KR20210022322A

KR20210022322A - 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템

Info

Publication number: KR20210022322A
Application number: KR1020190101687A
Authority: KR
Inventors: 이호생; 지호; 임승택; 문덕수; 김영득; 우성용; 김준식; 김경훈
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-03-03
Also published as: JP7365492B2; JP2022545781A; KR102265403B1; US20220169535A1; WO2021033935A1

Abstract

본 발명은 해수를 담수화시키는 흡착식 해수담수화(adsorption desalination, AD)시스템에 관한 것으로, 고온수증기 및 저온수증기를 생산하는 다중효용증발장치(100)와 상기 다중효용증발장치(100)에서 생산된 고온수증기 또는 저온수증기를 받아 수분을 흡착 또는 탈착하는 흡착제(220) 및 냉각수나 온수를 통해 상기 흡착제(220)로 열을 전달 가능한 열교환튜브(210)를 포함하는 포함하는 복수의 반응부(200)와 상기 반응부(200)의 흡착제(220)에서 탈착된 수분이 함유된 수증기를 담수로 회수할 수 있도록 응축시키는 응축기(300)와 상기 반응부(200)의 열교환튜브(210)에 냉각수 또는 온수를 선택적으로 공급하는 냉온수라인(400)과 상기 다중효용증발장치(100)와 상기 반응부(220) 및 상기 반응부(220)와 상기 응축기(300)를 각각 연결하는 수증기라인, 상기 수증기라인에 구비된 밸브, 상기 냉온수라인(400)에서 상기 열교환튜브(210)로 제공되는 냉각수 또는 온수를 선택적으로 공급을 위하여 상기 밸브의 작동을 제어하는 밸브제어부를 포함하는 구성을 통해 해수로부터 담수(freshwater) 생산량을 극대화할 수 있고, 지역(district) 및 거주(residential) 냉방을 위한 냉수(chilled water)를 부산할 수 있는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템에 관한 것이다.

Description

다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템{Adsorption desalination system based on multi-effect evaporator}

본 발명은 해수를 담수화시키는 흡착식 해수담수화(adsorption desalination, AD)시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 해수로부터 담수(freshwater) 생산량을 극대화할 수 있고, 지역(district) 및 거주(residential) 냉방을 위한 냉수(chilled water)를 부가적으로 생산할 수 있는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 흡착식 해수담수화 시스템은 증발기를 통해 해수에서 수분을 증발시켜 분리한 후, 흡착 공정에서 수증기를 실리카겔의 표면에 흡착시키고, 탈착 공정에서 실리카겔의 표면에서 수증기를 탈착시킨 후, 탈착된 수증기를 응축기로 공급하여 액체상태로 응축시킴으로써 담수를 회수하는 시스템이다.

여기서, 흡착식 해수담수화 시스템은 흡착 공정에서 수증기를 실리카겔에 흡착시키는데 있어서 흡착 시 발생되는 열을 냉각시키기 위하여 냉각수가 요구되고, 탈착 공정에서 실리카겔로부터 수증기를 탈착시키기 위해서는 온수가 요구된다.

이를 위해서, 기존의 흡착식 해수담수화 시스템에서는 화석에너지를 이용하여 온수를 공급하였으나 운전비용이 크게 증가하고, 시스템 효율이 저하되는 문제점이 있으며, 별도의 냉각수가 필요한 문제점이 있다.

도 1에 도시와 같이, 종래 AD(adsorption desalination)시스템은 흡착 및 탈착 베드 내에 친수성의 흡착제(3)가 구비된 열교환튜브(4)가 탑재되어 있고, 증발기와 응축기는 흡착 및 탈착 베드와 수증기라인(5,6)을 통해 연결되어 있다. 탈기탱크(15)에서 탈기된 해수는 배관(14)을 통해 노즐형의 해수 분배기(brine distributor)가 설치된 강하막식 증발기(falling-film evaporator)(11)로 공급되고, 해수는 배관(12)을 통해 순환된다.

그리고 증발기(11)는 수증기라인(5)에 설치된 밸브의 작동을 통해 흡착 공정에 이용되는 흡착 베드(2)와 연결되고, 흡착 베드(2) 내 흡착제는 증발기 내 해수로부터 증발된 수증기를 흡착한다.

이때 흡착제의 수증기 흡착 구동력(driving force)은 반데르발스 힘(van der Waals force)과 약한 정전기력(electrostatic force)에 기반한 물리적 흡착(physisorption)에 기인한다.

여기서, 해수의 증발 잠열로 인해 증발기로부터 냉수(13)가 생산되고, 이는 거주 또는 지역 냉방을 위해 사용될 수 있다. 또한, 흡착제의 수증기 흡착 시 발생된 열은 흡착 베드 내 열교환튜브로 공급된 냉각수(9)에 의해 제거된다.

