선박용 수직형 다단 조수기{Marine vertical multistage desalinator}
본 발명은 선박의 엔진열이나 엔진을 사용하는 해상 구조물 등으로 부터 생성되는 고온수를 사용하여 해수를 증발시켜 담수를 얻는 증발식 해수 조수 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 한 개의 케이스 안에 다수개의 증발기를 상하 수직으로 구성하여, 선박이나 해양 구조물에의 조수기 설치 면적을 크게 감소시켜 효과적으로 설치될 수 있도록 하고, 단일 통 내부에 다수개의 증발기가 위치함으로써 외부로의 열손실을 차단하며, 다단의 흐름으로 해수 온도가 상승하게 되어 담수 제조량이 크게 증가하게 되는 에너지 절감형 다수개의 수직 다단 증발기와 응축기가 설치된 조수기에 관한 것이다.
선박이나 해상 구조물에서는 일반적으로 보일러 급수, 장비 세척 및 냉각, 발라스트 수처리, 생활용수 등을 위하여 필수적으로 담수를 생산하는 조수기가 필요하게 된다. 통상 해수로 부터 담수를 제조하는 방식은 증발법, 역삼투압법, 냉동법, 전기투석법 등이 있다. 이 중 선박의 엔진열이나 해양구조물의 발전용 엔진열을 이용한 담수 제조방법은 증발법이며, 증발기를 1개 채용한 단효용, 그리고 담수량을 늘리기 위하여 여러개의 증발기를 적용한 다단효용 시스템으로 구분된다. 이 다단 조수기는 다중효용 증발법(Multieffect evaporation, MED)과 다단 플래시 증류법 (Multlstage flash distillation, MSF)으로 구분되며, 주로 대량의 담수를 제조하는 육상의 대형 담수시스템에 적용되고 있다. 반면, 해상 선박의 조수기는 단효용 시스템으로 되어 있으며, 선박의 담수 요구량이 크면 조수기의 증발기와 응축기의 전열면적이 크게 필요하게 되어 조수기의 크기가 대형화됨으로써 설치 면적을 크게 차지하는 문제를 갖게 된다. 먼저, 기존의 선박 엔진열을 열원으로 하는 단효용 조수기 시스템을 보면 도 1에서 보는 바와 같이 해수를 증발시키는 증발기(110), 증발된 수증기를 응축시키는 응축기(120), 증발기와 응축기 공간을 진공으로 만드는 이젝터(150), 그리고 응축기로 해수의 액적 유입을 방지하는 데미스터(Demister)로 구성된다. 그 원리는 선박 엔진으로 부터 생성된 약 60℃ 정도의 온수(130)가 증발기(110) 관 내부를 순환하면서 관 외부의 해수를 가열하여 수증기를 발생시킨다. 증발된 수증기는 상부의 데미스터를 거쳐 응축기 외표면에서 응축되어 담수(160)로 된다. 조수기에 유입되는 해수(140)는 먼저 응축기(120) 관내부에 주입되어 관외부의 수증기를 응축시켜 담수를 만들면서 온도가 상승하여 이젝터와 증발기에 주입된다. 이젝터(120)는 시스템의 압력을 진공으로 유지시켜 낮은 온도에서도 해수의 증발이 용이하도록 하는 기능을 한다. 또한, 육상에 적용되는 다중효용 증발법(MED)의 구조 및 원리는 도 3과 같이 단단 조수기와 달리 다수개의 증발기(410~430)가 연속적(Series)로 구성된다. 증발기가 3개인 3중 효용 MED(400)의 원리는, 엔진의 온수가 제 1 증발기의 내관으로 유입되어 관외부의 해수를 가열하여 수증기를 발생시킨다. 발생된 수증기는 제 1 증발기(410)에서 배관을 통하여 이송되어 측면에 가설된 제 2 증발기(420)의 관 내로 유입된다. 이 수증기는 제 2 증발기(420) 관 외부의 해수를 가열하여 다시 수증기를 생성하고 그 자신은 담수로 응축된다. 제 2 증발기에서 증발된 수증기는 배관을 통하여 제 3 증발기(430)로 주입되어 해수를 가열, 수증기를 추가 생성시키고 자신은 응축된다. 제 3 증발기에서 증발한 수증기는 최종적으로 응축기(440)에서 유입되는 해수에 의하여 담수가 된다. 이와 같이 제 1 증발기에 엔진자켓 온수의 주입으로 제 2 증발기와 제 3 증발기 그리고 응축기에서 담수를 얻게 되는 생산 수율이 높은 시스템이 되나 배관을 통한 해수기의 흐름으로 열에너지의 손실을 갖게 된다. 다단 플래시 증류법은 스팀과 같은 고온의 열수가 필요한 공정으로 도 4와 같이 주입된 해수가 연속(Series)으로 설치된 응축기(520)를 흐르면서 다수개의 증발기(510)에서 증발된 수증기를 응축시키고, 열교환기에서 스팀 등에 의하여 추가 가열된 후 증발기 하부로 유입된다. 