KR20000016790A - 담수장치 및 그 작동법 - Google Patents

Abstract

태양 에너지를 이용하는 담수장치 및 그 작동법에 관한 것이다. 이 장치에 태양 에너지로 가열 매개물을 가열하는 태양열 집적기(12), 증발캔(60)과 상호작동하여 가열 매개물과 증발캔의 원수(62)를 열교환시키고 증발캔에서 수증기(63)를 발생시키는 열교환기(92), 원수탱크(72)와 상호작동하여 증발캔(63)으로부터 수증기(63)를 받아들이고 수증기와 원수탱크의 원수를 열교환시키며 증류수를 얻는 응축기(98), 증류수를 저장하는 증류수 탱크, 증발캔을 진공시키고 내부를 감압하여 증발캔에서 증기발생을 촉진시키는 진공수단 및 증발캔에 원수를 공급하는 수단이 제공된다. 다수의 증발캔(60)이 제공될 때, 증발캔과 상호작동하는 응축기가 제공되어 상류측 증발캔으로부터 수증기(63)를 받아들이고 하류측 증발캔의 원수로 수증기를 냉각하여 증류수를 만들며, 또한 하류측 증발캔에 있는 원수를 가열하여 증기를 발생시킨다.

Description

담수장치 및 그 작동법

근래에 들어서, 태양 에너지를 이용하여 바닷물을 담수시키는 기술에 많은 관심이 집중되고 있다. 제 17도는 “베이슨형 태양열 증류기(basin type solar heat distiller)”라고 알려진 태양 에너지를 이용하는 전통적인 담수장치의 개략적인 단면도이다. 제 17도의 담수장치는 예를 들어 바닷물같은 원수(101)를 가두기 위한 베이슨(102) 및 베이슨(102)을 덮고 태양 에너지를 통과시킬 수 있는 공기막이(air shield, 103)를 갖는다. 공기막이(103)의 외부표면은 복사부(radiating part, 106)로서 사용된다. 제 17도의 담수장치에 있어서, 베이슨(102)안의 원수(101)는 태양 에너지(104)에 의해 가열되어 수증기(105)를 생성하게 된다. 수증기(105)는 냉각되고 공기막이(103)의 내부표면에 응결되어, 증류수(107)가 얻어진다.

태양 에너지(태양광선)는 양적인 면에 있어서 풍부한 에너지원이다. 그러나, 태양광선의 에너지 밀도는 예를 들어 고작 1kw/㎡로 극히 낮고 시간과 계절에 따라 상당히 변한다. 이러한 이유 때문에 태양 에너지는 안정적인 고밀도 에너지를 요구하는 공업기술에는 적용될 수 없다. 전술한 베이슨형 태양열 증류기를 포함하여 지금까지 개발되거나 제안된 태양열을 이용하는 담수장치는 낮은 효율을 보였고 내구성이 좋지 않다. 따라서, 전통적인 담수장치는 실용적인 기구로서 적당하지 못하다.

본 발명은 예를 들어 바닷물, 소금을 포함하는 지하수(염수), 또는 공업용 폐수같은 원수(raw water)로부터 태양 에너지를 이용하여 담수를 얻는 담수장치에 관련되고, 또한 담수장치를 작동시키는 방법에 관련된다.

제 1도에서 4도까지는 본 발명에 따른 태양 에너지를 이용하는 담수장치의 기본 구조예를 각각 보여주는 다이어그램,

제 5도에서 8도까지는 본 발명에 따른 담수장치에 사용되는 증발캔의 기본 구조예를 각각 보여주는 다이어그램,

제 9도는 열사이폰 작용을 설명하는 다이어그램,

제 10도 및 11도는 본 발명에 따른 담수장치에 사용되는 베이슨형 태양열 증류기의 기본 구조예를 각각 보여주는 다이어그램,

제 12도는 베이슨형 태양열 증류기에서 베이슨의 상태를 보여주는 다이어그램,

제 13도는 공기펌프를 갖는 베이슨형 태양열 증류기의 기본 구조예를 보여주는 다이어그램,

제 14도는 본 발명에 따른 다중효과 담수장치의 배치를 보여주는 다이어그램,

제 15도는 본 발명에 따른 다중효과 담수장치의 외형을 보여주는 다이어그램,

제 16도는 본 발명에 따른 담수장치에 사용되는 증발캔의 다른 기본 구조예를 보여주는 다이어그램, 및

제 17도는 태양 에너지를 사용하는 종래의 담수장치의 기본 구조예를 보여주는 다이어그램.

본 발명은 전술한 문제의 관점에서 만들어졌고, 본 발명의 목적은 태양 에너지의 특징을 충분히 활용하고 효과적으로 이용함으로써 원수로부터 담수를 얻을 수 있는 태양 에너지를 이용하는 담수장치를 제공하는 것이고, 또한 이 담수장치를 작동시키는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 특별한 목적은 감압상태를 이용하여 저온에서 대량의 증류수를 얻을 수 있는 담수장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 하나의 목적은 순환 가열 매개물을 이용하여 태양열 집적장치의 실용연수를 증가시키는 것이다. 본 발명의 추가적인 목적은 태양열 집적장치에서 얻어지는 열 에너지를 고효율로 이용할 수 있는 증발실 및 응축기의 복합기를 갖는 다중효과의 담수장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 더 추가적인 목적은 태양전지로부터의 전력에 의해 구동될 수 있도록 아주 적은 전력만을 소비하는 담수장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 더 추가적인 목적은 다중효과의 담수장치를 컴팩트하고 단순하게 만드는 것이다. 추가적으로, 본 발명의 목적은 다중효과 담수장치를 고효율로 작동시키는 단순한 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적 및 장점은 도면과 함께 다음의 실시예 및 첨부된 청구항으로부터 분명해질 것이다.

본 발명에 따른 담수장치는 태양 에너지로 가열 매개물을 가열하는 태양열 집적장치, 증발캔내의 가열 매개물과 원수를 열교환시켜 증발캔내에서 수증기를 발생시키도록 증발캔과 상호 작동하는 열 교환기, 증발캔으로부터 수증기를 받아들이고 원수탱크 안에 있는 수증기와 원수를 열교환시킴으로써 수증기를 냉각하여 증류수를 얻도록 원수탱크와 상호 작동하는 응축기, 증류수를 저장하는 증류수 탱크, 증발캔안에서 수증기의 발생을 촉진하도록 증발캔을 진공상태로 만들고 증발캔 내부를 감압하는 진공수단 및 증발캔에 원수를 공급하는 원수 공급수단을 갖는다. 진공수단은 증발캔 내부, 증발캔 내부와 통하는 응축기 공간 및 증류수 저장공간등을 감압한다.

본 발명에 따른 담수장치는 바람직하게는 직렬로 즉 다중효과 관계로 배치된 다수의 증발캔과, 이 증발캔과 상호 작동하는 다수의 응축기를 갖는다. 이 경우에 있어서 열교환기는 제 1증발캔과 상호작동하게 배치되어 제 1증발캔에서 수증기를 발생시키고, 원수탱크와 상호작동하는 응축기는 최종 증발캔으로부터 수증기를 받아들이도록 배치된다. 증발캔과 상호 작동하는 응측기는 상류측 증발캔으로부터 수증기를 받아들이고 하류측 증발캔에서 원수로 수증기를 냉각시켜 증류수를 만들며, 또한 하류측 증발캔에서 원수를 가열하여 수증기를 발생시킨다.

보다 명확히, 직렬로 배치된 두 개의 증발캔이 사용되는 경우에, 열교환기는 역류측 증발캔에서 수증기를 발생시키기 위해서 상류측 증발캔과 상호작동한다. 원수탱크와 상호 작동하는 응축기는 하류측 증발캔으로부터 수증기를 받아들이고 원수탱크에 서 원수로 수증기를 냉각시켜 증류수를 만들도록 배치된다. 증발캔과 상호 작동하는 응축기는 상류측 증발캔으로부터 수증기를 받아들이고, 하류측 증발캔에서 원수로 수증기를 냉각시켜 증류수를 만들고, 또한 하류측 증발캔에서 원수를 가열하여 수증기를 발생시키도록 배치된다.

