발할 때, 그 단위 질량당 잠열을 소모하기 때문이다. 증발기 내부의 진공압력이 결정되면, 그 압력은 증발하는 표층해수의 수증기압의 역할을 하며, 따라서 증발기 내부의 온도, 즉 증발한 수증기의 온도를 결정한다(도 4의 2).In the evaporator, 0.5-0.6 percent of the incoming surface water is evaporated by steam, and most of the inflow surface water is slightly lower in temperature and then released to the ocean. The temperature of the evaporator effluent water is lower than that of the influent surface seawater because it consumes latent heat per unit mass when the surface seawater evaporates. When the vacuum pressure inside the evaporator is determined, the pressure serves as the water vapor pressure of the surface sea water to be evaporated, thus determining the temperature inside the evaporator, that is, the temperature of the evaporated water vapor (2 in FIG.

증발한 수증기의 단위 시간당 유량은 터빈과 제2응축기로 분할하여 보내어 질 수 있다. 이때, 제어상수를 k 라고 했을 때, k=1인 경우는 온도차 발전을 하지 않고 온도차 담수화만을 진행하는 것이고, k=0인 경우는 증발한 수증기 전량이 온도차 발전에 참여를 하고, 이후에 응축되어 담수화되는 것을 의미한다. 증발한 수증기량의 k 만큼의 분률이 온도차 담수화에, k-1 만큼의 분률이 온도차 발전에 기여한다.The flow rate per unit time of the evaporated steam can be divided into the turbine and the second condenser. In this case, when k = 1, k = 1, only the temperature difference desalination is carried out without generating temperature difference. When k = 0, the total amount of vaporized steam participates in the temperature difference generation, It means desalination. The fraction of evaporated water vapor by k contributes to the temperature difference desalination, and the fraction of k-1 contributes to the temperature difference evolution.

이 때, 같은 분률로 비응축기체 (non-condensable gas)가 터빈과 제2응축기로 보내어 진다. 이 비응축 기체의 단위시간당 발생량은 표층해수, 심층수, 그리고 수증기의 양에 비하여 매우 적어서, 물질 전달식에 포함하지 않고, 수증기 증발량의 일정 퍼센트로 계산하여도 무방하다. 제2응축기로 유입된 비응축 기체는 모두 유출되어 압축기로 보내어 지고, 그 나머지는 터빈과 제1응축기를 거쳐서, 압축기로 보내어져 대기로 방출된다(도 4의 3). 분할기에서 직접 제2응축기로 보내어진 수증기는 응축기 내부의 열교환기를 통과하면서 응축되어 바로 담수화 된다(도 4의 4).At this time, non-condensable gas is sent to the turbine and the second condenser at the same fraction. The amount of this non-condensable gas generated per unit time is very small compared to the amount of surface seawater, deep seawater, and water vapor, and may be calculated as a percentage of the amount of water vapor evaporation, not included in the mass transfer equation. Condensing gas introduced into the second condenser flows out and is sent to the compressor, and the rest is sent to the compressor through the turbine and the first condenser and discharged to the atmosphere (3 in FIG. 4). The water vapor sent directly from the divider to the second condenser is condensed as it passes through the heat exchanger inside the condenser and immediately desalinated (4 in FIG. 4).

분할기에서 터빈으로 보내어진 수증기는, 가지고 있었던 열에너지와 역학적 에너지를 이용하여 터빈을 돌리고, 이로 인해 전기가 발생된다. 터빈을 나가는 수증기의 온도는 들어가는 수증기의 온도보다 섭씨 약 10도 정도 낮아지게 되는데, 이것은 수증기가 터빈을 회전시키기 위하여 가지고 있던 열에너지의 일부를 기계적 에너지로 전환하였기 때문이고, 전환효율이 100% 이하이기 때문이며, 정량적인 수증기 온도 감소는 터빈의 팽창률에 의해 결정된다(도 4의 5).The water vapor sent from the divider to the turbine turns the turbine using the thermal energy and mechanical energy it had, and electricity is generated. The temperature of the steam leaving the turbine is about 10 degrees Celsius lower than the temperature of the incoming steam because the steam converts some of the heat energy it had to turn the turbine into mechanical energy and the conversion efficiency is less than 100% , And the quantitative decrease in steam temperature is determined by the expansion rate of the turbine (5 in Fig. 4).

터빈의 회전을 위하여 사용된 수증기는 제1응축기로 보내어져서 담수화 된다(도 4의 6). 저수조에는 증발기에서 증발한 수증기가, 각각 k 와 k-1의 분률로 나누어져서 제1응축기와 터빈을 통과한 후, 전량이 다시 저수조에 모이게 된다(도 4의 7). 제1 및 제2 응축기의 저열원은 저온의 해양 심층수가 저온 펌프로 취수되어 사용된다(도 4의 8).The water vapor used for the rotation of the turbine is sent to the first condenser for desalination (6 in FIG. 4). The water vapor evaporated in the evaporator is divided into fractions of k and k-1, respectively, in the reservoir, passes through the first condenser and the turbine, and then the whole amount is collected again in the reservoir (7 in FIG. The low-temperature deep seawater of the first and second condensers is used by being taken in the low temperature pump (8 in FIG. 4).

취수된 저온 해양 심층수는 k'-1 과 k' 의 분률로 발전 후 담수화를 위한 제 1응축기와 담수화 전용의 제2응축기로 보내어 진다. 증발기 다음의 분할률 k 와 저온 심층수 펌프 이후의 분할률 k' 을 같게 하는 것이 일반적인 경우이나, 터빈으로 유입되고 나오는 수증기 각각의 온도, 압력, 단위 시간당 유량에 따라, k' 값이 적절히 조절되어, 전체적인 시스템의 최종적인 담수화량/전력생산량 디자인 비율을 최적화 시킬 수 있다(도 4의 9).The collected low-temperature oceanic deep seawater is sent to a first condenser for desalination and a second condenser for desalination, after generating electricity at k'-1 and k 'fractions. The k 'value is appropriately adjusted according to the temperature, pressure, and the flow rate per unit time of each of the water vapor flowing into and out of the turbine, in general, where the partitioning rate k after the evaporator and the partitioning rate k' after the low temperature deep- It is possible to optimize the final desalination / power production design ratio of the overall system (FIG. 4, 9).

