Introduction

도서 지역 식수 공급을 위한 히트펌프 복합 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 제안된 시스템을 간략하게 설명하면 유입 해수는 히트펌프의 응축기로부터 열을 공급 받아 시스템을 순환하면 가열되게 되고 목표온도에 도달한 해수는 진공 막증류 담수화 시스템으로 유입된다. 목표 온도의 유입수는 모듈의 중공사 막 바깥으로 흐르게 되며 소수성 중공사 막 표면에서 증발하게 되고 소수성 중공사 막 내부와의 수증기 압력차이에 의해서 순수한 수증기만 소수성 중공사 막을 통과하여 중공사 내부로 이동하게 된다.^(2,5-7) 이동된 수증기는 진공탱크 안으로 이동하여 콜드트랩에서 응축되어 순수한 물이 된다. 콜드 트랩의 온도는 히트펌프의 증발기와 열교환하여 유지된다. 제안된 공정은 히트펌프의 온열과 냉열을 동시에 사용하기 때문에 히트펌프의 장점을 잘 살릴 수 있다.

Fig. 1  
Schematic of heat pump hybrid multi vacuum membrane distillation seawater desalination system

제안된 시스템에 사용된 진공 막 증류 모듈 내부에서 일어나는 열 및 물질전달 현상을 개략도를 Fig. 2에 나타내었고 실제 모듈의 그림을 Fig. 3에 나타내었다. 또한 사용된 중공사 막 모듈의 상세 정보를 Table 1에 각각 나타내었다.

Fig. 2  
Schematic of heat and mass trasnfer during vacuum membrane distillation⁽⁶⁾

Fig. 3  
Schematic of hollow fiber membrane for VMD process⁽⁶⁾

제안된 히트펌프 하이브리드 다단 진공 막증류 해수 담수화 시스템은 다단 진공 막증류 해수 담수화 공정과 히트펌프 공정으로 나눌 수 있으며 각 공정에 대한 설명은 다음과 같다. 우선 진공 막 증류 해수 담수화 공정은 막 증류 모듈 내부의 중공사 막 내측과 외측의 수증기압 차이를 구동력으로 하여 막 표면에서 증발된 순수한 수증기만을 투과부(진공부)로 이동시키고 이는 진공 탱크 내 콜드 트랩에서 응축되어 순수한 물을 얻는다.^(2,5-7) 히트펌프 시스템은 막 증류 공정의 수증기압 차이를 높이기 위해 유입해수를 가열하고 콜드 트랩의 냉열을 공급하여 진공도를 유지하고 수증기를 응축시키는 역할을 한다.

막의 젖음 현상을 막고 수증기만을 투과시키기 위해 소수성 막을 사용되었으며 사용된 막의 액체 유입 압력 (Liquid entry pressure)은 140 kPa이었다.

히트펌프를 구동하기 위한 냉매는 R1233zd(E)를 선택하였으며 이는 Low GWP (Global warming potential) 냉매이다. R1233zd(E)의 임계온도는 109.36℃이고 임계압력은 3,635 kPa이다.

본 연구에서는 히트펌프 시스템의 냉열와 온열을 동시에 활용할 수 있는 진공 막 증류공정을 해수 담수화 공정으로 선택하여 “히트펌프 하이브리드 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템”을 설계하고 제안하였으며 유입수 온도 및 유속에 따른 담수생산량을 산출하였으며 열원 공급을 위한 히트펌프 에너지 소비량 및 COP를 분석하였다.

진공 막증류 해수 담수화의 담수 생산량 산출 및 에너지 소비율을 산출하기 위해 이를 위한 지배방정식을 세우고 Fortran 프로그램을 활용하여 Inhouse-code를 작성하였고 계산을 수행하였다.

진공 막증류 해수 담수화 공정의 모듈 유입부로 공급되는 해수는 중공사 막의 외측을 감싸고 모듈 배출구 쪽으로 배출된다. 이 때 중공사 막 내부는 진공으로 유지되며 중공사 막 외측의 온도로 인한 수증기 압과 진공압의 차이로 인해 중공사 막 외측에서 순수한 수증기가 발생하고 이는 압력차이로 인해 중공사 막 내부로 유입되게 된다. 막 내부로 유입된 순수한 수증기는 진공탱크로 유입되어 콜드트랩에서 응축되어 순수한 물(식수)로 사용할 수 있다. 유입된 해수는 중공사 막 표면에서 발생하는 수증기 증발로 인해 열 에너지가 소모되고 소모된 에너지 만큼의 온도가 낮아져서 모듈 배출구 쪽으로 배출된다. 따라서 본 공정을 설계하기 위해서는 열의 이동을 해석할 수 있는 열전달 방정식과 소수성 중공사 막을 통해 이동하는 수증기의 양을 수치적으로 모사할 수 있는 물질전달 방정식의 고려가 요구된다. 진공 막증류 해수 담수화 공정을 설계하기 위해 고려된 지배 방정식은 다음과 같다. Fig. 3에서 나타낸 바와 같이 유입수가 대각선으로 흐르는 경향이 있을 것으로 예상되기 때문에 Grohn 이 제안한 Nusselt number 산출식을 사용하였고 본 연구에서 사용된 모듈의 yaw angle은 87° 이다.