3개의 증발캔 즉 제 1, 제 2, 제 3증발캔이 직렬로 사용되는 경우에, 두쌍의 상류측 증발캔과 하류측 증발캔이 형성되고, 증발캔과 상호 작동하는 두 개의 응축기가 사용된다. 더 명확히 열 교환기는 제 1증발캔과 상호 작동하고 원수탱크와 상호작동하는 응축기는 제 3증발캔으로부터 수증기를 받아들이고 원수 탱크에서 원수로 수증기를 냉각시켜 증류수를 만든다. 증발캔과 상호 작동하는 응축기중 하나는 제 1증발캔으로부터 수증기를 받아들이고 제 2증발캔에서 원수로 수증기를 냉각시켜 증류수를 만들며, 또한 제 2증발캔에서 원수를 가열하여 수증기를 발생시키도록 배치된다. 증발캔과 상호 작동하는 다른 응축기는 제 2증발캔으로부터 수증기를 받아들이고 제 3 증발캔에서 원수로 수증기를 냉각시켜 증류수를 만들고, 또한 제 3증발캔에서 원수를 가열하여 수증기를 발생시키도록 배치된다. N개의 증발캔(N은 정수 4 또는 이상)이 직렬로 사용되는 경우에 있어서, N-1쌍의 상류측 증발캔 및 하류측 증발캔이 형성되고, N-1개의 응축기가 증발캔에 연동되어 사용된다.

본 발명에 따른 담수장치는 바람직하게 다음과 같은 배치를 갖는다. (a) 가열 매개물은 가열 매개물이 증기를 생성하기 위해 태양열 집적기에서 가열되고 이 증기가 제 1증발캔에서 냉각되어 액체가 되는 열사이폰의 작용에 의해 순환된다. (b) 가열 매개물은 물이다. (c) 담수장치는 원수탱크를 덮는 공기막이를 갖는데, 이 공기막이의 내부표면은 증기를 냉각시켜 증류수를 만들고 이것을 집적하며, 외부표면은 복사부로 적용된다. (d) 태양열 집적기의 에너지 집적부는 햇볕이 닿는 공기막이의 상측 외부표면 부분에 위치한다. (e) 열교환기 또는 응축기의 전열관을 배치함으로써 구성되는 1개 이상의 증발캔의 가열부가 공기막이에 위치한다. (f) 태양열 집적기는 담수장치의 다른 부분으로 향하는 햇볕을 차단하기 위해 전체 담수장치의 상부를 덮도록 배치된다. (g) 열교환기는 증발캔에 거의 수평으로 연장된 전열관을 갖고, 가열 매개물은 이 전열관을 통해 지나가고, 원수용 가열부 및 증발부는 증발캔의 내부표면과 전열관의 외부표면사이에 형성된다. 유사하게 증발캔에 있는 응축기는 증발캔에 거의 수평으로 연장된 전열관을 갖고, 수증기는 이 전열관을 통해 지나가며, 원수용 가열부 및 증발부는 증발캔의 내부표면과 전열관의 외부표면 사이에 형성된다. (h) 전열관은 수평방향에 대해 약간 기울어져 가열 매개물 또는 증기 흡입측은 가열 매개물 또는 증기 배출측에 위에 있다. (i) 원수탱크와 상호작동하는 응축기는 원수탱크의 바닥부분에 대해 거의 평행하게 연장되고 인접한 전열관을 갖는다. (j)원수탱크는 열적성층이 형성되는 깊이로 원수를 담을 수 있다. (k)원수탱크는 원수에 공기기포를 공급하는 공기 분산관을 갖는다. 바람직하게는 공기분산관은 원수표면에 가까운 원수에 공기기포를 공급할 수 있도록 위치한다. (l) 담수장치는 태양열 발전설비를 갖으며 이 태양열 발전설비로부터 공급되는 전력에 의해 구동된다.

본 발명에 따른 담수장치는 선택적으로 다음과 같은 배치를 가질 수 있다. (m) 간극이 공기막이의 상측 외부표면을 따라 배치된 태양열 집적기의 에너지 집적부분과 공기막이의 상측 외부표면사이에 제공되고, 굴뚝효과에 의해 간극에서 통풍이 유도된다. (n)열전관이 증발캔 높이의 1/2보다 높지 않은 위치에 각 증발캔의 바닥표면에 거의 평행하게 연장되게 배치된다. (o)원수탱크에 담긴 물의 양은 수증기를 냉각시킴으로써 발생되는 온도상승이 매일 10℃를 넘지 않도록 설정된다.

본 발명에 따른 담수장치의 작동법에 있어서 담수장치는 태양에너지로 가열 매개물을 가열하는 태양열 집적기, 다수의 증발캔, 원수탱크, 증류수 탱크, 원수탱크에 배치된 응축기, 증발캔을 진공상태로 만들고 증발캔 내부를 감압하는 진공수단 및 증발캔에 원수를 공급하는 원수 제공수단을 갖는다.

본 발명에 따른 담수장치 작동법은 원수공급수단을 작동시켜 증발캔에 소정량의 원수를 공급하는 단계, 진공수단을 작동시켜 증발캔에 소정 수준의 진공을 만들기 위해 증발캔을 진공시키는 단계, 제 1증발캔에서 원수를 증발시키기 위해 가열 매개물을 통해 태양열 집적기로부터 제 1증발캔에 있는 원수에 태양에너지를 전달하는 단계, 수증기를 응축하여 증류수로 만들기 위해 상류측 증발캔에서 발생된 수증기를 하류측 증발캔의 원수로 냉각시키고 이 증류수를 증류수 탱크에 모으고 하류측 증발캔에서 수증기를 더 발생시키는 연속적인 단계, 수증기를 응축하여 증류수를 만들기 위해 최종 증발캔에서 수증기를 원수탱크에 있는 원수로 냉각하고 이 증류수를 증류수탱크에 모으는 단계, 증류수 탱크에 모인 증류수를 빼내는 단계 및 증발캔으로부터 농축된 원수를 배출하는 단계를 갖는다.

본 발명에 따른 작동법은 바람직하게 다음과 같은 배치를 갖는다. (p) 증발캔에 소정량의 원수를 공급하는 단계 및 증발캔에 소정 수준의 진공을 만들기 위해 진공수단을 작동시킴으로써 증발캔을 진공시키는 단계는 동시에 시작된다. 이렇게 함으로써, 진공수단이 소비하는 전력은 감소될 수 있다. (q) 증류수 탱크에 모인 증류수를 빼내는 단계, 증발캔으로부터 농축된 원수를 배출하는 단계, 원수공급수단을 작동시켜 증발캔에 소정량의 원수를 공급하는 단계, 증발캔에 소정 수준의 진공을 만들기 위해 진공수단을 작동시킴으로써 증발캔을 진공시키는 단계는 일출전의 시간대에 실행되고 완료된다. 이러한 단계들은 증류수 제조작동을 시작시키는 예비적인 작동이고, 이러한 작동들은 효율적인 관점에서 일출전에 함께 실행되는 것이 바람직하다. 그러나, 이 예비적인 작동은 상황에 따라 매일 또는 미리 설정된 날마다 정해진 시간에 주기적으로 실행될 수도 있다. 또한 일출전의 수고를 덜기위해 타이머 조절도 가능하다.

본 발명에 따른 작동법은 선택적으로 다음과 같은 배치를 갖는다. (r) 증류수 탱크에 모인 증류수의 양이 소정의 양을 초과하거나 또는 담수장치 작동중에 증류수를 빼내야 할 필요가 있을 때, 증류수 탱크와 응축기사이의 통함은 차단된다. 그러면 증류수 탱크는 대기에 개방되고, 증류수는 빼내어진다. 빈 증류수 탱크의 내부는 진공펌프에 의해서 감압된다. 따라서 증류수 탱크는 응축기와 통하게된다.

본 발명에 따르면, 아래에 설명되는 예비공정은 담수장치의 증류수 제조작동이 시작되기 전에 실행된다. 먼저, 대기구(atmospheric port)가 개방되고 증발캔의 내부, 응축기의 내부 및 증류수 탱크의 내부가 서로 통함으로써 형성되는 담수장치의 내부공간의 압력이 거의 대기압과 동일한 수준에 도달할 때, 선행의 작동에 의해 만들어진 증류수는 증류수 탱크로부터 흐를 수 있고 증발캔에 남아있는 원수는 배출된다. 다음 대기구, 증류수 탱크의 배출구 및 증발캔의 원수 배출구가 닫혀 내부공간이 닫혀진다. 그때 소정의 감압환경을 만들기 위해 진공수단을 작동시킴으로써 내부공간은 진공된다. 이때 원수탱크에 있는 소정량의 원수가 원수공급수단에 의해 증발캔으로 공급된다. 진공시키는동안 이 증발캔에 원수를 공급함으로써, 원수는 증발캔으로 흐르게 되고 증발캔에 있는 원수는 증발캔의 감압환경에 의해 탈기된다. 소정량의 원수가 증발캔에 공급되면 원수공급구는 닫힌다. 담수장치에서 내부공간의 감압정도는 감압에 요구되는 전력 및 저온 열원에 의한 수증기 발생효율을 고려하여 결정된다. 내부공간의 압력이 소정의 수준으로 감압된후 내부공간과 진공수단 사이의 통함은 차단되고 진공수단의 작동은 정지된다.