터빈을 통과한 수증기와 통과하지 않고 직접 제2응축기로 보내어진 수증기의 온도 차이는 섭씨 약 10도 이상이 된다. 따라서 응축에 필요한 저온 심층수의 양은 제2응축기보다 제1응축기에서 더 많게 된다. 다른 말로 하면, 제1응축기에서 사용된 해양 심층수의 온도는 저온 펌프로 유입 당시의 원래의 저온과 터빈을 통과한 수증기의 온도 사이에 존재하게 되는데, 약 섭씨 10-12도가 된다. 이 온도는 제2 응축기로 유입되는 증발기에서 증발된 수증기의 온도보다 매우 낮고, 해양 심층수의 유입 온도보다는 조금 높다. 온도차 발전의 에너지 사용은 해양 표층수 및 해양 심층수의 취수를 위한 펌프에 큰 부분을 기인하게 됨으로, 제1 응축기에서 사용된 저온 해양 심층수의 일부 (분률 k'' 만큼)를, 제 2 응축기로 바로 보내어진 분률 k' 의 저온 심층수 유입량과 혼합하여 제2 응축기에서 응축을 위한 열교환을 위해서 사용될 수 있다(도 4의 10).The temperature difference between the steam passing through the turbine and the steam directly to the second condenser without passing through is about 10 degrees Celsius or more. Therefore, the amount of low-temperature deep water necessary for condensation becomes larger in the first condenser than in the second condenser. In other words, the temperature of the deep seawater used in the first condenser is between the original low temperature at the time of entry into the cryogenic pump and the temperature of the steam passing through the turbine, which is about 10-12 degrees Celsius. This temperature is much lower than the temperature of the water vapor evaporated in the evaporator entering the second condenser and is slightly higher than the inlet temperature of the deep ocean water. The energy use of the temperature difference power generation is due to a large part of the pump for the intake of ocean surface waters and ocean deep water, so that a portion (fraction k '') of the low temperature deep ocean water used in the first condenser is sent directly to the second condenser Can be used for heat exchange for condensation in the second condenser by mixing with the low temperature deep water inflow of fraction k '(FIG. 4, 10).

총 저온 심층수 취수량중, 제2 응축기에 사용되는 저온 심층수량의 분률은 k'+k''(1-k') 이 된다. 이 때 분률 k' 은 취수된 해양 심층수의 온도를 가지고, 분률 k'' (1-k')은 제 1 응축기를 통과한 심층수의 온도를 가지게 된다(도 4의 11).Of the total low-temperature deep-seated water intake, the fraction of the low-temperature deep-seated water used in the second condenser is k '+ k "(1-k'). At this time, the fraction k 'has the temperature of the deep seawater taken and the fraction k' '(1-k') has the temperature of the deep water passing through the first condenser (11 of FIG.

제2 응축기를 통과한 k'+k''(1-k') 만큼의 심층수와 제 1 응축기를 통과하고 제2 응축기로 보내어 지지 않은 (1-k'')(1-k') 만큼의 분률이 함께 취합되어서 해양으로 방출하게 된다. 이 두 분률의 합은 1이 되므로, 저온 펌프에 의해서 취수된 해양 심층수는 제1 및 제2 응축기에서 최적화된 열교환을 위해서 사용된 후, 전량 표층 해양으로 방출됨을 의미한다(도 4의 12).(1-k ') that have passed through the first condenser and have not been sent to the second condenser, and (1-k') (1-k ' The fractions are collected together and released into the ocean. Since the sum of these two fractions equals one, the deep seawater taken by the low temperature pump is used for optimized heat exchange in the first and second condensers and then discharged to the surface ocean (12 in FIG. 4).

최종적으로 단위 시간당 방출되는 물량은 표층해수와 심층수의 유입 총량에 증발기에서 증발한 수증기량을 뺀 것과 같다. 과정 7에서 말한 바와 같이, 이 증발 수증기량은 저수조에 취합된 담수화량와 일치한다(도 4의 13). 제1 과 제2 응축기에서 모아진 비응축 기체는 모두 압축기로 보내어져, 공기중으로 방출시킨다(도 4의 14).
Finally, the amount of water discharged per unit time is equal to the total amount of surface seawater and deep water inflow minus the amount of water vapor evaporated in the evaporator. As noted in step 7, this amount of evaporated water vapor corresponds to the amount of desalination collected in the reservoir (13 in FIG. 4). The condensing gases collected in the first and second condensers are all sent to the compressor and discharged into the air (14 in FIG. 4).

1.2 증발기를 진공막증발기로 대체 효과1.2 Effect of replacing evaporator with vacuum evaporator

본 발명의 기술적 특징은 개방형 온도차 발전기의 주 기기인 거대한 체적을 요구하는 증발기를 진공막증발기로 대체하는 것이다. 이로부터 얻어지는 이득은 (1) 증발기기의 부피를 획기적으로 줄일 수 있고, (2) 수증기 증발률을 같은 운영조건에서 획기적으로 높일 수 있으며, (3) 위 두 가지 이득을 선택적으로 최적화하여 최종 전기발생률을 최대화/최적화 할 수 있다. 또한, (4) 전기와 담수 발생량을 선택적으로 조절하여, 지역별 계절적 변화에 원활히 대처함으로 수용에 따른 전체 생산을 최적화할 수 있다.
The technical feature of the present invention is to replace the evaporator requiring a large volume, which is the main device of the open type temperature difference generator, with a vacuum film evaporator. (1) the volume of the evaporator can be drastically reduced, (2) the steam evaporation rate can be dramatically increased under the same operating conditions, (3) the two gains are selectively optimized, You can maximize / optimize incidence. (4) By selectively controlling the generation of electricity and fresh water, it is possible to optimize the entire production according to the acceptance by coping with regional seasonal changes smoothly.

