KR102760449B1 - 인공 비구름을 만들기 위한 해수 기화장치 및 이를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템 - Google Patents

Abstract

인공강우를 만들기 위한 해수 기화장치 및 이를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템에 대한 발명이 개시된다.
개시된 인공강우를 만들기 위한 해수 기화장치 및 이를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템은, 공해상에 해양 플랫폼 형태로 설치되는 파력, 풍력 및 태양광 발전으로부터 얻은 전기를 이용하여 그린수소를 생산하고, 또한 이 수소로 수소터빈 및 발전기를 가동하여 얻는 전기는 해양 플랫폼에 같이 설치되는 해수기화장치를 가동하여 대량의 해수를 미스트화(atomizaiton )하여 공기중으로 가속하여 분사시키어 공기중의 미세먼지 및 방사능 낙진등을 응결되게 하는 비구름띠를 형성후, 공해상으로 인공우로 내리게 함으로써, 육지에서는 미세먼지와 낙진으로부터 피해를 입는 일이 없도록 하고, 또한 그린 에너지 사용에 의한 온실가스의 주 요인이되는 탄소 배출량을 없게 한 것이다.

Description

인공 비구름을 만들기 위한 해수 기화장치 및 이를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템{Seawater Vaporizer For Making Artificial Rain Clouds And System For Treating Harmful Fine Dust And Fallout In The Air Using The same}

본 발명은 편서풍 등의 바람을 타고 한반도 영공으로 유입되는 미세먼지 및 낙진을 해수(海水)에 의해 만들어지는 인공우(人工雨)를 이용하여 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진을 바다(海洋)에 안전하게 처리 할 수 있게 하는 인공우를 만들기 위한 해수 기화장치 및 이를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템 에 관한 것이다.

특히 해수를 미세한 액적(液滴)상태로 분사하는 인젝터와 미세하게 미스트(Mist)화하여 방출하는 로켓원리의 노즐부로 구성한 해수기화장치를 이용하여 공기중으로 대량의 해수를 순간적으로 기화시키어 공기중의 미세먼지 및 낙진을 응결시키는 비구름을 형성하게 하여, 육지에 도달하기전 공해상으로 떨어지게 하는 인공우를 만들기 위한 해수 기화장치 및 이를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템에 관한 것이다.

최근 10년간 우리나라는 국외유입 미세먼지로 많은 고통을 받았으며 이에 더하여 주변국에서 원자력발전소를 150개 이상 건설을 계획함으로써 원전 사고에 의한 방사능 낙진의 국외유입의 위협에 노출되게 되었으나 이에 대처할 수 있는 방안이 전무한 실정임이 지금의 현실이다.

과거 사례를 살펴보면, 미국에서는 오존층 구멍에 의한 피해를 인공구름을 형성함으로써 막고자 하는 연구를 진행하였고[1], 러시아에서는 체르노빌 원전사고시 인공강우를 실시하여 모스크바를 방사능 낙진으로부터 보호하고자 하였으나, 내륙국가의 특성상 인공강우가 실시되었던 지역인 벨라루스는 이로 인하여 큰 고통을 받아야만 하였다. 현재까지의 인공강우 기술은 이미 존재하는 구름에 요오드화은(Jod化銀)과같은 구름씨앗(cloude seed)를 뿌려 응결핵을 형성함으로써 인위적으로 구름을 떨어뜨리는 방법으로 실시되고 있으므로 구름이 형성되지 않은 장소에서는 실시가 불가하여 원하는 장소에 정확히 비를 내릴 수 없다고 하는 사용상의 한계가 있다.

미세먼지나 방사능 낙진의 경우 흡습성을 가지고 있으므로 응결핵 기능을 할 수 있으며, 따라서 미세먼지와 방사능낙진이 존재하는 하늘에 단시간에 집중적으로 수분을 공급할 수 있다고 하면, 미세먼지 및 방사능 낙진의 응결핵으로 작용하여 비구름을 형성한 후 비가되어 떨어지게 하는 것을 기대할 수 있는데, 이러한 조치를 우리나라에 이르기 전 공해상에서 실시한다고 하면 대한민국 영토를 미세먼지 및 방사능낙진으로부터 보다 적극적으로 보호할 수 있을 것으로 예상된다.

그러나 공해상에서 바닷물을 이용하여 단시간에 공기중으로 막대한 양의 수증기를 공급하기 위해서는 큰 에너지가 필요하다. 그러나 먼 바다라는 특성상 육지에서 전력을 끌어오는 일은 불가능 할 것인바, 이에 전세계적인 탄소감축 시나리오에 따라 그 잠재력을 주목받고 있는 해상풍력 및 바다에서의 파력발전 그리고 태양광을 에너지원으로 이용하는 것을 생각할 수 있다.

특히 파력발전의 경우 효과적인 전기생산을 위하여 먼바다의 높은파도가 필요하지만 먼 바다로부터 육상까지 전기를 송전할 케이블 가격이 천문학적이라 이용할 수 없지만 공해상에서 생산하여 그대로 소비한다고 하면, 매우 효과적인 동력원이 될 수 있을 것이다.

해상풍력의 경우에는 대부분 육상에서 가까운 곳에 설치하여 케이블로 육상송전을 실시하고 있지만, 공해상에서 해상풍력으로 발전을 하고 이 전기를 그대로 이용한다고 하면 이 역시 가성비가 높은 동력원이 될 수 있을 것이다.

이를 위해 현존하는 해양플랜트의 LNG-FPSO 기술을 응용하여 해상풍력, 태양광, 및 파력발전을 활용하여 그린수소 생산기지를 만들고 이런 그린수소 생산플랫폼에 바닷물을 이용한 기화장치를 만든다고 하면, 평소에는 그린수소를 생산하여 선박으로 육상으로 공급하는 수소플랜트로, 비상시에는 해수(海水)를 대량으로 기화시키는 장치로 활용할 수 있는 하이브리드 기능을 하게하면 경제성도 확보할 수 있을 것으로 예상된다.