앞서 언급한 흡착 공정과 동시에, 탈착 공정에 이용되는 탈착 베드(1)는 수증기라인(6)에 설치된 밸브 작동을 통해 응축기(7)와 연결되며, 탈착 베드 내 열교환튜브에 온수(8)를 공급하여 흡착제에 흡착되어 있는 수증기는 탈착된다.

이때, 탈착된 수증기는 냉각수가 공급되는 응축기로 이동하여 응축되고, 생산된 담수는 저장탱크(10)에 저장된다. 앞서 언급한 흡착 및 탈착 베드(2,1)는 미리 지정한 일정시간 후(half cycle), 각각 예열(preheating) 및 예냉(precooling)을 위한 교체시간(switching time)을 거쳐 탈착 공정과 흡착 공정이 번갈아 가면서 전환되고, 이로서 종래 AD시스템의 한 사이클이 완료된다.

앞서 언급한 기존 AD 사이클의 기본 작동 로직은 도 2에 도시된 바, 사이클#1 - 교체#1 - 사이클#2 - 교체#2 순서로 반복 운전된다.

그러나 위 종래 AD시스템에서는 하나의 증발기와 한 쌍의 흡착 및 탈착 베드로 구성되어 사용된 흡착제의 질량과 흡착제의 물리적 특성에 기반을 두기 때문에 담수생산량과 효율이 낮다는 단점이 있다.

KR 10-1258433 B1 KR 10-1556915 B1

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 복수의 연속된 증발기를 포함하는 제1 증발부 및 제2 증발부를 통해 고온수증기 및 저온수증기를 생산 및 제공하는 다중효용증발장치(multi-effect evaporator)와, 3개 흡착 및 탈착 베드를 갖는 AD시스템을 포함하는 구성으로, 성능계수(coefficient of performance, COP)를 보완하고 담수생산량을 극대화할 수 있으며, 각각의 제1 증발부 및 제2 증발부를 통해 부가적으로 생산된 냉수를 지역냉방(district cooling) 및 거주냉방(residential cooling)을 위한 용수로 활용할 수 있는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템은 고온수증기 및 저온수증기를 생산하는 다중효용증발장치(100)와 상기 다중효용증발장치(100)에서 생산된 고온수증기 또는 저온수증기를 받아 수분을 흡착 또는 탈착하는 흡착제(220) 및 냉각수나 온수를 통해 상기 흡착제(220)로 열을 전달 가능한 열교환튜브(210)를 포함하는 포함하는 복수의 반응부(200)와 상기 반응부(200)의 흡착제(220)에서 탈착된 수분이 함유된 수증기를 담수로 회수할 수 있도록 응축시키는 응축기(300)와 상기 반응부(200)의 열교환튜브(210)에 냉각수 또는 온수를 선택적으로 공급하는 냉온수라인(400)과 상기 다중효용증발장치(100)와 상기 반응부(220) 및 상기 반응부(220)와 상기 응축기(300)를 각각 연결하는 수증기라인, 상기 수증기라인에 구비된 밸브, 상기 냉온수라인(400)에서 상기 열교환튜브(210)로 제공되는 냉각수 또는 온수를 선택적으로 공급을 위하여 상기 밸브의 작동을 제어하는 밸브제어부를 포함한다.

상기 반응부(200)는 상기 흡착제(220) 및 열교환튜브(210)를 각각 포함하는 베드A(200a), 베드B(200b) 및 베드C(200c)로 구성되며, 상기 베드A, 베드B 및 베드C는 각각 상기 밸브제어부의 제어를 통해 상기 다중효용증발장치(100)에서 생성된 고온수증기 또는 저온수증기를 선택적으로 공급받고, 상기 냉온수라인을 통해서 냉각수 또는 온수를 선택적으로 공급받아 저온흡착공정, 고온흡착공정, 예열공정, 탈착공정, 예냉공정을 순차적으로 수행할 수 있다.

상기 베드A, 베드B 및 베드C 중 어느 하나는 저온흡착공정을 수행할 때, 다른 하나는 고온흡착공정을 수행하고, 나머지 하나는 탈착공정을 수행할 수 있다.

상기 다중효용증발장치(100)는 복수의 연속된 증발기 및 고온수증기를 배출하는 고압증발기(130a)를 포함하는 제1 증발부(110) 및 복수의 연속된 증발기 및 최종 저온수증기를 배출하는 저압증발기(130b)를 포함하는 제2 증발부(120)를 포함할 수 있다.