1.2.1 Wetting 문제 해결1.2.1 Troubleshooting Wetting

막증발법의 근본적인 문제점은 wetting이다. 즉, 높은 온도의 원수가 막의 표면을 지날 때, 그 수압이 너무 높음으로 인해, 물이 증발하지 않고 막의 기공을 바로 통과하지 말아야 한다. 개방형 온도차 발전의 원래의 구조는 이 wetting 에 대한 문제점을 가지고 있지 않다. 원래 구조에서는 노즐을 알맞게 디자인하여, 노즐에서 스프레이 형태로 물방울들이 생겨서 분출되고, 이 물방울들이 진공 챔버에서 상승하고 낙하하는 시간동안 그 표면에서 증발이 생기는 것이다.The fundamental problem of membrane evaporation is wetting. That is, when the raw water at a high temperature passes over the surface of the membrane, due to its high water pressure, the water must not evaporate and pass directly through the pores of the membrane. The original structure of open temperature difference power generation has no problems with this wetting. In the original design, the nozzles are designed to be properly designed and sprayed with water droplets from the nozzles, and these droplets rise in the vacuum chamber and evaporate on the surface during the falling time.

진공막증발법을 이용하면, 수증기의 증발이 개방형처럼 물방울 표면이 아닌 막의 표면에서 일어난다. 따라서 막의 표면적을 증가시켜서 물의 증발량을 쉽게 조절/증가 시킬 수 있다. 이때, 모듈의 형태에 따른 막의 집적도가 매우 중요한 설계인자가 된다. 증발한 수증기는 터빈을 향하기 전에, 막의 기공들을 통과하는데, 기공을 수증기의 기체 형태로 통과하지 않고, 유체의 형태로 통과하는 것을 wetting 이라고 부른다.When the vacuum film evaporation method is used, evaporation of water vapor occurs on the surface of the membrane, not on the surface of the water droplet like open type. Thus, the surface area of the membrane can be increased to easily control / increase the evaporation amount of water. At this time, the degree of integration of the film depending on the type of the module is a very important design factor. The evaporated water vapor passes through the pores of the membrane before it is directed to the turbine, and passing through the pores in the form of a fluid, rather than passing it in the form of vapor in the form of vapor, is called wetting.

만약, Wetting 이 국소적으로 일어난다 하더라고, 막을 통과한 물은 drain으로 빠져 나가거나, 아니면 모듈 내부에서 남아있어 일반적인 증발에 참여할 것이기 때문에, 본 발명의 VMD-OTEC 의 경우 원래의 DCMD에 비해, wetting 에 대한 부작용이 거의 없다. 운영조건과 모듈의 구조, 그리고 기공의 크기에 따라서는 진공측 막표면에서 작은 물방울이나 기포가 발생할 가능성도 있다. 어떠한 경우라도 액체로 존재하는 표층해수는 막표면에서 증발에 참여하거나, 그렇지 않다면 바로 막의 기공을 통과하여 해양으로 다시 방출된다. 따라서 wetting 이 발생하더라도, 곧 바로 작동을 중단할 필요 없이, 해양 표층수의 입수량과 입수 압력을 조절하여, 입수쪽의 수압을 감소시켜 wetting의 정도를 감소 시킬 수 있다.
Because the VMD-OTEC of the present invention is wetting compared to the original DCMD, even if the wetting occurs locally, water passing through the membrane will escape to the drain or remain inside the module and will participate in normal evaporation. There is little side effect. Depending on the operating conditions, the structure of the module, and the size of the pores, small droplets or bubbles may also form on the surface of the vacuum side membrane. In any case, the surface seawater present in the liquid takes part in the evaporation at the membrane surface or, if not, passes through the pores of the membrane immediately and is released back into the ocean. Therefore, even if wetting occurs, it is possible to reduce the wetting degree by reducing the water pressure on the inlet side by controlling the inlet water pressure and the inlet water pressure of the ocean surface water without immediately stopping the operation.

1.2.2. Flux 문제 해결1.2.2. Flux troubleshooting

가장 보편적인 인자들를 이용하여 VMD의 플럭스를 계산해 보면, 약 0.83 g/m2s가 된다. 이 계산은 가장 기본적인 VMD 이론을 이용하였고, 사용된 값들은 porosity=0.75, tortuosity=2.0, 압력차=0.80 kPa (26도와 22도의 수증기압차이), 막의 기공=0.2 um 이다. 즉, 1 초당 1 m2의 막이 0.83gram의 물을 생산한다는 의미가 된다.Using the most common parameters, the flux of the VMD is calculated to be about 0.83 g / m 2 s. This calculation uses the most basic VMD theory and the values used are porosity = 0.75, tortuosity = 2.0, pressure difference = 0.80 kPa (water vapor pressure difference between 26 and 22 degrees), membrane pore = 0.2 um. That is, 1 m 2 membrane per second produces 0.83 gram water.

위에서 1.8 MW의 전력을 생산하기 위해서는 33.4 kg/s 의 수증기가 증발해야 함을 기술했다. 이 수증기량을 만들어 내기 위한 막의 면적은 약 40,000 m2이다. 평막의 집적도를 약 400 m2/m3으로 근사하면, 1 세제곱 미터 안에 400 제곱 미터의 평막을 집적시킬 수 있다.Described that 33.4 kg / s of water vapor must be evaporated to produce 1.8 MW of power above. The area of the membrane to produce this water vapor is about 40,000 m 2 . Approximately 400 m 2 / m 3 of the density of the flat membrane can be used to integrate a 400 square meter flat membrane within one cubic meter.

