KR20140132007A - 수처리 장치 - Google Patents

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KR20140132007A KR20147028407A KR20147028407A KR20140132007A KR 20140132007 A KR20140132007 A KR 20140132007A KR 20147028407 A KR20147028407 A KR 20147028407A KR 20147028407 A KR20147028407 A KR 20147028407A KR 20140132007 A KR20140132007 A KR 20140132007A
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타카시 야베
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와이티에스 싸이언스 프로퍼티스 피티이. 엘티디.
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Abstract

수처리 장치(220)는, 원수를 가열해 일부를 증발부(34)에서 기화시키고, 기화한 증기를 응축 영역(240)에서 응축시킴으로써 응축수를 얻는다. 수처리 장치(220)는, 원수를 가열하는 히터(32)와 히터(32)에 의해 가열된 원수로부터 기화한 증기를 응축 영역(240)으로 향하여 안내하는 증기 안내부(35, 36)와, 응축 영역(240)에서 증발부(34)로 환류수를 안내하고, 증기 안내부(35, 36)에 의해 응축 영역(240)에 안내된 증기와 환류수를 열교환시킴과 동시에, 증발부(34)에 있어서 원수와 환류수를 열교환시키는 파이프(221)를 구비한다.

Description

수처리 장치{Water treatment device}
본 발명은, 수처리 장치와 관련되고, 상세한 것은, 원수를 가열해 일부를 기화시키고, 기화한 증기를 응축시킴으로써 응축수를 얻는 수처리 장치에 관한 것이다.
종래, 이 종류의 수처리 장치로서는, 해수 등의 원수를 가열해 용기내에서 미스트화 하고, 미스트화에 수반하여 발생한 수증기와 공기와의 혼합기에, 분무 형상의 물을 기액(氣液) 접촉시켜 수증기를 응축시킴으로써, 원수를 담수화 혹은 정수화하는 것이 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 이 수처리 장치에서는, 담수화 혹은 정수화된 응축수와 해수 등의 원수로 열교환을 행하게 한 후에, 원수를 태양광 에너지를 이용해 가열기로 가열함으로써, 효율 좋게 원수를 가열하고 있다.
국제 공개 제 2010／029723호
이러한 수처리 장치에서는, 가열기로 원수를 가열하는데 필요한 에너지를 저감하면, 정수화 또는 담수화의 수처리 효율을 높일 수 있다.
본 발명은, 이러한 점에 감안하여 이루어진 것이며, 가열기로 원수를 가열하는데 필요한 에너지를 저감하고, 수처리 효율이 높은 수처리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 관한 수처리 장치는,
원수를 가열해 일부를 증발 영역에서 기화시키고, 기화한 증기를 응축 영역에서 응축시킴으로써 응축수를 얻는 수처리 장치이며,
상기 원수를 가열하는 가열부와,
상기 가열부에 의해 가열된 원수로부터 기화하는 증기를 상기 응축 영역으로 향하여 안내하는 증기 안내부와,
상기 응축 영역으로부터 상기 증발 영역으로 환류수를 안내하고, 상기 증기 안내부에 의해 상기 응축 영역에 안내된 증기와 상기 환류수를 열교환시킴과 동시에, 상기 증발 영역에 있어서 상기 원수와 상기 환류수를 열교환시키는 환류수 안내부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 환류수 안내부는, 상기 증기 안내부에 의한 증기의 안내 방향과 반대 방향으로 상기 환류수를 안내해도 좋다.
또한, 상기 환류수 안내부는, 단위시간당, 상기 응축 영역에서 얻을 수 있는 응축수보다도 많은 양의 상기 환류수를 안내해도 좋다.
또한, 상기 환류수 안내부는, 상기 환류수로서 상기 원수를 안내해도 좋다.
또한, 상기 원수와 상기 응축수를 열교환시킴으로써 상기 원수를 가열함과 동시에 상기 응축수를 냉각하는 열교환기와,
상기 응축 영역에서 얻을 수 있는 응축수의 적어도 일부를 상기 열교환기에 안내함과 동시에, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 상기 응축 영역에서 상기 원수로부터 기화한 증기와 기액 접촉시키는 응축수 안내부를 추가로 구비하며,
상기 응축수 안내부는, 상기 응축 영역에서 얻을 수 있는 응축수 가운데, 상기 증기 안내부에 의한 증기의 안내 방향의 상류측에서 얻을 수 있는 응축수가 상기 열교환기에 유통하는 원수의 하류측과 열교환하고, 상기 증기 안내부에 의한 증기의 안내 방향의 하류측에서 얻을 수 있는 응축수가 상기 열교환기에 유통하는 원수의 상류측과 열교환하도록 상기 응축수를 안내해도 좋다.
또한, 상기 응축수 안내부는, 상기 응축 영역에서 얻을 수 있는 응축수를 상기 증기 안내부에 의한 증기의 안내 방향으로 복수로 구분하고, 당해 구분한 응축수 마다 상기 열교환기에 유통하는 원수와 열교환하도록 안내해도 좋다.
또한, 상기 증발 영역에 있어서, 상기 가열부에 의해 가열된 원수를 낙하시킴과 동시에, 낙하하는 원수를 충돌 부재와 충돌시킴으로써 당해 원수의 일부를 기화시키는 기화부를 구비하며, 상기 증기 안내부는, 상기 기화부에 의해 기화한 증기 가운데, 연직 상방으로 기화한 증기를 상기 응축 영역에 있어서 연직 하방으로 안내하고, 연직 하방으로 기화한 증기를 상기 응축 영역에 있어서 연직 상방으로 안내해도 좋다.
또한, 상기 응축수 안내부는, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 연직 상방으로부터 상기 응축 영역으로 적하 또는 분무하여 상기 원수로부터 기화한 증기와 기액 접촉시켜도 좋다.
또한, 상기 응축수 안내부는, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 적하하는 적하부(滴下部)와, 상기 적하부의 하방에 배설되어 상기 적하된 응축수를 분쇄하는 분쇄부를 가져도 좋다.
또한, 상기 응축수 안내부는, 저면에 복수의 구멍이 형성되어 있는 트레이를 가지며, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 상기 트레이로 유도하고, 상기 복수의 구멍으로부터 상기 응축수를 적하해도 좋다.
또한, 상기 응축수 안내부는, 측면에 복수의 구멍이 형성되어 있는 통형 부재를 가지며, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 상기 통형 부재의 내부로 유도하고, 상기 복수의 구멍으로부터 상기 응축수를 적하해도 좋다.
상기 응축 영역을 내부에 가지는 용기를 구비하며,
상기 열교환기는, 상기 용기의 외부에 배설되어도 좋다.
상기 열교환기는, 플레이트형 열교환기라도 좋다.
본 발명에 의하면, 담수화 혹은 정수화된 응축수와 해수 등의 원수와의 열교환 효율을 높게 하고, 수처리 효율이 높은 수처리 장치를 얻을 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 수처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 2는, 실시의 형태 1에 관한 수처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 상면도이다.
도 3은, 응축 영역에 물을 적하하는 트레이의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 4는, 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 수처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 5는, 공기의 흐름을 연직 방향에 있어서 바꿔 넣는 입체판(入替板)의 개략을 나타내는 사시도이다.
도 6은, 복수의 공기의 흐름이 연직 방향에 있어서 바꿔 넣어지는 것을 설명하는 설명도이다.
도 7은, 변형예의 수처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 측면도이다.
도 8은, 수처리 장치의 순환 공기의 온도 변화를 설명하는 도면이다.
도 9는, 실시의 형태 3에 관한 수처리 장치를 설명하는 도면이다.
도 10은, 다단으로 구성한 수처리 장치의 해수와 순환 공기와의 온도 변화를 설명하는 도면이다.
도 11은, 환류수의 유통량과, 수처리 장치로 얻을 수 있는 수량, 및 가열에 필요한 에너지와의 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는, 환류수의 장소마다의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 13은, 응축 영역에 물을 적하하는 유공 파이프의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 14는, 변형예의 수처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 상면도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 일실시 형태를 상세하게 설명한다.
