WO2010143856A2 - 해수 담수화 장치 - Google Patents

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WO2010143856A2
WO2010143856A2 PCT/KR2010/003648 KR2010003648W WO2010143856A2 WO 2010143856 A2 WO2010143856 A2 WO 2010143856A2 KR 2010003648 W KR2010003648 W KR 2010003648W WO 2010143856 A2 WO2010143856 A2 WO 2010143856A2
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신창근
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Shin Chang Gun
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Definitions

  • the present invention relates to a seawater desalination apparatus, and more particularly, to an evaporative seawater desalination apparatus in which seawater is introduced, heated, and evaporated, and then condensed with water vapor to obtain fresh water.
  • the seawater desalination device is a reverse osmosis membrane method which extracts fresh water by applying reverse osmosis pressure higher than osmotic pressure to the seawater with a semi-permeable membrane in between, or sends seawater to a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately disposed between two electrodes.
  • a reverse osmosis membrane method which extracts fresh water by applying reverse osmosis pressure higher than osmotic pressure to the seawater with a semi-permeable membrane in between, or sends seawater to a cation exchange membrane and an anion exchange membrane alternately disposed between two electrodes.
  • MSF multistage flush
  • the desalination device by the reverse osmosis membrane method has a problem that the facility is complicated, requires a high level of technology, and the cost burden due to the operation and maintenance of the desalination system including the initial facility cost is very low. It is not suitable for large desalination.
  • the desalination system using the ion exchange method as in the case of the reverse osmosis membrane method, there is a problem in that an excessive cost is required for the use of energy and maintenance of the facility, and a very large site is required for the facility.
  • desalination apparatus using multistage flush (MSF) evaporation method injects superheated seawater (approximately 90 to 110 ° C) into a series of pipes placed sequentially.
  • Superheated seawater vaporizes as a portion of the water evaporates along a series of pipes.
  • the steam generated in this way is used as a preheating source of seawater through a heat exchanger, and condensed water vapor used for heating the seawater generates fresh water.
  • the desalination apparatus using the multi-stage flash evaporation method also consumes a large amount of fuel for heating the seawater introduced into the tube to about 90 to 110 ° C.
  • the temperature and pressure of the steam pipe of the heat exchanger are high temperature and high pressure, which requires a lot of equipment cost and maintenance cost.
  • the seawater desalination equipment is usually integrated into a power plant using cooling water, and this situation becomes a constraint in installing a desalination apparatus in a compact size.
  • the present invention is to improve the problems of the conventional seawater desalination apparatus, to provide a seawater desalination apparatus that can increase the efficiency of the fuel in the seawater desalination apparatus according to the seawater heating and evaporation method, and the equipment can be reduced in size and weight.
  • the purpose is to improve the problems of the conventional seawater desalination apparatus, to provide a seawater desalination apparatus that can increase the efficiency of the fuel in the seawater desalination apparatus according to the seawater heating and evaporation method, and the equipment can be reduced in size and weight.
  • the seawater desalination apparatus of the present invention for achieving the above object is a seawater desalination apparatus comprising a heater for heating seawater and a condenser for transferring the heat of steam generated by heating the seawater to the seawater to be input to the heater, the heater is a liquid phase It is characterized in that the heat source of the gaseous phase in the seawater that is the heating target of the direct contact with the seawater in the heater.
  • the heat source may be a combustion gas generated in a burner which is wrapped in a combustion chamber wall having micropores in the heater and submerged in the seawater, and the combustion gas of the burner enters the combustion chamber through the micropores of the combustion chamber wall in the heater. At the same time may be prevented to be made through the fine through-air can be made to directly exchange heat with seawater in a bubble state.
  • the heat source may be a mixture of steam generated from a power generation facility, or a hot gas such as steam and combustion gas.
  • the condenser is installed in a heat exchange vessel for receiving and condensing the seawater pipe which is a passage for moving the seawater to be introduced into the heater, and a condensate discharge pipe for discharging the condensed water vapor condensed in the lower portion of the heat exchange vessel It can be installed.
  • the heat exchange container has a cylindrical shape in which the upper and lower ends are closed by upper and lower surfaces, and there is a hole in the center of the lower surface of the heat exchange vessel, and there are partition walls protruding upward from the lower surface of the heat exchange vessel around the hole.
  • the upper end of the partition wall does not touch the upper surface of the closed cylindrical heat exchange vessel is made so that the water vapor is guided to the seawater pipe from the heat exchange vessel over the partition wall to move toward the side wall of the heat exchange vessel.
  • the heat exchange container has a cylindrical shape in which the upper and lower ends are closed by upper and lower surfaces, and there is a hole in the center of the lower surface of the heat exchange container, and there are partition walls protruding upward from the lower surface of the heat exchange vessel around the hole. It has a preheated seawater chamber, an inlet seawater chamber at the bottom, and a heat exchange pipe connecting the preheated seawater chamber and the inlet seawater chamber, and a part of the bottom surface of the preheated seawater chamber is formed with a nozzle projecting downward so that the seawater is introduced into the heater connected to the hole through the hole. Can be done.
  • the heat efficiency is not a boiler method in which a heat is exchanged through a pipe of a medium in a heater, but a hot gas such as direct combustion gas or steam introduced from an external power generation facility is mixed with seawater, which is a heating target of a liquid, to transfer heat.
  • a hot gas such as direct combustion gas or steam introduced from an external power generation facility is mixed with seawater, which is a heating target of a liquid, to transfer heat.
  • the seawater desalination apparatus of the present invention does not apply a high pressure to the condenser or the heater, there is no need to configure a separate facility to withstand the high pressure, and it is possible to make a structure such as a wall or a pipe thin and light. Therefore, the manufacturing and installation cost of the device can be reduced, miniaturization is possible, and thermal efficiency can be improved in the condenser because the heat conduction is easy through a thin wall. In addition, if the miniaturization is made, the insulation to the surroundings is also easy, and thus the thermal efficiency of the insulation can be expected to increase.