특히 그린수소 생산을 위해서는 수소플랜트내에 각종 압축기, 펌프 및 터빈을 설치하고, 항상 연속운전 혹은 핫 스탠바이(hot standby)를 유지해야하기 때문에 이 설비들을 그대로 해수 기화장치에 적용할 수 있고, 필요시 즉각 가동이 가능할 것이다.

1.Marine cloud brightening , Latham et al, Philosophical transactions of the royal society, 2012

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 보완하고, 다양한 추가 장점들을 제공하기 위해 예의(銳意)연구결과 개발된 것으로, 대량의 해수를 미스트화하여 순간적으로 공기중으로 증발되게 분사하여 공기중의 미세먼지 및 낙진을 응결시키는 인공 비구름을 만들기 위한 해수 기화장치를 제공하는 데 목적이 있다.

또 다른 목적은 공해상에 플랫폼 형태로 설치되는 파력, 풍력 및 태양광 발전에서 얻은 전기를 이용하여 그린수소를 생산하고, 또한 이 수소로 수소터빈을 가동하여 얻는 전기는 해양 플랫폼에 같이 설치되는 해수기화장치를 가동하는데 활용하여, 대량의 바닷물을 미스트화 시키면서 공기중으로 초고속으로 분사시키어 공기중의 미세먼지 혹은 방사능 낙진등과 응결되는 비구름띠를 형성하여 당해 국가의 육지 도달전에 공해상에서 인공우로 되어 떨어지게 함으로써, 유해 미세먼지와 낙진으로부터 오염이나 피해를 입는 일이 없도록 한 기화장치를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 인공강우를 만들기 위한 해수 기화장치 및 이를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템에 의해 달성된다.

본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 인공강우를 만들기 위한 해수 기화장치 는, 내외부로 구획 형성된 내측의 토출로를 통해서는 소정 압력을 갖는 공기가 외측 토출로를 통해서는 소정 압력을 갖는 액체가 토출구를 향하여 동일 혹은 상이한 방향으로 회전하며 분사되게 할시 상기 토출구를 통한 해수 분사시 발생되는 액막(Film)을 같이 분사되는 토출 공기압이 비스듬하게 접선방향으로 때리는 상태를 이루게 하여 액막을 미세한 미스트형태로 쪼게(atomization)진 상태로 토출하는 스월(Swirl)인젝터; 및 상기 토출구측에 결합되어 상기 토출구를 통해 미세하게 쪼개진 미스트 상태로 토출되는 해수에 대하여 공기압을 분사하여 액막 형성이 억제되는 미스트화된 상태를 이루게 하면서, 실내와 외부 대기압과의 차압 유지에 의한 가속화로 미스트화된 해수를 노즐목을 통해 대기중으로 대량으로 방출하여 미세먼지 및 낙진을 응결하는 비구름이 생성될수 있는 수분으로 작용하게 하는 드 라발(De Laval)노즐 ;을 포함하고, 상기 드 라발(De Laval)노즐은, 상기 스월 인젝터의 직경에 상응하는 지름의 해수 기화실을 형성하며 상기 스월 인젝터의 토출구 측과 직접적으로 결합되는 동체부(胴體部,chamber)와 이 동체부의 주벽면을 따라 형성되어 상기 기화실에 공급되는 미스트화된 해수의 동체부의 내주벽면을 따라 흐르면서 액막을 형성하지 못하게 상기 기화실내로 소정압력의 공기를 분사할 수 있게 하는 공기 분사공과 상기 동체부의 선단부를 향하여 갈수록 좁아지게 형성되어 상기 동체부에서 미스트화된 해수의 방출을 음속으로 가속하기 위한 노즐목부와 상기 노즐목부로부터 외부로 개방하게 형성하되 상기 노즐목의 직경보다는 넓고 상기 동체부의 직경보다는 좁게 형성되어 미스트화된 해수의 방출을 대기중으로 가속 상태로 방출하는 방출구로 구성되고, 상기 스월(Swirl)인젝터와 드 라발(De Laval)노즐에 의하여 공기중에서 생성되는 비구름은 공기중의 미세먼지 및 낙진을 공해상으로 떨어지게 응결시키는 응결핵으로 작용되게 하는 것이다.