(실시의 형태 1)
본 발명의 실시의 형태 1에 관한 수처리 장치(20)는, 해수, 하수 등의 원수를 담수화 또한 정수화하는 장치로서 구성되어 있다. 실시의 형태 1에 관한 수처리 장치(20)는, 도 1의 측면도 및 도 2의 상면도에 도시한 바와 같이, 원통형의 케이스(22)와, 원수, 담수(응축수)를 압송하는 펌프(28, 29)와, 원수와 담수를 열교환시키는 열교환기(30)와, 원수를 가열하는 히터(32)와, 원수를 증발시키는 증발부(34)와, 증기를 응축시키는 응축부(40)를 구비한다. 한편, 도 1, 도 2, 후술 하는 도 7, 및, 도 14 중의 세선 화살표는 케이스(22) 내의 공기의 흐르는 방향을 나타내고 있으며, 굵은 화살표는 담수의 흐름 방향을 모식적으로 나타내고 있으며, 파선 화살표는 원수의 흐름 방향을 모식적으로 나타내고 있다.
원통형의 케이스(22)는, 외통과 내통에 의해서 삽입된 도너츠형(두꺼운 원통형)의 공간을 내부에 가지며, 증발부(34)와 응축부(40)를 내부에 수용한다. 이하, 케이스(22)에 있어서의 응축부(40)가 배치되어 있는 영역을 「응축 영역」이라고 한다(도 2 중, 햇칭으로 표시된 영역). 이 실시의 형태에서는, 케이스(22)의 내부에서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 위로부터 보게 되면 우회전으로 공기가 순환한다. 이하, 좌회전의 방향을 상류측이라고 하며, 우회전의 방향을 하류측이라고 한다.
케이스(22)에는, 증발부(34)로부터 떨어진 원수를 모으는 액류(液溜 : 23)가 설치되어 있다. 액류(23)에는, 케이스(22)의 외부의 도시하지 않는 배수층에 연통하는 배수관(24)이 취부되어 있다. 또한, 케이스(22)에는, 응축 영역에서 얻을 수 있던 담수(응축수)를 모으는 액류(25)가 설치되어 있다. 담수를 모으는 액류(25)는, 케이스(22) 내부의 공기의 순환 방향에 따라서 복수로 구분되어 있다. 일례로서, 이 실시의 형태에서는, 액류(25)는, 상류측으로부터 순서대로, 등간격으로 사절판(仕切板 : 26)이 설치되어 4개의 액류(25a~25d)로 구분되어 있다. 복수로 구분된 액류(25a~25d)에서는, 응축부(40)에서 얻어지는 담수가 서로 섞이지 않게 모아져, 각각 파이프(31)를 통해서 열교환기(30)로 유도된다. 한편, 액류(25)는, 케이스(22) 내부의 공기의 순환 방향에 따라서 적어도 2개 이상으로 구분되어 있으면 좋으며, 상류측으로부터 순서대로 등간격으로 4개로 구분되어 있는 것으로 한정되는 것은 아니다.
펌프(28)는, 정수화 또는 담수화하는 대상으로서의 원수를 예를 들면 바다 등에서 퍼 올려 열교환기(30)로 압송한다. 또한, 펌프(29)는, 액류(25a~25 d)로부터 열교환기(30)로 유도되고, 열교환기(30)를 통과한 담수를 응축부(40)를 향해서 압송한다. 펌프(28, 29)의 구동원은, 예를 들면, 연료를 연소시킴으로써 동력을 출력하는 주지의 내연기관, 동기 전동기 또는 유도 전압기라고 하는 주지의 전동기 등 여러 가지의 것을 이용할 수 있다. 한편, 원수를 압송하는 펌프(28)는, 이 실시의 형태에서는, 열교환기(30)의 상류측에 설치되는 것으로 했지만, 열교환기(30)의 하류측에 설치되어도 좋고, 히터(32)의 하류측에 설치되어도 좋다.
열교환기(30)는, 원수를 유통시키는 유통경로(30a)와 담수를 유통시키는 유통경로(30b)를 가지며, 원수와, 응축부(40)에서 얻을 수 있던 담수를 열교환시킨다. 열교환기(30)는, 예를 들면 플레이트식, 파이프식의 열교환기를 이용할 수 있으며, 케이스(22)의 외부에 설치되어 있다. 열교환기(30)의 원수를 유통시키는 유통경로(30a)에는, 원수를 압송하는 펌프(28)가 상류측에 취부되고, 히터(32)가 하류측에 취부되어 있다. 또한, 열교환기(30)의 담수를 유통시키는 유통경로(30b)에는, 액류(25a~25d)와 유통경로(30b)를 각각 접속하는 파이프(31)가 상류측으로부터 소정 구간 마다 순서대로 취부됨과 동시에, 담수를 응축부(40)를 향해서 압송하는 펌프(29)가 하류측에 취부되어 있다. 한편, 액류(25a~25d)에서 얻을 수 있는 담수는, 다음에 상술하는 바와 같이, 원수로부터 기화한 증기가 응축하는 것에 의해서 얻을 수 있으므로, 펌프(28)에 의해서 압송되는 원수에 비해 온도가 높다. 이 때문에, 열교환기(30)에서 원수와 담수가 열교환하는 것에 의해서, 담수로부터 원수에 열이 전해져, 원수가 가열됨과 동시에, 담수가 냉각된다.
또한, 열교환기(30)에서는, 응축 영역에서 얻을 수 있는 담수 가운데, 상류측에서 얻을 수 있는 담수만큼, 열교환기(30)를 유통하는 원수의 하류측과 열교환이 행해지도록, 원수와 담수의 유통경로(30a, 30b)가 구성되어 있다. 이 실시의 형태에서는, 구체적으로는, 응축부(40)에서 얻을 수 있는 담수를 모으는 액류(25a~25d) 가운데, 상류측의 액류(25)에 고인 담수가, 유통경로(30b)의 상류측에서 유도되며, 하류측의 액류(25)에 고인 담수가 순서대로 합류하도록, 열교환기(30)와 액류(25a~25d)가 파이프(31)로 접속되어 있다(도 2 참조). 그리고, 열교환기(30)는, 원수의 유통경로(30a)의 상류측과 담수의 유통경로(30b)의 하류측에서 열교환이 행해지며, 원수의 유통경로(30a)의 하류측과 담수의 유통경로(30b)의 상류측에서 열교환이 행해지도록 구성되어 있다. 한편, 도 2에서는, 열교환기(30)가 케이스(22)의 외측에 연하도록 원호 모양으로 형성되어 있지만, 이러한 예에 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 평면부를 가지는 플레이트 모양 등이어도 좋다. 이 실시의 형태에서는, 열교환기(30)를 케이스(22)의 외부에 설치하므로, 열교환기(30)가 케이스(22) 내부에 수용되는 것에 비해, 열교환기(30)의 유지 보수를 용이하게 행할 수 있다. 특히, 원수에 소금이 포함되어 있는 경우에는, 파이프의 외부를 흐르도록 해수를 흐르게 할 수 있다고 하는 이점이 크다.
히터(32)는, 열교환기(30)를 통하여 가열된 원수를 소정의 온도(예를 들면 70~90℃ 정도)까지 더욱 가열한다. 히터(32)는, 예를 들면, 물 등의 매체를 가열하고, 매체로부터 원수로 열을 전달하여 간접적으로 원수를 가열한다. 이 실시의 형태에서는, 히터(32)는, 케이스(22)의 연직 상방에 배치되는 것으로 했지만, 케이스(22)의 측면 등 어떤 장소에 배치되어도 좋다. 또한, 히터(32)에 의한 가열은, 예를 들면, 태양열을 이용하여 행해도 좋고, 전열선을 가열함으로써 행해도 좋으며, 마그네슘 등을 매체 내에서 연소 또는 산화시키는 것에 의해서 행해도 좋다. 게다가, 히터(32)에 의한 가열은, 매체를 개재시켜 간접적으로 원수를 가열하는 것에 한정되지 않으며, 직접 원수를 가열해도 좋다. 히터(32)에 의해서 가열된 원수는, 케이스(22)의 상방으로부터 증발부(34)로 안내된다.