  • FIG. 1 is a side cross-sectional view of an embodiment of a seawater desalination apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan sectional view showing a cross section taken along line AA ′ of the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 2 is a plan sectional view showing a cross section taken along line AA ′ of the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 3 is an enlarged view illustrating the heater part in an enlarged manner in the embodiment of FIG.
  • Figure 4 is a side cross-sectional view showing another embodiment of the seawater desalination apparatus according to the present invention.
  • Figure 5 is a side cross-sectional view showing another embodiment of the seawater desalination apparatus according to the present invention.
  • the seawater desalination apparatus of the present invention includes a heater 100 for heating seawater and a condenser 200 for transferring heat of steam generated by heating seawater to seawater to be input to the heater.
  • the heater 100 has a burner (burner) 130 and a combustion chamber (combustion chamber wall: 120) surrounding the burner in seawater, which is a liquid object to be heated, so that the combustion gas of the burner passes through the minute holes of the combustion chamber wall (12). It is made so that it can directly exchange heat with sea water.
  • the heater 100 as a whole includes a liquid tank 110 and a combustion chamber wall 120 positioned in the liquid tank internal space.
  • the gas outlet 117 is installed at the upper end of the liquid tank 110 so that the bubbles 12 passing through the liquid and the gas components such as water vapor are collected and drawn out to the outside, and the liquid outlet 110 at the bottom of the liquid tank 110 below the liquid level Is formed, the seawater is heated along the seawater discharge pipe 115 connected to the outlet, and the salinity is concentrated by evaporation.
  • the liquid tank 110 is mostly in contact with the sea water 10, and does not need to be in direct contact with the internal combustion chamber 120. Therefore, the liquid tank 110 is formed of a material having corrosion resistance and heat resistance according to temperature and chemical characteristics of the normally heated sea water 10. . In order to prevent heat leakage to the outside of the liquid tank, it is possible to increase the thermal efficiency of the heater by wrapping a heat insulator (not shown) on the entire surface. In the case of sea water, since it is easy to corrode, it is preferable to use heat-resistant synthetic resin such as polycarbonate (PC) which can withstand the same or higher temperature of the heated water at the allowable pressure in the bath instead of the metal which is weak to insulation and corrosion. In addition, ceramic or glass may also be used.
  • PC polycarbonate
  • ceramic or glass may also be used.
  • the liquid tank 110 separates the inner space and the outer space, but a portion of the liquid tank wall is formed to be openable or assembled, and thus the maintenance may be conveniently performed.
  • Most of the inner space of the liquid tank 110 is filled with the seawater 10 preheated through the condenser.
  • the sea water may have a continuous flow in which a predetermined amount flows into and out of the liquid tank at a predetermined time rate, or may be discharged through the seawater discharge pipe 115 in a predetermined amount in a predetermined amount and heated as needed.
  • the combustion chamber is installed at a position below the sea level of the liquid tank.
  • the combustion chamber comprises a combustion chamber wall 120 for distinguishing between inside and outside.
  • the combustion chamber wall 120 is provided with a number of holes or slots. If the combustion chamber is not sealed by the wall because a hole or a slot is formed in the combustion chamber wall 120, but when the combustion chamber wall 120 is also large, the combustion chamber internal space and the external space are separated, and a part of the wall is formed to be opened or closed. Maintenance can be convenient.
  • the fuel and air (oxygen) supply pipe 160 is connected into the combustion chamber. To this end, the fuel and air supply pipe 160 meets the combustion chamber wall 120 through some walls of the liquid tank 110 or through an open portion of the liquid tank and is coupled to the inlet of the burner 130 through the combustion chamber wall.
  • the fuel and air supply pipe 160 is fixed to the wall of the liquid tank and the combustion chamber wall while passing through the wall of the liquid tank 110 and the combustion chamber wall 120. Therefore, the fuel and air supply pipes serve to fix the combustion chamber so as to be spaced apart from the liquid tank in the space in the liquid tank.
  • the fixing of these walls and the fuel and air supply pipes can be made by screwing using bolts or the like (a gasket can be generally used for airtightness), or by using mortar material or welding.
  • the fuel and air supply pipe 160 is integrated into one and introduced into the combustion chamber, but the fuel supply pipe and the air supply pipe may be separately introduced into the combustion chamber and connected to the burner.
  • the supply pressure of the fuel and air must be higher than the pressure in the combustion chamber.
  • a blower 155 may be installed in each of the integrated pipe, the fuel, and the air pipe, and valves 143 and 153 for opening and closing control may be installed in the pipe.
  • Integral piping may be equipped with a one-way open valve, such as an electronic or mechanical check valve 163, on a portion thereof to prevent liquid from penetrating into the burner through the combustion chamber and continuously penetrating the liquid from the burner into the piping.
  • the burner 130 inside the combustion chamber preferably uses a relatively weak flame and a uniform distribution.
  • the flame directly touches the combustion chamber wall and deteriorates and deteriorates the wall, thereby reducing durability, while reducing the problem that the incomplete combustion gas in the flame is discharged directly through the wall hole.
  • a flameless burner is also preferable because it can reduce the combustion space by eliminating the problems caused by flame formation, and can increase the combustion efficiency.
  • an electric spark generator is formed as the ignition device 135.
  • the burner 130 and the ignition device 135 may have a configuration similar to that of the portable gas range. Once the fuel is combusted, it can be heated to maintain a high temperature to reliably ignite the fuel without any further electrical sparks from the igniter. Electrical wires are applied to the outside of the tank from the ignition in the combustion chamber to induce electrical sparks in the ignition.
  • the pressure of the combustion gas in the combustion chamber due to the combustion of the fuel is to be greater than the largest value of the seawater pressure on the combustion chamber wall under normal operating conditions (seawater pressure acting on the bottom slot or hole).