상기 스월 인젝터는, 압축공기 입구와 압축공기 토출구를 제공하고, 상기 압축공기 입구와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축공기공급노즐 들이 설치된 환형상 주입로가 형성된 압축공기 토출로; 및 상기 압축공기 토출로의 외측에서 상기 압축공기 토출로를 내측에 위치하게 포위하는 상태로 형성되어 상기 압축공기 입구와는 별개의 압축해수 입구와 상기 압축공기 토출로와 동일 방향으로 개방된 압축해수 토출구를 갖으며 상기 압축해수 입구와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축해수공급노즐이 다수개 설치된 환형상 주입로가 형성된 압축해수 토출로;를 포함하고, 상기 압축공기공급노즐과 상기 압축해수공급노즐로부터의 각 공기와 해수공급은 각 토출로의 접선방향으로 공급되게 하여 압축공기와 압축해수는 상기 토출로를 따라 동일 또는 다른 방향으로 회전되면서 토출되게 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 따라 제공되는 인공강우를 만들기 위한 해수 기화장치 를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템은, 스월(Swirl)인젝터와, 이 스월 인젝터의 직경에 상응하는 지름의 해수 기화실을 형성하며 상기 스월 인젝터의 토출구 측과 직접적으로 결합되는 동체부(胴體部,chamber)와 이 동체부의 주벽면을 따라 형성되어 상기 기화실에 공급되는 미스트화된 해수의 동체부의 내주벽면을 따라 흐르면서 액막을 형성하지 못하게 상기 기화실내로 소정압력의 공기를 분사할 수 있게 하는 공기 분사공과 상기 동체부의 선단부를 향하여 갈수록 좁아지게 형성되어 상기 동체부에서 미스트화된 해수를 음속 상태로 가속하기 위한 노즐목부와 상기 노즐목부로부터 외부로 개방하게 형성하되 상기 노즐목부의 직경보다는 넓고 상기 동체부의 직경보다는 좁게 형성되어 미스트화된 해수의 방출을 대기중으로 가속 상태로 방출하는 방출구로 구성된 드라발노즐을 포함하는 해수 기화장치; 태양광, 풍력, 및 파력 발전으로부터 얻은 전기를 이용하여 만든 수소가스를 동력원으로하여 상기 해수기화장치의 가동에 필요한 전기를 생산할 수 있게 하는 수소가스발전부; 상기 수소가스발전부의 전기로 가동되며 상기 해수기화장치 측으로 공급되는 해수(海水)를 미세액적(液滴)상태로 만들기 위해 공급되는 공기를 소정 압력으로 압축하여 공급하는 공기 압축기; 및 상기 수소가스발전부로부터 제공되는 전기로 가동되며 해수를 기화상태로 만든 후 공기중으로 방출하여 비구름 생성을 위한 수분재료로 활용하고자 상기 해수기화장치 측으로 압축공기와 만나도록 하기 위한 해수를 압송하는데 필요한 가압력을 부여 하는 해수 가압펌프;를 포함하고, 상기 해수 기화장치로 하여금 공기 중으로 대량의 해수를 가속하여 순간적으로 기화시키어 방출함에 인공적인 비구름을 형성하게 한 뒤, 이 비구름이 공기중의 미세먼지 및 낙진을 응결시키는 응결핵으로 작용되게 하여 인공강우로 공해상으로 떨어지게하여 육지에서는 미세먼지와 낙진의 위험을 없게 하는 것이다.
상기 스월 인젝터는, 압축공기 입구와 압축공기 토출구를 제공하고, 상기 압축공기 입구와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축공기공급노즐 들이 설치된 환형상 주입로가 형성된 압축공기 토출로; 및 상기 압축공기 토출로의 외측에서 상기 압축공기 토출로를 내측에 위치하게 포위하는 상태로 형성되어 상기 압축공기 입구와는 별개의 압축해수 입구와 상기 압축공기 토출로와 동일 방향으로 개방된 압축해수 토출구를 갖으며 상기 압축해수 입구와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축해수공급노즐이 다수개 설치된 환형상 주입로가 형성된 압축해수 토출로;를 포함하고, 상기 압축공기공급노즐과 상기 압축해수공급노즐로부터의 각 공기와 해수공급은 각 토출로의 접선방향으로 공급되게 하여 압축공기와 압축해수는 상기 토출로를 따라 동일 또는 다른 방향으로 회전되면서 토출되게 한 것을 특징으로 한다.

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상기 시스템은, 공해상에 해양 플랫폼 형태로 설치되고, 해양 플랫폼의 위치와 인공 비구름 생성지점을 파악하기 위한 기상위성통신망을 더 구비하여, 상기 기상위성통신망으로부터 제공되는 정보에 기반하여 해양 플랫폼을 비구름 생성 지점으로 이동시키어 가동할 수 있게 한 것을 특징으로 한다.

상기 시스템은, 태양광, 풍력, 및 파력 발전으로부터 얻은 전기 혹은 수소가스발전부에서 얻게되는 전기를 저장하기 위한 전력저장장치(Ess)를 더 구비함을 특징으로 한다.

본 발명의 하기 실시예에 의하면, 국외로부터 편서풍을 타고 유입되는 미세먼지 및 방사능낙진을 공해상에서 해수 기화장치에 의해 만들어지는 비구름에 응결되어 육지에 도달전 인공우로 만들어져 떨어지게 함으로써 미세먼지 혹은 방사능 낙진으로부터 오염을 최소화 하는 효과를 부여한다.

또한 인공강우에 필요한 모든 동력원은 파력, 풍력 혹은 태양광을 활용하여 얻게 되는 청정 에너지(Green Energy)로 대신함에 의해 석유·석탄 등 화석연료의 각종 공해물질 배출로 인한 온실 가스 배출량을 감축하는 효과도 부여한다.

또 인공 비구름 생성지점을 기상위성망에 의해 상시 파악하여 해양 플랫폼에 구비된 해수 기화설비를 비구름 생성지점으로 신속 이동하여 실시할 수 있게 하는 효과도 부여한다.

도 1은 본 발명에 따른 인공 비구름을 만들기 위한 해수 기화장치에서 이중스월 인젝터만을 개략적으로 표시한 단면도이고,
도 2는 도 1의 작동원리를 개략적으로 표시한 도면이며,
도 3a, 3b는 도 1의 I-I선과 II-II선 방향에 따른 단면도를 각각 표시한 것이고,
도 4는 도 1 표시의 이중스월 인젝터에 드라발(de laval)노즐을 결합하여 기화장치를 구성한 것을 개략적으로 표시한 도면이고,
도 5는 도 4의 일 부분을 확대하여 표시한 도면이며,
도 6은 도 1의 이중스월 인젝터를 통한 물분사 시험을 표시한 도면이고,
도 7은 챔버 벽면에서의 액막이 형성되는 것을 표시한 도면이고,
도 8은 챔버 벽면에 액막이 형성되는 과정을 나타낸 도면이며,
도 9는 본 발명에 따른 인공강우를 만들기 위한 해수 기화장치를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템의 구성을 표시한 블록도이고,
도 10은 도 9의 시스템과 연계된 구름 생성 위치 정보를 알려주는 통신망을 개략적으로 표시한 블록도이며,
도 11은 국외에서 유입되는 미세먼지 및 낙진을 막기 위한 구름대 형성에 필요한 최소면적을 표시한 도면이다.

본 발명의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예이다.

본 발명에서 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 발명의 기술적 사항에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다.