상기 제1 증발부(110)와 상기 제2 증발부(120)는 서로 연결되며, 상기 제1 증발부(110)의 증발기A1부터 상기 제2 증발부(120)의 저압증발기(130b)까지 내부에서 생성된 응축수가 순차적으로 이동하여 담수를 생산할 수 있다.

상기 증발기(130)는 기체를 수용하는 방열관체(132)와 상기 방열관체(132)의 표면에 해수를 분사하는 분사노즐(133)과 상기 분사노즐(133)의 상부에 구비되며, 해수의 증발에 따른 수증기에서 액적을 분리하는 데미스터(134)와 상기 분사노즐(133), 방열관체(132) 및 데미스터(134)를 수용하는 하우징(131)을 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 성능계수(coefficient of performance, COP) 및 담수생산량을 극대화할 수 있고, 다중효용증발장치를 통해 부가적으로 생산된 냉방수를 지역냉방(district cooling) 및 거주냉방(residential cooling)을 위한 용수로 활용할 수 있으며, 다중효용법을 통한 해수와 수증기의 잠열교환으로 생성되는 응축수를 추가적으로 담수로 활용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 기존 흡착식 해수담수화 시스템을 나타내는 구성도.
도 2는 기존 흡착식 해수담수화 시스템에 적용되는 작동 로직 표.
도 3은 본 발명에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템을 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템의 세부공정을 나타낸 표.
도 5 내지 도 10은 본 발명에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템의 세부 공정별 작동상태도.
도 11은 본 발명에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템에 적용되는 작동 로직을 통해 베드A, 베드B, 베드C의 작동 순서를 나타낸 표.
도 12는 본 발명에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템의 성능을 나타낸 그래프.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

앞서 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 기존 흡착식 해수담수화 시스템(adsorption desalination; 이하, 'AD시스템')은 해수를 증발시켜 수증기를 생성하는 증발기, 증발기에서 전달받은 수증기를 흡착제에 흡착 및 탈착을 번갈아 수행하는 두 개의 반응부, 반응부에 흡착 또는 탈착을 위해 냉각수 및 온수를 선택적으로 공급하는 냉온수라인, 반응부에서 탈착되어 배출되는 수증기를 응축시켜 담수를 제공하는 응축기를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템은 도 3 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 기존에 AD시스템에서 증발기를 대신하여 고온수증기 및 저온수증기를 동시에 제공할 수 있는 다중효용증발장치(100)를 적용하고, 3개 이상의 반응부(200)를 적용함을 일 특징으로 한다.

상기 다중효용증발장치(100)를 통해 고온수증기 및 저온수증기를 선택적으로 공급할 수 있고, 다중효용법(多重效用法, Multiple Effect Distillation)으로 각기 지역냉방 및 거주냉방을 수행할 수 있다.

또한, 다중효용증발장치의 2-증발기 및 3-베드 AD 공정을 통해 흡착제의 유효 평형흡착량과 탈착 공정에 대한 최적의 사이클을 구현하여 담수화 성능이 향상될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템을 나타내는 구성도이고, 도 4는 본 발명에 실시예에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 공정의 각 단계를 나타낸 것이다.

상기 다중효용증발장치(100)는 각각 다수의 증발기(130)를 갖는 제1 증발부(110) 및 제2 증발부(120)를 포함할 수 있다. 상기 제1 증발부(110)와 제2 증발부(120)는 각각 공급되는 해수를 증발시켜 고온수증기 및 저온수증기를 생성할 수 있다.

이하, 본 발명의 다중효용증발장치(100)를 보다 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 상기 다중효용증발장치(100)는 상술한 바와 같이 각각 다수의 증발부를 갖는 제1 증발부(110) 및 제2 증발부(120)를 포함한다. 제1 증발부(110)에 의해 생성되는 수증기는 제2 증발부(120)에 의해 생성되는 수증기에 비하여 고온, 고압의 수증기일 수 있다.

도 3에 예시된 바와 같이 제1 증발부(110)는 연속된 증발기A1 내지 증발기AN을 포함할 수 있고, 고온, 고압의 수증기를 배출할 수 있다. 제2 증발부(120)는 연속된 증발기B1 내지 증발기BN을 포함하고 제1 증발부(110)의 증발기A1 내지 증발기AN에 비하여 상대적으로 저온 저압의 수증기를 배출할 수 있다. 상기 제1 증발부(110)와 제2 증발부(120)는 서로 연결될 수 있다.

이때, 상기 제1 증발부(110)는 열병합압축기(TVC; Thermo-Vapor Compressor)를 통해 상기 증발기A1에 최초로 스팀이 제공되고, 각 증발기(130)로 공급 및 분사되는 해수와 잠열교환으로 발생된 수증기를 다음 증발기(130)의 열원으로 하여 증발기AN까지 순차적으로 제공되는 다중효용법에 의해 최종 고온수증기를 생산하여 고온수증기라인(111)을 통해 상술한 반응부(200)에 공급하고, 여분의 고온수증기는 다시 TVC로 보내질 수 있다.