  • the pressure inside the combustion chamber is basically influenced by the hourly input amount of fuel and oxygen (air) and the internal temperature, but may be substantially affected by the cross-sectional area and number of the fine holes or the micro slots formed in the wall. If the cross-sectional area of the hole or slot is large, the pressure at the entire hole or slot may fluctuate unevenly, and the pressure of the combustion gas may be maintained to keep the air pressure inside the combustion chamber larger than the pressure of the sea water to prevent the seawater from entering the combustion chamber. The amount should be adjusted.
  • the heat exchange is not sufficient and the combustion gas enters the condenser with water vapor with a lot of heat. This can help preheat seawater in the condenser, but on the other hand it can be a factor that makes the condensation of water vapor difficult.
  • the diameter of the bubble is small, so that the cross-sectional area of the hole or the slot affecting the size of the bubble is also small.
  • the thermal efficiency is good, but the processing capacity becomes small.
  • the bubbles are preferably distributed evenly in order to improve the thermal efficiency in the seawater, holes or slots on the wall
  • the distribution of is to be evenly distributed in consideration of the shape and size of the tank.
  • the combustion chamber wall is made of a material that can withstand heat and corrosion caused by flame or combustion gas, and may be made of a metal plate having a good workability but a ceramic material.
  • the condenser 200 is installed in the heat exchange vessel 220 in which the seawater pipe 210 carrying the seawater to be introduced into the heater 100 is confined with water vapor generated from the heater 100, and the heat exchange vessel 220.
  • the heat exchange container 220 has a cylindrical shape in which the upper and lower ends are closed by upper and lower walls, and there is a hole in the center of the lower surface of the heat exchange container, and the partition wall 222 protruding upward from the lower surface of the heat exchange container is formed around the hole. have.
  • the seawater pipe 210 extends vertically in the same direction as the side wall of the heat exchange vessel 220, and the upper end is composed of an upper surface and a lower surface thereof.
  • the outermost portion of the seawater pipe is a portion of the side wall of the cylindrical heat exchange vessel 220 of the condenser 200
  • a seawater inflow pipe 212 passing through is connected, and a connection pipe 216 is connected to the upper side at the innermost corner.
  • the connection pipe 216 connects the nozzle 214 and the seawater pipe 210 protruding downward from the upper surface of the cylindrical heat exchange vessel 220.
  • the nozzle 214 is formed such that seawater is introduced into the heater 100 connected to the hole through the hole. At this time, the upper end of the partition wall 222 does not touch the upper surface of the closed cylindrical container is made so that water vapor passes between the upper wall and the upper surface of the partition wall (222).
  • the water of the seawater pipe 210 flows into the outermost portion of the seawater pipe 210 through the seawater inflow pipe 212 and is turned in a spiral path viewed in a horizontal cross-section, gradually increasing the seawater pipe in the cylindrical heat exchange vessel 220.
  • After moving to the innermost angle of 210 is dropped through the connecting pipe 216 and the nozzle 214.
  • the dropped water is introduced into the liquid tank of the heater 100 connected to the condenser 200 through the lower center hole of the cylindrical heat exchange vessel.
  • the seawater that has exchanged heat with the bubbles 12 of the hot combustion gas ejected out of the combustion chamber wall 120 in the heater 100 becomes water vapor, and the remaining non-evaporated concentrated brine discharges seawater at the bottom of the tank from the heater 100. It is to be discharged through the pipe (115).
  • Water vapor rises from the heater and re-enters the cylindrical heat exchange vessel 220 of the condenser through the central hole of the condenser.
  • the water vapor moves over the partition wall 222 formed around the central hole and rotates from the innermost to the outermost along the sidewall of the seawater pipe 210 formed in the condenser by the internal pressure.
  • the condensate discharge pipe 224 may be made to exchange heat with seawater introduced from the outer wall. Insoluble gas among the gaseous components may remain in a gaseous state and be discharged separately from condensate in a subsequent process.
  • the residual heat of the seawater discharge pipe 115 of the heater may also be used to preheat seawater flowing through the heat exchanger.
  • FIG. 4 is a side cross-sectional view showing an embodiment of the present invention that is different from the embodiment of FIG.
  • the structure of the heater can be made the same as or similar to that of the embodiment of FIG. 1, showing differences in the structure of the condenser.
  • the heat exchange container 320 constituting the condenser 300 has a cylindrical shape in which the upper and lower ends are closed by upper and lower surfaces similar to the embodiment of FIG. 1, and the lower surface of the heat exchange container 320 is There is a hole in the center, and around the hole there is a partition wall 322 protruding upward from the lower surface of the heat exchange vessel 320.
  • a separate space is prepared at the top to form a preheated seawater chamber 316, and a separate space is also prepared at the bottom to form an inflow seawater chamber 314.
  • the preheating seawater chamber 316 and the inflow seawater chamber 314 have a plurality of heat exchange pipes 310.
  • the space between the heat exchange pipes 310 is filled with water vapor introduced over the partition wall 322 through the central hole in the heater 100.
  • the seawater enters the inlet seawater chamber 314 through the seawater inlet pipe 312 by pressure, and is introduced into the preheated seawater chamber 316 through the plurality of heat exchange pipes 310.
  • the preheated seawater of the preheated seawater chamber 316 is introduced into the liquid tank of the heater 100 through a central hole from a nozzle 324 formed in a portion of the bottom surface of the preheated seawater chamber.
  • the sea water is in contact with the combustion gas bubbles 12 of the burner in the liquid tank and the sea water is evaporated to become water vapor, and the water vapor is introduced into the heat exchange vessel 320 of the condenser 300 through the central hole.
  • Fig. 5 is a side sectional view showing an embodiment different from the embodiment of Fig. 1 in the configuration of a heat source of the heater.
  • hot gas is used as the heat source.
  • the hot gas is blown into the bubble state in the seawater in the liquid tank of the heater 100 through the hot gas pipe 450.