상술한 예비공정이 완료된 후 다음의 증류수 제조작동이 실행된다. 가열 매개물은 태양열 집적기에서 태양에너지에 의해 가열된다. 바람직하게는 가열 매개물은 가열 매개물 수증기(heating medium vapor)로 변한다. 증발캔에 있는 원수는 수증기를 생성하기 위해 열교환기를 통해 가열 매개물에 의해 가열된다. 증발캔이 단 하나만 있는 경우, 증발캔에 있는 수증기는 증류수를 만들기 위해 원수탱크와 상호작동하는 응축기를 통해 원수탱크에 있는 원수에 의해 냉각되고 응축되며, 증류수 탱크에 모인다. N개의 증발캔이 다중효과 구조에 배치된 경우 N-1쌍의 상류측 증발캔 및 하류측 증발캔이 형성된다. 각각의 N-1쌍에 있어서, 상류측 증발캔에 있는 수증기는 증발캔과 상호작동하는 응측기를 통해 하류측 증발캔에 있는 원수로 냉각되어 증류수를 제조한다. 동시에 하류측 증발캔에 있는 원수는 수증기를 발생하기 위해 가열된다. 최종 증발캔에 있는 수증기는 원수탱크에 배치된 응측기로 유입되고 냉각되어 증류수가 되고 증류수 탱크에 모인다.

본 발명에 따른 실시예가 도면을 참고하여 아래에 설명된다. 제 1도는 본 발명에 따른 태양 에너지를 이용하는 담수장치의 첫번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 제 1도의 담수장치는 태양열 집적기(10), 증발캔(60) 및 원수탱크(72)를 갖는다.

태양열 집적기(10)는 태양에너지를 집적하는 에너지 집적부(12)를 갖고 집적부(12)에 집적된 태양에너지(11)를 가열 매개물(13)을 가열하는 열에너지로 변환한다. 에너지 집적부(12)는 가열 매개물과 열교환을 할 수 있게 배치된 흡광판(light-absorbing plate)을 갖는다. 외부 셸(shell)의 태양측은 태양광선이 침투할 수 있는 투명패널로 구성된다. 외부셸은 예를 들어 높은 단열성을 갖는 진공 유리관으로 구성될 수 있다. 캔 본체(61)의 내부는 예를 들어 진공펌프같은 진공수단(도시하지 않음)에 의해 감압된다. 증발캔(60)에 있는 원수(62)는 감압하에서 수증기(63)로 변하기 위해 열교환기(92)를 통해 고온의 가열 매개물(13)로 가열된다.

캔 본체(61)의 수증기(63)는 수증기(63)가 원수탱크(72)에 있는 원수(71)와 열교환하는 응축기(98)로 유입된다. 수증기(63)는 원수(71)와 함께 냉각되고 응축되어 증류수(76)를 형성한다. 동시에 수증기(63)는 원수(71)를 가열한다.

제 2도는 본 발명에 따른 태양 에너지를 이용하는 담수장치의 두번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 제 2도에서 베이슨형 태양열 증류기(70)는 원수(71)를 담고있는 원수탱크(72)가 태양 에너지(11)의 대부분을 전달하는 공기막이(73)로 덮히는 배치를 갖는다. 따라서 원수(71)는 직접적으로 태양에너지(11)를 흡수할 수 있고 원수(71)는 가열된다. 게다가, 공기막이(73)의 외부표면은 복사부(73')로서 설계되고, 공기막이(73)의 내부표면은 증류수(75)를 얻기 위해 원수로부터 증발되는 수증기(74)를 응축하도록 배치된다. 증발캔(60)의 캔 본체(61)에 있는 수증기(63)는 베이슨형 태양열 증류기(70)에 있는 원수(71)에 의해 수증기가 냉각되는 응축기(98)로 유입된다. 수증기(63)는 증류수(76)를 형성하기 위해 원수(71)와 함께 냉각되고 응축된다. 동시에 수증기(63)는 원수(71)를 가열한다. 증발캔(60)으로부터 소산을 통한 열손실을 방지하고 공간을 절약한다는 관점에서 증발캔(60)이 공기막이(73)에 합체되는 것이 바람직하다.

제 2도의 담수장치에서, 태양열 집적기(10)의 에너지 집적부(12)는 태양광선이 닿는 공기막이(73)의 외부표면의 상부의 부분 또는 전체를 덮도록 설치된다. 에너지 집적부(12)는 공기막이(73)와 합체될 수도 있다. 선택적으로 공기막이(73)의 일부분이 에너지 집적부(12)역할을 할 수도 있다.

증발캔(60)은 베이슨형 태양열 증류기(70)에 합체된다. 증발캔(60)에 있는 원수(62)는 태양열 집적기(10)에서 가열된 가열 매개물(13)로 가열된다. 증발캔(60)에서 생성된 수증기(63)는 원수탱크(72)에 있는 원수(71)를 위한 열원의 역할을 하고 증류수(76)로 응축된다. 원수탱크(72)에 있는 원수(71)로부터 발생된 수증기(74)는 증류수(75)를 형성하기 위해 외부표면은 복사부(73')역할을 하는 공기막이(73)의 내부표면에서 응축되어 증류수를 형성한다.

제 3도는 본 발명에 따른 태양열을 이용하는 담수장치의 3번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 제 3도에 있어서, 제 1,2 및 3도에 공통적인 구성요소는 공통 참조번호에 의해 표시되었고 공통 참조번호의 설명은 생략되었다. 제 3도의 담수장치는 에너지 집적부(12)와 공기막이(73)의 복사부(73')사이에 간극(14)이 제공되고, 바깥공기(15)가 굴뚝효과에 의해 이 간극(14)을 통과하는 배치를 제외하고는 제 2도의 담수장치와 유사하다. 간극(14)을 통과하는 바깥쪽 공기(15)의 흐름은 복사부(73')로부터의 열복사를 촉진한다.

제 4도는 본 발명에 따른 태양열을 이용하는 담수장치의 4번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 제 4도에서 제 1, 2, 3 및 4도에 공통적인 구성요소는 공통 참조번호에 의해 표시되었고 공통 참조번호의 설명은 생략되었다. 제 4도의 담수장치는 각 단계에 다수의 증발캔(60, 60'.....)을 갖는다. 이 증발캔(60, 60'.....)은 제 1단계에서 증발캔(60)은 태양열 집적부(10)있는 가열 매개물(13)을 이 단계에서 원수(62')용 열원으로 사용하고; 제 2단계에서 증발캔(60')은 증발캔(60)에서 발생된 수증기(63)를 이 단계에서 원수(62)용 열원으로 사용하고; 그 다음의 증발캔(60")은 선행단계에 있는 증발캔(60')에서 발생된 수증기(63')를 원수(62")용 열원으로 사용하는 다중효과 구조에 배치된다. 비록 도면에 설명된 배치와 다르지만, 이들 증발캔(60, 60'.....)의 1개 이상의 발열 및 증발부가 공기막이(73)에 합체되는 것이 바람직하다.

제 2도에서 4도까지에 도시된 담수장치에 있어서, 태양열 집적기(10)에 있는 가열 매개물(13)은 베이슨형 태양열 증류기(70)에서 원수(71)용 열원으로 사용될 수 있다.

제 5도는 증발캔의 첫 번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 증발캔(60)은 수평적으로 설치된 캔 본체에서 거의 수평적으로 연장하는 1개 이상의 전열관(64)을 갖는다. 전열관(64)의 양단에 쳄버(65, 66)가 집합적으로 전열관(64)을 설치하기 위해 제공된다. 한 쳄버(65)에 가열 매개물 흡입구 또는 수증기 흡입구(67)가 제공되고, 다른 쳄버(66)에 응축된 가열 매개물 배출구 또는 응축물 배출구(68)가 제공된다. 전열관(64)의 내부는 가열 매개물용 열 복사부 또는 수증기용 응축부로서 이용되고, 전열관(64)의 외부는 원수용 가열 및 증발부로서 이용된다.

따라서, 증발캔(60)은 한 부분으로 합체된 가열 및 증발부를 갖고 수평형의 형태로 배치된다. 결과적으로 증발캔의 구조는 단순해지고, 온도차이가 적을지라도 고성능이 발휘될 수 있다. 추가적으로 베이슨형 태양열 증류기에 증발캔을 합체하기가 쉽다. 전열관(64)은 진공을 견디고 우수한 열전달 특성을 보이는 다른 형상으로 형성될수 있다.