상기 제2 증발부(120)는 TVC를 통해 상기 증발기B1에 최초로 스팀이 제공되고, 각 증발기(130)로 공급 및 분사되는 해수와 잠열교환으로 발생된 수증기를 다음 증발기(130)의 열원으로 하여 증발기BN까지 순차적으로 제공되는 다중효용법에 의해 최종 저온수증기를 생산하여 저온수증기라인(121)을 통해 반응부(200)로 공급하고, 여분의 고온수증기는 다시 TVC로 보내질 수 있다.

상기 각각의 증발기(130)는 수증기를 수용하는 방열관체(132), 상기 방열관체(132)의 표면에 해수를 분사하는 분사노즐(133), 상기 분사노즐(133)의 상부에 구비되어 방열관체(132)의 표면에 해수 접촉에 따른 잠열증발로 발생되는 수증기에서 액적을 분리하는 데미스터(demister)(134), 상기 분사노즐(133), 방열관체(132) 및 데미스터(134)를 포함하여 상기 분사노즐(133)에 분사되는 해수를 수용하는 하우징(131)을 포함할 수 있다.

상기 방열관체(132)의 표면에 해수의 접촉에 따른 잠열교환으로 상기 방열관체(132)의 내부에 생성된 응축수를 증발기A1부터 증발기Bn까지 순차적으로 수집하여 담수를 생산할 수 있다.

이하, 본 발명의 반응부(200) 및 응축기(300)에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, 상기 반응부(200)는, 상기 다중효용증발장치(100)에서 생산된 고온수증기 또는 저온수증기를 받아 흡착 또는 탈착하는 흡착제(도 5 내지 도 10의 220)와, 상기 반응부(200)에서 흡착제(220)의 수분 흡착 시 발생하는 열을 제거하고, 탈착 시 상기 반응부(200)로 열을 공급할 수 있도록 냉수 또는 온수가 이동하는 열교환튜브(도 5 내지 도 10의 210)를 포함하는 베드A(200a), 베드B(200b), 베드C(200c)로 각각 구성될 수 있다. 상기 베드의 수는 예시적인 것으로 반드시 3개에 한정되는 것은 아니며 실시예에 따라서 4개 이상의 베드가 적용될 수 있다.

일 실시예에서 반응부(200)는 베드A(200a), 베드B(200b) 및 베드C(200c)로 분할 구성될 수 있고, 밸브제어부의 밸브 개폐 제어를 통해 각각의 베드(200a, 200b, 200c)에 다중효용증발장치(100)에서 생성된 고온수증기 및 저온수증기와 냉온수라인(400)을 통하여 제공되는 냉각수 및 온수가 선택적으로 공급될 수 있으며, 저온흡착, 고온흡착, 예열, 탈착, 예냉의 각 공정이 유기적으로 수행될 수 있다.

밸브제어부(미도시)는 다중효용증발장치(100)와 반응부(200), 상기 반응부(200)와 응축기(300)를 각각 연결하는 수증기라인에 구비된 밸브들과, 상기 냉온수라인(400)에서 상기 반응부(200)의 열교환튜브(210)로 제공되는 냉각수 및 온수의 선택 공급을 위한 밸브의 작동(개폐)을 제어할 수 있다.

응축기(300)는 상기 반응부(200)의 흡착제(220)에서 탈착된 수증기를 받아 응축시키며, 상기 응축된 물은 담수로 회수하여 담수저장탱크(310)에 저장하거나 공업용수 또는 생활용수로 활용할 수 있다.

상기 반응부(200)에서 배출되는 수증기를 응축기(300)에 공급하기 위해 배출라인(230)이 연결될 수 있다.

냉온수라인(400)은 상기 반응부(200)의 열교환튜브(210)에 냉각수 및 온수를 선택적으로 공급할 수 있다.

그리고, 상기 제1 증발부(110)의 고온수증기라인(111) 및 제2 증발부(120)의 저온수증기라인(121)은 최종 투입관(140)을 통해 각각의 반응부(200)에 연결될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템은 6 단계의 세부 공정을 통해 해수를 담수화할 수 있는데. 이하에서는 각 세부 공정을 도면과 함께 보다 상세히 설명한다.

도 4를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수 담수화는 사이클#1, 교체#1, 사이클#2, 교체#2, 사이클#3 및 교체#3의 세부공정으로 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템은 상술한 6개의 세부 공정을 반복적으로 수행하여 해수를 담수화 할 수 있다.