증발기 하부에 유입된 해수는 연속된 다수개의 증발기를 거치면서 자체 증발하며 다량의 담수를 생산한다. MSF 방식은 60℃ 정도의 선박 엔진열 온수 공정에는 효율이 낮아 적용이 되지 않는 시스템이 된다. 이와 같이 다중효용과 다단 플래시 증류법은 단단 조수기와 동일한 열량의 주입에도 불구하고 다량의 담수를 얻을 수 있으나, 다수개의 증발기가 수평으로 설치됨으로 인하여 넓은 설치 면적이 필요하게 되어 선박에는 적용되지 않고 육상에 가설되고 있다. 선박의 경우 조수기는 주엔진실에 설치되며 이로 인하여 설치 허용 면적이 매우 협소한 문제를 갖고 있다. 해양구조물도 해양(Ocean)에 가설됨으로써 설치 면적의 제약을 크게 받고 있으며, 선박과는 달리 발전용 엔진이 다수개로 이루어져 있고 이들의 부하 변동이 심하여 온수의 생산량이 일정하지 않게 된다. 이러한 발전기의 냉각수를 이용하여 담수를 제조하는 증발식 조수기의 운전에는, 온수량에 따른 해수량 조절, 열량 조절, 염도 조절, 낮은 수율 등의 많은 문제를 갖게 된다. 그러므로 선박용 조수기는 동일한 담수 제조 용량을 기준하여 설치 면적을 최소화 할 수 있고 열손실을 최소화 할 수 있는 새로운 조수기의 고안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 하나의 통(Case) 안에 수직으로 다수개의 증발기를 설치함으로써 담수의 생산량은 다중효용과 동일하게 다량의 담수량을 얻는 반면, 설치 면적은 단효용과 동일하게 되는 컴펙트(Compact)한 공간 축소형 수직형 조수장치를 제공하는 데 있다. 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기 실시에에 의하여 설명될 것이며, 특허청구범위의 수단 및 조합에 의하여 실현될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 선박의 증발식 해수 조수기에 있어서, 해수가 증발되는 제 1 증발기; 증발된 수증기가 상부로 유동하여 해수를 다시 가열 증발시키는 상부의 제 2 증발기; 제 2 증발기에서 증발된 수증기가 상부로 유동하여 해수를 재가열 시키는 제 3 증발기; 증발된 수증기가 응축되는 응축기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제 2 증발기는 제 1 증발기에서 증발한 수증기가 관 내부를 흐르면서 관 외부의 해수를 가열하며, 상기 제 3 증발기는 제 2 증발기에서 증발한 수증기가 관 내부를 흐르면서 관 외부의 해수를 가열하여 수증기를 발생시키는 것을 특징으로 한다 또한, 제 1 증발기의 상부에는 선박의 유동으로 해수가 제 2 증발기 관 내부로 유입되지 않도록 2중의 유로와 해수 회수 격막이 구성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 제 3 증발기 관 외부의 해수는 증발관 내부의 수증기에 의하여 수증기를 분출하고 온도가 상승된 후 중력에 의하여 제 2 증발기로 유입되며, 제 2 증발기의 해수는 수증기를 방출 후 온도가 상승하여 제 1 증발기로 유입되므로써, 증발기 내부 해수 온도 상승을 위한 에너지 소요량이 감소하게 되며 단위 시간당 담수 생산 능력이 크게 증가하게 되는 특징을 갖는다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 선박의 엔진열과 같이 온수를 사용하여 해수를 증발시켜 담수를 얻는 증발식 조수기에 있어서, 다수개의 증발기를 상하 수직으로 설치함으로써 단위 시간당 담수 생산 능력을 크게 증가시킬 수 있는 반면, 소요되는 설치 면적은 증발기와 응축기가 한개씩인 단단 조수기의 면적만이 필요하게 된다. 이는 장치 설치면적에 제약을 갖는 선박이나 해상 구조물에 매우 효과적인 장치 기술이다. 또한, 외부에 노출된 배관을 통한 수증기의 흐름이 없으므로 열손실을 막아 시스템 효율을 크게 높일 수 있으며, 해수가 상부 증발기로 하부 증발기로 이동하면서 해수가 가열되어 포화 증발온도에 근접하게 되므로 담수생성량 증가와 초기 담수 생산력이 빨라지는 효과를 제공한다. 이 발명은 기존 온수를 사용하는 선박용 단단 시스템과 비교하여 동일한 온수 열량과 동일한 면적을 기준할 때, 수직형 3중 효용의 경우 2.7배의 담수가 얻어지는 선박용 조수기로는 매우 유용한 발명이다.