증발부(34)는, 히터(32)에 의해서 가열된 원수를 케이스(22) 내부에서 기화시킨다. 증발부(34)는, 미스트화 기구(35)와, 가이드(36)와, 써미스터군(thermistor group)(37)을 가진다. 미스트화 기구(35)는, 케이스(22)의 상하 방향(연직 방향)으로 신장하는 축을 회전축으로서 회전하는 복수의 핀(35a)과, 이 핀(35a)을 회전시키는 구동원(35b)을 가진다. 한편, 구동원(35b)은, 원수에 의한 피수(被水)가 방지되도록, 케이스(22)의 외측에 설치되는 것이 바람직하다. 히터(32)에서 가열된 원수가 미스트화 기구(35)에 안내되면, 원수는, 케이스(22)의 상방으로부터 핀(35a)으로 향해 낙하하고, 회전하는 핀(35a)에 충돌하는 것에 의해서, 그 일부가 분쇄된다. 게다가, 원수는, 핀(35a)과 충돌하여 비산하는 과정에서 풍압에 의해서 한층 더 분열하여 미소한 물방울이 되어, 케이스(22) 내의 공기에 미스트로서 방산(放散)된다. 방산된 미스트는, 그 일부가 자연 증발해 수증기가 된다. 이와 같이 미스트화 기구(35)에서는, 가열된 원수를 미스트화함으로써, 원수의 기화를 촉구한다. 미스트 중에서 비교적 큰 물방울 및 미스트화하지 않았던 원수는, 중력에 의해서 케이스(22) 하방으로 낙하하여 액류(23)에 모아져, 배수관(24)으로부터 케이스(22) 외부로 배출된다.
가이드(36)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 미스트화 기구(35)로부터 비산되는 원수가 가이드(36)보다 상류측으로 향하는 것을 방지하고, 미스트를 하류측(우회전 방향)으로 안내하는 판으로서 구성되어 있다. 상술한 것처럼, 이 실시의 형태의 미스트화 기구(35)는, 회전하는 복수의 핀(35a)에 원수를 충돌시킴으로써 원수를 미스트화하고, 원수는, 핀(35a)에 의해서 방향을 불문하고 주위로 비산(飛散)된다. 가이드(36)는, 미스트화 기구(35)의 상류측에 배치되고, 미스트화 기구(35)로부터 비산되는 원수 중에서 상류측에 비산되는 원수를 하류측으로 안내한다. 또한, 가이드(36)는, 열교환기(30)를 통해 우회전으로 흘러 오는 공기는 통과할 수 있도록 형성되어 있으며, 가이드(36)와, 미스트화 기구(35)에 의해서, 케이스(22)내에 시계(時計) 회전의 기류가 생긴다. 여기서, 이 실시의 형태에서는, 가이드(36)와 미스트화 기구(35)가 본 발명의「증기 안내부」에 상당한다.
써미스터군(37)은, 미스트화 기구(35)의 하류측(오른쪽 시계 회전의 방향)에 배치되며, 써미스터군(37)을 통과하는 공기에 포함되는 미스트를 제거한다. 써미스터군(37)은, 케이스(22)의 저부로부터 상벽까지 연장되는 복수의 판에 의해서 구성되어 있다. 이 복수의 판은, 위로부터 보면 산과 골짜기를 복수 가지는 판 모양으로 각각 형성되며, 복수의 판의 사이를 공기가 통과할 수 있도록 소정의 틈새가 열려져 있어서 복수 병렬로 배치된다. 이러한 써미스터군(37)을 통과하는 공기는, 써미스터군(37)의 복수의 판에 충돌하고, 충돌한 공기에 포함되는 미스트가 판에 부착하고, 공기로부터 미스트가 제거된다. 써미스터군(37)에 의해서 제거된 미스트는, 중력에 의해서 케이스(22)의 하방으로 낙하하고, 액류(23)에 모아져 배수관(24)으로부터 케이스(22)의 외부에 배출된다. 따라서, 써미스터군(37)을 통과함으로써, 하류측으로 운반되는 공기에는 수증기만이 포함되게 된다. 한편, 미스트화 등에 따라서 원수의 일부가 기화하고 있으므로, 배수관(24)으로부터 배출되는 물은, 원수에 비해 이물(예를 들면, 해수이면 염화 나트륨, 염화 마그네슘 등)의 비율이 높은 농축액이 된다.
응축부(40)는, 열교환기(30)를 통과한 담수를 응축 영역으로 유도하고, 담수와 케이스(22) 내부의 순환 공기를 기액 접촉시킨다. 응축부(40)는, 이 실시의 형태에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 트레이(41)와 망판(분쇄부)(42)을 가진다. 트레이(41)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 저면에 복수의 구멍(41a)이 형성된 상자 모양으로 형성되어, 케이스(22) 내의 응축 영역의 연직 상방에 배치된다. 여기서, 트레이(41)에 형성되어 있는 복수의 구멍(41a)은, 트레이(41)에 안내된 담수가 중력에 의해서 응축 영역으로 적하되도록 형성되어 있으면 좋으며, 그 크기 및 수는 임의이다.
망판(42)은, 트레이(41)의 연직 하방에 놓여지며, 예를 들면 복수의 구멍이 격자 모양으로 형성되어 있는 철망 등을 이용할 수 있다. 망판(42)은, 트레이(41)로부터 적하되는 담수와 충돌하고, 담수를 분쇄하여 응축 영역으로 안내한다.
응축부(40)에서는, 열교환기(30)를 통과하여 냉각된 담수가 펌프(29)에 의해서 트레이(41)로 유도되며, 트레이(41)로 유도된 담수는, 트레이(41)의 복수의 구멍(41a)으부터 적하된다. 적하된 담수는, 망판(42)과 충돌하여 분쇄되며, 미세한 물방울이 되어 케이스(22) 내의 응축 영역을 낙하한다. 한편, 이 실시의 형태에서는, 액류(25a~25d)에 모아진 담수를 열교환기(30)로 유도하는 파이프(31)와, 열교환기(30)를 통과한 담수를 응축부(40)로 유도하는 펌프(29)와, 담수를 케이스(22) 내의 응축 영역으로 안내하는 응축부(40)가, 본 발명의「응축수 안내부」에 상당한다.
다음에, 이 실시의 형태에 있어서의 수처리 장치(20)의 동작을 설명한다. 수처리 장치(20)에서는, 펌프(28)에 의해서 바다 등에서 원수가 퍼 올려져 열교환기(30)에 압송됨과 동시에, 액류(25a~25d)에 고인 담수가 파이프(31)를 통과하여 열교환기(30)로 유도된다. 열교환기(30)에 압송된 원수와 담수는 열교환하고, 담수로부터 원수로 열이 전해지고, 원수가 가열됨과 동시에 담수가 냉각된다. 열교환기(30)를 통과하여 가열된 원수는, 히터(32)로 안내되어 더욱더 가열된다. 이어서, 원수는, 증발부(34)의 미스트화 기구(35)로 안내되며, 미스트화 기구(35)에 의해서 케이스(22) 내의 공기에 미스트로서 방산된다. 그리고, 방산된 미스트는, 그 일부가 자연 증발해 수증기가 된다.
미스트화한 원수 및 수증기를 포함한 케이스(22) 내의 공기는, 케이스(22) 내를 이동하고 써미스터군(37)을 통과하여, 미스트가 제거되어 증기만을 포함한 공기가 된다. 이 공기가 케이스(22) 내의 응축 영역에 이르면, 증기를 포함한 공기는, 응축부(40)에 의해서 응축 영역으로 안내되는 담수와 기액 접촉하고, 증기가 응축하여 담수를 얻을 수 있다.
증기가 응축하는 것에 의해서 얻을 수 있는 담수는, 응축부(40)에 의해서 응축 영역으로 안내되는 담수와 함께 액류(25a~25d)에 모아져, 각각 파이프(31)를 통해서 열교환기(30)에 안내되어 원수와 열교환한다. 액류(25a~25d)에 고인 담수는, 가열된 원수로부터 기화한 증기가 응축해 모아지고 있으므로, 원수보다 온도가 높고, 담수로부터 원수로 열이 전해진다. 열교환기(30)를 통과한 담수는, 오버플로우한 부분이 집수 배관(27)을 통해서 도시하지 않는 외부의 저수조에 모아진다. 또한, 열교환기(30)를 통과한 담수의 일부는, 펌프(29)에 의해서 응축부(40)의 트레이(41)로 유도되며, 트레이(41)로부터 적하됨과 동시에, 망판(42)에 의해서 미세한 액적으로 되어 응축 영역으로 안내된다. 그리고, 응축부(40)에 의해서 응축 영역으로 안내된 담수는, 케이스(22) 내를 순환하는 증기를 포함한 공기와 기액 접촉하고, 증기를 응축시켜 다시 액류(25a~25d)에 모아진다. 이와 같이, 응축 영역에 있어서, 담수와 증기를 기액 접촉시키는 것에 의해서, 효율적으로 증기를 응축시킬 수 있다. 게다가, 이 실시의 형태에서는, 저면에 복수의 구멍(41a)이 형성된 트레이(41)를 이용하고, 트레이(41)로부터 담수를 적하시키므로, 간이한 구성으로 응축 영역에서 기액 접촉을 행하게 할 수 있다. 게다가, 트레이(41)의 연직 하방에는, 트레이(41)로부터 적하된 담수를 분쇄해 미세한 액적으로 하는 망판(42)이 설치되어 있으므로, 담수와 증기를 효율적으로 기액 접촉시킬 수 있다.