도 4는 각 세부 공정에서 베드A, 베드B 및 베드C 각각에 의해 수행되는 공정과 밸브의 개폐 상태를 정리한 것이다. 상술한 바와 같이 밸브는 밸브제어부에 의해 제어되어 각각의 세부공정에서 베드A 내지 베드C가 고압흡착공정, 저압흡착공정, 탈착공정, 예열공정, 예냉공정 중 어느 하나를 수행하도록 개폐될 수 있다.

예를 들어, 사이클#1의 경우 베드A는 저온흡착공정, 베드B는 고온흡착공정, 베드C는 탈착 공정을 수행할 수 있고, 교체#1의 경우 베드A는 저온흡착공정, 베드B는 예열공정, 베드C는 예냉공정을 수행하며, 사이클#2의 경우 베드A는 고온흡착공정, 베드B는 탈착 공정, 베드C는 저온흡착공정을 수행하고, 교체#2의 경우 베드A는 예열공정, 베드B는 예냉공정, 베드C는 저온흡착공정을 수행하며, 사이클#3의 경우 베드A는 탈착 공정, 베드B는 저온흡착공정, 베드C는 고온흡착공정을 수행하고, 교체#3의 경우 베드A는 예냉공정, 베드B는 저온흡착공정, 베드C는 예열공정을 수행할 수 있다. 도 11에 도시와 같이, 사이클#1 - 교체#1 - 사이클#2 - 교체#2 - 사이클#3 - 교체#3의 세부공정은 순차적으로 반복될 수 있다.

이하에서 도 5 내지 도 10을 참조하여 각 세부공정을 보다 상세히 설명한다.

도 5는 사이클#1 에서의 작동 상태도이다.

도 5를 참조하면 a) 베드A(200a)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-01)는 폐쇄되고, 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-02)는 개방되며, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-07)는 폐쇄되어 저온수증기를 수용하고, 밸브제어부에 의해 냉온수라인(400)의 밸브(AV-02) 및 밸브(AV-04)는 개방되고, 밸브(AV-01) 및 밸브(AV-03)는 폐쇄되어 냉각수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 저온수증기에 함유된 수분이 흡착제(220)에 흡착되는 저온흡착공정이 수행된다.

베드B(200b)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-03)는 개방되고, 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-04)는 폐쇄되며, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-08)는 폐쇄되어 고온수증기를 수용하고, 밸브제어부에 의해 냉온수라인(400)의 밸브(AV-06) 및 밸브(AV-08)는 개방되고, 밸브(AV-05) 및 밸브(AV-07)는 폐쇄되어 냉각수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 고온수증기에 함유된 수분이 흡착제(220)에 흡착되는 고온흡착공정이 수행된다. 여기서 베드A(200a) 및 베드B(200b)로 냉각수를 공급하여 흡착제(220)에 수분이 흡착됨에 따른 열을 냉각수를 통해 감소 또는 제거할 수 있다.

베드C(200c)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-05) 및 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-06)는 폐쇄되고, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-09)는 개방되며, 냉온수라인(400)의 밸브(AV-09) 및 밸브(AV-11)는 개방되고 밸브(AV-10) 및 밸브(AV-12)는 폐쇄된다. 상술한 밸브들의 개폐 동작에 의해 온수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 수분을 흡착제(220)로부터 탈착시켜 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)을 통해 응축기(300)로 수증기를 공급하는 탈착 공정이 수행된다.

도 6은 교체#1 에서의 작동 상태도이다.

도 6을 참조하면 b) 베드A(200a)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-01)는 폐쇄되고, 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-02)는 개방되며, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-07)는 폐쇄되어 저온수증기를 수용하고, 밸브제어부에 의해 냉온수라인(400)의 밸브(AV-02) 및 밸브(AV-04)는 개방되고, 밸브(AV-01) 및 밸브(AV-03)는 폐쇄되어 냉각수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 저온수증기에 함유된 수분을 흡착제(220)에 흡착시키는 저온흡착공정이 수행된다.

베드B(200b)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-03), 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-04) 및 배출라인(230)의 밸브(GV-08)는 모두 폐쇄되고, 상기 냉온수라인(400)의 밸브(AV-05) 및 밸브(AV-07)는 개방되며, 밸브(AV-08) 및 밸브(AV-08)는 폐쇄되어 상기 열교환튜브(210)에 온수를 제공하여 예열하는 예열공정이 수행된다.

베드C(200c)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-05), 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-06) 및 배출라인(230)의 밸브(GV-09)는 모두 폐쇄되고, 상기 냉온수라인(400)의 밸브(AV-10) 및 밸브(AV-12)는 개방되며, 밸브(AV-09) 및 밸브(AV-11)는 폐쇄되어 상기 열교환튜브(210)에 냉각수를 제공하여 예냉하는 예냉공정을 수행된다.