이 경우 필요한 체적은 100 m3으로 4000 m3보다 약 40배정도 작다. Hollow fiber module 인 경우 집적도를 평막보다 약 5-10 이상 높일 수 있으므로, 평막 대신 hollow fiber VMD을 구현했을 때는, 기존의 개방형 온도차 발전에서 필요한 체적보다 약 400배 적은 체적으로 같은 플럭스 구현이 가능하다. (VMD 는 기존의 증발기처럼 높이에 제한을 받지 않는다.)
In this case, the required volume is 100 m 3 , more than 4000 m 3 It is about 40 times smaller. Hollow fiber module can increase the integration level by about 5-10 more than flat membrane. Therefore, when hollow fiber VMD is implemented instead of flat membrane, it is possible to realize same flux with volume about 400 times smaller than the volume required for conventional open temperature difference power generation. (The VMD is not limited in height, as is conventional evaporators.)

1.2.3 디자인1.2.3 Design

본 발명은 개방형 온도차 발전의 비용을 줄이고, 효율을 높이며, 전기와 담수를 필요에 따라 선택적으로 생산하는 것을 목적으로 한다.The present invention aims at reducing the cost of open-type temperature difference power generation, increasing efficiency, and selectively producing electricity and fresh water as needed.

예를 들어 1.8 MW 증발기의 직경이 9.2 미터이므로, 같은 직경의 증발기에 높이를 1미터로 낮추고, 여기에 hollow fiber module로 대치했을 경우를 시뮬레이션한다. 이때 체적은 27 m3이므로, 집적 가능한 hollow fiber 막면적은 최대 27 m3x4000m2/m3=108,000m2이다.For example, if the 1.8 MW evaporator is 9.2 meters in diameter, simulate an evaporator of the same diameter with a height of 1 meter and replace it with a hollow fiber module. At this time, since the volume is 27 m 3 , the area of the collectable hollow fiber membrane is maximum 27 m 3 x 4000 m 2 / m 3 = 108,000 m 2 .

발생하는 수증기량은 108,000 m2x0.83g/m2s=90kg/s가 되어, 원래 개방형 디자인의 약 3배가 된다. 즉, 증발기의 높이를 15배정도 줄였음에도, 예상 전력발생량은 1.8 MW 에서 5.4 MW 로 증가할 수 있다. 원래 개방형 증발기의 체적만큼 hollow fiber 막을 집적시키면, 400배의 플럭스를 예상했을 때, 수증기 발생률은 (33.4 kg/s에서) 13,360 kg/s 로 증가하며, 전력발생량은 (1.8 MW에서) 720 MW로 증가한다.The amount of water vapor generated is 108,000 m 2 x 0.83 g / m 2 s = 90 kg / s, which is about three times the original open design. That is, even though the height of the evaporator is reduced by 15 times, the estimated power generation amount can increase from 1.8 MW to 5.4 MW. Accumulating hollow fiber membranes as large as the volume of the original open evaporator would increase the steam generation rate (at 33.4 kg / s) to 13,360 kg / s and the power generation rate (at 1.8 MW) to 720 MW .

이와 같이 해양 온도차 발전시스템에서 응축용 냉각수로 사용되는 해양 심층수와 기화용 온수로 사용되는 표층수를 사용하여, 무한한 해양에너지를 이용하여 발전시스템을 구성함으로서 기존의 폐쇄형 해양 온도차 발전시스템보다 효율을 증대시킬 수 있다.
In this way, by using the deep sea water used as condensation cooling water and the surface water used as vaporizing hot water in the offshore temperature difference power generation system, the power generation system is constituted by infinite offshore energy, thereby increasing the efficiency of the closed offshore temperature difference power generation system .

2. 부산물인 농축수와 담수를 이용한 압력지연삼투(pressure-retarded osmosis(PRO)) 발전과 연계2. Linking with the development of pressure-retarded osmosis (PRO) using byproducts, concentrated water and fresh water

PRO는 농도차이를 이용해서 전기를 발생시키는 방법이다. OTEC 이 액체상과 기체상의 상전이를 이용하는 반면, PRO는 모두 액체상에서 농도의 차이를 이용한다는 특성이 있다. 개방형 온도차 발전 장치에 유입된 표층수의 일부가 증발에 참여하여, 담수가 되고, 이 담수의 일정 부분이 PRO 막을 통과하여 PRO 발전에 기여를 하게 된다. 따라서, 그 발전량으로 볼 때, 총 온도차 발전량에 비하면 적은 양이 되는 것이 당연하다.
PRO is a method of generating electricity using concentration differences. While OTEC utilizes liquid phase and gas phase transitions, PRO is characterized by the use of differences in concentration in the liquid phase. A part of the surface water flowing into the open type temperature difference power generation device participates in evaporation and becomes a fresh water, and a certain part of the fresh water passes through the PRO membrane and contributes to the PRO generation. Therefore, from the viewpoint of the amount of generated electricity, it is natural that the amount of electricity generated is smaller than the total temperature difference generated.

2.1 PRO 기작2.1 PRO Mechanism

PRO의 기작은 다음과 같다. 표층해수와 비슷한 농도를 가진 PRO draw solution (유도수) 가 약 30 bar 의 삼투압을 가지고 막의 모듈에 유입된다. 담수는 PRO의 feed 로 막의 반대편으로 유입된다. Feed의 삼투압은 거의 0 이거나 유도수에 비해서 매우 작다. 막의 양단에 걸리는 삼투압의 차이로 feed 쪽에서 담수가 막을 통과하여 draw solution 쪽으로 이동한다. 이때 이동한 물의 체적을 dV로 표시한다. 담수의 통과로 인해서 draw solution의 농도는 감소하고, brackish water 가 된다. 증가한 체적에 비례해서 draw solution 쪽의 압력이 증가하고, 이 압력을 이용하여 2차 터빈을 돌려 전기를 발생시킨다.
The mechanism of PRO is as follows. A PRO draw solution with a concentration similar to surface seawater is introduced into the membrane module with an osmotic pressure of about 30 bar. Fresh water flows into the opposite side of the membrane as a feed of PRO. The osmotic pressure of the feed is almost zero or very small compared to the induction number. Due to the difference in osmotic pressure across the membrane, fresh water flows from the feed side through the membrane to the draw solution. At this time, the volume of the moved water is expressed in dV. Due to the passage of fresh water, the concentration of the draw solution decreases and becomes brackish water. The pressure on the draw solution is increased in proportion to the increased volume, and this pressure is used to turn the secondary turbine to generate electricity.