그리고, 하기 실시예에서의 선택적인 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로서, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명에 따른 실시예의 설명에 앞서 우리나라의 지리적 상황을 보면, 우리나라는 북반구 중위도에 위치한 특성상 편서풍 영향을 많이 받으므로 국외로부터 유입되는 미세먼지 및 방사능낙진을 막기 위해서는 서해안쪽에 인공구름 장벽을 세워 인공강우를 실시하는 방법이 가장 효과적이다.

도 11과 같이 폭 100미터, 길이 400킬로미터의 구름장벽을 만들기 위해서는 시간당 10mm의 강한비를 가정할 경우 시간당 최소 40만톤의 물을 기화시켜야 한다. 이러한 천문학적인 양의 물을 열을 이용한 증발이나 전기를 이용하여 기화시키려고 하면 막대한 에너지가 소모될 것이므로 실제 구현하기엔 큰 어려움이 따를 것이다.

그런데 로켓엔진은 러시아의 RD-170 엔진의 경우, 초당 166kg의 연료와 432kg의 산화제를 분사하여 연소시킬 수 있다. 이러한 막대한 양의 연료와 산화제를 지속적으로 연소시키기 위해서 로켓인젝터의 경우 액체연료 및 액체산화제를 매우 큰 반응성을 갖게 하기 위하여 미세한 액적으로 분쇄시키는데 특화되어있다.

이러한 인젝터를 이용하여 바닷물을 미세액적(mist)으로 만든 후 급가속시켜 공기중에 방출한다면 기화열만을 이용하여 다량의 바닷물을 순간 기화시킬 수 있다. 인젝터 하나당 1초에 160kg 가량의 바닷물을 기화시킬 수 있는 RD-170 엔진을 기준으로 하면 약 69,500개의 인젝터를 이용하면 시간당 40만톤의 물을 기화시킬 수 있다. 이는 인젝터 200개로 구성되는 RD-170 엔진 기준으로 엔진 35개를 가동하면 달성할 수 있는 양이다. 따라서 로켓엔진 기술을 활용한다면 경제적인 비용으로 인공강우를 실시하기 위한 구름띠(帶)를 형성 할 수 있을 것이다.

본 발명은 이러한 점에 착안하여 개발한 것으로, 이하 첨부한 도면들을 참조하면서, 본 발명에 따른 해수에 의해 만들어지는 인공 비구름을 만들기 위한 해수 기화장치 및 이를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템의 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 인공 비구름을 만들기 위한 해수 기화장치에서 이중스월 인젝터만을 개략적으로 표시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 작동원리를 개략적으로 표시한 도면이며, 도 3a, 3b는 도 1의 I-I선과 II-II선 방향에 따른 단면도를 각각 표시한 것이다.

도면 표시와 같이, 본 발명에 따른 인공 비구름을 만들기 위한 해수(海水) 기화장치(100)(도 4참조)는 액체-기체 이중 스월(Swirl)인젝터(이하 '스월 인젝터'라 약칭한다)와 드 라발(De Laval)노즐(130)을 포함하여 구성된다. 먼저 스월(Swirl)인젝터(110)에 대하여 설명한다.

해수(海水)를 기화 상태(atomization)로 만들기 위하여 액체-기체 이중 스월 인젝터 즉, 스월 인젝터(110)를 이용할 수 있다. 이 스월 인젝터(110)는, 압축공기 입구(112-1)와 압축공기 토출구(112-2)를 제공하고, 상기 압축공기 입구(112-1)와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축공기공급노즐(112-3)들이 설치된 환형상 압축공기주입로(112-4)가 형성된 압축공기 토출로(112-5), 및 상기 압축공기 토출로(112-5)의 외측에서 상기 압축공기 토출로(112-5)를 내측에 위치하게 포위하는 상태로 형성되어 상기 압축공기 입구(112-1)와는 별개의 압축해수 입구(114-1)와 상기 압축공기 토출로(112-5)와 동일 방향으로 개방된 압축해수 토출구(114-2)를 갖으며, 상기 압축해수 입구(114-1)와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축해수공급노즐(114-3)이 다수개 설치된 환형상 압축해수주입로(114-4)가 형성된 압축해수 토출로(114-5)를 포함한다.

그리고 상기 압축공기공급노즐(112-3)과 상기 압축해수공급노즐(114-3)로부터의 각 공기와 해수공급은 각 토출로(112-5,114-5)의 접선방향으로 비스듬하게 공급되게 하여 압축공기와 압축해수는 상기 토출로들(112-5,114-5)을 따라 동일 또는 다른 방향으로 회전되면서 토출되게 하였다.

이러한 구성을 갖는 상기 스월인젝터(110)는, 도면 표시와 같이 공기(gas)와 해수(liquid)가 후술하는 공기압축기와 펌프에 의하여 압축공기와 가압해수가 각각 인젝터(110)의 측면에 형성된 압축공기 입구(112-1)와 압축해수입구(114-1)를 통하여 각 토출로(112-5,114-5)를 따라서 유동되게 공급된다.

이때 공기와 해수의 압력은 대략 12 barA로 공급되어, 인젝터(110)의 각 토출로(112-5,114-5)의 벽면을 따라 기체는 안쪽을 액체는 바깥쪽을 타고 회전되면서 인젝터(110)의 각 토출구(112-2,114-2)를 향하게 된다. 기체와 액체가 인젝터의 각 토출로(112-5,114-5)의 벽면을 따라 회전하면서 유동하는 것은 상기 압축공기공급노즐(112-3)과 상기 압축해수공급노즐(114-3)이 각 토출로(112-5,114-5)의 접선방향으로 비스듬하게 공급되게 설치되어 있기 때문이다(도 3a,3b참조).

공기와 액체의 회전방향은 상기 압축공기공급노즐(112-3)과 상기 압축해수공급노즐(114-3)의 설치 방향에 따라서 동일 혹은 서로 달리하는 방향으로 회전되게 하면서 각 토출구(112-2,114-2)를 통하여 토출되게 할 수 있다.