도 7은 사이클#2에서의 작동 상태도이다.

도 7을 참조하면 c) 베드A(200a)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-01)는 개방되고, 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-02)는 폐쇄되며, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-07)는 폐쇄되어 고온수증기를 수용하고, 밸브제어부에 의해 냉온수라인(400)의 밸브(AV-02) 및 밸브(AV-04)는 개방되고, 밸브(AV-01) 및 밸브(AV-03)를 폐쇄되어 냉각수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 고온수증기에 함유된 수분이 흡착제(220)에 흡착되는 고온흡착공정을 수행된다.

베드B(200b)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-03) 및 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-04)는 폐쇄되고, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-08)는 개방되며, 냉온수라인(400)의 밸브(AV-05) 및 밸브(AV-07)는 개방되고 밸브(AV-06) 및 밸브(AV-08)는 폐쇄되어 온수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 흡착제(220)에 흡착된 수분을 탈착시켜 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)을 통해 응축기(300)로 수증기를 공급하는 탈착 공정을 수행된다.

베드C(200c)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-05)는 폐쇄되고, 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-06)는 개방되며, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-09)는 폐쇄되어 저온수증기를 수용하고, 밸브제어부에 의해 냉온수라인(400)의 밸브(AV-10) 및 밸브(AV-12)는 개방되고, 밸브(AV-09) 및 밸브(AV-11)는 폐쇄되어 냉각수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 저온수증기에 함유된 수분이 흡착제(220)에 흡착되는 저온흡착공정을 수행된다.

도 8은 교체#2 에서의 작동 상태도이다.

도 8을 참조하면 d) 베드A(200a)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-01), 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-02) 및 배출라인(230)의 밸브(GV-07)는 모두 폐쇄되고, 상기 냉온수라인(400)의 밸브(AV-01) 및 밸브(AV-03)는 개방되며, 밸브(AV-02) 및 밸브(AV-04)는 폐쇄되어 상기 열교환튜브(210)에 온수를 제공하여 예열하는 예열공정이 수행된다.

베드B(200b)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-03), 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-04) 및 배출라인(230)의 밸브(GV-08)는 모두 폐쇄되고, 상기 냉온수라인(400)의 밸브(AV-06) 및 밸브(AV-08)는 개방되며, 밸브(AV-05) 및 밸브(AV-07)는 폐쇄되어 상기 열교환튜브(210)에 냉각수를 제공하여 예냉하는 예냉공정을 수행된다.

도 9는 사이클#3에서의 작동 상태도이다.

도 9를 참조하면, e) 베드A(200a)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-01) 및 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-02)는 폐쇄되고, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-07)는 개방되며, 냉온수라인(400)의 밸브(AV-01) 및 밸브(AV-03)는 개방되고 밸브(AV-02) 및 밸브(AV-04)는 폐쇄되어 온수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 흡착제(220)에 수분을 탈착시켜 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)을 통해 응축기(300)로 수증기를 공급하는 탈착 공정을 수행된다.

베드B(200b)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-03)는 폐쇄되고, 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-04)는 개방되며, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-08)는 폐쇄되어 저온수증기를 수용하고, 밸브제어부에 의해 냉온수라인(400)의 밸브(AV-06) 및 밸브(AV-08)는 개방되고, 밸브(AV-05) 및 밸브(AV-07)는 폐쇄되어 냉각수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 저온수증기에 함유된 수분이 흡착제(220)에 흡착되는 저온흡착공정공정을 수행된다.

베드C(200c)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-05)는 개방되고, 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-06)는 폐쇄되며, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-09)는 폐쇄되어 고온수증기를 수용하고, 밸브제어부에 의해 냉온수라인(400)의 밸브(AV-10) 및 밸브(AV-12)는 개방되고, 밸브(AV-09) 및 밸브(AV-11)는 폐쇄되어 냉각수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 고온수증기에 함유된 수분이 흡착제(220)에 흡착되는 고온흡착공정을 수행된다.

도 10은 교체#3에서의 작동 상태도이다.

도 10을 참조하면, f) 베드A(200a)에서, 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-01), 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-02) 및 배출라인(230)의 밸브(GV-07)는 모두 폐쇄되고, 상기 냉온수라인(400)의 밸브(AV-02) 및 밸브(AV-04)는 개방되며, 밸브(AV-01) 및 밸브(AV-03)는 폐쇄되어 상기 열교환튜브(210)에 냉각수를 제공하여 예냉하는 예냉공정을 수행된다.