2.2 본 발명의 pressure-retarded osmosis 발전2.2 Pressure-retarded osmosis evolution of the present invention

본 발명에서 해수 온도차 발전기의 핵심적인 역할은 같은 유량의 농축수와 담수를 정상적으로 만들어 내어 도 5에서 보이는 압력지연삼투장치로 유입시키는 것이다. 압력지연삼투는 농도가 다른 두 용액의 삼투압 차이를 이용한 발전으로 정삼투압(forward osmosis)을 이용하며 해수 담수화의 역방향 조작이다. 고농도 용액 의 압력이 삼투압보다 낮은 압력으로 유지되면, 삼투압에 의해 막을 통한 고농도 용액으로 가는 물-플럭스가 존재하고, 이로 인해 상승한 유도채널의 수압을 이용하여 터빈을 돌려 에너지를 생산하는 원리이다.The core role of the seawater temperature difference generator in the present invention is to normally produce concentrated water and fresh water at the same flow rate and introduce it into the pressure delay osmosis device shown in FIG. Pressure-delayed osmosis is a reverse osmosis of seawater desalination using forward osmosis with the use of osmotic pressure differences between two solutions of different concentrations. When the pressure of the high concentration solution is maintained at a pressure lower than the osmotic pressure, there is a water-flux to the high concentration solution through the membrane by the osmotic pressure, and thereby the energy is produced by rotating the turbine using the water pressure of the induction channel.

도 5는 농축수와 담수로 pressure-retarded osmosis (PRO)로 발전을 하는 과정을 나타낸다. 진공 chamber 안에서 증발되고 남은 응축수(도5의 1)와 터빈에서 방출된 수증기가 저온의 심층수와 열교환되어 액체 상태의 물이 된 생산담수(도5의 2)는 각각 열교환기로 유입된다. 생산담수는 열교환기를 통과하면서 그 유량(예, 1 kg/s)과 농도 (0.0 ppm)이 유지되나, 그 온도는 16-20도로 증가하게 된다(도5의 3). 응축수는 열교환기를 통과하면서 그 유량과 농도가 일정하게 유지되나, 온도는 열교환기 이후의 생산담수의 온도 (16-20℃) 와 같게 된다(도5의 4).FIG. 5 shows the process of development of concentrated-water and pressure-retarded osmosis (PRO) in fresh water. The condensed water (1 in FIG. 5) evaporated in the vacuum chamber and the produced fresh water (2 in FIG. 5) in which steam discharged from the turbine is heat-exchanged with low temperature deep water to become liquid water flows into the heat exchanger. The production fresh water passes through the heat exchanger and its flow rate (for example, 1 kg / s) and concentration (0.0 ppm) are maintained, but the temperature is increased by 16-20 degrees (3 in FIG. The condensate flows through the heat exchanger while its flow rate and concentration remain constant, but the temperature is equal to the temperature of the fresh water produced after the heat exchanger (16-20 ° C) (4 of FIG. 5).

온도가 조절된 생산담수와 농축수는 각각 압력지연삼투 장치의 입수 (feed)(도 5의 5)와 유도용액 (draw solution)(도 5의 6) 이 된다. 막 모듈 내부에서, 입수 쪽의 물 일부가 막을 통과하여 유도용액 쪽으로 흘러간다(도5의 7). 막을 통과 하지 않은 물의 일부는 입수의 일부로 다시 쓰일 수 있다. 단, 막을 통해서 물의 삼투 현상이 일어날 때, 유도 용액 쪽에 있는 고농도 염의 일부가 입수 쪽으로 전달될 수 있기 때문에, 압력지연삼투 장치를 거친 담수의 농도는 수 십 도는 수백 ppm으로 증가하게 된다. 따라서, 식음료용으로 사용의 불가능하나, 그 농도가 유도 용액에 비해서는 현저하게 낮기 때문에 입수의 일부로 재사용 가능하다. 또는, 필요한 경우 역삼투와 같은 방법으로 다시 농도가 0ppm에 가까운 담수로 만들 수 있다.The temperature-regulated produced fresh water and the concentrated water are respectively the feed (5 in FIG. 5) and the draw solution (6 in FIG. 5) of the pressure delay osmotic device. Inside the membrane module, a part of water on the incoming side flows through the membrane and flows toward the induction solution (7 in FIG. 5). Some of the water that has not passed through the membrane can be reused as part of the acquisition. However, when water osmosis occurs through the membrane, the concentration of fresh water through the pressure delay osmotic device will increase to several hundreds of ppm tens of degrees since a portion of the high concentration salt on the induction side can be transferred to the incoming side. Therefore, although it is impossible to use for food and beverage, its concentration can be reused as a part of the intake because it is significantly lower than the induction solution. Alternatively, if necessary, reverse osmosis can be used to produce fresh water with a concentration close to 0 ppm.