제 5도와 같이 배치된 증발캔(60)은 비록 이 배치에서는 도시되지 않았지만, 가열 매개물 또는 응축물용 배출구(68)가 가열 매개물 또는 수증기용 흡입구(67)보다 밑에 위치하여 전열관(64)에 있는 응축물이 쉽게 배출될수 있도록 전반적으로 기울어져 위치할 수 있다. 상술된 바와 같이 전체 증발캔(60)을 기울게 위치시킴으로써 전열관(64)에 있는 응축물은 배출구(68)로부터 말끔히 배출된다. 가열 매개물이 액체상태로 사용되는 경우에 배치는 고온 가열 매개물 액체 흡입구(67')는 낮은 곳에 위치하고, 저온 가열 매개물 액체 흡입구(68')는 높은곳에 위치할 것이다.

태양열 집적기로부터의 고온 가열 매개물은 흡입구(67) 또는 고온 가열 매개물 액체 흡입구(67')를 통해 전열관(64)으로 유입된다. 열을 복사하는 가열 매개물은 배출구(68) 또는 저온 가열 매개물 액체 배출구(68')로부터 배출되고 태양열 집적기로 되돌아온다. 다중효과 증발캔(60)의 경우엔, 선행단계에 있는 증발캔에서 발생된 수증기(63)는 흡입구(67)로부터 전열관(64)으로 유입되고, 증류수는 배출구(68)로부터 배출된다.

제 6도는 증발캔의 두 번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 제 5도 및 6도에 공통적인 구성요소는 공통 참조번호로 표시되었다. 제 6도의 캔 본체에 있는 전열관(64)은 증발캔의 바닥 표면에 대해 수평방향 또는 기울어지게 위치된다. 배출구(68)는 흡입구(67)보다 낮게 위치한다. 가열 매개물이 액체상태로 사용되는 경우에, 제 6도의 증발캔은 가열 매개물 액체 흡입구(67')가 낮은곳에 위치하고 가열 매개물 액체 배출구(68')가 높은 곳에 위치하게 배치될 것이다.

상술된 바와 같이 전열관(64)을 기울어지게 위치시킴으로써 전열관(64)에 있는 응축물은 배출구(68)를 통해 말끔히 배출된다. 만약 전열관(64)이 캔 본체(61)직경의 절반보다 낮은 범위내에 위치하고 원수의 액체면이 캔 본체(61)의 거의 중심에 설정된다면, 증발캔 면적은 최대가 되고 흡기현상(entrainment of mist)없이 양질의 증류수가 얻어질 수 있다.

제 7도는 증발캔의 3번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 제 5도, 6도 및 7도에 공통적인 구성요소는 공통 참조번호로 표시되었다. 증발캔(60)은 수평적으로 설치된 캔 본체(61)에 위치한 한 세트 이상의 전열관(64)을 갖는다. 쳄버(69)는 전열관(64)을 집합적으로 설치하기 위해 캔 본체(61)의 중심에 제공되고, 증발캔(61)의 양측에 쳄버(65, 66)가 전열관을 집합적으로 설치하기 위해 제공된다. 중심에 있는 쳄버(69)에 가열 매개물 또는 수증기용 흡입구(69a)가 제공된다. 양측의 쳄버(65, 66)에 가열 매개물 또는 증류수용 배출구(68)가 각각 제공된다. 제 7도의 증발캔(60) 배치에 따르면 증발캔(60)의 캔 본체(61)가 길고 전열관이 길게되는 경우에도, 응축기측의 압력손실은 증가하지 않을 것이며 가열 매개물 또는 증류수가 쉽게 배출될 수 있다.

제 8도는 증발캔의 4번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 제 5도에서 7도 및 8도에 공통적인 구성요소는 공통 참조번호로 표시되었다. 제 8도의 증발캔(60)에서, 전열관(64)은 수평방향에 대해 기울어지게 위치한다. 배출구(68)는 중심 흡입구(69a)와 통하는 쳄버(69)보다 아래에 위치한다. 전열관(64)은 캔 본체(61) 직경의 절반보다 아래의 범위내에 배치된다. 전술된 배치때문에 전열관(64)에 있는 응축물은 말끔히 배출된다. 추가적으로 원수(62)의 액체면이 캔 본체(61)의 거의 중심에 설정될 수 있고, 그리하여 증기 면적은 최대가 될 수 있다. 따라서, 양질의 증류수가 흡기현상없이 얻어질 수 있다.

제 5도에서 8도까지에 도시된 증발캔에 있어서, 캔 본체(61)의 내부 및 전열관(64)의 내부는 증류수 제조작동이 시작하기 전에 진공펌프등을 갖는 진공수단에 의해 감압되고 증류수 제조작동중에 감압상태가 유지되어 수증기의 발생을 촉진하게 된다.

제 9도는 태양열 집적기(10)에 있는 가열 매개물이 열사이폰 작동에 의해 순환되는 원리를 설명하는 다이어그램이다. 태양열 집적기(10)의 에너지 집적부(12)에 집적된 태양 에너지에 의해 가열되는 가열 매개물은 증기(110)를 형성하고, 이 증기는 응축수단(111)으로 보내진다. 응축기(111)에서 증기(110)는 냉각 액체를 포함하는 냉각 매개물(112)에 의해 냉각되고 응축되어 응축물(113)을 형성한다. 응축물(113)은 에너지 집적부(12)로 흐른다. 가열 매개물은 증발되고 응축되어 열 순환을 만들고(열 사이폰 효과) 별다른 전력을 사용하지 않고 순환하게 된다. 열 사이폰은 우수한 추적성능을 나타내며 전열부에서 상변화를 동반한다. 따라서, 열사이폰은 열전달 성능면에서 우수하고 적은 온도차에서도 작동될 수 있다.

가열 매개물은 상변화없이 펌프를 사용하여 강제적으로 순환될 수도 있다. 선택적으로 가열 매개물은 온도차이에 근거한 자연적인 순환을 따를 수도 있다. 그러나 이 경우에는 펌프용 전력을 필요로 하는 단점이 있고 결국은 저효율 작동이 되고, 태양광선을 이용할 수 없을 때 가열 매개물의 순환에 의한 열손실을 방지하기위한 수단이 필요하다. 가열 매개물에 관해서는, 예를 들어 냉각행정에서 널리 사용되는 염불화탄소 및 알코올과 같은 유기 가열 매개물을 생각해볼 수 있다. 그러나 가열 매개물이 누출되었을 때 안전 및 환경에 대한 영향면에서 물이 가장 적당하다.

제 10도는 베이슨형 태양열 증류기의 첫 번째 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 베이슨형 태양열 증류기는 독립적인 원수탱크(72)가 우수한 열전도성과 차광성을 갖는 공기막이(예를 들어 얇은 알루미늄 패널 또는 스테인레스강 패널같은 금속패널)에 의해 전체적으로 덮여지는 배치를 갖는다. 이 배치는 복사 표면(73')에서 열전달 특성을 향상시킬 수 있게 한다. 추가적으로 이 배치는 베이슨형 태양열 증류기(70)의 단열을 손상시키지 않고 태양의 직사광선이 닿지않는 복사 면적을 두드러지게 증가시킬 수 있고, 동시에 차광은 원수탱크(72)에 있는 원수에서 생물(즉 조류 및 수상 플랑크톤)이 번식하는 것을 억제한다.

제 11도에 도시된 것처럼, 공기막이(73)에 핀(78)이 제공될 수 있다. 그렇게 함으로써, 복사면적은 더욱 증가될 수 있다. 핀(78)은 바람직하게는 공기흐름을 위쪽으로 안내하도록 배치된다. 비록 도면에 도시하지는 않았지만 핀(78)은 공기막이(73)의 내부표면에 제공될 수도 있다. 공기막이(73)는 편평한 판 및 주름진 판으로 구조될 수 있다.

제 12도에 도시되듯이 원수탱크(72)의 깊이는 바람직하게는 증기층(L1) 및 복사층(L2)의 열적성층이 원수(71)에 형성된 깊이보다 더 깊다. 즉, 원수탱크(72)의 깊이는 열교환기부(77)가 원수탱크(72)의 가장 밑부분에 위치하고 태양열 집적기(10)로부터의 가열 매개물 및 증발캔(60)으로부터의 수증기가 보내져 열을 복사하는 복사범위(복사층 L2)와 원수가 가열되는 범위(증발층 L1)가 태양에너지(11)를 흡수함으로써 증발하는 깊이보다 깊어야 한다. 비록 원수탱크(72)의 크기에 관련이 있지만, 열적성층이 형성되는 깊이는 최소한 100mm, 바람직하게는 600mm이다.