베드B(200b)에서, 밸브제어부에 의해 상기 제1 증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-03)는 폐쇄되고, 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-04)는 개방되며, 상기 응축기(300)에 연결된 배출라인(230)의 밸브(GV-08)는 폐쇄되어 저온수증기를 수용하고, 밸브제어부에 의해 냉온수라인(400)의 밸브(AV-06) 및 밸브(AV-08)는 개방되고, 밸브(AV-05) 및 밸브(AV-07)는 폐쇄되어 냉각수를 상기 열교환튜브(210)에 제공하여 저온수증기에 함유된 수분이 흡착제(220)에 흡착되는 저온흡착공정을 수행된다.

베드C(200c)에서, 상기 제1증발부(110)에 연결된 고온수증기라인(111)의 밸브(GV-05), 상기 제2 증발부(120)에 연결된 저온수증기라인(121)의 밸브(GV-06) 및 배출라인(230)의 밸브(GV-09)는 모두 폐쇄되고, 상기 냉온수라인(400)의 밸브(AV-09) 및 밸브(AV-11)는 개방되며, 밸브(AV-10) 및 밸브(AV-12)는 폐쇄되어 상기 열교환튜브(210)에 온수를 제공함에 따라 예열하는 예열공정을 수행된다.

본 발명의 일 실시예에서 상술한 사이클#1, 교체#1, 사이클#2, 교체#2, 사이클#3, 교체#3가 순차적으로 반복 수행될 수 있다.

상술한 담수화과정에서, 예열 및 예냉 과정을 통해 상기 응축기(300) 내의 수분이 반응부(200)로 이동하는 것을 방지하고 압력을 조절할 수 있으며 에너지를 절감할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템의 기술적 효과에 대하여 설명한다.

종래 AD시스템에 경우 성능계수(coefficient of performance, COP)와 설치면적(footprint) 면에서 기존 수증기압축식 또는 흡수식 사이클에 비해 상대적으로 비효율적이다. 이는 종래의 AD시스템 사이클에서 흡착제의 흡착률(coverage, 흡착질(adsorbate)에 대한 흡착제의 최대 흡착량 대비 실제 흡착량)에 크게 의존하는 상대적으로 높은 흡착열(adsorption heat)과 흡착제의 다소 낮은 평형흡착량(equilibrium uptake)에 기인하게 된다.

이때, 특정 흡착질에 대한 흡착제의 흡착용량(uptake capacity)은 무한히 긴 시간 동안 평형 상태에서의 흡착량을 나타내는 흡착등온선(adsorption isotherm) 데이터로부터 얻을 수 있다.

그리고, 대부분의 종래 AD시스템은 열원 온도에 따라 180초에서 900초 범위의 (반)사이클 시간을 적용하고 있으며, 이와 같이 AD 사이클의 흡착 및 탈착 과정을 실행하기 위해 특정 흡착제에 대하여 사이클 시간은 효과적으로 제한된다.

AD시스템의 성능지수로 사용되는 있는 COP는 흡착질의 탈착열에 대한 증발잠열(latent heat)의 비로 정의된다.

대부분의 흡착제와 흡착질 쌍에서 흡착열은 낮은 상대압력(relative pressure) 또는 낮은 평형흡착량 조건에서 잠열보다 매우 크다. 이로 인해, 종래 AD시스템의 용량(capacity) 대비 부피(volume) 또는 설치면적 비를 향상시키는 방법은 향상된 유효 평형흡착량(net uptake capacity)을 갖는 사이클을 적용하는 것이다.

흡착제의 보다 높은 흡착량은 높은 흡착률 및 상대압력에서 흡착질의 잠열에 근접한 낮은 흡착열을 초래한다. 대부분의 종래 AD시스템은 흡착률이 약 0.2인 운전조건에서 작동되며, 이에 따라 종래 AD시스템의 COP는 유효 평형흡착량을 증가시킴에 따라 기존보다 약 0.15 이상 향상될 수 있다.

이뿐만 아니라, 종래 AD시스템에 대한 열역학 제2법칙 해석을 통해 알 수 있듯이, 보다 높은 물질전달속도(kinetics)를 갖는 높은 온도에서 열전달이 이루어지는 재생(regeneration) 또는 탈착(desorption) 공정은 흡착 공정보다 상대적으로 더 효율적이다.

하지만, 대부분의 종래 AD시스템에서는 흡/탈착 공정에 대하여 동일한 사이클 시간이 적용되며, 이로 인해 완전한 흡착 공정을 위한 탈착 베드의 부가적인 가열은 AD시스템의 효율을 저하시키는 요인이 된다.

도 12는 본 발명에 따른 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템의 성능을 나타낸 그래프이다.