여기서, 응축 영역을 통과하는 증기는, 응축부(40)에 의해서 안내되는 담수와 기액 접촉하는 것에 의해서 냉각되므로, 하류측으로 향할수록, 공기에 포함되는 증기는 냉각된다. 이 때문에, 응축 영역에서 얻을 수 있는 담수는, 케이스(22) 내부의 공기의 순환 방향의 상류측에서 얻을 수 있는 담수만큼 온도가 높고, 하류측에서 얻을 수 있는 담수만큼 온도가 낮아진다. 이와 같이 응축 영역에서 얻을 수 있는 담수에는 온도 구배(勾配)가 생기므로, 이 실시의 형태의 수처리 장치(20)에서는, 케이스(22) 내부의 공기의 순환 방향에 따라서, 케이스(22)의 액류(25a~25d)를 복수로 구분하고 있다. 이것에 의해, 상류측의 액류(25a~25c)에 모아지는 담수만큼 온도가 높고, 하류측의 액류(25b~25d)에 모아지는 담수만큼 온도가 낮아져, 얻을 수 있는 담수가 서로 교차하여 온도가 균일화되어 버리는 것은 아니다. 그리고, 하류측의 액류(25c, 25d)에 모아진 온도가 낮은 담수(다만, 원수에 비해 온도는 높다)만큼, 열교환기(30)에 유통하는 원수의 상류측과 열교환시키고, 상류측의 액류(25a, 25b)에 모아진 온도의 높은 담수만큼, 열교환기(30)에 유통하는 원수의 하류측과 열교환시킨다. 이것에 의해, 응축 영역에서 얻을 수 있던 담수를 원수와 효율적으로 열교환시킬 수 있으며, 히터(32)에 의해서 원수를 가열하는 에너지를 저감시키고, 수처리 장치의 수처리 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 이 실시의 형태에서는, 액류(25a~25d)에 고인 담수는, 응축 영역의 상류측에서 얻을 수 있는 담수로부터 순서대로, 파이프(31)를 통해서 열교환기(30)에 유도되어 합류하도록 구성되어, 열교환기(30)를 통과한 담수를 응축부(40)를 향해서 펌프(29)에 의해 압송하므로, 1개의 펌프(29)로 담수를 응축부(40)까지 유도할 수 있으며, 수처리층(10)의 소형화 및 성에너지를 도모할 수 있다.
이 실시의 형태의 수처리 장치(20)에서는, 일례로서 액류(25a~25d)에 모아지는 담수가, 케이스(22) 내부의 공기의 순환 방향의 상류측으로부터 순서대로, 92℃, 90℃, 88℃, 86℃가 된 경우, 온도가 낮은 담수로부터 순서대로 원수와 열교환을 행하게 하는 것에 의해서, 이상적으로는 원수를 92℃까지 가열할 수 있다. 한편, 액류(25)가 구분되어 있지 않은 경우에는, 액류(25)에 모아지는 담수는 온도가 균일화되어 예를 들면 89℃가 되므로, 원수와 담수와의 열교환에 의해서 원수를 92℃까지 가열할 수 없다. 이와 같이, 이 실시의 형태에서는, 응축 영역에서 얻을 수 있는 담수가, 케이스(22) 내부의 증기의 순환 방향에 따라서 복수로 구분되어 모아져, 하류측에서 모아진 담수를 열교환기(30)를 유통하는 원수의 상류측과 열교환시키고, 상류측에서 모아진 담수를 열교환기(30)를 유통하는 원수의 하류측과 열교환시키므로, 응축 영역에서 얻을 수 있던 담수와 원수를 효율적으로 열교환시켜 수처리 능력을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 실시의 형태 1의 수처리 장치(20)에서는, 응축 영역에서 얻을 수 있는 담수 가운데, 케이스(22) 내의 공기의 순환 방향의 상류측에서 얻을 수 있는 담수가 열교환기(30)에 유통하는 원수의 하류측과 열교환하고, 하류측에서 얻을 수 있는 담수가 열교환기(30)에 유통하는 원수의 상류측과 열교환하도록 구성되어 있으므로, 응축 영역에서 얻을 수 있던 담수와 원수를 효율적으로 열교환시켜 수처리 능력을 향상시킬 수 있다.
(실시의 형태 2)
본 발명의 실시의 형태 2에 관한 수처리 장치(120)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 실시의 형태 1의 응축부(40) 및 액류(25)가 연직 방향으로 복수 설치된 다단식으로 구성되어 있다. 실시의 형태 2에 관한 수처리 장치(120)는, 원통형의 케이스(122)와, 원수, 담수(응축수)를 압송하는 펌프(28, 29)와, 원수와 담수를 열교환시키는 열교환기(130)와, 원수를 가열하는 히터(32)와, 원수를 증발시키는 증발부(34)와, 증기를 응축시키는 응축부(140A~140C)와, 케이스(122) 내의 공기의 흐름을 연직 방향에 있어서 바꿔 넣는 공기 유통 가이드(50)를 갖춘다. 한편, 펌프(28, 29), 히터(32), 및 증발부(34)의 구성은, 실시의 형태 1과 동일하고, 중복하는 설명은 생략한다.
케이스(120)는, 내부에 도너츠형의 공간을 가지는 원통형으로 형성되어 있다. 케이스(120)는, 실시의 형태 1과 달리, 응축 영역에 있어서, 연직 방향으로 복수로 구분되며, 연직 방향으로 나란히 복수의 액류(125A~125C)가 형성되어 있다. 한편, 케이스(120)는, 응축 영역 이외의 영역에서는 연직 방향으로 구분되어 있지 않다. 일례로서, 도 4에 도시한 예에서는, 케이스(120)는, 응축 영역에서 연직 방향으로 3개로 구분되고, 3개의 액류(125A~125C)가 형성되어 있다. 액류(125A~125C)의 각각은, 펌프(29)를 개재시켜 열교환기(130)에 연결되어 있다. 더욱이, 펌프(29)는, 실시의 형태 1과 같이, 열교환기(130)의 하류측에 설치되어 있어도 좋다. 또한, 연직 상방의 액류(125A, 125B)는, 오버플로우한 담수가 하방의 응축부(140B, 140C)에 안내되도록 구성되어 있으며, 가장 연직 하방의 액류(125C)는, 오버플로우한 담수가 집수 배관(27)을 통해서 케이스(22) 외부의 도시하지 않는 저수조에 모아지도록 구성되어 있다. 한편, 케이스(120)은, 응축 영역이 연직 방향의 3층으로 구분되는 것에 한정되지 않고, 연직 방향으로 2층, 또는 4층 이상으로 구분되어 있어도 좋다.
열교환기(130)는, 펌프(28)에 의해서 압송되는 원수와, 응축 영역에서 얻을 수 있고 펌프(29)에 의해서 압송되는 담수를 열교환시키도록 구성되어 있다. 열교환기(130)는, 응축 영역에서 얻을 수 있는 담수 가운데, 연직 상방의 액류(125A)에 모아진 담수가, 열교환기(130)를 유통하는 원수의 상류측과 열교환하고, 연직 하방의 액류(125C)로 모아진 담수가, 열교환기(130)를 유통하는 원수의 하류측과 열교환하도록 구성되어 있다.
응축부(140A~140C)는, 케이스(120)의 응축 영역이 연직 방향으로 복수 구분 되어 있다는 데에서 합쳐지고, 구분된 각각의 영역의 상방에 설치되어 있다. 응축부(140A~140C)의 각각은, 실시의 형태 1의 응축부(40)와 같이, 트레이(41)와 망판(42)을 가지며, 열교환기(130)를 통과한 담수를 응축 영역으로 안내한다.