상기 인젝터(110)의 각 토출로(112-5,114-5)를 따라 상기 토출구(112-2,114-2)측으로 각 12barA의 압력으로 회전하면서 유동되는 공기와 물은 상기 토출구(112-2,114-2)를 통하여 토출되면서 서로 만나게 되는데, 이때 상기 토출구(112-2)를 통하여 토출되는 가압공기는 대략 7000Hz의 펄스로 토출되는데, 원심력에 의하여 접선방향으로 나가려고 하면서 주위로 분사되는 액막과 만나기 때문에 단면에서 보면 원통형상을 이루며 토출되는 액막(Film)을 비스듬하게 때리는 상태를 이룸에 의해 액막 자체를 미세한 액적 상태로 부수어 주게 된다(도 1 및 도 2참조).

실제 이중 스월 인젝터를 제작하여 위와 같은 과정을 통하면서 실험을 진행한바, 그 결과는 도 6의 표시와 같았다. 도 6으로부터 액막이 미세한 액적의 미스트(mist)상태로 분쇄된 것을 확인할 수 있다.

상기와 같은 이중스월 인젝터(110)를 이용할 때, 로켓엔진의 경우 섭동(攝動)에 의한 연소불안정 문제로 기체와 액체의 회전방향을 일치시켜야 하지만, 본 발명에서는 연소(燃燒)작용이 일어나는 것이 아니기 때문에 연소불안정 등의 우려를 고려할 필요는 없다. 그러므로 기체와 액체의 회전방향을 반대로 하여도 액막을 효율적으로 분쇄할 수 있다.

상기 이중스월 인젝터(110)의 토출구측으로는, 상기 토출구(112-2,114-2)를 통해 미세하게 액적 상태로 쪼개져서 토출되는 해수에 대하여 공기를 가압 분사하여 액막 형성이 억제되는 미스트화된 상태를 이루게 하고, 또한 내부와 외부 대기압과 차이나는 차압 유지에의한 가속화 유지로 미스트화된 해수를 대기중으로 음속으로 대량으로 방출할 수 있게 하여, 미세먼지 및 낙진을 응결하는 비구름이 생성될 수 있는 수분으로 작용하게 하는 상기 드 라발(De Laval)노즐(130)이 결합된다.

이 드 라발(De Laval)노즐(130)에 대해서는 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. 도 4는 도 1 표시의 이중스월 인젝터에 드라발(de laval)노즐을 결합하여 기화장치를 구성하는 것을 개략적으로 표시한 도면으로, 이중스월 인젝터는 토출부 측의 일부분 만을 표시하였다. 도 5는 도 4의 일 부분을 확대하여 표시한 도면이다.

도면 표시와 같이, 드 라발(De Laval)노즐(130)은, 상기 스월 인젝터(110)의 직경에 상응하는 지름의 해수 기화실(131)을 형성하며 상기 스월 인젝터(110)의 토출구 측과 직접적으로 결합할 수 있게 한 동체부(胴體部,chamber)(132)와, 이 동체부(312)의 주벽면을 따라 형성되어 상기 기화실(131)에 공급되는 미스트화된 해수가 동체부(132)의 내주벽면을 따라 흐르면서 액막을 형성하지 못하도록 하고자 상기 기화실(131)내로 소정압력의 공기를 분사할 수 있게 하는 다수개의 공기 분사공(134)과, 상기 동체부(132)의 선단부를 향하여 갈수록 좁아지게 형성되어 상기 동체부(132)에서 미스트화된 해수의 방출을 음속으로 가속하기 위한 노즐목부(135-1)를 형성하는 노즐부(135)와, 상기 노즐목부(135-1)로부터 외부로 개방하게 형성하되 상기 노즐목부(135-1)의 직경보다는 넓고 상기 동체부(132)의 직경보다는 좁게 형성되어 미스트화된 해수의 방출을 대기중으로 신속히 가속하여 방출하는 방출구(136)로 구성된다.

이러한 드라발(de laval) 노즐(130)은 수렴과 발산(convergence and divergence)노즐의 특성을 이용한 것으로, 아음속 영역에서는 노즐목부(135-1)까지 동체부(132)가 좁아질 때 까지 가속이 되어 음속에 이르게 하고(수렴), 뒤이은 동체부(132)의 넓어지게 되는 방출구(136)를 통하여 음속으로 가속되면서 방출되게 하는 것이다(발산).

따라서 상기 스월 인젝터(110)로부터 해수를 12 barA, 공기 또한 12 barA의 압력으로 상기 드라발(de laval) 노즐(130)의 동체부(132)의 기화실(131)내부로 분사되게 하는 경우, 상기 기화실(131)에서 안개와 같은 기화상태(atomization)를 이루게 되면서 압력으로 노즐부(135)를 향하여 유동하게 되는데, 이 때 상기 기화실(131)의 내부로는 상기 동체부(132)의 주벽부를 따라 설치된 공기분사공(134)으로부터는 미도시한 공기분사기로부터 분사되는 12 barA의 압력을 갖는 공기가 주입된다. 기화실(131)내로 12 barA 압력의 공기를 주입하는 이유는 상기 동체부(132)의 내주벽면으로 액막(film)의 형성되는 일이 없게 하면서 상기 동체부(132)의 기화실(131)내부를 외부 대기압 보다는 높은 적어도 9 barA 이상의 압력을 유지하기 위함이다.

상기 기화실(131)과 외부대기압과 차압(9 barA 이상)을 유지하는 이유는 상기 기화실(131)로 분사된 미세액적(mist)들이 동체부(132)의 내부보다 기압이 낮은 대기를 향하여 동체부(132)의 방출구(136)를 향해 노즐목부(135-1)를 통해 음속으로 도달되게 가속한 후 공기중으로 빠른 속도로 방출시키기 위함이다. 상기 노즐(130)로부터 음속으로 가속화되어 방출되는 미스트는 공기와 접촉시 공기중으로 순간 기화되어 대량의 해수를 증발시키는 효과를 내게할 수 있다.