원수탱크(72)에 있는 원수(71)는 증발캔용 냉각원이다. 원수탱크(72)의 크기에 관하여, 원수탱크(72)에 담긴 원수의 양은 원수 가열원으로부터 공급된 열에 의해 가열된 원수의 온도가 10℃보다 높지않게 설정된다. 그러나 밤에 열이 복사되는 현상에 의해 응축물이 베이슨형 태양열 증류기(70)에 회수되는것과 동시에 온도가 상승한 원수는 냉각되어 냉각원으로 되돌아온다. 증발캔에 있는 원수는 바람직하게는 원수탱크(72)로부터 공급된 원수(71)다.

시스템은 베이슨형 태양열 증류기(70)의 원수탱크(72)에 있는 응축된 원수가 설정된 양만큼 꾸준히 또는 주기적으로 원수탱크(72)의 저부로부터 배출되고, 저온의 원수가 원수탱크(72)의 가장 낮은 저부의 근방에 외부적으로 공급되어 원수(71)의 수면이 일정한 수준을 유지하도록 배치된다. 베이슨형 태양열 증류기(70)에 핀(도시되지 않음)이 제공될 수도 있다. 그렇게 함으로써 베이슨형 태양열 증류기(70)의 내부에서 기체상(gas phase)의 대류를 촉진하고, 베이슨형 태양열 증류기(70)에 있는 원수(71)의 증발에 동반되는 대류적 열전달을 증가시키고, 저온 열원의 역할을 하는 원수(71)의 온도상승을 억제하며, 베이슨형 태양열 증류기(70)에 회수된 증류수의 양을 증가시키는 것이 가능하다.

제 13도는 베이슨형 태양열 증류기의 기본 구조예를 보여주는 다이어그램이다. 제 13도의 베이슨형 태양열 증류기는 공기분산관(80)이 원수탱크(72)의 바닥에 위치하고, 공기기포(72)를 원수(71)에 분산시키기 위해 베이슨형 태양열 증류기(70)의 상부에 있는 공기가 공기펌프(81)에 의해 공기 분산관(80)으로 보내지게 배치된다. 공기기포(82)를 원수(71)에 분산시킴으로써 원수(71)는 활성화되고 대류는 촉진된다. 또한 가스상의 대류도 수면으로부터 방출된 공기기포(82)에 의해 촉진되어 원수(71)의 증발이 증가한다. 따라서, 회수되는 증류수의 양을 증가시키는 것이 가능하다. 추가적으로 저온 열원의 역할을 하는 원수(71)의 온도상승을 억제하는 것도 가능하다. 표면의 근방에 있는 원수에 공기를 분산시킴으로써, 공기분산을 위한 전력은 최소화되고 원수의 표면은 물결친다. 결과적으로 표면면적은 증가하고 증발캔에 발생된 수증기 양은 증가된다.

진공수단, 조절밸브 및 조절기등을 작동시키는데 요구되는 전력을 태양열 발전장비로부터 공급받게 시스템을 배치함으로써, 멀리 떨어진 지역 예를 들어 사막, 무인도같이 전력이 공급될 수 없는 곳에 담수장치를 설치하는 것이 가능하다. 이 경우에 전기적 장비는 직류전원 공급에 의해 구동되는 것이 바람직하다.

담수장치의 햇볕쪽의 바깥 표면의 상부에 태양 전지판(태양 전지)을 장착함으로써 조밀하고 효율적인 시스템 구축을 용이하게 할 수 있고 이렇게 하여 태양열 발전장비와 담수장치를 이용할 수 있다. 만약 태양열 발전전지가 우수한 열전도성을 가진 접착제로 직접 태양열 집적기의 열 집적판에 부착되게 배치 된다면, 전력발생 전지의 설치는 용이하고, 시스템의 무게를 줄이는 것이 가능하다. 추가적으로 태양열은 열 집적판에 흡수될수 있기 때문에 태양열 발전전지의 온도상승은 방지되고, 발전효율의 저하를 막을 수 있다. 담수장치에 빗방울 방수장치가 제공되면 안성맞춤이다.

제 14도는 본 발명에 따른 다중효과 담수장치의 배치도이다. 제 15도는 다중효과 담수장치의 외관을 보여주는 사시도이다. 제 15도에 도시되듯이 담수장치(8)는 전방판(52), 후미판(53), 측면판(54) 및 바닥판(55)을 포함하는 공기막이(42)에 의해 둘러싸여 있고, 태양열 집적기(10)는 소정의 경사각을 갖고 전방 꼭대기 표면에 위치한다. 태양전지(17)는 담수장치의 상부에 위치된다. 원수탱크(56)는 공기막이(42)의 저부에 설치되고, 진공 증류기(뒤에 설명함, 20)는 원수탱크(56)위에 배치된다. 발전조절패널(18) 및 시스템 조절 패널(19)은 안에 합체된 전지(18a)와 함께 단일 유닛으로 합체될 수 있다. 전방판(52)에 복사핀(52a)이 제공된다. 후미판(53)에 복사핀(53a)이 제공되고, 바닥판(55)에 복사핀(55a)이 제공된다.

제 14도의 진공증류기(20)는 원수탱크(56)위에 배치된 3개의 증발캔(21, 22, 23)을 갖고 있다. 증발캔(21, 22, 23)은 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)에 각각 전열관(21-1, 22-1, 23-1)을 갖는다. 태양열 집적기에 집적된 에너지로 가열되어 증기가된 가열 매개물의 증기는 배관(24)을 통해 증발캔(21)의 전열관(21-1)으로 유입된다. 가열 매개물 증기는 전열관(21-1)에서 열을 방출하여 가열 매개물 액체를 형성하고, 버퍼 파이프(25) 및 배관(26, 38)을 통해 태양열 집적기로 되돌아온다. 가열 매개물은 물이다.

제 16도는 본 발명에 따른 담수장치에 사용되는 증발캔의 5번째 배치를 보여주는 다이어그램이다. 제 16도의 증발캔(21)은 다음과 같이 배치된다. 증발캔(21)은 수평적으로 설치된 캔 본체(21-2)에 한 세트 이상의 전열관(21-1)을 갖는다. 쳄버(21-3)는 전열관(21-1)을 집합적으로 설치하기 위해 캔 본체(21-2)의 중심에 제공된다. 추가적으로 쳄버(21-4)는 전열관(21-1)을 집합적으로 설치하기 위해 증발캔(21-2)의 양측에 제공된다. 중심에 있는 쳄버(21-3)에 가열 매개물 증기 흡입구가 제공되고, 양측에 있는 쳄버(21-4)에 응축된 가열 매개물 배출구가 제공된다.

전열관(21-1)은 기울어져 배치되어 가열 매개물 흡기측은 가열 매개물 배출구측보다 위에 놓인다. 추가적으로 전열관(21-1)은 캔 본체(21-2) 직경의 절반 아래에 위치한다. 이와 같은 배치에 의해 증발캔(21)의 캔 본체(21-2)가 길어서 전열관(21-1)이 길어지는 경우에도 압력손실은 적다. 게다가 가열 매개물은 전열관에서 말끔히 배출될 수 있다.

제 14도의 담수장치에 있어서, 증발캔(21)의 캔 본체(21-2)에 발생된 수증기는 배관(27)을 통해 증발캔(22)의 전열관(22-1)으로 유입되고, 수증기는 열복사에 의해 응축되고, 증류수 탱크(31)에 모인다. 증발캔(22)의 본체(22-2)에 생성된 수증기는 배관(28)을 통해 증발캔(23)의 전열관(23-1)으로 유입되고, 수증기는 열복사에 의해 응축되고, 증류수 탱크(32)에 모인다. 증발캔(23)의 캔본체(23-2)에 생성된 수증기는 배관(29)을 통해 원수탱크(56)에 위치한 응축기(전열관, 30)로 유입되고, 수증기는 열복사에 의해 응축되고, 증류수 탱크(33)에 모인다.

응축기(30)의 배치는 다음과 같다. 응축기(30)는 한 세트 이상의 전열관(30-1)을 갖는다. 쳄버(30-3)는 전열관(30-1)을 집합적으로 설치하기 위해 응축기(30)의 중심에 제공된다. 추가적으로 쳄버(30-4)는 전열관(30-1)을 집합적으로 설치하기 위해 응축기(30)의 양측에 제공된다. 중심에 있는 쳄버(30-3)에 수증기 흡입구가 제공되고, 양측에 있는 쳄버(30-4)에 응축물 배출구가 각각 제공된다. 전열관(30-1)은 증발캔에 있는 전열관이 기울어지게 설치되는 것처럼 기울어지게 위치하여 수증기 흡입구측이 응축물 배출구측보다 위에 놓인다. 증류수 탱크(31, 32, 33)에 있는 증류수는 증류수 집적탱크(34)에 모인다.