도 12에 도시와 같이, 본 발명에 제안된 제1 증발부(110) 및 제2 증발부(120)를 통해 고온수증기 및 저온수증기를 통해 온도에 따른 압력상승에 따라 흡착률이 상승되는 효과를 기대할 수 있다.

따라서, 흡착 및 탈착 공정에 서로 다른 사이클 시간, 즉 탈착 공정에 상대적으로 더 짧은 사이클 시간을 적용한다면 종래 AD시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 성능계수(coefficient of performance, COP) 보완 및 담수생산량을 극대화할 수 있고, 각각의 제1 증발부 및 제2 증발부를 통해 부산(副産)된 냉수를 지역냉방(district cooling) 및 거주냉방(residential cooling)을 위한 용수로 활용할 수 있으며, 다중효용법을 통한 해수와 수증기의 잠열교환으로 생성되는 응축수를 담수로 활용할 수 있는 효과가 있다.

100: 다중효용증발장치 110: 제1 증발부
111: 고온수증기라인 120: 제2 증발부
121: 저온수증기라인 130: 증발기
130a: 고압증발기 130b: 저압증발기
131: 하우징 132: 방열관체
133: 분사노즐 134: 디미스터
140: 투입관
200: 반응부
200a: 베드A 200b: 베드B
200c: 베드C 210: 열교환튜브
220: 흡착제 230: 배출라인
300: 응축기 310: 담수저장탱크
400: 냉온수라인
밸브(GV-01, GV-02, GV-03, GV-04, GV-05, GV-06, GV-07, GV-08, GV-09)
밸브(AV-01, AV-02, AV-03, AV-04, AV-05, AV-06, AV-07, AV-08, AV-09, AV-10, AV-11, AV-12)

Claims

고온수증기 및 저온수증기를 생산하는 다중효용증발장치(100)와;
상기 다중효용증발장치(100)에서 생산된 고온수증기 또는 저온수증기를 받아 수분을 흡착 또는 탈착하는 흡착제(220) 및 냉각수나 온수를 통해 상기 흡착제(220)로 열을 전달 가능한 열교환튜브(210)를 포함하는 포함하는 복수의 반응부(200)와;
상기 반응부(200)의 흡착제(220)에서 탈착된 수분이 함유된 수증기를 담수로 회수할 수 있도록 응축시키는 응축기(300)와;
상기 반응부(200)의 열교환튜브(210)에 냉각수 또는 온수를 선택적으로 공급하는 냉온수라인(400)과;
상기 다중효용증발장치(100)와 상기 반응부(220) 및 상기 반응부(220)와 상기 응축기(300)를 각각 연결하는 수증기라인, 상기 수증기라인에 구비된 밸브, 상기 냉온수라인(400)에서 상기 열교환튜브(210)로 제공되는 냉각수 또는 온수를 선택적으로 공급을 위하여 상기 밸브의 작동을 제어하는 밸브제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 반응부(200)는,
상기 흡착제(220) 및 열교환튜브(210)를 각각 포함하는 베드A(200a), 베드B(200b) 및 베드C(200c)로 구성되며,
상기 베드A, 베드B 및 베드C는 각각 상기 밸브제어부의 제어를 통해 상기 다중효용증발장치(100)에서 생성된 고온수증기 또는 저온수증기를 선택적으로 공급받고, 상기 냉온수라인을 통해서 냉각수 또는 온수를 선택적으로 공급받아 저온흡착공정, 고온흡착공정, 예열공정, 탈착공정, 예냉공정을 순차적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 베드A, 베드B 및 베드C 중 어느 하나는 저온흡착공정을 수행할 때, 다른 하나는 고온흡착공정을 수행하고, 나머지 하나는 탈착공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 다중효용증발장치(100)는
복수의 연속된 증발기 및 고온수증기를 배출하는 고압증발기(130a)를 포함하는 제1 증발부(110); 및
복수의 연속된 증발기 및 최종 저온수증기를 배출하는 저압증발기(130b)를 포함하는 제2 증발부(120);를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 제1 증발부(110)와 상기 제2 증발부(120)는 서로 연결되며,
상기 제1 증발부(110)의 증발기A1부터 상기 제2 증발부(120)의 저압증발기(130b)까지 내부에서 생성된 응축수가 순차적으로 이동하여 담수를 생산하는 것을 특징으로 하는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 증발기(130)는,
기체를 수용하는 방열관체(132)와;
상기 방열관체(132)의 표면에 해수를 분사하는 분사노즐(133)과;
상기 분사노즐(133)의 상부에 구비되며, 해수의 증발에 따른 수증기에서 액적을 분리하는 데미스터(134)와;
상기 분사노즐(133), 방열관체(132) 및 데미스터(134)를 수용하는 하우징(131)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중효용증발장치를 이용한 흡착식 해수담수화 시스템.