진공 막증류 해수 담수화 시스템에서 소비되는 냉열 및 온열 에너지를 보상하기 위해 해수 담수화에 요구되는 열에너지 소모를 분석하고 이를 보상할 수 있는 히트펌프 시스템을 설계하였다. 히트펌프의 응축기는 농축 배출수와 열 교환 된 유입수의 온도를 유입수 목표온도까지 높이기 위해 히트펌프의 응축기 온도를 65℃로 하였고, 증발기는 진공 탱크 내부의 콜드 트랩의 온도를 유지하는데 사용되기 때문에 진공 탱크 내부의 압력을 약 4kPa로 유지시킬 수 있도록 29.2℃로 하였다. 응축기 설계는 압축기 일 때문에 증발기 보다 높은 열량을 가지게 되는데 본 시스템에서는 에너지 균형이 중요하기 때문에 외부 응축기를 두어 응축기와 증발기의 에너지 균형을 고려하였다.

히트펌프 시스템 설계를 위해 가정한 조건은 다음과 같다. i) 응축기 및 증발기에서의 열은 100% 해수 및 응축수로 공급된다. ii) 보조 열교환기에서 해수와 농축 배출수의 열교환 효율은 100%이다.

R1233zd(E)를 작동유체(냉매)로 하여 사이클 설계를 수행하였으며 아래의 식을 활용하여 압축기 소비 전력 당 담수생산량(η_system)을 산출하였다.

시뮬레이션 연구를 수행하기 위해 실제 실험연구의 결과 데이터와 비교하여 그 적합성을 검증하였다. 실험 데이터는 Mengual et al., 의 데이터를 참고하였다.⁽⁵⁾ Fig. 4는 해석적 방법을 이용한 시뮬레이션으로 얻은 데이터의 적합성을 검증하기 위해 기존 문헌의 동일한 모듈과 동일한 운전조건을 사용하였을 때 얻은 실험 데이터와 비교한 그래피이다. 그래프에서 볼 수 있듯이 시뮬레이션 결과는 유입 유속 및 온도가 각각 1 m/s 그리고 60℃ 일 때, 실험결과와 비교하여 최대 5%의 오차를 보였으며 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 실험 및 시뮬레이션에서 사용된 진공 측 압력은 4 kPa로 동일하다.

Fig. 4  
Model validation between experimental data⁽⁵⁾ and current simulation data

검증된 시뮬레이션 툴을 가지고 유입수 온도 및 유속에 따른 진공 막증류 해수 담수화 공정의 성능평가를 수행하였다.

Fig. 5는 유입수 유속에 따른 담수 생산량을 나타내는 그림이다. 유입수의 온도 및 유속이 증가할수록 생산되는 담수는 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 유입수의 온도가 증가할수록 유입수 측 막 표면에서의 수증기 분압이 증가하기 때문이다. 또한 유속이 증가할수록 담수생산량이 증가하는 것을 알 수 있는데 이는 막 표면에서 온도 구배 (Temperature polarization)현상이 완화되기 때문이다. 하지만 유입수 온도가 낮을 때는 이 현상이 잘 나타나지 않는데 이는 유입수 온도가 낮아서 유입수 측 막 표면에서의 수증기 분압이 낮아 담수생산 구동력이 낮기 때문이다.^(8-11)

Fig. 5  
Influence of the inlet feed velocity on freshwater production

또한 Fig. 6은 중공사 막 모듈의 후단에서 배출되는 유입수 온도를 시뮬레이션을 통해 산출하여 나타낸 그림이다. 유입수의 유속이 증가함에 따라 유입수가 갖는 열량이 많기 때문에 유속이 빠를수록 모듈 후단에서의 유입수 온도가 적게 감소하는 것을 알 수 있다. 하지만 시스템에서 유속이 증가함에 따라 초기 유입수의 목표온도 승온에 요구되는 열량이 높아지기 때문에 유속 대비 담수생산량이나 에너지 소비량을 잘 고려해야한다.