다음, 제 14도의 담수장치를 작동시키는 방법에 대해 설명된다. 바다 또는 우물등에서 끌어온 소금등을 포함하는 원수는 전처리를 거친후에 원수 공급탱크(36)에 담겨진다. 원수탱크(36)에 담겨진 원수의 양은 항상 일정하게 조절된다. 원수 전처리 및 공급용 장치는 태양열 발전기를 각각 또는 독립적으로 갖고, 동력원으로서 발전된 전기를 사용하여 작동되는 것이 바람직하다.

다음, 원수는 레벨차이를 이용해 원수공급탱크(36)로부터 담수장치(8)의 원수탱크(56)로 공급되어 소정의 수면으로 올라간다. 제 14도의 예에서는 볼탭(플로트 밸브)이 사용된다. 공급탱크로부터의 원수용 공급구가 응축기(30) 근방에 제공되고 응축기(30)는 원수탱크(56)의 바닥에 설치된다. 대기 온도가 가장 낮은 일출전에 원수공급과 같은 예비공정은 완료하는 것이 편하다.

증발 및 담수작용이 일어나는 부분에 있어서 시스템 내부 즉 증발캔(21)의 캔 본체(21-2, 전열관의 외부)의 내부, 증발캔(22)의 전열관(22-1)의 내부, 증발캔(23)의 전열관(23-1)의 내부, 증발캔(23)의 전열관(23-1)의 내부, 응축기(30)의 전열관(30-1)의 내부, 증류수 탱크(31, 32, 33)의 내부 및 이 탱크들을 연결하는 배관의 내부는 진공펌프(35)에 의해 소정의 진공수준까지 진공된다. 진공펌프(35)는 예를 들어 이젝터(ejector)같은 다른 형식의 장치로 교체될 수 있다.

대기로부터 각 시스템을 진공되게 닫기 위해 각 3방향 밸브(SV1, SV2, SV3)의 대기측은 닫혀지고, 증발캔(22)의 전열관(22-1)의 내부, 증발캔(23)의 전열관(23-1)의 내부 및 응축기(30)의 전열관(30-1)의 내부는 증류수 탱크(31, 32, 33)와 각각 통한다. 밸브(SV11, SV12, SV13), 밸브(SV31, SV32, SV33) 및 밸브(SV41, SV42, SV43)는 닫힌다. 이때 밸브(SV22, SV23, SV24)는 개방되고, 진공펌프(35)는 시스템 내부가 소정의 진공수준이 될 때까지 시스템을 진공시키기 시작한다. 이 예에서 소정의 진공수준은 20 Torr이다.

상술된 수준까지 진공이 된후에, 밸브(SV31, SV32, SV33)는 진공을 이용하여 소정량의 원수를 원수탱크로부터 증발캔(21, 22, 23)의 각 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)에 공급하기 위해 개방된다. 그후 밸브(SV31, SV32, SV33)는 닫힌다. 이 경우에 있어서, 공급된 원수양의 검사는 증발캔(21, 22, 23)의 각 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)의 소정위치에 설치된 액면 검사기에 의해 수행된다.

액면의 상한치는 원수가 응축될 수 있는 상한치 및 증기양의 상한치로부터 결정되는 담겨진 양으로부터 결정된다. 게다가, 상한치 액면은 흡기현상을 방지하기 위해 각 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)의 중심과 거의 같게 결정된다(증발면적은 수평형 증발캔의 경우에 최대가 된다). 또한 하한치 액면은 응축수준의 상한치에서 담겨진 액체의 최종 양으로부터 결정되고, 동시에 전열관(21-1, 22-1, 23-1)이 마르지 않는(수면으로부터 노출되지 않는) 범위내에서 결정된다.

증발캔(21-2, 22-1, 23-1)에 공급된 원수를 탈기하기 위해 밸브(SV22, SV23, SV24)는 소정시간동안 진공이 수행된 후에 닫혀지고, 동시에 진공펌프(35)는 정지한다. 따라서, 증발 및 담수작동을 위한 준비는 일출전에 완료된다. 진공과 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)에 원수공급 및 원수에 대한 탈기는 동시에 이루어져야 한다. 게다가 예를 들어 진공에서 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)에 원수공급 및 원수에 대한 탈기까지의 연속적인 공정은 각 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)에 대해 독립적으로 수행될 것이다.

밸브(SV21)는 가열 매개물로서의 물이 시스템에서 가열 매개물로서의 물을 증발시키기 위해 태양 에너지를 모으는 태양열 집적기의 열사이폰 시스템에서 밀봉될 때 열 사이폰 시스템을 탈기하고 진공시키는데 사용되는 밸브이고, 수증기를 응축하는 증발캔(21)의 전열관(21-1)의 내부는 배관에 의해서 접속된다. 이 작동은 공기가 열사이폰 시스템으로 누출되지 않고 성능이 저하되지 않는 한 필요하지 않다.

해가 떠오르면 태양열 에너지는 태양열 집적기에 의해 집적되어 열 에너지로 전환된다. 동시에 태양열 집적기에 있는 가열 매개물인 물은 가열되어 수증기가 되고, 이 수증기는 증발캔(21)에서 열원으로서의 역할을 한다. 수증기는 증발캔(21)의 중심에 제공된 증기 흡입구(21-3)를 통해 전열관(21-1)으로 들어가 열원의 역할을 한다. 수증기 자체는 전열관(21-1)에서 응축되어 다시 물이 된다. 물은 양측에 제공된 쳄버(21-4)의 응축물 배출구로부터 흘러나와 버퍼 파이프(25)로 흘러들어 간다.

증발캔(21) 및 버퍼 파이프(25)는 태양열 집적기의 상단에 있는 증기 배출구의 위에 설치되어야 한다. 순환 시스템에서 수면은 증발캔(21)의 전열관면보다 아래이다. 태양열 집적기(10)의 열 집적표면은 항상 수면보다 낮게 설정된다. 순환 시스템의 용적 성능이 충분히 큰 경우, 완충 탱크(cushion tank)인 버퍼 파이프(25)는 필요치 않다.

버퍼 파이프(25)로부터 흘러나오는 응축물은 배관(26)을 통과하고 태양열 집적기(10)의 아래에 제공된 배관(38)을 통해 태양열 집적기(10)로 되돌아온다. 따라서, 폐쇄된 열 사이폰의 순환이 완성된다. 이 실시예에서, 열교환은 도시된 바와 같이 수면에 가까운 원수 탱크(56)에 있는 원수에서 일어난다. 이는 열을 효과적으로 이용하기 위함이다.

한편 증발캔(21)의 캔 본체(21-2, 증기측)에서 증발은 캔 본체(21-2)에 담긴 원수가 가열되어 수증기가 발생되는 것과 동시에 시작된다. 수증기는 배관(27)을 통해 이어지는 증발캔(22)의 전열관(22-1, 가열부분)으로 공급된다. 증발캔(22)에서, 수증기는 중심에 제공된 쳄버(22-3)를 통해 전열관(22-1)으로 들어가 증발캔(21)에서처럼 열원을 형성한다. 수증기 자체는 응축되어 증류수가 되고 전열관(22-1)의 양측에 제공된 쳄버(22-4)의 응축물 배출구로부터 흘러나온다. 그리고, 증류수는 증류수 탱크(31)에 연결된 배관(39)을 통해 흘러내려 증류수 탱크(31)에 집적된다.

증발캔(22)의 증발측에서, 증발은 증발캔(21)의 경우처럼 캔 본체(22-2)에 담긴 원수가 가열되어 수증기가 생성되는 것과 동시에 시작한다. 수증기는 배관(28)을 통해 이어지는 증발캔(23)의 전열관(23-1, 가열부)으로 공급된다. 증발캔(23)에서 수증기는 중심에 제공된 쳄버(23-3)의 수증기 흡입구를 통해 전열관(23-1)으로 들어가고, 증발캔(21)의 경우처럼 열원을 형성한다. 수증기 자체는 응축되어 증류수를 형성하고 전열관(23-1)의 양측에 제공된 쳄버(23-4)의 응축물 배출구로부터 흘러나온다. 그리고, 증류수는 증류수 탱크(32)에 연결된 배관(40)을 통해 흘러나오고 증류수 탱크(32)에 집적된다.

증발캔(23)의 캔 본체(23-2)에서, 증발은 증발캔(22)의 경우처럼 캔 본체(23-2)에 담긴 원수가 가열되어 수증기가 생성되는 것과 동시에 시작된다. 수증기는 배관(29)을 통해 원수탱크(56)의 바닥에 설치된 응축기(30)로 공급된다. 응축기(30)에서, 수증기는 중심에 제공된 쳄버(30-3)의 수증기 흡입구를 통해 전열관(30-1)으로 들어가 원수탱크(56)에 있는 원수용 열원을 형성한다. 수증기 자체는 응축되어 증류수가 되고, 전열관(30-1)의 양측에 제공된 쳄버(30-4)의 응축물 배출구로부터 흘러나온다. 그리고, 증류수는 원수탱크(33)에 연결된 배관(41)을 통해 흘러나오고 증류수 탱크(33)에 집적된다.