재사용되지 않을 저농도 담수는 방출되거나, 경우에 따라 알맞은 용도로 사용할 수 있다. 이 때의 온도는 입수와 마찬가지로 약16-20℃이나, 저가의 열원이나 폐열원을 일부 이용하여 온도를 표층수 수준으로 높일 수 있다면, 진공 챔버에 투입되는 표층수와 혼합하여 사용할 수 있다. 이 증발입수의 농도가 낮아지므로, 같은 진공압에서 물의 증발률이 증가하고 따라서, 전체적인 효율을 높일 수 있다.Low-concentration fresh water that is not to be reused can be released or, in some cases, used for appropriate purposes. At this time, the temperature is about 16-20 ° C as in the case of the water supply, but it can be mixed with the surface water to be introduced into the vacuum chamber if the temperature can be increased to the surface water level by using a low-cost heat source or a part of the waste heat source. Since the concentration of this vaporized water is lowered, the evaporation rate of water at the same vacuum pressure increases and thus the overall efficiency can be increased.

열교환기를 통과한 농축수의 일부는 유도 용액이 되어서 압력지연삼투 장치로 이송된다. 나머지는 압력교환기로 간다. 각각의 수압은 같게 유지된다 (Pex1)(도 5의 8).A portion of the concentrated water that has passed through the heat exchanger becomes the inductive solution and is transferred to the pressure delay osmotic unit. The rest goes to the pressure exchanger. The respective water pressures are kept equal (Pex1) (8 in Fig. 5).

막을 통과하는 수량은 막의 면적과 투과 플럭스의 곱으로 계산된다. 투과 플럭스는 입수와 유도용액의 삼투압 차에 비례하며, 이 비례 상수는 물의 투과계수 (A) 이다. 투과 계수는 제조된 막의 고유값이며, 높을수록 같은 운영조건에서 높은 플럭스를 생산한다.The yield through the membrane is calculated as the product of membrane area and permeation flux. The permeate flux is proportional to the osmotic pressure difference between the inlet and the inductive solution, and this proportional constant is the water permeability coefficient (A). The permeability coefficient is an intrinsic value of the produced film, and the higher the flux, the higher the flux under the same operating conditions.

유도 용액의 농도를 70,000 ppm 그리고 입수의 농도를 0.0 ppm 으로 놓으면, 이 농도차는 일반 해수와 담수의 농도차의 약 두 배가 되므로, 압력지연삼투 장치 양단에 걸리는 삼투압은 약 60 bar (860 psi) 가 된다. 이 압력은 역삼투 장치에서 펌프를 이용하여 고농도 용액에 걸어주는 수압과 거의 동일하다. 단위 면적당 생산되는 전력은 이 투과상수 A와 삼투압 차이의 제곱에 비례한다.When the concentration of the inductive solution is 70,000 ppm and the concentration of the inlet water is 0.0 ppm, the difference in concentration is about twice the difference in the concentration of general seawater and fresh water, so the osmotic pressure across the pressure delay osmotic device is about 60 bar (860 psi) do. This pressure is nearly equal to the water pressure applied to the high concentration solution by the pump in the reverse osmosis unit. The power produced per unit area is proportional to the permeability constant A and the square of the difference in osmotic pressure.

압력교환기로 가는 물의 유량은 유도 용액의 유량과 입수에서 막을 통과한 투과 유량의 합이 된다(도 5의 9). 이때, 투과 유량에 비례해서 수압이 증가하게 된다 (Pex2)(도 5의 10). 투입수는 담수이므로 유도 용액과 섞였을 때, 유도 용액의 농도가 감소하게 된다. 따라서, 정상 상태에서의 삼투압 차이가 실제의 계산 보다는 약간 적게 되는데, 이것을 농도 분극이라 부른다. 이 농도분극은 막의 양단에 걸리는 유속을 빠르게 함으로써 최소화할 수 있다.The flow rate of water to the pressure exchanger is the sum of the flow rate of the inductive solution and the permeate flow rate through the membrane at the inlet (9 in FIG. 5). At this time, the water pressure increases in proportion to the permeate flow rate (Pex 2) (10 in FIG. 5). Since the input water is fresh water, when it is mixed with the induction solution, the concentration of the induction solution is decreased. Therefore, the osmotic pressure difference in the steady state is slightly less than the actual calculation, which is called concentration polarization. This concentration polarization can be minimized by speeding up the flow rate across the membrane.

원래의 유도용액의 수압(Pex1)과 압력지연삼투 장치를 통과한 유도 용액의 수압(Pex2)의 차이를 역학적 에너지로 변환하여 터빈을 돌리고, 전기에너지를 발생시킨다. 압력교환기를 통과한 (농도가 저감된) 유도 용액중, 압력지연삼투 장치를 통과하지 않은 원래의 유도용액은 일부 또는 전량 재사용 될 수 있고(도 5의 11), 통화한 물은 그대로 또는 입수의 방출수와 혼합되어, 농도를 표층 해수와 비슷하게 낮추어 방출시킬 수 있다(도 5의 12).The difference between the water pressure (Pex1) of the original induction solution and the water pressure (Pex2) of the induction solution passing through the pressure delay osmosis device is converted into mechanical energy to rotate the turbine and generate electric energy. Of the inductive solutions that have passed through the pressure exchanger (with reduced concentration), some or all of the original inductive solution that has not passed through the pressure delay osmotic device can be reused (11 of FIG. 5) Mixed with the effluent water, and the concentration can be lowered to a level close to the surface sea water (12 in FIG. 5).