도 1은 선박 엔진 온수를 이용한 단단 조수기의 실시 예를 도시한 시스템도
도 2는 본 발명에 따른 실시 예로 수직형 다단 증발기를 채용한 일체형 조수기를 도시한 시스템도
도 3은 육상의 다중효용 증발기의 실시 예를 도시한 시스템도
도 4는 육상의 다단 플래시 증류법의 실시 예를 도시한 시스템도
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 조수기 내 다수개의 증발기를 단일 용기(Case) 내에 다단으로 구성함으로써 소형화 및 설치 면적을 최소화하고 열손실을 극소화하여, 보다 많은 양의 담수를 얻을 수 있도록 하는 선박용 조수장치를 제공하는 것이다. 이하에서는, 첨부 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 성능이 향상된 저압 증발식 조수기를 상세히 설명하도록 한다. 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직형 조수기는 쉘 케이스(Shell case, 200), 제1 증발기(220), 제2 증발기(230), 제 3증발기(240), 응축기(250), 이젝터(300), 데미스터 및 분리격막(260), 해수 회수유로(270), 해수펌프(290), 담수펌프(310)로 이루어 진다. 그 구조는 한개의 케이스(200) 내부에 상부로 부터 응축기, 제3 증발기, 제2 증발기, 제1 증발기가 위치하며, 증발기와 응축기는 다수개의 관(Tube) 다발로 제작된다. 동작 원리를 보면, 해수(320)는 해수펌프(290)에 의하여 바다로 부터 유입되어 응축기를 거쳐 대부분의 해수는 이젝터(300)로 흐르고, 일부는 조수기의 제3 증발기(240)로 유입된다. 해수는 응축기(230)를 거치면서 제3 증발기에서 최종 증발한 수증기를 응축시킨다. 이젝터에서는 고속의 해수가 조수기 본체의 공기를 흡입하여 조수기의 압력이 저압이 유지되도록 한다. 선박 엔진의 온수(210)는 제1 증발기(220)의 관 내부로 유입되어 관외부의 해수를 증발시켜 수증기를 방출시킨 후 배출된다. 증발된 수증기는 상부에 위치한 데미스터와 격막(260)을 따라 흘러 제2 증발기(230) 내부 관으로 흐르면서 제2 증발기 외부의 해수를 가열하여 제2 수증기를 발생시키고 자신은 응축되어 담수가 된다. 이 때 수증기의 잠열인 539kcal/kg 열량만큼 해수를 증발시키고, 수증기는 이 잠열을 잃으면서 액체인 물이 된다. 제2 증발기에서 증발된 수증기는 다시 상부에 위치한 격막(270)을 따라 흘러 제3 증발기(240) 내부 관으로 흐르면서 제3 증발기 외부의 해수를 가열하여 제3 수증기를 발생시키고 자신은 응축되어 담수가 된다. 제3 증발기에서 발생된 수증기는 상부에 위치한 격막을 통과한 후 최종 응축기(250)에서 냉각되어 담수가 된다. 한편, 파도에 의하여 선박 조수기 내부의 해수는 롤링(Rolling) 등의 유동이 발생하게 되어 격막이 없으면 해수가 담수와 섞이는 문제가 발생하게 된다. 모든 선박용 단단 조수기에는 이러한 혼합을 막기 위하여 격막에 의한 증기 유로가 형성되어 있다. 본 발명에서는 이러한 격막에 해수 회수 유로(270)를 가설하여 해수가 담수와 섞이는 것을 차단하였다. 증발기에 유입되는 해수의 흐름을 보면, 해수 펌프(290)로 부터 유입된 해수(320)는 먼저 응축기를 거친 후 제3 증발기(240)에 유입되어 일부 물이 증발하고 온도가 상승하여 하부에 위치한 제2 증발기로 통로(310)를 통하여 흘러 내린다. 제2 증발기에서 추가로 수증기를 방출한 해수는 포화온도에 근접한 온도가 되어 하부에 위치한 제1 증발기로 중력에 의하여 통로(310)로 흘러 내린다. 