상술된 바와 같이, 태양열 복사가 사용가능한 시간동안에 태양 에너지는 태양열 복사량의 변화를 따르면서 태양열 집적기(10)에 효율적이고 확실히 흡수되고, 담수작용은 증발캔(21, 22, 23)에서 계속된다. 게다가 상술된 작동중에도, 태양열 복사량의 변화를 확실히 따르고 담수를 효율적으로 수행하기 위해 다음의 작동 (1)에서(3)까지가 수행된다.

(1)밸브(SV22, SV23, SV24)는 증발과 응축을 방해하는 비응축성 가스가 시스템으로부터 확실하고 효율적으로 배출될 수 있게 개방된다. 그리고 진공펌프(35)는 시스템으로부터 가스를 추출하기 시작한다. 2시간마다 20초동안 가스를 추출함으로써 신뢰할만한 증발 및 담수효과를 얻을 수 있다. 그러나 실제로 추출작업은 거의 필요없음이 밝혀졌고, 가스추출에 있어서 진공펌프(35)의 작동시간을 최소화하는 것이 가능하다. 상술된 작동(1)은 증발캔(22, 23) 및 응축기(30)의 시스템에서 동시에 수행되거나 각 시스템에서 독립적으로 수행될 수 있다. 게다가 이 실시예에 따른 흐름에서 가스추출선이 증류수 탱크(31, 32, 33)의 결합에 제공되는 이유는 시스템에서 비응축성 가스는 증발된 증기와 함께 응축부에 모이고 대부분의 수증기는 응축기에서 응축되어 비응축성 가스를 효율적으로 모으고 추출할수 있기 때문이다.

(2)태양열 복사량이 많고 대량의 증류수를 얻을 수 있을 때, 상한치 레벨은 증류수 탱크(31, 32, 33)에 제공된 액체표면센서로 감지된다. 3방향 밸브(SV1, SV2, SV3)는 각 시스템 내부의 진공을 유지하기 위해 증발캔(22, 23) 및 응축기(30)와 통하는 측면을 닫는다. 추가적으로 3방향 밸브(SV1, SV2, SV3)의 대기측은 증류수 탱크(31, 32, 33)의 내부를 대기쪽으로 개방시키기 위해 증류수 탱크(31, 32, 33)와 통하게 된다. 대기쪽으로 개방시킨 후 밸브(SV1, SV2, SV3)는 증류수 탱크(31, 32, 33)에 있는 증류수가 증류수 집적탱크(34)로 유입되도록 개방된다.

증류수 탱크(31, 32, 33)에 있는 증류수가 배출되고 난후 밸브(SV11, SV12, SV13)는 닫히고, 3방향 밸브(SV1, SV2, SV3)는 대기측을 차단한다. 증류수 탱크(31, 32, 33)가 대기로부터 차단된 후, 밸브(SV22, SV23, SV24)는 개방되고 진공펌프(35)는 증류수 탱크(31, 32, 33)의 시스템을 소정의 진공수준으로 진공하기 시작한다. 그후 3방향 밸브(SV1, SV2, SV3)는 한편으로는 증발캔(22, 23)과 응축기(30)와의 통함을 다른 편으로는 증류수 탱크(31, 32, 33)와의 통함을 제공하도록 작동되어 전체시스템을 증발 및 담수를 수행하기 위한 정상작동상태로 되돌린다. 이 작동들은 각 시스템에 대해 독립적으로 수행될 수 있다.

(3) 태양열 복사 량이 많고 대량의 증류수를 얻을 수 있을 때, 증발캔(21, 22, 23)에 있는 원수는 응축되어 담긴 원수의 양은 줄어든다. 결과적으로, 하한치 레벨은 증발캔(21, 22, 23)의 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)에 설치된 액체표면 센서로 감지된다. 하한치 레벨이 감지되었을 때, 밸브(SV31, SV32, SV33)는 진공을 이용하여 원수탱크(56)로부터의 소정량의 원수를 증발캔(21, 22, 23)의 각 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)에 공급하기 위해 개방된다. 그후 밸브(SV31, SV32, SV33)는 닫혀진다. 이 작동들은 필요하다면 각 시스템마다 독립적으로 수행될 수 있다.

게다가, 대류흐름은 상술된 바와 같이 열교환이 수면 근처에서 발생하는 열사이폰으로부터의 열 및 원수탱크(56)의 바닥에 설치된 응축기로부터 공급되고 표면층에 있는 물의 온도상승을 일으키는 열에 의해 발생된다. 결과적으로 원수탱크(56)에 있는 수면으로부터의 증발은 촉진된다. 따라서, 수증기는 외부공기와의 통함을 차단하고 동시에 대기로 열을 복사하는 부분의 역할을 하는 공기막이(커버, 42)로 덮여진 담수장치(8)에 있는 공기부(증기부)로 공급된다. 게다가, 대류적인 열전달은 담수장치(8)의 공기부(증기부)에서 일어난다.

동시에 공기부(증기부)에 있는 수분은 대기로 열을 복사함으로써 복사부 역할을 하는 공기막이(커버)(42)의 내부표면에서 응축된다. 이런 식으로 형성된 응축물은 공기막이(커버)(42)의 내부벽으로 흘러내리고, 배관(43)을 통해 증류수 집적탱크(34)에 집적되고 증류수로서 회수된다. 따라서 냉각원으로 역할을 하는 원수탱크(56)에 있는 원수의 온도상승은 증발작용에 의해 가능한 많이 억제되고, 낮에도 원수탱크에 있는 원수로부터 증류수를 회수하는 것이 가능해졌다. 그러나 이 작동에서 열복사량은 공기와 수증기간 대류적인 열전달이 우세하기 때문에 충분치 않고, 회수된 증류수의 양은 증발캔(21, 22, 23)에서 보다 적다.

해가 지면 태양열 복사는 멈춘다. 동시에 공기온도는 급격히 떨어진다. 따라서, 하늘복사에 의한 냉각은 증가된다. 결과적으로, 담수장치(8)의 복사부 역할도하는 공기막이(커버)(42)로부터의 복사된 열량도 또한 급속히 증가한다. 태양빛에 의해 가열된 담수장치(8)에 있는 원수는 증발캔에 의해 잠재열을 발산하여 냉각된다. 동시에 수증기는 상기의 경우에서처럼 증류수로서 회수된다.

특히 낮에 가열되고 증발캔에 의해 충분히 열을 복사하지 않은 원수탱크(56)에 있는 원수는 원수탱크(56)에 담긴 원수의 양도 또한 많기 때문에 잠재열을 많이 갖고 있다. 따라서 대량의 증류수가 증발과 밤동안의 열에 의해 회수될 수 있다. 게다가 원수는 충분히 냉각되기 때문에 원수는 다음날에 응축기(30)용 냉각원으로 효율적으로 이용될 수 있다.

밤에 냉각이 완료되어 증류수 회수가 완료되었을 때 증발캔(21, 22, 23)의 내부는 대기로 개방되고, 증류수 탱크(31, 32, 33)에 있는 증류수는 회수된다. 추가적으로 증발캔(21, 22, 23)에 있는 응축된 원수는 시스템으로부터 배출된다.

더 명확히 3방향 밸브(SV1, SV2, SV3)는 증류수 탱크(21, 32, 33)가 대기와 통하도록 스위치되어 각각 대기로 개방되고, 이로 인해 증류수 탱크(31, 32, 33)의 내부는 대기로 개방된다. 대기로 개방되고 난후 밸브(SV11, SV12, SV13)는 증류수 탱크(31, 32, 33)에 있는 증류수가 증류수 집적탱크(34)로 흘러 들어가도록 개방된다.

밸브(SV31, SV32, SV33)를 작동시킬 필요는 없다. 그러나 배관에서 응축된 원수를 배출하기 위해서는 캔 본체(21-2, 22-2, 23-2)에 담긴 응축된 원수가 시스템으로부터 배출된 후 이 밸브를 개방하는 것이 바람직하다. 그래서, 담수장치의 일일 작동은 완료되고, 공정은 처음 작동으로 돌아간다. 3방향 밸브(SV1, SV2, SV3)는 당연히 2방향 밸브를 한 세트로 이용함으로써 각각 구조될 수 있다.