  • the hot gases are mainly produced at power plants and used directly to turn turbines, or at temperatures above 140 degrees Celsius, used for heat exchange for cooling, to produce steam and other combustion gases from structures such as the heaters of the embodiment of FIG. It may be a mixture.
  • the hot gas is ejected into the seawater through a jetting tool having micropores such as a shower head 430 or a slot at the end of the hot gas pipe 450.
  • a bubble can be made small and heat exchange of seawater and a hot gas can fully be performed.
  • the hot gas is mixed with the seawater, which is the heating target of the liquid phase, and transfers heat to the seawater so that a part of the water in the seawater is vaporized into the condenser, and the condensed water is discharged into the condensate discharge pipe.

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Abstract

해수를 가열하는 가열기와 해수를 가열하여 발생한 수증기의 열을 가열기로 투입될 해수에 전달시키는 응축기를 구비하여 이루어지는 해수 담수화 장치에 있어서, 가열기는 액상의 가열 대상물인 해수 내에 기상의 열원이 직접 접촉하여 상기 가열기에서 해수와 직접 열교환을 할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 장치가 개시된다. 따라서, 직접 연소 가스나 외부 발전시설에서 유입된 수증기 등 고온 가스가 액상의 가열 대상물인 해수에 함께 섞이면서 열을 전달하여 열효율이 증가하고, 응축기나 가열기에 고압이 걸리지 않으므로 제작 및 설비비용을 줄일 수 있고, 소형화가 가능하게 된다.

Description

해수 담수화 장치
본 발명은 해수 담수화 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해수를 유입시켜 가열하고 증발시킨 후 그 수증기를 응축시켜 담수를 얻는 증발식 해수 담수화 장치에 관한 것이다.
강우량이 적은 지역이나 하천에 의한 댐시설과 같은 수자원 시설이 부족한 지역과 같이 물의 공급이 어려운 지역으로 해수와 인접한 지역에서는 최근에 들어 해수와 같이 염분을 포함한 물(함수: 이하 해수는 함수와 같은 넓은 의미로 사용하기로 한다)을 담수화시킴으로서 각종 생활용수나 공업용수를 공급토록 하는 담수화 장치가 도입되어 사용되고 있다.
해수 담수화 장치로는 반투막을 사이에 두고 삼투압보다 높은 역삼투압을 해수에 가함으로서 담수를 추출하도록 하는 역침투막방식이나, 두 전극의 사이에 교대로 배치된 양이온 교환막과 음이온 교환막으로 해수를 흘려보냄으로서 해수 중의 이온을 분리 제거하는 이온교환방식, 다단플래쉬(MSF, Multistage Flush) 증발법을 이용한 담수화 방식이 가장 많이 알려져 있다.
역침투막방식에 의한 담수화 장치는 설비가 복잡하고, 고도의 기술을 필요로 하며, 초기 설비비용을 포함하여 담수화시스템의 운전 및 유지관리에 따른 비용부담이 크게 되는 문제점이 있어 담수화 효율이 매우 저조하였고, 대량의 담수화에 적합하지 않다. 이온교환방식을 이용한 담수화시스템의 경우에도 역침투막방식과 마찬가지로 에너지의 사용 및 설비의 유지관리에 과도한 비용이 소요되고, 설비시 매우 넓은 부지를 필요로 하는 문제점이 있다.
해수를 증발시켜 담수를 얻기 위한 것으로서 다단플래쉬(MSF, Multistage Flush) 증발법을 이용한 담수화 장치에서는 순차적으로 놓여져 있는 일련의 배관 내부로 과열해수(약 90 ~ 110℃)를 주입시킨다. 과열해수는 일련의 배관을 따라 물 일부가 증발하여 수증기가 된다. 이와 같이 발생한 수증기를 열교환기를 통해 해수의 예비 가열원으로 이용함과 동시에 해수의 가열에 사용된 수증기를 응축시켜 담수를 생성시킨다.
그러나, 다단플래쉬 증발법을 이용한 담수화 장치도 관내로 유입되는 해수를 약 90 ~ 110℃ 정도로 가열시키기 위한 연료의 소모량이 크다. 또한, 발생된 수증기의 응축과 해수의 예비 가열을 위한 열교환의 효율을 높이기 위해 열교환기의 수증기 배관의 온도와 압력이 고온 고압으로 되어 이를 위해 설비의 비용과 유지비용이 많이 소요된다.
따라서, 이런 다단 플래쉬 증발법을 사용하기 위해서는 해수 담수화 장비는 통상 발전소에 병합되어 냉각수를 이용하는 방식으로 이루어지며 이런 상황은 간편하게 소형으로 담수화 장치를 설비하는 데 있어서 제약조건으로 작용하게 된다.
본 발명은 종래의 해수 담수화 장치의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 해수 가열 및 증발 방식을 따르는 해수 담수화 장치에 있어서 연료의 효율을 높일 수 있고, 설비의 소형, 경량화가 가능한 해수 담수화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 발전소에서 발생한 증기뿐 아니라 별도의 다양한 연료 사용이 가능하여 입지에 제한이 적은 해수 담수화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 해수 담수화 장치는 해수를 가열하는 가열기와 해수를 가열하여 발생한 수증기의 열을 가열기로 투입될 해수에 전달시키는 응축기를 구비하여 이루어지는 해수 담수화 장치에 있어서, 가열기는 액상의 가열 대상물인 해수 내에 기상의 열원이 직접 접촉하여 상기 가열기에서 해수와 직접 열교환을 할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 열원은, 가열기 내에서 미세 통공을 가진 연소실 벽체로 감싸져 해수 내에 잠기는 버너에서 발생한 연소가스가 될 수 있고, 버너의 연소가스는 가열기에서 연소실 벽체의 미세 통공을 통해 해수가 연소실로 들어오는 것을 막는 동시에 미세 통공을 통해 분출되어 기포 상태로 해수와 직접 열교환을 할 수 있도록 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명에서 열원은 발전시설 등에서 발생된 수증기 혹은 수증기 및 연소 가스 등 고온 가스의 혼합물일 수 있다.