상기 해수 기화장치(100)로 하여금 대량의 해수를 순간적으로 기화시키어 공기중으로 다량으로 방출시키게 되면 이 때의 수분이 비구름을 형성하는 원료로 작용되게 할수 있는데, 이렇게 형성되는 비구름은 공기중의 미세먼지 및 낙진을 응결시키는 응결핵으로 작용하여, 미세먼지 및 낙진을 사전에 공해상으로 떨어지게하는 인공강우 역활을 하게 할수 있어서, 육지에서는 미세먼지와 낙진의 위험으로부터 안전해 질 수 있게된다.

도 7은 드라발 노즐의 동체부(132)의 벽면에서 액막형성의 특성을 살펴보기 위하여 인젝터(110)로부터 해수 분사시 벽면에 형성되는 액막을 촬영한 사진이다.

액적들이 동체부(132)의 내주벽면에 부딪히면 튕겨 나오기보다는 그대로 벽면에 부착되어 액막을 형성하며 챔버벽을 타고 흘러내려가는 것을 확인할 수 있다.

이렇게 액막이 형성되면 효과적으로 해수를 기화시킬 수 없기 때문에 액막형성 방지대책이 필요하다. 따라서 일반적으로 도 8과 같은 구조의 동체부(chamber) 대신에 도 4 및 도 5의 표시와 같이 동체부(132)의 주벽부에 상기 인젝터(110)로부터 압축공기와 동일한 12 barA의 압력을 분사해주어 동체부(132)의 내주벽면을 공기층으로 코팅하여 경계면을 형성하면서 내주벽면에 붙으려는 액적들을 분쇄해 줌으로써, 동체부의 내부에 적어도 9 barA 이상의 압력을 유지하는 미세액적으로 가득차게 만들어서 비구름의 형성에 원료로 되는 유리한 미스트 환경을 조성한다.

도 9는 본 발명에 따른 인공강우를 만들기 위해 해수 기화장치를 이용하여 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템의 구성을 표시한 블록도이다.

도면 표시와 같이, 본 발명에 따른 해수 기화장치를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템(200)은, 공해상에 해양 플랫폼 형태로 설치되는 태양광 발전기(201a), 해상풍력 발전기(201b) 및 파력발전기(201c)를 구비하여, 상기 발전기로부터 얻어지는 신재생에너지의 일부는 상기 발전기들과 각각 연계된 전력저장장치(ESS )(202)에 저장하거나 그린수소생산시설(203)에 제공하여 그린수소를 생산할 수 있게 한다. 평상시에는 그린수소 생산플랜트인 그린수소생산시설(203)에서 생산되는 수소가스로 상기 전력저장장치(ESS )(202)와 그린수소생산시설(203)에 연계되어 해수 기화장치(100)에 압축공기와 압축해수를 각각 공급하는 공기압축기(205)와 해수 가압펌프(206) 및 수소가스발전부(204)의 수소가스압축기(204-1)를 상시 가동하며 수소가스압축기(204-1)와 연계된 마이크로 믹스 연소방식의 수소가스터빈(204-2)을 주동력으로 하여 발전기(204-3)를 가동하여 전기를 생산한다.

즉, 상기 ESS 및 수소터빈으로 부터 얻은 전력으로 가압펌프(206), 공기압축기(205) 및 수소가스압축기(204-1)를 가동하며, 상기 수소가스압축기(204-1)에서 압축된 수소는 이 수소가스압축기(204-1)와 연계된 수소저장설비(207)에 저장하였다가 수소운반선 등을 이용하여 육상으로 보내서 사용하게 할 수 있다.

상기 수소가스압축기(204-1)와 상기 공기압축기(205)는 상기 수소가스발전부(104)의 수소가스터빈(204-2)과의 연계에 의하여, 상기 수소가스압축기(204-1)에서 압축된 수소가스와 상기 공기압축기(205)에서 압축된 압축공기는 함께 수소가스터빈(204-2)의 가동에 사용된다. 이 때 수소가스터빈(204-2)에서 발생하는 배기열은 상기 수소가스터빈(204-2)과 연락되는 폐열회수보일러(WHRU)(210)를 통하여 회수되어 폐열 수요처(211)에 필요한 스팀을 발생시켜서 사용할 수 있게 하고, 폐열 수요처(211)에서 발생되는 수분은 응축기(212)를 통해 응축후 다시 급수펌프(213)를 통해 페열회수보일러(210)에 공급하여 재사용 할 수 있게 하는 사이클을 이루게 하였다.

상기 공기압축기(205)와 해수가압펌프(206)는 해수기화장치(100)와 연계되어 상기 해수기화장치(100)(도 4참조)측으로 인공강우를 만들기 위한 구름대의 형성에 필요한 다량의 수분을 공기중으로 지속적으로 만들어서 증발시키기 위한 가압공기와 해수를 공급한다. 즉, 상기 공기압축기(205)와 해수가압펌프(206)는 공기와 해수를 각각 대략 12barA의 압력으로 상기 해수기화장치(100)의 스월인젝터(110)를 통하여 드라발 노즐(130)의 동체부(chamber)(132)의 기화실(131)로 분사한다.