공기 유통 가이드(50)는, 케이스(120) 내부를 순환하는 공기를, 연직 방향에 있어서 복수층으로 나누고 상하를 바꿔 넣도록 구성되어 있다. 공기 유통 가이드(50)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 케이스(120) 내부를 순환하는 공기의 흐름 방향에 따른 회전축 회전에, 판면이 180도 비틀어진 가이드판(51)을 가진다. 도 5에 도시한 예에서는, 한 장의 가이드판(51)의 연직 상면을 따라서 흐르는 공기는, 가이드판(51)의 연직 하방으로 유도되며, 반대로, 가이드판(51)의 연직 하면을 따라서 흐르는 공기는, 가이드판(51)의 판면을 따라서, 가이드판(51)의 연직 상방으로 유도된다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수매의 가이드판(51a~51c)을 설치하는 것에 의해서, 케이스(120) 내부를 순환하는 공기의 흐름을, 연직 방향에 있어서 복수층으로 나누고 상하를 바꿔 넣을 수 있다. 복수매의 가이드판(51a~51c)은, 연직 방향으로 나란히 배치된 판 모양의 부재가, 케이스(120) 내부를 순환하는 공기의 흐름 방향에 따르는 공통의 회전축 회전에, 판면이 180도 비틀어진 나선형으로 구성되어 있다. 이러한 가이드판(51a~51c)에 의해서, 가이드판(51a)과 가이드판(51b)에 끼워지는 유로(A)와, 가이드판(51b)과 가이드판(51c)에 끼워지는 유로(B)는, 도 6 중의 오른쪽에서 왼쪽으로 공기가 흐르는 것에 의해서 상하를 바꿔 넣을 수 있다. 게다가 가이드판(51)의 매수를 늘리는 것으로, 케이스(120) 내부를 순환하는 공기의 흐름을, 연직 방향에 있어서 복수층으로 나누어 바꿔 넣을 수 있다. 구체적으로는, 공기의 순환 방향에 따른 공통의 회전축 회전에 180도 비틀어진 나선형의 가이드판(51)을 (N＋1)매(N은 임의의 자연수) 설치할 수 있음으로써, 케이스(120) 내부를 순환하는 공기의 흐름을, 연직 방향에 있어서 N층으로 나누고 상하를 바꿔 넣을 수 있다.
이 실시의 형태에서는, 공기 유통 가이드(50)에 의해서, 증발부(34)에서 발생한 증기 가운데, 연직 상방으로 발생한 증기가 응축 영역의 연직 하방으로 유도되며, 연직 하방으로 발생한 증기가 응축 영역의 연직 상방으로 유도되도록 구성되어 있다. 한편, 공기 유통 가이드(50)는, 써미스터군(37)의 상류측에 설치되어도 좋고, 하류측에 설치되어도 좋다. 또한, 공기 유통 가이드(50)가 써미스터군(37)을 겸하는 것으로 해도 좋다.
실시의 형태 2의 수처리 장치(120)에서는, 실시의 형태 1의 수처리 장치(20)와 같이, 열교환기(130)에 원수와 담수가 유도되며, 원수는, 담수로부터 열이 전해져 가열된다. 열교환기(130)를 통과한 가열된 원수는, 히터(32)에 의해서 더욱더 가열되며, 증발부(34)의 미스트화 기구(35)에 안내되고, 미스트화 기구(35)에 의해서 케이스(22) 내의 공기에 미스트로서 방산된다. 그리고, 방산된 미스트는, 그 일부가 자연 증발해 수증기가 된다. 미스트화한 원수 및 수증기를 포함한 케이스(22) 내의 공기는, 케이스(22) 내를 이동하여 써미스터군(37)을 통과하는 것에 의해서, 미스트가 제거되어 증기만을 포함한 공기가 된다. 이 공기는, 공기 유통 가이드(50)에 의해서 상하를 바꿔 넣을 수 있고, 연직 방향으로 복수층으로 구분된 응축 영역까지 안내된다. 그리고, 각 층의 응축 영역에 있어서, 증기를 포함한 공기는, 응축부(140A~140C)에 의해서 응축 영역으로 안내되어 담수와 기액 접촉하고, 공기에 포함되는 증기가 응축하여 담수가 된다.
증기가 응축하는 것에 의해서 얻을 수 있는 담수는, 액류(125A~125C)에 모아지며, 그 일부는, 펌프(29)에 의해서 열교환기(130)에 압송되어 원수와 열교환한다. 열교환기(130)로부터 배출된 담수는, 그 담수가 모아진 층의 응축부(140A~140C)로 안내되고 다시 응축 영역으로 안내된다. 그리고, 응축부(140A~140C)에 의해서 응축 영역으로 안내된 담수는, 케이스(22) 내를 순환하는 증기를 포함한 공기와 기액 접촉하고, 증기를 응축시켜 다시 액류(125A~125C)에 모아진다. 그리고, 액류(125A, 125B)를 오버플로우한 담수는, 하나 아래의 층의 응축부(140B, 140C)로 안내되며, 최하층의 액류(125C)를 오버플로우한 담수가 집수 배관(27)으로부터 외부의 저수조에 모아진다.
실시의 형태 2의 수처리 장치(120)에서는, 실시의 형태 1의 수처리 장치(20)와 같이, 히터(32)에 의해서 가열된 원수는, 미스트화 기구(35)로 안내되어 복수의 핀(35a)으로 낙하하면서 충돌해 미스트화 된다. 이 미스트화에 수반화여 원수의 일부는 기화한다. 원수는, 그 일부가 기화할 경우에, 기화열만 온도가 저하하므로, 복수의 핀(35a)에 충돌하면서 연직 하방으로 향할수록 온도가 저하한다. 이 때문에, 증발부(34)에서 발생하는 증기는, 연직 상방이 온도가 높고, 연직 하방이 온도가 낮아진다.
한편, 열교환기(130)를 통과하여 응축부(140A~140C)에 의해서 응축 영역에 안내되는 담수는, 응축 영역에서 증기와 기액 접촉하는 것에 의해서 증기로부터 열이 전해짐과 동시에 증기의 응축열에 의해서 온도가 상승하고, 낙하에 수반하여 온도가 상승해 간다. 이 때문에, 응축부(140A~140C)에 의해서 응축 영역에 안내되는 담수는, 연직 상방 쪽이 온도가 낮고, 연직 하방 쪽이 온도가 높아진다.
여기서, 실시의 형태 2의 수처리 장치(120)에서는, 증발부(34)에서 발생한 증기 가운데, 연직 상방으로 발생한 증기를 연직 하방으로 안내하고, 연직 하방으로 발생한 증기를 연직 상방으로 안내하는 공기 유통 가이드(50)를 설치하고 있으므로, 증발부(34)에서 발생한 증기 가운데, 온도가 높은 증기를 하층의 응축 영역으로 안내하고, 온도가 낮은 증기를 상층의 응축 영역으로 안내할 수 있다. 그리고, 상층의 응축 영역에서 얻을 수 있고 액류(125A)에 모아지는 담수를, 열교환기(130)를 유통하는 원수의 상류측과 열교환시키고, 하층의 응축 영역에서 얻을 수 있고 액류(125C)에 모아지는 담수를, 열교환기(130)를 유통하는 원수의 하류측과 열교환시킨다. 이 때문에, 온도가 낮은 담수로부터 온도가 높은 담수의 순서대로 원수와 열교환시킬 수 있으며, 응축 영역에서 얻어진 담수와 원수를 효율적으로 열교환시켜 수처리 능력을 향상시킬 수 있다.
실시의 형태 2의 수처리 장치(120)에서는, 각 층의 액류(125A~125C)의 각각은, 케이스(122) 내의 공기의 순환 방향에 따라서 구분되어 있지 않은 것으로 했지만, 도 7의 변형 예의 수처리 장치(120A)에 도시된 바와 같이, 실시의 형태 1의 수처리 장치(20)의 액류(25)와 같이, 각 층의 액류(125A~125C)의 각각이 케이스(122) 내의 공기의 순환 방향에 따라서 사절판(26)에 의해 칸막이되어 구분되어 있어도 좋다. 이와 같이 각 층의 액류(125A~125C)의 각각을 케이스(122) 내의 공기의 순환 방향에 따라서 구분하고, 실시의 형태 1의 수처리 장치(20)와 같이, 케이스(122) 내의 공기의 순환 방향의 상류측에서 얻을 수 있는 담수가, 열교환기(130)를 유통하는 원수의 하류측과 열교환하고, 하류측에서 얻을 수 있는 담수가 열교환기(130)를 유통하는 원수의 상류측과 열교환하도록 구성하는 것에 의해서, 응축 영역에서 얻을 수 있던 담수와 원수를 더욱더 효율적으로 열교환시켜 수처리 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 실시의 형태 2의 수처리 장치(120)에서는, 증발부(34)에서 발생한 증기 가운데, 연직 상방으로 발생한 증기를 연직 하방으로 안내하고, 연직 하방으로 발생한 증기를 연직 상방으로 안내하는 공기 유통 가이드(50)를 설치하는 것으로 했지만, 다단으로 구성되는 수처리 장치는, 이러한 공기 유통 가이드(50)가 설치되는 것에 한정되지 않는다. 예를 들면, 케이스(120)는, 미스트화 기구(35)가 설치된 영역만 연직 방향으로 구분되어 있지 않고, 그 외의 영역에서는 연직 방향으로 구분되고, 각 단에서 미스트화된 원수 및 수증기를 포함한 공기가 같은 단의 응축 영역으로 유도되어도 좋다.