Fig. 6  
Influence of the inlet feed velocity on the outlet temperature of module

Fig. 7에는 담수 생산을 위해 소비되는 열에너지를 나타내었다. 소비 에너지는 최대 15.95 kW로 유입수의 입구 유속이 1 m/s이고 온도가 65 ℃ 일 때 였다. 이는 막 표면에서 일어나는 수증기의 증발에 소모되는 에너지이며 실제로 본 공정에서는 생산된 수증기를 응축 시켜야 하기 때문에 이에 소모되는 에너지를 고려해야한다. 수증기 응축에 요구되는 에너지는 증발 에너지량과 큰 차이를 나타내지 않기 때문에 제안 된 시스템에서의 요구 응축에너지는 15.95kW으로 가정하였다. 이와 같이 진공 막 증류공정은 온열과 냉열을 동시에 요구하는 공정이며 히트펌프는 이러한 요구를 잘 맞출 수 있는 차세대 고효율 에너지기기이다.

Fig. 7  
Energy consumption of vacuum membrane distillation

시뮬레이션 및 실험 연구를 통해 한 개의 모듈에서 유입수의 입구 유속이 1 m/s이고 온도가 65 ℃ 일 때, 시간당 최대 4 kg의 담수를 생산할 수 있음을 알 수 있었다. 본 섹션에서는 열개의 모듈이 사용된다는 가정 하에 히트펌프 설계연구를 수행하였다. Fig. 1에서 볼 수 있드시 열개의 모듈이 병렬형태로 구성된 형태며 한 개의 모듈에서 생산되는 담수생산량 및 에너지 소모가 동일하다고 가정하였다. 따라서 담수생산량은 40 kg/h이고 온열 공급을 위한 에너지 소비는 159.5 kW이다.

히트펌프 설계를 위해 가정한 조건은 다음과 같다. i) 응축기 및 증발기에서의 열은 100% 해수 및 응축수로 공급된다. ii) 보조 열교환기에서 해수와 농축 배출수의 열교환 효율은 100%이다.

히트펌프의 경우, 응축기 설계는 압축기 일 때문에 증발기 보다 높은 열량을 가지게 되는데 본 시스템에서는 에너지 균형이 중요하기 때문에 외부 응축기를 두어 응축기와 증발기의 에너지 균형을 고려하였다.

농축 배출수와 열 교환 된 유입수의 온도를 유입수 목표온도까지 높이기 위해 히트펌프의 응축기 온도를 65℃로 하였고 증발기 온도는 4 kPa의 수증기압을 고려해 29.2℃하여 사이클 시뮬레이션을 수행하였으며 결과는 다음과 같다.

유입수 온도 유지, 수증기 응축을 위한 콜드트랩 온도 유지 그리고 히트펌프 시스템의 에너지 균형을 고려해 응축기와 증발기 용량을 각각 159.5 kW로 설계하였다.

히트펌프 특성상 응축기의 열량이 높게 설계될 수 밖에 없기 때문에 시스템 에너지 균형을 위해 외부 응축기가 추가로 요구되며 응축기와 증발기의 열량 차이인 31.6 kW를 외부 응축기를 통하여 외부로 뺄 수 있도록 하였다. 증발기 온도를 29.2℃로 하기 위한 증발 압력은 150 kPa 이고 응축기 온도를 65℃로 하기 위한 응축 압력은 448 kPa이다. 또한 이 때 압축기 압축비, 압축기 소비동력 그리고 냉매 유량은 각각 2.981, 23.85 kW 그리고 0.965 kg/s 이다. 압축기 효율은 0.85로 계산되었다.

제안 된 히트펌프 사이클 시뮬레이션으로 산출 된 COP_H는 7.686이며 증발 COP_C는 6.686이다. 히트펌프 복합 다단 진공 막 증류 해수 담수화 시스템에서 담수를 생산하는 데 사용된 에너지는 온열 및 냉열 에너지는 각각 159.5 kW이며 외부로 방열된 열 에너지가 23.85 kW이다. 따라서 외부로 방출한 열에너지를 제외하면 제안된 히트펌프 시스템의 COP_H와 COP_C의 합인 COP_Total은 약 13.37으로 산출된다. 또한 시간당 40 kg의 담수를 생산하기 위해 23.85 kW의 전력 에너지가 요구됨을 알 수 있었다. 또한 시간당 담수 생산량 대비 전력 소비량은 1.68kg/kWh였다.