본 발명에서 응축기는 가열기로 유입될 해수를 이동시키는 통로인 해수 배관이 가열기에서 발생한 수증기를 수용하여 응축시키는 열교환 용기 내에 설치되고, 열교환 용기의 하부에는 수증기가 응축된 응축수가 배출되는 응축수 배출 배관이 설치되어 이루어질 수 있다.
이때, 열교환 용기는 상, 하면에 의해 상, 하단이 폐쇄된 원통 형태로 이루어지고, 열교환 용기의 하면 중심부에는 홀이 있고, 홀 주변에는 열교환 용기의 하면으로부터 위로 돌출된 격벽이 있고, 열교환 용기 내에는 상하로는 원통형의 열교환 용기의 측벽과 같은 방향으로 수직으로 길게 뻗고 수평 단면에서 볼 때는 스파이어럴 스프링(spiral spring)과 같은 나선 혹은 소용돌이 형태로 이루어지는 해수 배관이 있고, 해수 배관의 가장 중심부(최내각)은 해수 배관을 거친 해수가 홀을 통해 홀과 연결된 가열기로 투입되도록 형성된 노즐과 연결되도록 이루어질 수 있다. 이때, 격벽의 상단은 원통형 열교환 용기의 상단을 폐쇄한 상면에 닿지 않아 수증기가 격벽을 넘어 열교환 용기에서 해수 배관에 인도되어 선회하면서 열교환 용기의 측벽쪽으로 이동하도록 이루어진다.
본 발명에서 열교환 용기는 상, 하면에 의해 상, 하단이 폐쇄된 원통 형태로 이루어지고, 열교환 용기의 하면 중심부에는 홀이 있고, 홀 주변에는 열교환 용기의 하면으로부터 위로 돌출된 격벽이 있고, 상부에 예열 해수실, 하부에 유입 해수실, 예열 해수실과 유입 해수실을 연결하는 열교환 파이프를 가지며, 예열 해수실의 저면 일부에는 해수가 홀을 통해 홀과 연결된 가열기로 투입되도록 하방으로 돌출되는 노즐이 형성되어 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면 가열기에서 매체의 파이프를 통해 열교환이 이루어지는 보일러 방식이 아니고 직접 연소 가스나 외부 발전시설에서 유입된 수증기 등 고온 가스가 액상의 가열 대상물인 해수에 함께 섞이면서 열을 전달하는 방식이 되므로 열효율이 증가하여 동일량의 담수를 얻는 데 대한 연료비용을 절약할 수 있다.
또한, 본 발명의 해수 담수화 장치는 응축기나 가열기에 고압이 걸리지 않으므로 고압에 견디기 위한 별도의 설비 구성을 할 필요가 없고, 벽체나 파이프 등의구조물을 얇고 가볍게 만들 수 있다. 따라서, 장치의 제작 및 설비비용을 줄일 수 있고, 소형화가 가능하게 되며, 응축기에서는 얇은 벽체를 통해 열전도가 용이하므로 열효율도 향상될 수 있다. 또한 소형화가 이루어지면 주변에 대한 단열도 용이해지므로 단열에 따른 열효율 증대를 기대할 수 있다.
열효율이 우수하므로 발전소의 폐증기 등을 이용하지 않고 직접 연료로 해수를 가열하는 운용도 가능해지고, 따라서, 장소의 제약이나 연료의 제약을 덜 받게 된다.
도1은 본 발명에 따른 해수 담수화 장치의 일 실시예에 대한 측단면도이다.
도2는 도1의 실시예를 AA'선에 따라 절단한 단면을 나타내는 평단면도이다.
도3은 도1의 실시예에서 가열기 부분을 확대하여 나타낸 확대도이다.
도4는 본 발명에 따른 해수 담수화 장치의 다른 실시예를 나타내는 측단면도이다.
도5는 본 발명에 따른 해수 담수화 장치의 또 다른 실시예를 나타내는 측단면도이다.
이하 도면을 참조하면서 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도1 내지 도3을 참조하면, 본 발명의 해수 담수화 장치는 해수를 가열하는 가열기(100)와 해수를 가열하여 발생한 수증기의 열을 가열기로 투입될 해수에 전달시키는 응축기(200)를 구비하여 이루어진다. 가열기(100)는, 액상의 가열 대상물인 해수 내에 버너(burner:130)와 버너를 감싸는 연소실(연소실 벽체:120)이 잠겨서, 버너의 연소가스가 연소실 벽체의 미세 통공을 거쳐 나온 기포(12)의 형태로 해수와 직접 열교환을 할 수 있도록 이루어진다.
가열기(100) 전체는 액조(110)와 액조 내부 공간에 위치하는 연소실 벽체(120)를 포함한다. 액조(110)의 상단에는 액체를 거쳐 나온 기포(12)들과, 수증기 등 기체 성분이 모여 외부로 인출될 수 있도록 가스 배출구(117)가 설치되고, 액면 이하의 액조(110) 저부에는 액체 유출구가 형성되고, 유출구에 연결되는 해수 배출 배관(115)을 따라 가열되고 증발에 따라 염도가 농축된 해수가 배출된다.