(실시의 형태 3)
다음에 본 발명의 실시의 형태 3에 관한 수처리 장치(220)에 대해 설명한다. 이 실시의 형태의 수처리 장치에서는, 실시의 형태 1, 2와 같이, 해수를 가열하여 증발부(34)에서 증발시켜, 그 증기를 응축 영역(240)에서 응축시키고 증류수(담수)를 얻는다(이하, 증발법이라고도 한다). 증발법에서는, 얻을 수 있는 증류수보다도 많은 해수를 가열할 필요가 있다. 예를 들면, 도 8의 설명도에 도시된 바와 같이, 온도 Thot의 수증기를 포함한 공기를 응축 영역에서 냉각하고 온도 Tcold로 하며, 이것을 또한 증발 영역으로 순환시키는 경우를 생각한다. 여기서, 온도 Thot를 95℃로 하면, 공기중의 포화 수증기량은 497.7g／m3가 되며, 온도 Tcold를 40℃로 하면, 공기중의 포화 수증기량은 50.7g／m3가 된다. 지금, 50cm×50cm의 통로를 유속 3m／초로 공기를 순환시켰다고 하면, 순환 공기류량은, 2700m3／h(매시)가 된다. 이 경우에, 포화 수증기량을 포함한 95℃의 공기가 40℃로 냉각되면, 얻을 수 있는 증류수의 양 Z는, 1.2톤／h가 된다. 물의 증발·응축의 잠열은, 2400J(Joule)／g이기 때문에, 증류수량 Z으로부터 생기는 잠열 EL은, 다음 식(1)로 표현된다.
EL=2400·Z [MJ(메가 줄) /h] ···(1)
반대로, 증발 영역에서는, 공기에 수증기를 포함시키므로, 해수에 열 EL를 더해 온도 Theat의 해수를 준비할 필요가 있다. 증발 영역이, 해수의 온도를 ΔT［℃］상승시키는 것으로 하면, 온도차 ΔT를 실현하는 감열(顯熱) ES는, 해수의 유입량이 X[톤／h]의 경우, 다음 식(2)로 표현된다.
ES=4.2·ΔT·X [MJ/h] ···(2)
만일 해수를 온도 Theat=100℃까지 가열하고, 해수의 증발에 의해서 수증기를 포함한 공기가 온도 Thot=95℃에 이른다고 하면, 증발 영역에서는 온도차 ΔT=5℃의 가열이 필요하며, 이 때의 감열 ES는, 21·X［MJ／톤］이 된다. 감열 ES와 잠열 EL이 동일해지려면, 증류수의 양 Z=1.2톤／h에 대해서 X=137톤／h가 필요하다. 즉, 1.2톤의 담수를 얻기 위해서, 그 114배의 137톤의 해수를 가열하지 않으면 안된다. 역침투막을 이용한 담수 장치(이하, RO라고 한다)와 비교하면, RO가 6kWh／(담수 1톤)의 효율에 대해서, 증발법에서는 식(1)로부터 670kWh／(담수 1톤)의 효율이 된다. 증발법에서는, 실시의 형태 2에서 설명한 것처럼, 다단으로 하는 것으로 단수분(段數分) 효율을 향상시킬 수 있지만, 10단 설치하여 10배의 효율을 얻어도, 아직 RO보다 효율이 뒤떨어진다.
증발법의 효율을 향상시키기 위해서, 도 9의 실시의 형태 3에 관한 수처리 장치(220)에 도시된 바와 같이, 응축 영역(240)에서 생기는 잠열을 회수하여 재이용하는 것을 제안한다. 도 8과 도 9에서 다른 것은, 공기의 순환 유로에, 공기와는 역방향으로 액체를 유통시키는 파이프(221)를 배치한 점이다. 이 파이프(221)를 유통하는 액체를 환류수라고 부른다. 환류수는, 해수와 물(담수)과의 어느 쪽이라도 상관없지만, 이하의 설명에서는 물로 한다.
실시의 형태 3에 관한 수처리 장치(220)는, 파이프(221)외에, 실시의 형태 1, 2와 같이, 원수를 가열하는 히터(32)와, 증발 영역에 구비할 수 있던 증발부(34)(미스트화 기구(35), 가이드(36), 써미스터군(37))를 구비한다. 이 실시의 형태에 관한 수처리 장치(220)에서는, 히터(32)로 가열된 원수의 일부가 증발부(34)에서 기화하고, 기화한 증기가 공기와 함께 응축 영역(240)으로 안내되어 증기가 응축한다. 여기서, 응축 영역(240)에는, 실시의 형태 1, 2의 응축부(40, 140A~140C)는, 구비되어 있지 않아도 좋다. 또한, 실시의 형태 3에 관한 수처리 장치(220)는, 원수를 압송하는 도시하지 않는 펌프, 및, 환류수를 파이프(221)의 내부로 압송하는 도시하지 않는 펌프를 구비한다.
파이프(221)를 유통하는 환류수는, 응축 영역(240)에서 생기는 응축열(잠열)에 의해서 가열된다. 환류수는, 예를 들면 도시하지 않는 펌프에 의해서 파이프(221)의 내부를 유통하고, 파이프(221)를 개재시켜 응축 영역(240)의 증기와 열교환한다. 이상적으로는, 환류수는, 순환 공기와 같은 온도 Thot까지 가열된다. 그리고, 증발부(34)에서는, 온도 Tcold로 유입하는 공기가, 가열된 해수(온도 Theat) 뿐만 아니라, 환류수(온도 Thot)에 의해서 가열된다. 이 경우에는, 증류수량 Z으로부터 생기는 잠열 EL이, 가열된 해수와 환류수와의 감열에 의해 공급되게 되어, 이상적으로는 다음 식(3)에서 나타내는 관계가 성립된다. 여기서, X［톤／h］는, 해수의 유입량이며, Y［톤／h］는, 환류수의 유입량이다.
2400·Z=4.2·ΔT·X+4.2·(Thot-Tcold)·Y ···(3)
여기서, 해수의 온도 변화량 ΔT를 5℃, 온도 Thot를 95℃, 온도 Tcold를 40℃, Z=1.2톤／h로 하면, 식(3)으로부터 다음 식(4)가 유도된다.
X+11Y=137 [톤 /h] ···(4)
지금, Y가 X의 10배라고 하면, X는 1.23톤／h가 된다. 이것은, 상기한 증류수의 양 Z와 거의 동량에 해당된다. 이 때, 식(3)의 우변 제 1항이, 25.8MJ／h가 되어, 담수 제조량 Z=1.2톤／h이므로, 담수 1톤을 제조하기 위해서 해수를 가열해야 할 에너지는, 6.0kWh／(담수 1톤)가 되고, RO와 거의 같은 효율이 된다. 게다가, RO는 전기로 구동되는데 대해, 증발법은 해수를 단지 가열하면 좋으며, 발전시의 에너지 손실(예를 들면 발열에 의한 발전에서는 손실이 60％정도)이 없기 때문에, RO보다도 고효율로 할 수 있다.
그런데, 식(4)는, 증발부(34)에서의 에너지 밸런스를 고려한 관계식이지만, 해수는 원래 온도가 낮기 때문에, 해수의 가열에 응축 영역(240)에서의 응축 잠열을 이용하는 것이 고려된다. 이 경우에는, 응축 영역(240)에서 생기는 잠열을 이용하고, 해수와 환류수를 가열하게 된다. 예를 들면, 해수가 처음으로, 온도 Tcold, 유량 X로 유입하고, 응축 영역(240)에서 생기는 잠열이 모두 해수와 환류수와의 가열에 이용된다고 하면, 다음 식(5)에 나타나는 관계가 성립된다.