이와 같이 VMD(Vacum membrane Distillation) OC-OTEC(Ocean thermal energy conversion) 과정 이후에 부산물인 농축수와 담수로 pressure-retarded osmosis (PRO)로 발전을 하게 되면 OC-OTEC 발전량의 10% 정도를 더 생산할 수 있는 효과가 있다. 또한, 플래쉬 증발기 대신에 VMD 증발기를 적용시, 증발기 체적은 약 10% 내외로 줄게 되어 비용이 저감되며, 같은 체적인 경우 최소 10배 이상의 수증기를 생산해 낼 수 있다. 또한, 증발기 및 탑재구조물(선박, 바아지 등)의 초기투자비가 감소됨으로서 발전량이 증가되는 효과가 있다.In this way, after the process of Ocean Thermal Energy Conversion (OC-OTEC) process, it is possible to produce about 10% of OC-OTEC by generating byproduct concentrate and pressure-retarded osmosis (PRO) There is an effect that can be. In addition, when the VMD evaporator is applied instead of the flash evaporator, the evaporator volume is reduced to about 10% and the cost is reduced. In the same volume, steam can be produced at least 10 times. Also, since the initial investment cost of the evaporator and the mounting structure (ship, barge, etc.) is reduced, the power generation amount is increased.

Claims (13)