액조(110)는 대부분 해수(10)와 닿아 있으며, 내부의 연소실(120)과 직접 닿을 필요는 없으므로 정상적으로 가열된 해수(10)가 가지는 온도 및 화학적 특성에 따라 내식성과 내열성을 갖춘 재질로 형성한다. 액조 외측에는 외부로의 열 누출을 막기 위해 외면에 전면적으로 단열재(미도시)를 감싸서 가열기의 열효율을 높일 수 있다. 해수의 경우, 부식이 되기 쉬우므로 단열과 부식에 약한 금속 대신에 액조 내의 허용된 압력에서 가열된 물의 온도와 같거나 높은 온도에서 견딜 수 있는 폴리카보네이트(PC) 등의 내열성 합성수지를 사용하는 것이 바람직하며, 세라믹이나 유리도 사용될 수 있다. 이 경우, 철과 같은 부식성 금속으로 형성하는 경우에 비해 액조 내에 녹이 슬거나, 스케일이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 유지 보수 기간에 액조 내면을 세정하기에도 편리하다. 따라서, 재질 열화 및 파손으로 인한 설비 교체 기간을 줄일 수 있다.
액조(110)는 내부 공간과 외부 공간을 분리하지만 액조 벽체 일부가 개폐 혹은 조립 가능하게 형성되어 유지보수가 편리하게 형성될 수 있다. 액조(110) 내부 공간 대부분에는 응축기를 통해 예열된 해수(10)가 채워진다. 해수는 일정한 시간율로 일정량이 액조 내로 유입되고 유출되는 연속적인 흐름을 갖거나, 필요에 따라 일정량이 유입되어 가열된 뒤 그 일정량이 일괄적으로 해수 배출 배관(115)을 통해 배출될 수 있다.
액조의 해수 수위 이하의 위치에 연소실이 설치된다. 연소실은 내부와 외부를 구분하기 위한 연소실 벽체(120)를 구비하여 이루어진다. 연소실 벽체(120)에는 다수의 구멍이나 슬롯이 형성되어 있다. 구멍이나 슬롯이 연소실 벽체(120)에 형성되므로 벽체에 의해 연소실이 밀폐는 되지 않지만 연소실 벽체(120)도 크게 볼 때에 연소실 내부 공간과 외부 공간을 분리하며, 벽체 일부가 개폐 혹은 조립 가능하게 형성되면 유지보수가 편리하게 될 수 있다.
연료 및 공기(산소) 공급관(160)이 연소실 내부로 연결된다. 이를 위해 연료 및 공기 공급관(160)은 액조(110)의 일부 벽체를 관통하거나 액조의 열린 부분을 통해 연소실 벽체(120)와 만나고, 연소실 벽체를 통해 버너(130)의 인입구에 결합된다. 이 실시예에서는 연료 및 공기 공급관(160)은 액조(110)의 벽체 및 연소실 벽체(120)를 관통하면서 액조의 벽체 및 연소실 벽체와 고정된다. 따라서, 연료 및 공기 공급관은 연소실을 액조 내의 공간에 액조와 이격된 상태로 위치하도록 고정하는 역할을 한다. 이들 벽체들과 연료 및 공기 공급관의 고정은 볼트 등을 이용한 나사체결(기밀성을 위해 가스켓을 통상 이용할 수 있음)이나, 모르타르재나 용접을 이용하여 이루어질 수 있다.
연료 및 공기 공급관(160)은 이 실시예에서는 하나로 통합되어 연소실로 인입되고 있으나 연료 공급관과 공기 공급관이 별도로 연소실로 인입되어 버너에 연결될 수도 있다. 버너(130)의 운전 중에 연소실 내의 높은 압력에도 불구하고 연료나 공기를 공급하기 위해 연료 및 공기의 공급압은 연소실 내의 압력보다 높아야 한다. 이를 위해 통합 배관이나 연료, 공기 배관 각각에 송풍기(155)를 설치할 수 있고, 개폐 조절을 위한 밸브(143,153)가 배관에 설치된다. 통합 배관에는 연소실을 통해 버너 내부로 액체가 침투하고, 버너에서 배관으로 액체가 계속적으로 침투되는 것을 방지하기 위해 그 일부에 전자식 혹은 기계식 첵크 밸브(163)와 같은 일방향 열림 밸브를 설치할 수 있다.
한편 이 실시예에서 연소실 내부의 버너(130)는 화염이 비교적 약하고 전반적으로 고르게 분포되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 화염이 연소실 벽체에 직접 닿게 되고 벽체를 열화, 변성시켜 내구성을 떨어뜨리는 한편, 화염 중의 불완전 연소 가스가 직접 벽체 구멍을 통해 배출되는 문제를 줄일 수 있다. 무염버너도 화염 형성에 따른 문제를 없애연소 공간을 줄일 수 있으며, 연소 효율을 높일 수 있으므로 바람직하다.
버너의 측방에는 점화장치(135)로서 전기 스파크 발생장치가 형성되어 있다. 이러한 버너(130)와 점화장치(135) 구성은 휴대형 가스 레인지의 구성과 비슷한 형태를 가질 수 있다. 일단 연료가 연소되면 가열되어 높은 온도를 유지함으로써 더이상 점화장치의 전기 스파크가 없이도 안정적으로 연료를 발화시키는 작용을 할 수 있다. 점화장치의 전기 스파크 유도를 위해 전압을 인가하는 전선이 연소실 내의 점화장치로부터 액조 외측으로 연결되어 있다.
연료의 연소에 의한 연소실 내의 연소 가스의 압력은 정상 운전상태에서 연소실 벽체에 미치는 해수의 압력 가운데 가장 큰 값(가장 아래쪽의 슬롯이나 구멍에서 작용하는 해수 압력)보다 크도록 한다. 이때, 연소실 내부에서의 압력은 연료 및 산소(공기)의 시간당 투입량과, 내부 온도에 기본적으로 영향을 받지만 실질적으로는 벽체에 형성된 미세 구멍이나 미세 슬롯의 단면적과 갯수에 의해 영향을 받을 수도 있다. 구멍이나 슬롯의 단면적이 클 경우, 전체 구멍이나 슬롯에서의 압력이 일정하지 않게 요동할 수도 있고, 연소실 내로 해수가 들어오는 것을 방지하기 위해 해수의 압력보다 연소실 내부의 기압을 더 크게 유지하도록 연소 가스의 양이 조절되어야 한다.