2400·Z=4.2·(Thot-Tcold)·X+4.2·(Thot-Tcold)·Y ···(5)
여기서, 식(3)과 식(5)가 동시에 성립되는 것은, 증발부(34)에서의 해수의 온도 변화량 ΔT와, 응축 영역(240)에서의 해수의 온도 변화량(Thot－Tcold)이 동일해지는 경우이다. 즉, 증발부(34)에서의 해수의 가열량을 작게 하려면, 응축 영역(240)에서의 해수의 온도 변화량(Thot－Tcold)을 작게 할 필요가 있다. 이 때문에, 도 10의 변형예에 관한 수처리 장치(320)에 도시된 바와 같이, 응축 영역(240)에서의 해수의 가열도 수처리 장치를 다단으로 하고, 여러 차례에 나누어 행하는 것이 바람직하다.
도 10에서는, 수처리 장치(320)의 단수를 3단으로 하고 있다. 한편, 도 10에서는 환류수를 유통시키는 파이프(221)의 도시를 생략하고 있다. 또한, 간단(簡單)하기 때문에, 공기의 가열 및 에너지 손실을 무시하고 있다. 또한, 수처리 장치(320)의 모든 단에 있어서, 해수의 온도 변화량은 동일한 것으로 한다. 도 10 중 좌측은, 응축 영역(240)의 잠열로 가열되는 해수를 나타낸다. 수처리 장치(320)의 3단째(아래로부터 1단째)에 있어서, 해수는, 응축 영역(240)에서 생기는 응축 잠열에 의해, 환류수와 함께 온도 Tcold3로부터 온도 Thot3로 가열된다. 온도 Thot3로 가열된 해수는, 수처리 장치(320)의 2단째로 향한다. 이 때문에, 도 10 중, 온도 Tcold2와 온도 Thot3와는 동일해진다. 똑같이, 수처리 장치(320)의 2단째에 있어서, 해수는, 응축 영역(240)에서 생기는 응축 잠열에 의해, 온도 Tcold2로부터 온도 Thot2로 가열되고, 그 후, 수처리 장치(320)의 1단째(아래로부터 3단째)로 향한다. 그리고, 똑같이, 수처리 장치(320)의 1단째에 있어서, 해수는, 응축 영역(240)에서 생기는 응축 잠열에 의해, 온도 Tcold1(Thot2)로부터 온도 Thot1로 가열되어, 마지막으로 외부의 히터(32)로 가열되어 온도 Theat의 해수가 된다. 여기서, 히터(32)에 의한 해수의 온도 변화량도, 각 단에서의 해수의 온도 변화량과 동일한 것으로 한다. 히터(32)로 가열된 해수는, 1단째의 증발부(34)에 유입한 것으로 잠열에 의해 온도가 저하하고, 온도 Thot1가 된다. 이 해수는, 2단째의 증발부(34)에 유입하고, 똑같이 잠열에 의해 온도가 저하하고, 온도 Thot2가 된다. 수처리 장치(320)의 3단째에 있어서도 마찬가지다.
이렇게 해서 각 단으로부터 생성되는 물(담수)의 양 Z는, 식(4) 중, (Thot－Tcold)=ΔT로 하고, 다음 식(6)으로 표시된다. 이것을, N단(N은 자연수) 겹쳐 쌓았을 경우를 생각하면, 히터(32)에 의한 가열은 최상부에서만 행해지고, 그 파워 Ph는 다음 식(7)에서 나타난다. 그리고, 식(6), 식(7)로부터, N단의 수처리 장치 전체에서 얻을 수 있는 수량에 대한, 가열기에 의한 가열의 파워를 담수 제조율로 제거한 것(Ph／(N·Z))［MJ／(담수 1톤)］으로서, 식(8), 식(9)이 유도된다.
Z=4.2·ΔT·(X+Y)/ 2400 ···(6)
Ph=4.2·ΔT·X ···(7)
Ph/(N·Z)[MJ/t]=2400·X/(N·(X+Y)) ···(8)
Ph/(N·Z)[kWh/t]=670·X/(N·(X+Y)) ···(9)
그리고, Y가 X의 10배이며, 단수 N을 10으로 하면, 수처리 장치의 효율은, 6.1kWh／(담수 1톤)이 된다. 비교로서, 전기 생성 효율을 40％로 한 RO의 효율은, 15kWh／(담수 1톤)가 되고, 환류수를 유통시키는 파이프(221)를 구비하는 이 실시의 형태의 수처리 장치가 우수한 것을 알 수 있다.
도 11은, 1단의 수처리 장치(220)에 있어서, 공기의 순환량을 2700m3／h, 증발부(234)를 통과한 공기의 온도 Theat를 95℃, 응축 영역(240)을 통과한 공기의 온도 Tcold를 85℃, 해수의 유입량 X를 1.2톤／h로 했을 때에, 환류수의 유통량 Y와, 수처리 장치(220)에서 24시간당 얻을 수 있는 수량 W［톤／24h], 및 가열에 필요한 파워 Ph[kW］와의 관계의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 한편, 도 11에서는, 수량 W에 대해서 실선으로 나타내고, 파워 Ph에 대해서 파선으로 나타내고 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 환류수의 유통량 Y는, 해수의 유입량 X의 17배 근방에서, 가장 수처리 장치(220)에 있어서의 담수 제조량이 많아지고, 또한, 가열에 필요한 에너지가 작아진다. 도 12는, Y가 X의 17배 때의 환류수의 온도 분포를 나타낸다. 도 12에서는, 중앙의 장소 C에 95℃의 해수를 유통시켰을 때의 각 장소마다의 환류수의 온도를 나타내고 있다. 도 12에 도시된 바와 같이, 환류수는, 해수가 유입하는 장소 C에서 90℃로 되고 있으며, 증발부(34)에서의 해수 및 환류수의 온도 변화량이 5℃ 근방인 것을 나타내고 있다. 그리고, 환류수는, 장소 B로부터 장소 A로 계속되고 있으며, 장소 A에서, 히터(32)로 향하기 전의 85℃의 해수와 합류한다. 그에 대해서, 도 12에 나타나는 장소 A에서는, 입력 해수가 85℃에도 불구하고, 87℃이상의 온도를 유지하고 있으며, 환류수가 큰 에너지를 보관 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 12에 나타나는 예로부터, 환류수가 충분히 에너지 회수에 기여하고 있는 것을 이해할 수 있다. 한편, 도 11 및 도 12에 나타나는 결과는, 1단의 것이지만, 장치를 다단으로 했을 경우에도 같은 결과가 된다는 것은 분명하다. 장치를 다단으로 했을 경우에는, 담수 제조량이 증가하는 것에 대해서, 가열기에 의한 가열은 1단째를 통과한 해수에 대해서만 행하므로, 담수 제조량에 대해서 필요하게 되는 에너지는 단수의 증가와 함께 감소한다.
이상 설명한 실시의 형태 3에 관한 수처리 장치(220,320)는, 원수를 가열해 일부를 증발부(34)에서 기화시켜, 기화한 증기를 응축 영역(240)에서 응축시킴으로써 응축수를 얻는다. 수처리 장치(220,320)는, 원수를 가열하는 히터(32)와, 히터(32)에 의해 가열된 원수로부터 기화한 증기를 응축 영역(240)을 향해서 안내하는 증기 안내부(가이드(36) 및 미스트화 기구(35))와, 응축 영역(240)으로부터 증발부(34)로 환류수를 안내하고, 증기 안내부에 의해 응축 영역(240)으로 안내된 증기와 환류수를 열교환시킴과 동시에, 증발부(34)에 있어서 원수와 환류수를 열교환시키는 파이프 (221)를 갖춘다. 이것에 의해, 응축 영역(240)에서는 증기가 응축하는 잠열에 의해서 환류수가 가열되며, 증발부(34)에서는 환류수로부터 원수가 기화하기 위한 열이 더해진다. 따라서, 응축 영역(240)에서 증기가 응축하는 잠열을 효율적으로 이용할 수 있으며, 수처리 능력이 높은 수처리 장치를 제공할 수 있다.
한편, 실시의 형태 3에 관한 수처리 장치(220, 320)에서는, 환류수를 유통시키는 파이프(221)를 구비하는 것으로 했지만, 파이프(221)는, 응축 영역(240)이나 증발 영역에서 열교환이 촉진되도록, 예를 들면 응축 영역 (240)이나 증발 영역에서 사행(蛇行)하고 있거나 플레이트식의 열교환기가 이용되어도 좋다. 또한, 환류수는, 장치 내부의 공기의 흐름의 반대 방향으로 유통하는 것이 바람직하지만, 응축 영역(240)으로부터 증발 영역으로 안내되고, 증기 및 원수와 열교환하면 좋으며, 공기의 흐름에 따라서 유통시키거나, 공기의 흐름에 관계없이 안내되어도 좋다.