상기 동체부(chamber)(132)의 기화실(131)내부는 스월인젝터(110)로 분사된 12 barA의 가압해수와 압축공기에 의하여 대략 10 barA의 압력을 유지할 수 있게 하는데, 이때 상기 스월인젝터(110)에서 무화 상태로 분사되는 해수의 미세액적(液滴)이 상기 동체부(132)의 내주벽면에 부딪쳐 액막을 형성하면서 다시 액체 상태로 응축되는 것을 방지하기 위한 목적에서 상기 동체부(132)의 전체 주벽부를 따라 일정 간격을 두고 형성한 공기 분사공(134)(도 4 및 도 5참조)을 통하여 미도시한 통상의 공기 분사기를 이용하여 대략 12 barA의 압축공기를 분사하여 상기 동체부(132)의 내주벽면 측으로 공기에 의한 경계층(코팅층)을 형성함으로써, 동체부(132)의 내주벽면을 따라 액막 형성을 막으면서 상기 동체부(chamber)(132)의 기화실(131)내부를 10 barA의 압력을 유지하는 미세액적들로 하여금 가득찬 가압상태를 이루게 하여, 상기 동체부(132)의 기화실(131)과 외부 대기압은 적어도 9 barA 이상의 차이가 나는 상태를 유지되게 한다.

이상태에서 가압된 미세액적들은 드라발 노즐(130)의 수렴-발산노즐의 특성에 의해 노즐목부(135-1)의 수렴영역을 통하여 몰리면서 적어도 음속이상으로 가속된 상태를 이루면서 방출부(136)를 통해 공기중으로 미세액적을 음속으로 방출되게 한다(도 4참조). 이러한 상태는 해수와 공기를 공급하는 한 계속 실시된다.

음속이상으로 가속된 미세액적은 대기중으로 빠르게 기화되어 공기중으로 퍼지게되면서 비구름의 재료되는 수분을 공급하는데, 공기중으로 퍼지는 과정에서 미세먼지 혹은 낙진층을 만나게 되면 수분이 미세먼지 및 낙진층을 응결시키는 응결핵으로 작용하여 응축되면서 강한 비를 내리게 하는 요인이되는 비구름 띠를 형성할 수 있게 함으로써, 미세먼지 혹은 낙진층이 육지로 도달전에 공해상으로 떨어지게 할수 있어서 미세먼지 혹은 방사능 낙진으로인한 육상의 오염을 최소화 할 수 있다.

도 10은 도 9의 시스템과 연계된 구름 생성 위치 정보를 알려주는 기상위성 통신망을 개략적으로 표시한 블록도이다.

도면 표시와 같이, 해상에 설치되는 해수기화 장치를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템(200)의 해양 플랫폼과 천리안 기상위성(300)과 통신 정보망을 구성할 수 있다. 천리안 기상위성(300)과의 통신 정보망 구축은 상기 시스템(200)에 의해 형성되는 비구름 생성지점(P)을 파악할 수 있다.

상기 천리안 기상위성(300)으로 추적관찰한 비구름 생성지점(P)에 대한 데이터를 기반으로 하여 상기 시스템(200)의 해양 풀랫폼을 해상에서 신속 견인하여 이동시키면서 인공강우를 만들 수 있게 하는 비구름을 생성하는데 좀더 효과적으로 일조하게 할수 있다.

이상에서와 같은 기술적 구성에 의해 본 발명의 기술적 과제가 달성되는 것이며, 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나 여기에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능한 것임은 물론이다.

본 발명에 의하면 해외로부터 유입되는 미세먼지 혹은 낙진 등을 공해상에서의 사전 처리로 육지에서 피해를 없게 하는 이익을 부여한다.

100 : 해수 기화장치
110 : 스월 인젝터
112-1 : 압축공기 입구
112-2 : 압축공기 토출구
112-3 : 압축공기공급노즐
112-4 : 환형상 압축공기주입로
112-5 : 압축공기 토출로
114-1 : 압축해수 입구
114-2 : 압축해수 토출구
114-3 : 압축해수공급노즐
114-4 : 환형상 압축해수주입로
114-5 : 압축해수 토출로
130 : 드 라발(De Laval)노즐
131 : 기화실
132 : 동체부(胴體部,chamber)
134 : 공기 분사공
135: 노즐부
135-1 : 노즐목부
136 : 방출구
200 : 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템
201a: 태양광 발전기
201b : 해상풍력 발전기
201c : 파력발전기
202 : 전력저장장치(ESS)
203 : 그린(Green)수소생산시설
204 : 수소가스 발전부
205 : 공기압축기
206 : 해수 가압펌프

Claims (8)