연소 가스의 양이 많아질 경우 충분히 열교환을 하지 못하고 연소가스는 많은 열을 가진 채 수증기와 함께 응축기로 들어가게 된다. 이 경우, 응축기에서 해수 예열을 도울 수 있지만 한편으로 수증기의 응축을 어렵게하는 요소가 될 수 있다. 부피당 접촉면적을 늘려 열교환의 효율이 높아지도록 하기 위해 기포의 직경이 작은 것이 바람직하므로 기포의 크기에 영향을 주는 구멍이나 슬롯의 단면적도 작은 것이 바람직하다. 단, 가열할 해수가 많을 때에는 슬롯이나 구멍의 크기를 너무 작게하면 열효율은 좋지만 처리용량이 작아지는 문제가 있고, 기포는 해수 중에서 열효율이 좋도록 하기 위해서는 고르게 분포하는 것이 바람직하므로 벽체 상의 구멍이나 슬롯의 분포도 액조의 형태나 크기를 고려하여 고르게 분포되도록 한다.
연소실을 액조의 해수 내에서 보다 아래쪽에 있도록 하고, 액조의 깊이를 깊게 할수록 기포가 액체 속에서 액체와 열교환을 할 시간을 증가시키는 장점이 있다.
연소실 벽체는 화염이나 연소가스에 의한 열과 부식에 견딜 수 있는 재질로 이루어지며, 세라믹 재료도 가능하지만 가공성이 우수한 금속판으로 이루어질 수 있다.
본 실시예에서 응축기(200)는 가열기(100)로 유입될 해수를 운반하는 해수 배관(210)이 가열기(100)에서 발생한 수증기를 가두고 있는 열교환 용기(220) 내에 설치되고, 열교환 용기(220)의 하부에는 수증기가 응축된 응축수가 배출되는 응축수 배출 배관(224)이 설치되어 이루어진다. 열교환 용기(220)는 상, 하면 벽체에 의해 상, 하단이 폐쇄된 원통 형태로 이루어지고, 열교환 용기의 하면 중심부에는 홀이 있고, 홀 주변에는 열교환 용기의 하면으로부터 위로 돌출된 격벽(222)이 있다.
원통형 열교환 용기(220) 내에는 해수 배관(210)은 열교환 용기(220) 측벽과 같은 방향으로 상하로 길게 뻗어있고, 상단은 상면으로 하단은 하면으로 이루어진다. 수평면과 평행한 방향으로 자른 수평단면에서 볼 때 스파이어럴 스프링(spiral spring)과 같은 나선 혹은 소용돌이 형태로 이루어지고, 해수 배관의 최외각에는 응축기(200)의 원통형 열교환 용기(220) 측벽의 일부를 통과하는 해수 유입 배관(212)이 연결되고, 최내각에는 상부측에 연결관(216)이 연결되어 있다. 연결관(216)은 원통형 열교환 용기(220)의 상면에서 아래쪽으로 돌출되어 있는 노즐(214)과 해수 배관(210)을 연결한다. 노즐(214)은 해수가 홀을 통해 홀과 연결된 가열기(100)로 투입되도록 형성된다. 이때, 격벽(222)의 상단은 원통형 용기의 상단을 폐쇄한 상면에 닿지 않아 격벽(222) 상단과 상면 사이로 수증기가 통과할 수 있도록 이루어진다.
따라서, 해수 배관(210)의 물은 해수 유입 배관(212)을 통해 해수 배관(210)의 최외각으로 유입되고 수평 단면에서 본 나선형의 경로 통해 선회하면서 점차 원통형 열교환 용기(220) 내에서 해수 배관(210)의 최내각으로 이동한 뒤 연결관(216)과 노즐(214)을 통해 낙하된다. 낙하된 물은 원통형 열교환 용기의 하면 중앙 홀을 통해 응축기(200)와 연결된 가열기(100)의 액조로 투입된다.
가열기(100)에서 연소실 벽체(120) 밖으로 분출되는 고온의 연소 기체의 기포(12)와 열교환을 한 해수는 수증기가 되고 나머지의 증발되지 않은 농축된 염수는 가열기(100)에서 액조 저면의 해수 배출 배관(115)을 통해 배출되도록 한다. 한편, 수증기는 가열기에서 상승하여 응축기의 중앙 홀을 통해 응축기의 원통형 열교환 용기(220) 내로 다시 들어온다. 수증기는 중앙 홀 주변에 형성된 격벽(222)을 넘어 내부 압력에 의해 응축기 내에 형성된 해수 배관(210)의 측벽을 따라 최내각에서 최외각으로 선회하듯이 이동하게 된다. 그 경로에서 해수 배관(210)의 벽체에 닿으면 그 벽체를 통해 열을 해수에게 전달하면서 자신은 열을 잃고 응축수가 된다. 응축수 방울은 벽체를 타고 원통형 용기의 하면으로 내려온다. 하면에 쌓인 물은 원통형 용기의 외벽 하부에 설치된 응축수 배출 배관(224)을 통해 배출된다. 응축수 배출 배관(224)을 통해서는 수증기를 포함한 일부 기상 성분도 함게 배출될 수 있다. 배출되는 과정에서 기상 성분 가운데 응축수에 용해될 수 있는 가용성분과 수증기는 응축수와 닿거나 배관 외벽을 통해 열을 잃고 응축되거나 혹은 용해된다. 이런 작용을 돕기 위해 응축수 배출 배관(224) 외벽에서도 도입되는 해수와 열교환이 이루어지도록 할 수 있다. 기상 성분 가운데 불용 가스는 그대로 기체 상태로 남아 이후 과정에서 응축수와 분리되어 배출될 수 있다.
가열기의 해수 배출 배관(115)의 잔열도 열교환기를 통해 유입되는 해수를 예열하는 데 사용될 수 있다.