이 발명은, 상기 실시의 형태에 한정되지 않고, 여러가지 변형 및 응용이 가능하다. 예를 들면, 실시의 형태 1, 2의 수처리 장치(20, 120)에, 환류수를 유통시키는 파이프(221)가 설치되어도 좋다. 또한, 상기한 실시의 형태에서는, 응축부(40)는, 저면에 복수의 구멍(41a)이 형성된 트레이(41)로 담수를 안내하고, 트레이(41)로부터 담수를 적하시키는 것으로 했지만, 응축부(40)는, 예를 들면 도 13에 도시된 바와 같이, 측면에 복수의 구멍(43a)이 형성되어 있는 파이프(43)로 담수를 안내하고, 복수의 구멍(43a)으로부터 담수를 적하시키는 등 다른 구성으로 해도 좋다. 또는, 이러한 담수를 적하시키는 기구에 대신하여, 또한 담수를 안개화(霧化)하여 응축 영역으로 안내하는 구성으로 해도 좋다. 게다가, 상기한 실시의 형태에서는, 트레이(41)의 하방에, 망판(42)을 설치하는 것으로 했지만, 망판(42)을 구비하지 않아도 상관없다.
상기한 실시의 형태 1, 2에서는, 액류(25a~25d)에 고인 담수는, 응축 영역의 상류측에서 얻을 수 있는 담수로부터 순서대로, 파이프(31)를 통해서 열교환기(30)로 유도되어 합류하도록 구성되는 것으로 했지만, 도 14의 변형예의 정수 장치(420)에 도시된 바와 같이, 복수로 구분된 액류(25a~25d)의 각각에 펌프(29)가 취부되어 열교환기(30)로 유도되도록 구성되어도 좋다. 변형예의 정수 장치(420)에서는, 액류(25a~25d)에 고인 담수가, 서로 섞이는 일없이 열교환기(30)의 유통경로(30b)를 유통한다. 또한, 변형예의 정수 장치(420)에서는, 응축부(40)의 트레이(41)는, 연직 상방으로부터 보면, 케이스(22)의 액류(25a~25d)의 구분과 일치하도록, 사절판에 의해서 4개로 구분되어 있다(도시하지 않음). 그리고, 액류(25a~25d)로부터 펌프(29)에 의해서 각각 압송된 담수는, 열교환기(30)를 통과하여, 액류(25a~25d)의 각각의 연직 상방에 위치하는 트레이(41)의 구분 위치로 안내된다. 이러한 구성에 의해서, 액류(25a~25d)에 고이는 담수의 온도 구배를 현저하게 할 수 있고, 원수를 효과적으로 가열해 수처리 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 변형예의 수처리 장치(420)에서는, 상류측의 액류(25a~25c)는, 액류(25a~25c)에 담수가 소정 높이 이상으로 모아졌을 때에, 오버플로우한 담수가 한 개 하류측의 액류(25b~25d)로 보내지도록 구성되어(예를 들면, 액류(25a)에서 오버플로우한 담수가 액류(25b)로 보내지는 등), 가장 하류측의 액류(25d)는, 오버플로우한 담수가 집수 배관(27)을 통해서 케이스(22) 외부의 도시하지 않는 저수조에 모아지도록 구성해도 좋고, 모든 액류(25a~25d)에 있어서 오버플로우한 담수가 외부의 저수조에 모아지도록 구성되어 있어도 좋다.
이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 조금도 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위내에 있어서, 여러가지 변경(구성요소의 삭제를 포함한다)을 할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
본 출원은, 2012년 4월 10일에 출원된 일본 특허 출원 2012－089708호에 근거한다. 본 명세서 중에, 일본 특허 출원 2012－089708호의 명세서, 특허 청구의 범위, 도면 전체를 참조로서 넣는 것으로 한다.
20, 120, 120A, 220, 320, 420 : 수 처리 장치
22 : 케이스
23 : 액류
24 : 배수관
25, 25a~25d : 액류
26 : 사절판
27 : 집수 배관
28, 29 : 펌프
30 : 열교환기
31 : 파이프
32 : 히터
34 : 증발부
35 : 미스트화 기구
35a : 핀
35b : 구동원
36 : 가이드
37 : 써미스터군
40 : 응축부
41 : 트레이
42 : 망판
50 : 공기 유통 가이드
51, 51a~51c : 가이드판
221 : 파이프
240 : 응축 영역

Claims (13)

  1. 원수를 가열하여 일부를 증발 영역에서 기화시키고, 기화한 증기를 응축 영역에서 응축시킴으로써 응축수를 얻는 수처리 장치에 있어서,
    상기 원수를 가열하는 가열부와,
    상기 가열부에 의해 가열된 원수로부터 기화하는 증기를 상기 응축 영역을 향하여 안내하는 증기 안내부와,
    상기 응축 영역으로부터 상기 증발 영역으로 환류수를 안내하고, 상기 증기 안내부에 의해 상기 응축 영역으로 안내된 증기와 상기 환류수를 열교환시킴과 동시에, 상기 증발 영역에 있어서 상기 원수와 상기 환류수를 열교환시키는 환류수 안내부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 환류수 안내부는, 상기 증기 안내부에 의한 증기의 안내 방향과 반대 방향으로 상기 환류수를 안내하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 환류수 안내부는, 단위시간당, 상기 응축 영역에서 얻을 수 있는 응축수보다도 많은 양의 상기 환류수를 안내하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환류수 안내부는, 상기 환류수로서 상기 원수를 안내하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원수와 상기 응축수를 열교환시킴으로써 상기 원수를 가열함과 동시에 상기 응축수를 냉각하는 열교환기와,
    상기 응축 영역에서 얻을 수 있는 응축수의 적어도 일부를 상기 열교환기로 안내함과 동시에, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 상기 응축 영역에서 상기 원수로부터 기화한 증기와 기액(氣液) 접촉시키는 응축수 안내부를 추가로 구비하며,
    상기 응축수 안내부는, 상기 응축 영역에서 얻을 수 있는 응축수 가운데, 상기 증기 안내부에 의한 증기의 안내 방향의 상류측에서 얻을 수 있는 응축수가 상기 열교환기에 유통하는 원수의 하류측과 열교환하고, 상기 증기 안내부에 의한 증기의 안내 방향의 하류측에서 얻을 수 있는 응축수가 상기 열교환기에 유통하는 원수의 상류측과 열교환하도록 상기 응축수를 안내하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 응축수 안내부는, 상기 응축 영역에서 얻을 수 있는 응축수를 상기 증기 안내부에 의한 증기의 안내 방향으로 복수로 구분하고, 당해 구분한 응축수 마다 상기 열교환기에 유통하는 원수와 열교환하도록 안내하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서,
    상기 증발 영역에 있어서, 상기 가열부에 의해 가열된 원수를 낙하시킴과 동시에, 낙하하는 원수를 충돌 부재와 충돌시킴으로써 상기 원수의 일부를 기화시키는 기화부를 구비하며,
    상기 증기 안내부는, 상기 기화부에 의해 기화한 증기 가운데, 연직 상방으로 기화한 증기를 상기 응축 영역에 있어서 연직 하방으로 안내하고, 연직 하방으로 기화한 증기를 상기 응축 영역에 있어서 연직 상방으로 안내하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  8. 제 5항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축수 안내부는, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 연직 상방으로부터 상기 응축 영역으로 적하 또는 분무하여 상기 원수로부터 기화한 증기와 기액 접촉시키는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 응축수 안내부는, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 적하하는 적하부와, 상기 적하부의 하방에 배설되어 상기 적하된 응축수를 분쇄하는 분쇄부를 가지는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 응축수 안내부는, 저면에 복수의 구멍이 형성되어 있는 트레이를 가지며, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 상기 트레이로 유도하고, 상기 복수의 구멍으로부터 상기 응축수를 적하하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  11. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,
    상기 응축수 안내부는, 측면에 복수의 구멍이 형성되어 있는 통형 부재를 가지며, 상기 원수와 열교환하여 냉각된 응축수를 상기 통형 부재의 내부로 유도하고, 상기 복수의 구멍으로부터 상기 응축수를 적하하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  12. 제 5항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 응축 영역을 내부에 가지는 용기를 구비하며,
    상기 열교환기는, 상기 용기의 외부에 배설되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
  13. 제 5항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열교환기는, 플레이트형 열교환기가 되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
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