표층 해수를 취수하여 진공챔버 안으로 유입시키기 위한 진공막 증발장치;
진공막 증발장치로부터 발생된 수증기를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌려 발전하기 위한 터빈발전장치;
터빈발전장치에서 사용된 수증기를 저온의 심층수와 열교환하여 응축된 수증기를 담수화하기 위한 열교환장치를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
A vacuum film evaporator for collecting the surface sea water and introducing it into the vacuum chamber;
A turbine generator for introducing water vapor generated from the vacuum film evaporator into the turbine and rotating the turbine to generate electricity;
And a heat exchanger for desalinating condensed water vapor by exchanging water vapor used in the turbine power generator with deep low-temperature water, characterized in that a selective open-type seawater temperature difference power generation and desalination apparatus
표층 해수를 취수하여 진공챔버 안으로 유입시키기 위한 진공막증발장치;
진공막증발장치로부터 발생된 수증기를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌려 발전하기 위한 터빈발전장치;
터빈발전장치에서 사용된 수증기를 저온의 심층수와 열교환함으로서 응축된 수증기를 담수화하기 위한 제1 열교환장치;
진공챔버에서 증발되고 남은 응축수와 저온의 심층수와 열교환되어 생산된 생산담수를 열교환하기 위한 제2열교환장치;
제 2열교환장치를 통과한 농축수와 생산담수를 입수와 유도용액으로 이용하도록 한 압력지연삼투장치;
제 2열교환장치를 통과한 농축수의 일부를 이용하는 압력교환기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
A vacuum film evaporator for collecting the surface sea water and introducing it into the vacuum chamber;
A turbine generator for introducing water vapor generated from the vacuum film evaporator into the turbine and rotating the turbine to generate electricity;
A first heat exchanger for desalinating condensed water vapor by exchanging water vapor used in the turbine generator with deep low temperature deep water;
A second heat exchange device for exchanging heat between the remaining condensed water evaporated in the vacuum chamber and the produced fresh water produced by heat exchange with the low temperature deep water;
A pressure delayed osmosis unit adapted to use the concentrated water and the produced fresh water that have passed through the second heat exchange unit as the inlet and the induction solution;
And a pressure exchanger using part of the concentrated water that has passed through the second heat exchanger. The selective open-type seawater temperature difference power generation and desalination apparatus using the vacuum film evaporation method
제1항 또는 제2항에 있어서 진공챔버의 압력은 대기압의 1-3%으로 조절하고 수증기의 유량은 유입해수량의 0.5~6%인 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
The method according to claim 1 or 2, wherein the pressure of the vacuum chamber is controlled to 1-3% of the atmospheric pressure, and the flow rate of steam is 0.5 to 6% of the flow rate. Power generation and desalination equipment
제1항 또는 제2항에 있어서 진공챔버에 공급되는 해수는 20-35℃ 수온의 표층해수이고, 열교환장치에 공급되는 해수는 5-8℃의 심층수인 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
The method according to claim 1 or 2, wherein the seawater supplied to the vacuum chamber is surface-layer seawater at a temperature of 20-35 ° C and the seawater supplied to the heat exchanger is deep-seated water at 5-8 ° C. Optional open seawater temperature difference power generation and desalination equipment
제1항 또는 제2항에 있어서, 진공막증발장치는 상단부와 하단부가 멤브레인으로 분리되고 하단부분 내부를 진공 상태로 하여, 상단부에서 해수를 막으로 유입시켜 배출하여 막의 상단 표면에서 증발이 일어나도록 하고, 생성된 수증기들이 수증기압과 진공압의 차이를 추진력으로 막을 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
The vacuum film evaporator as set forth in claim 1 or 2, wherein the upper and lower ends of the vacuum film evaporator are separated by a membrane and the inside of the lower end portion is evacuated to allow the seawater to flow into the membrane at the upper end thereof, And the generated water vapor is passed through the membrane by the propulsion force of the difference between the water vapor pressure and the vacuum pressure. The selective open sea water temperature difference generation and desalination apparatus using the vacuum film evaporation method
제2항에 있어서, 제 1열교환기는 수냉식이고 제2열교환기는 공랭식인 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
The desalination apparatus according to claim 2, wherein the first heat exchanger is a water-cooled type and the second heat exchanger is an air-cooling type.
제1항 또는 제2항에 있어서, 진공막증발장치에 형성되는 진공막은 평막(plate and frame), tubular capillary 또는 hollow fiber, spiral wound중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
The vacuum evaporation method according to claim 1 or 2, wherein the vacuum film formed in the vacuum film evaporator is any one selected from a plate and frame, a tubular capillary, a hollow fiber and a spiral wound. Optional open seawater temperature difference power generation and desalination equipment
제1항 또는 제2항에 있어서, 진공막증발장치에 형성되는 진공막의 재질은 polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) 또는 polypropylene (PP)중에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 장치
The vacuum film evaporation method according to claim 1 or 2, wherein the material of the vacuum film formed in the vacuum film evaporator is any one selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polypropylene Selective open seawater temperature difference power generation and desalination system using
표층 해수를 취수하여 진공챔버 안의 진공막증발장치로 유입시키는 단계;
진공막증발장치는 상단부와 하단부가 멤브레인으로 분리되고 하단부분 내부를 진공상태하여, 상단부에서 해수를 막으로 유입시켜 배출하여 막의 상단 표면에서 증발이 일어나도록 하고, 생성된 수증기들이 수증기압과 진공압의 차이를 추진력으로 막을 통과하도록 하여 발생된 수증기를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌려 발전하는 단계;
터빈발전장치에서 사용된 수증기를 저온의 심층수와 열교환하여 응축된 수증기를 담수화하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 방법
Collecting the surface seawater and flowing it into a vacuum film evaporator in a vacuum chamber;
The vacuum evaporation system separates the upper and lower parts of the membrane into a membrane and the inside of the lower part is in a vacuum state so that seawater flows into the membrane at the upper part and is discharged to evaporate at the upper surface of the membrane. Passing the generated steam through the membrane as a propulsion force, and generating steam by rotating the turbine;
And a step of desalting the condensed water vapor by exchanging the water vapor used in the turbine generator with the low temperature deep water.
표층 해수를 취수하여 진공챔버 안의 진공막 증발장치로 유입시키는 단계;
진공막증발장치로부터 발생된 수증기를 터빈으로 유입하여 터빈을 돌려 발전하는 단계;
터빈발전장치에서 사용된 수증기를 저온의 심층수와 열교환함으로서 응축된 수증기를 담수화하는 단계;
진공챔버에서 증발되고 남은 응축수와 저온의 심층수와 열교환되어 생산된 생산담수를 제2열교환장치로 보내는 단계;
제 2열교환장치를 통과한 농축수와 생산담수를 입수와 유도용액으로 이용하도록 한 압력지연삼투장치를 통해 발전하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 방법
Collecting the surface seawater and flowing it into a vacuum film evaporator in a vacuum chamber;
Introducing water vapor generated from the vacuum film evaporator into the turbine and rotating the turbine to generate electricity;
Desalting the condensed water vapor by heat-exchanging the water vapor used in the turbine generator with deep low-temperature water;
Sending the produced fresh water produced by heat exchange with the condensate remaining in the vacuum chamber and the deep seawater at low temperature to the second heat exchanger;
And a pressure-delayed osmosis unit adapted to utilize the concentrated water and the produced fresh water that have passed through the second heat exchange unit as the inlet and the induction solution, and the step of generating the selective open-type seawater temperature difference generation and desalination method using the vacuum film evaporation method
a) 표층해수를 취수하여 증발기로 유입시키는 단계;
b) 증발기에서 유입된 표층해수의 0.5-0.6 퍼센트의 유량을 수증기로 증발시키고, 나머지 표층수를 바다로 방출하는 단계;
c) 증발한 수증기를 터빈과 제2응축기로 분할하여 보내는 단계;
d) 제2응축기로 보내어진 수증기는 응축기 내부의 열교환기를 통과하면서 응축되어 담수화하고, 비응축 기체는 압축기로 보내어 대기로 방출하는 단계;
e) 터빈으로 유입된 수증기는 터빈의 회전을 위하여 사용되고 제1응축기를 거쳐서, 담수화하고, 비응축 기체는 압축기로 보내어 대기로 방출하는 단계를 포한하는 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 방법
a) withdrawing surface sea water and introducing it into an evaporator;
b) evaporating 0.5-0.6 percent of the surface seawater incoming from the evaporator with water vapor and discharging the remaining surface water to the sea;
c) dividing the vaporized vapor into turbine and second condenser;
d) condensing the water vapor sent to the second condenser through the heat exchanger inside the condenser to desalinate the water vapor, and discharging the non-condensable gas to the compressor to the atmosphere;
e) the water vapor introduced into the turbine is used for rotation of the turbine, desalinated through a first condenser, and discharged to the atmosphere through a non-condensing gas to a compressor, Sea water temperature difference generation and desalination method
제11항에 있어서 c) 단계는 증발기에서 증발한 수증기는 제2응축기와 터빈을 통과한 후, 전량이 다시 저수조에 모이는 단계로 대체되는 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 방법
The method as claimed in claim 11, wherein step c) is performed by passing the water vapor evaporated in the evaporator through the second condenser and the turbine, and then collecting the water vapor again in the water storage tank. And desalination methods
제11항 또는 제12항에 있어서 제1 및 제2 응축기의 저열원은 저온의 해양 심층수를 취수하여 사용하고, 제1 응축기에서 사용된 저온 해양 심층수의 일부를, 제 2 응축기로 보내어진 저온 심층수 유입량과 혼합하여 제2 응축기에서 응축을 위한 열교환을 위해서 사용되는 것을 특징으로 하는 진공막증발법을 이용한 선택적 개방형 해수온도차 발전 및 담수화 방법The method of claim 11 or 12, wherein the low-temperature deep seawater of the first and second condensers is used to take and use deep seawater at low temperatures, and a portion of the deep-sea deep seawater used in the first condenser is introduced into the low- And is used for heat exchange for condensation in the second condenser by mixing with the inflow amount. The selective open-type water temperature difference generation and desalination method using the vacuum film evaporation method
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그러나 상기 선행문헌에는 본 발명의 기술적 특징인 표층해수를 취수하여 (기존의 개방형 해수 온도차 발전 장치의 진공 챔버보다 훨씬 크기가 작은) 진공챔버안의 진공막 증발 장치로 유입시키고, 막의 내벽 표면에서 물이 증발하여 수증기가 되고, 이 수증기가 이동하여 터빈을 회전 시키면서 동시에 담수화까지 이루어지는 온도차 발전 및 담수화를 위한 구성은 개시되고 있지 않다.
또한, 발전 전력량과 해수 담수화량을 선택적으로 조절하여, 전력과 담수의 생산비율을 필요에 따라 조절할 수 있는 운전 방법에 관해서는 개시되지 않아 차이를 보인다.

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