도4는 도1의 실시예와 다른 본 발명의 실시예를 나타내는 측단면도이다.
가열기의 구조는 도1의 실시예와 동일하거나 유사하게 이루어질 수 있고, 응축기의 구조에 차이를 나타낸다.
도4의 실시예에서 응축기(300)를 이루는 열교환 용기(320)는 도1의 실시예와 유사하게 상, 하면에 의해 상, 하단이 폐쇄된 원통 형태로 이루어지고, 열교환 용기(320)의 하면 중심부에는 홀이 있고, 홀 주변에는 열교환 용기(320)의 하면으로부터 위로 돌출된 격벽(322)이 있다.
단, 상부에 별도 공간이 준비되어 예열 해수실(316)을 이루고, 하부에도 별도 공간이 준비되어 유입 해수실(314)을 이룬다. 도1의 해수 배관과 달리 예열 해수실(316)과 유입 해수실(314)을 연결하는 복수의 열교환 파이프(310)를 가진다. 열교환 파이프(310) 사이의 공간에는 가열기(100)에서 하면 중앙 홀을 통해 격벽(322)을 넘어 유입된 수증기가 채워진다.
해수는 압력에 의해 해수 유입 배관(312)을 통해 일단 유입 해수실(314)로 들어가고, 복수의 열교환 파이프(310)를 통해 예열 해수실(316)로 투입된다. 예열 해수실(316)의 예열된 해수는 예열 해수실 저면 일부에 형성된 노즐(324)로부터 중앙 홀을 통해 가열기(100)의 액조로 투입된다. 해수는 액조에서 버너의 연소가스 기포(12)와 접촉하여 해수가 증발되어 수증기가 되며, 수증기는 중앙 홀을 통해 응축기(300)의 열교환 용기(320)로 유입된다.
수증기는 열교환 파이프(310) 표면에 닿거나, 하부의 유입 해수실(314) 벽체와 닿아 응결, 응축되며 바닥(유입 해수실 위쪽)에 쌓인 응축수는 원통형 열교환 용기(320) 측벽의 하부에 형성된 연결홀을 통해 응축수 배출 배관(324)으로 배출된다.
도5는 가열기의 열원의 구성에서 도1의 실시예와 다른 실시예를 나타내는 측단면도이다.
도5의 실시예에서는 열원으로 고온 가스가 사용된다. 고온 가스는 고온 가스관(450)을 통해 가열기(100)의 액조에 있는 해수 내에 기포 상태로 분출된다. 고온 가스는 주로 발전소에서 만들어져 직접 터어빈을 돌리는 데 사용되거나, 냉각용으로 열교환에 사용된 140도씨 이상 고온의 수증기가 되며, 도1의 실시예의 가열기와 같은 구조에서 발생된 수증기와 다른 연소가스의 혼합물이 될 수도 있다.
고온 가스는 고온 가스관(450) 단부에 샤워 해드(430) 혹은 슬롯과 같은 미세 기공을 가진 분사도구를 통해 해수 내에 분출되도록 한다. 이 경우, 기포를 작게할 수 있어 해수와 고온 가스와의 열교환이 충분히 이루어질 수 있다.
고온 가스는 액상의 가열 대상물인 해수에 함께 섞이면서 해수로 열을 전달하여 해수 중의 물 일부가 수증기가 되어 응축기로 유입되고, 다시 응축수가 되어 응축수 배출 배관으로 배출된다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한　것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (6)

  1. 해수를 가열하는 가열기와 해수를 가열하여 발생한 수증기의 열을 상기 가열기로 투입될 해수에 전달시키는 응축기를 구비하여 이루어지는 해수 담수화 장치에 있어서,
    상기 가열기는 액상의 가열 대상물인 해수 내에 기상의 열원이 직접 접촉하여 상기 가열기에서 해수와 직접 열교환을 할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열기 내에는 버너가 구비되고, 상기 열원은 상기 버너의 연소가스이며, 상기 버너는 미세 통공을 가진 연소실 벽체로 감싸져 상기 연소실 벽체와 함께 해수 내에 잠기고, 상기 버너의 연소가스는 상기 연소실 벽체의 미세 통공을 통해 기포 상태로 해수와 직접 열교환을 할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열원은 발전소에서 발생한 수증기인 것을 특징으로 하는 해수 담수화 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 응축기에서는 상기 가열기로 유입될 해수를 운반하는 해수 배관이 상기 가열기에서 발생한 수증기를 가두고 있는 열교환 용기 내에 설치되고, 상기 열교환 용기의 하부에는 수증기가 응축된 응축수가 배출될 수 있도록 응축수 배출 배관이 설치되어 이루어짐을 특징으로 하는 해수 담수화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환 용기는 상, 하면에 의해 상, 하단이 폐쇄된 원통 형태로 이루어지고, 상기 하면의 중심부에는 홀이 있고, 상기 홀 주변에는 상기 하면으로부터 위로 돌출된 격벽이 있고, 상기 열교환 용기 내에는 해수 배관이 원통의 회전 중심축과 수직한 단면에서 볼 때 나선형태로 이루어지고, 상기 해수 배관의 최내각에는 해수가 상기 홀을 통해 상기 가열기로 투입되도록 노즐이 형성되어 이루어짐을 특징으로 하는 해수 담수화 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환 용기는 상, 하면에 의해 상, 하단이 폐쇄된 원통 형태로 이루어지고, 상기 열교환 용기의 하면 중심부에는 홀이 있고, 상기 홀 주변에는 열교환 용기의 하면으로부터 위로 돌출된 격벽이 있고,
    상부에 예열 해수실, 하부에 유입 해수실, 상기 예열 해수실과 상기 유입 해수실을 연결하는 열교환 파이프를 가지며, 상기 예열 해수실의 일부에는 해수가 상기 홀을 통해 상기 가열기로 투입되도록 노즐이 형성되는 것을 특징으로 하는 해수 담수화 장치.
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