1. 내외부로 구획 형성된 내측의 토출로를 통해서는 소정 압력을 갖는 공기가 외측 토출로를 통해서는 소정 압력을 갖는 액체가 토출구를 향하여 동일 혹은 상이한 방향으로 회전하며 분사되게 할시 상기 토출구를 통한 해수 분사시 발생되는 액막(Film)을 같이 분사되는 토출 공기압이 비스듬하게 접선방향으로 때리는 상태를 이루게 하여 액막을 미세한 미스트형태로 쪼게(atomization)진 상태로 토출하는 스월(Swirl)인젝터; 및
   상기 토출구측에 결합되어 상기 토출구를 통해 미세하게 쪼개진 미스트 상태로 토출되는 해수에 대하여 공기압을 분사하여 액막 형성이 억제되는 미스트화된 상태를 이루게 하면서, 실내와 외부 대기압과의 차압 유지에 의한 가속화로 미스트화된 해수를 노즐목을 통해 대기중으로 대량으로 방출하여 미세먼지 및 낙진을 응결하는 비구름이 생성될수 있는 수분으로 작용하게 하는 드 라발(De Laval)노즐 ;을 포함하고,
   상기 드 라발(De Laval)노즐은, 상기 스월 인젝터의 직경에 상응하는 지름의 해수 기화실을 형성하며 상기 스월 인젝터의 토출구 측과 직접적으로 결합되는 동체부(胴體部,chamber)와 이 동체부의 주벽면을 따라 형성되어 상기 기화실에 공급되는 미스트화된 해수의 동체부의 내주벽면을 따라 흐르면서 액막을 형성하지 못하게 상기 기화실내로 소정압력의 공기를 분사할 수 있게 하는 공기 분사공과 상기 동체부의 선단부를 향하여 갈수록 좁아지게 형성되어 상기 동체부에서 미스트화된 해수의 방출을 음속으로 가속하기 위한 노즐목부와 상기 노즐목부로부터 외부로 개방하게 형성하되 상기 노즐목의 직경보다는 넓고 상기 동체부의 직경보다는 좁게 형성되어 미스트화된 해수의 방출을 대기중으로 가속 상태로 방출하는 방출구로 구성되고,
   상기 스월(Swirl)인젝터와 드 라발(De Laval)노즐에 의하여 공기중에서 생성되는 비구름은 공기중의 미세먼지 및 낙진을 공해상으로 떨어지게 응결시키는 응결핵으로 작용되게 한 인공강우를 만들기 위한 해수 기화장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 스월 인젝터는, 압축공기 입구와 압축공기 토출구를 제공하고, 상기 압축공기 입구와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축공기공급노즐 들이 설치된 환형상 주입로가 형성된 압축공기 토출로; 및 상기 압축공기 토출로의 외측에서 상기 압축공기 토출로를 내측에 위치하게 포위하는 상태로 형성되어 상기 압축공기 입구와는 별개의 압축해수 입구와 상기 압축공기 토출로와 동일 방향으로 개방된 압축해수 토출구를 갖으며 상기 압축해수 입구와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축해수공급노즐이 다수개 설치된 환형상 주입로가 형성된 압축해수 토출로;를 포함하고, 상기 압축공기공급노즐과 상기 압축해수공급노즐로부터의 각 공기와 해수공급은 각 토출로의 접선방향으로 공급되게 하여 압축공기와 압축해수는 상기 토출로를 따라 동일 또는 다른 방향으로 회전되면서 토출되게 한 것을 특징으로하는 인공강우를 만들기 위한 해수 기화장치.
3. 삭제
4. 스월(Swirl)인젝터와, 이 스월 인젝터의 직경에 상응하는 지름의 해수 기화실을 형성하며 상기 스월 인젝터의 토출구 측과 직접적으로 결합되는 동체부(胴體部,chamber)와 이 동체부의 주벽면을 따라 형성되어 상기 기화실에 공급되는 미스트화된 해수의 동체부의 내주벽면을 따라 흐르면서 액막을 형성하지 못하게 상기 기화실내로 소정압력의 공기를 분사할 수 있게 하는 공기 분사공과 상기 동체부의 선단부를 향하여 갈수록 좁아지게 형성되어 상기 동체부에서 미스트화된 해수를 음속 상태로 가속하기 위한 노즐목부와 상기 노즐목부로부터 외부로 개방하게 형성하되 상기 노즐목부의 직경보다는 넓고 상기 동체부의 직경보다는 좁게 형성되어 미스트화된 해수의 방출을 대기중으로 가속 상태로 방출하는 방출구로 구성된 드라발노즐을 포함하는 해수 기화장치;
   태양광, 풍력, 및 파력 발전으로부터 얻은 전기를 이용하여 만든 수소가스를 동력원으로하여 상기 해수기화장치의 가동에 필요한 전기를 생산할 수 있게 하는 수소가스발전부;
   상기 수소가스발전부의 전기로 가동되며 상기 해수기화장치 측으로 공급되는 해수(海水)를 미세액적(液滴)상태로 만들기 위해 공급되는 공기를 소정 압력으로 압축하여 공급하는 공기 압축기; 및
   상기 수소가스발전부로부터 제공되는 전기로 가동되며 해수를 기화상태로 만든후 공기중으로 방출하여 비구름 생성을 위한 수분재료로 활용하고자 상기 해수기화장치 측으로 압축공기와 만나도록 하기 위한 해수를 압송하는데 필요한 가압력을 부여 하는 해수 가압펌프;를 포함하고, 상기 해수 기화장치로 하여금 공기중으로 대량의 해수를 가속하여 순간적으로 기화시키어 방출함에 인공적인 비구름을 형성하게 한 뒤, 이 비구름이 공기중의 미세먼지 및 낙진을 응결시키는 응결핵으로 작용되게 하여 인공강우로 공해상으로 떨어지게하여 육지에서는 미세먼지와 낙진의 위험을 없게 하는 해수기화 장치를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 스월 인젝터는, 압축공기 입구와 압축공기 토출구를 제공하고, 상기 압축공기 입구와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축공기공급노즐 들이 설치된 환형상 주입로가 형성된 압축공기 토출로; 및 상기 압축공기 토출로의 외측에서 상기 압축공기 토출로를 내측에 위치하게 포위하는 상태로 형성되어 상기 압축공기 입구와는 별개의 압축해수 입구와 상기 압축공기 토출로와 동일 방향으로 개방된 압축해수 토출구를 갖으며 상기 압축해수 입구와 인접된 위치로는 방사상으로 배열된 압축해수공급노즐이 다수개 설치된 환형상 주입로가 형성된 압축해수 토출로;를 포함하고, 상기 압축공기공급노즐과 상기 압축해수공급노즐로부터의 각 공기와 해수공급은 각 토출로의 접선방향으로 공급되게 하여 압축공기와 압축해수는 상기 토출로를 따라 동일 또는 다른 방향으로 회전되면서 토출되게 한 것을 특징으로 하는 해수기화 장치를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템.
6. 삭제
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 시스템은, 공해상에 해양 플랫폼 형태로 설치되고, 해양 플랫폼의 위치와 인공 비구름 생성지점을 파악하기 위한 기상위성통신망을 더 구비하여, 상기 기상위성통신망으로부터 제공되는 정보에 기반하여 해양 플랫폼을 비구름 생성 지점으로 이동시키어 가동할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 해수기화 장치를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템.
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 시스템은, 태양광, 풍력, 및 파력 발전으로부터 얻은 전기 혹은 수소가스발전부에서 얻게되는 전기를 저장하기 위한 전력저장장치(Ess)를 더 구비함을 특징으로 하는 해수기화 장치를 이용한 공기중의 유해 미세먼지 및 낙진 처리시스템.
   
   

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