추가적으로 밸브(SV51)는 필요할 경우 원수탱크(56)로부터 응축된 원수를 배출하기 위한 밸브이다. 정상적으로 밸브(SV51)용 바이패스 밸브(V-1)는 항상 조금씩 개방되어 응축된 원수를 배출하고 교체를 위해 소량의 원수를 공급한다. 따라서, 원수탱크(56)에 있는 원수의 양이 많기 때문에 원수가 바이패스 밸브(V-1)를 통해 지속적으로 배출이 되지 않는 경우가 발생할 수도 있다. 이 실시예에서, 오일-밀폐 회전 진공펌프가 진공펌프(35)로서 사용된다. 따라서, 오일 분리기(44)가 오일 악화를 방지하기 위해 제공된다. 밸브(SV52)는 오일 분리기(44)에 의해 분리되는 배수 배출용 밸브이다.

진공발생원으로서의 진공펌프(35), 조절밸브 및 조절기등을 포함하여 담수장치를 작동시키기 위해 요구되는 모든 전력은 전지를 갖는 태양열 발전 시스템으로부터 공급된다. 제 15도의 예에서, 발전조절패널(18) 및 시스템 조절패널(19)이 담수장치에 합체되어 전체 플랜트는 크기면에서 컴팩트하다. 진공펌프(35)의 작동시간 및 각 밸브에 필요한 전력을 최소화함으로써 태양전지(17) 및 전지(18)의 용량은 최소화된다. 비록 여기에서는 설명이 되어있지 않지만 담수장치에 자동작동 밸브가 제공될 수도 있다.

본 발명에 따른 담수장치는 열원으로서 화석연료를 사용하지 않고 태양 에너지를 사용한다. 따라서, 담수장치는 경제적이고 환경오염을 일으키지 않는다. 본 발명은 가열 매개물을 사용하여 원수성분이 태양열 집적기에 달라붙을 가능성이 없다. 따라서 본 발명의 수명은 길다. 본 발명에 있어서, 증발캔 및 응축기는 다중효과 구조에서 감압되고 배치되어 열원으로서 태양 에너지를 사용하여 대량의 증류수가 얻어질 수 있다. 담수장치를 작동시키는데 요구되는 전력은 태양전지로부터 공급된다. 따라서 담수장치는 사막, 무인도등과 같은 곳에 설치되어 작동될 수 있다.

Claims (20)

1. 태양에너지를 이용하는 담수장치에 있어서,

   태양 에너지로 가열 매개물을 가열하는 태양열 집적기,

   상기 가열 매개물과 증발캔에 있는 원수가 열교환하여 증발캔에서 수증기를 발생시키도록 증발캔과 상호작동하는 열교환기,

   증발캔로부터의 수증기를 받아들이고 수증기와 원수탱크에 있는 원수를 열교환시킴으로써 수증기를 냉각하여 증류수를 얻도록 원수탱크와 상호작동하는 응축기,

   증류수를 저장하는 증류수 탱크,

   증발캔에서 수증기 발생을 촉진하도록 증발캔을 진공시키고 증발캔의 내부를 감압하는 진공수단, 및

   증발캔에 원수를 공급하는 원수공급수단을 구비한 것을 특징으로 하는 담수장치.
2. 제 1항에 있어서,

   다수의 증발캔이 제공되고, 상기 열교환기는 제 1증발캔과 상호작동하도록 배치되고, 상기 원수탱크와 상호작동하는 응축기는 최종 증발캔로부터 수증기를 받아들이도록 배치되고, 응축기는 상류측 증발캔으로부터 수증기를 받아들이고 수증기를 하류측 증발캔에 있는 원수로 냉각하여 증류수를 형성하며, 또한 하류측 증발캔에 있는 원수를 가열하여 수증기를 발생시키도록 증발캔과 상호작동하게 배치되는 것을 특징으로 하는 담수장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 가열 매개물은 상기 가열 매개물이 태양열 집적기에서 가열되어 수증기를 형성하고, 이 수증기는 냉각되어 증발캔에서 액체가 되는 열 사이폰의 작용에 의해 순환되는 것을 특징으로 하는 담수장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 발열매개물은 물인 것을 특징으로 하는 담수장치.
5. 제 1항에 있어서,

   원수탱크를 덮는 공기막이를 더 구비하여, 그 내부표면은 증기를 냉각하여 증류수를 형성하고 집적하며 그 외부표면은 복사부로 적용되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 담수장치.
6. 제 5항에 있어서,

   태양열 집적기의 에너지 집적부는 태양빛이 닿는 공기막이의 바깥 상부표면의 일부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 담수장치.
7. 제 5항에 있어서,

   1개 이상의 증발캔의 가열부가 공기막이에 위치하는 것을 특징으로 하는 담수장치.
8. 제 1항에 있어서,

   태양열 집적기는 담수장치의 다른 부분으로 향하는 태양빛을 차단하기 위해 전체 담수장치의 상부를 덮도록 위치하는 것을 특징으로 하는 담수장치.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 열교환기는 증발캔에서 거의 수평적으로 연장하는 전열관을 갖고, 가열 매개물은 전열관을 통과하고, 원수용 가열부 및 증발부가 증발캔의 내부표면과 전열관의 외부표면 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 담수장치.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 열교환기에 있는 상기 전열관은 수평방향에 대해 약간 기울어져 증기 흡입구측이 증기 배출구측보다 높은 것을 특징으로 하는 담수장치.
11. 제 2항에 있어서,

    증발캔과 상호작동하는 상기 응축기는 증발캔에서 거의 수평적으로 연장하는 전열관을 갖고, 수증기는 전열관을 통과하며, 원수용 가열부 및 증발부는 증발캔의 내부표면과 전열관의 외부표면 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 담수장치.
12. 제 11항에 있어서,

    증발캔과 상호작동하는 상기 응축기의 상기 전열관은 수평방향에 대해 약간 기울어져 증기 흡입구측이 증기 배출구측보다 높은 것을 특징으로 하는 담수장치.
13. 제 1항에 있어서,

    상기 원수탱크와 상호 작동하는 상기 응축기는 상기 원수탱크의 바닥표면에 거의 평행하고 인접하게 연장하는 전열관을 갖는 것을 특징으로 하는 담수장치.
14. 제 1항에 있어서,

    상기 원수탱크는 열적성층이 형성되는 깊이까지 원수를 담을 수 있는 것을 특징으로 하는 담수장치.
15. 제 1항에 있어서,

    상기 원수탱크는 공기기포를 원수에 공급하는 공기분산관을 갖는 것을 특징으로 하는 담수장치.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 공기분산관은 원수표면 근처의 원수에 공기기포를 공급하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 담수장치.
17. 제 1항에 있어서,

    태양열 발전장비를 더 구비하여, 담수장치는 태양열 발전장비로부터 공급된 전력에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 담수장치.
18. 태양에너지로 가열 매개물을 가열시키는 태양열 집적기, 다수의 증발캔, 증류수 탱크, 원수탱크, 증발캔을 진공시키고 증발캔의 내부를 감압하는 진공수단 및 증발캔에 원수를 공급하는 원수공급수단을 갖는 담수장치를 작동시키는 방법에 있어서,

    원수공급수단을 작동시킴으로써 소정량의 원수를 증발캔에 공급하는 단계;

    진공수단을 작동시킴으로써 증발캔에 소정 수준의 진공을 만들기 위해 증발캔을 진공시키는 단계;

    제 1증발캔에 있는 원수를 증발시키기 위해서 전열관을 통해 태양열 집적기로부터 제 1증발캔에 있는 원수에 태양 에너지를 전달하는 단계;

    상류측 증발캔에서 발생한 수증기를 하류측 증발캔에 있는 원수로 냉각하여 수증기를 증류수로 응축하고, 증류수 탱크에 증류수를 모으며, 하류측 증발캔에서 수증기를 더 발생시키는 연속적인 단계;

    최종 증발캔에서 발생한 수증기를 원수탱크에 있는 원수로 냉각하여 수증기를 증류수로 응축하고 , 이 증류수를 증류수 탱크에 모으는 단계 ;

    증류수 탱크에 모인 증류수를 빼내는 단계; 및

    증발캔으로부터 응축된 원수를 배출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 담수장치.
19. 제 18항에 있어서,

    상기 증발캔에 소정량의 원수를 공급하는 단계 및 증발캔에 소정 수준의 진공을 만들기 위해 증발캔을 진공시키는 단계는 동시에 시작되는 것을 특징으로 하는 담수장치.
20. 제 18항에 있어서,

    상기 증류수 탱크에 모인 증류수를 빼내는 단계, 상기 증발캔으로부터 응축된 원수를 배출하는 단계, 상기 원수공급수단을 작동시킴으로써 증발캔에 소정량의 원수를 공급하는 단계 및 증발캔에 소정 수준의 진공을 만들기 위해 진공수단을 작동시킴으로써 증발캔을 진공시키는 단계는 일출전 시간대에 수행되고 완료되는 것을 특징으로 하는 담수장치.