또한, 각 증발기에서 생성된 담수(280)는 담수 펌프(310)에 의하여 포집된다. 만약, 증발기가 2개인 2단 조수기라면 제2 증발기(230)에서 증발한 수증기는 바로 응축기로 주입되어 담수화 될 것이다. <담수 생산량 비교> 단단 조수기와 본 발명에 의한 조수기의 담수 생성량을 비교하면 다음과 같다. 증발기가 1개인 단단 조수기의 담수 생산량은 증발기에 엔진 냉각수에서 시간당 5,390kcal의 열량이 공급된다면, 물의 증발열이 1kg당 539kcal이므로 담수는 10kg/h가 얻어지게 된다. 본 발명에 의한 다단 조수기의 이론적 담수 생성량을 보면, 증발기가 3개인 3단 조수기의 제1 증발기에 엔진 냉각수로부터 시간당 5,390kcal의 열량이 공급된다면, 물의 증발열이 1kg당 539kcal이므로 . 제1 증발기의 증발량(320) : 10kg/h . 증발 수증기에 의한 제2 증발기의 증발량(340) : 10kg/h → 제1 증발기의 수증기가 제2 증발기에서 응축되어 담수(340) : 10kg/h . 제2 증발기에서 증발한 수증기에 의한 제3 증발기의 증발량 : 10kg/h → 제3 증발기에서 응축 담수 생성량(350) : 10kg/h . 최종 응축기의 응축량(360) : 10kg/h 그러므로 증발기가 3개인 3단 증발식 조수기의 총 담수 생성량은 담수 340, 350, 360을 합한 30kg/h가 된다. 이는 종래 일중효용 조수기의 3배가 되는 담수량이 얻어지는 것이며, 만약 열손실을 10%로 간주한다면 27kg/h로 2.7배가 된다. 본 발명에 의한 증발기는 2단, 3단, 4단 등 다수개의 증발기를 적용할 수 있으며, 단단 조수기와 동일한 면적으로 2단 증발기의 경우 담수 생성량은 1.8배, 4중효용은 3.6배 등으로 증가된 담수를 얻게 된다. 도 3과 도 4는 종래의 다중효용과 다단 플래시 증발 조수기의 도면을 나타내는 것으로 제1 증발기, 제2 증발기, 제3증발기, 응축기가 각기 연속적으로 구성되어 있다. 이는 담수 생성량은 증가하나 설치 공간이 크게 요구되고 열손실이 발생되는 문제를 지니고 있다. 본 발명의 사상은 선박이나 해상 구조물의 조수기에 있어 한 개의 용기에 수직으로 다수개의 증발기와 응축기가 구성됨으로써 소형화가 가능하도록 하여 공간의 제약을 받는 선박 등에 용이하게 적용될 수 있도록 창안한 것으로, 용량의 증가에 따라 상하로 다수개의 증발기 가설이 가능하며, 단일 용기 다중효용 조수기 세트(Set)를 병렬로 연결하여 담수 생성 용량을 증가시킬 수 있는 사상을 포함하는 것이다. 이상에서 본 발명의 실시 예를 중심으로 기술하였으나, 본 발명의 사상을 응용한 증발식과 역삼투압식의 혼합형에의 적용 등 각종 변형된 기술은 청구범위에서 정의하는 기술사상의 범주인 단일 용기 내 다수 다단 증발기 구조 및 원리에 포함된다는 것을 밝혀둔다. 또한, 본 발명은 선박용 뿐만 아니라, 설치 공간의 제약을 받는 육상용에도 널리 적용될 수 있음은 자명한 일이다.
100: 단단조수기 110: 증발기 120; 응축기
130: 엔진 온수 140,290: 해수펌프 150,300; 이젝터
160,280; 담수 170; 데미스터 200; 수직형 다단 조수기
210; 엔진온수 220; 제1 증발기 230; 제2 증발기
240; 제3 증발기 250; 응축기 260; 데미스터 및 격막
270; 해수 회수 유로 310; 해수 강하 유로 320; 해수
330; 담수펌프 400; 다중효용 증발 담수기 410,420,430; 증발기 440; 응축기 500; 다단 플래시 담수기 510; 증발기
520; 응축기 |
