[논문]PTC태양열 집열기를 이용한 슬러지 열탈수 연구

이정언

doi:10.7836/kses.2014.34.3.049

PTC태양열 집열기를 이용한 슬러지 열탈수 연구
Study on Thermal Dewatering of Sludge Using the Parabolic Through Collector(PTC) Solar Collector 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.34 no.3, 2014년, pp.49 - 56

Abstract ▼ AI-Helper

A fiat-plate or vacuum tube solar collector have been mainly used for hot water supply of house because of some being difficult to get uniform energy density, so little applied into industrial field. This study is to apply the PTC(parabolic trough collector) solar collector into industrial field such as sludge dewatering system for energy reduction. The real scale system which composed of PTC Solar Collector and Thermal Dewatering (TDW) is established. PTC solar collector is designed to produce a hot water with $80^{\circ}C$ of temperature. And size of TDW is $630{\times}630mm$. Hot water produced from PTC solar collector is supplied into heating plate of TDW, and sludge like waterworks or wastewater is dewatered. PTC solar collector with $10m^2$ of area produce energy of average 5,618 kcal. As according to results from real scale performance, solar collector takes charge 94 % of the amount that TDW consume energy which is so large part if compare with boiler. It means that PTC solar collector is useful to apply industrial field under the condition of sufficient solar radiation. And it is analyzed that TDW by PTC solar collector has an economical validity.

주제어

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문제 정의

6,7) 하지만 본 연구에서는 태양열 집열기를 슬러지 탈수장치에 적용하여 저함수 탈수 케이크를 생산하는데 적용하고자 한다.
PTC 태양열 집열기를 열탈수장치에 장착하여 집열기로부터 확보한 에너지를 열탈수 운전에 사용함으로써, 기존의 전기보일러 사용에 따른 에너지를 절감할 수 있는 방안을 강구하고자 하였으며, 실증장치의 성능평가를 통해 경제적 유효성을 확보하였다.
본 연구는 집광형인 PTC(parabolictrough collector)형 태양열 집열기로부터 열원을 확보하여 슬러지 탈수장치에 적용함으로서, 에너지를 절감하고자 하는 연구이다. 하수 또는 폐수 처리장으로부터 발생되는 오폐수로부터 발생되는 슬러지의 함수율을 줄여야 경제적인 처리가 가능하다.
열수는 열판을 가열한 후 다시 열수탱크로 return되어 재차 열을 공급받아 열판으로 공급되면서 순환한다. 본 연구에서 핵심은 태양열 집열기로부터 온도 80 ℃의 열수를 생산하여 공급하는 것이다.이를 통해, 보일러 대체 에너지 절감율 평가함으로서, PTC 태양열 시스템 적용 여부를 평가하고자 하는 것이다.
열탈수장치에서 사용하는 열수는 보일러와 태양열 집열기에서 열원을 공급 받도록 구성되어 있는데, 낮에는 태양열 집열기로부터 열원을 확보하고 밤이나 흐린 날은 보일러로부터 열원을 확보할 수 있도록 설계하였다. 본 연구의 시스템 설계에서 주안점을 둔 것은 열탈수장치 운영시 태양열 집열기에 의한 에너지 절감 효과를 확보하고자 하는 것이다.열 탈수장치에서 필요한 열수의 온도는 약 80 ℃ 정도이다.
이를 해결하기 위해서는 소요 에너지 비용을 최소화하는 방법이 고려되어야 한다. 이를 위해 PTC 태양열 집열기로부터 열원을 확보하여 열 탈수기(ThermalDewatering)에 적용하는 방법을 구축하고자 하는 것이다.
그래서 실증장치를 구축하여 태양열 집열기로부터 열원을 확보를 통한 운전시 경제성을 평가하였다. 이를 통해 태양열 집열기의 산업 분야 현장적용 가능성을 평가하였다. Fig.
본 연구에서 핵심은 태양열 집열기로부터 온도 80 ℃의 열수를 생산하여 공급하는 것이다.이를 통해, 보일러 대체 에너지 절감율 평가함으로서, PTC 태양열 시스템 적용 여부를 평가하고자 하는 것이다.

제안 방법

(1)태양열 집열기(PTCSolarcollector)와 열탈수장치(ThermalDewatering;TDW)로 구성된 크기 630×630mm의 실증장치를 구축하였으며, PTC태양열 집열기로부터 약 온도 80℃정도 열수를 생산하여 열탈수장치에 공급함으로서 탈수 공정을 수행하였다.
2는 열탈수장치에서 필요한 열수를 생산하기 위한 태양열 집열기의 구조 및 사진을 나타낸 것이다. PTC 집열기는 반사판과 흡수기로 구성되어 있으며 면적은 10m²이고 집광 비율은 반사판의 굴곡각도, 재질, 표면 정밀도 등을 고려하여 50 SUN이 되도록 설계하였다. 설계에 의한 최대 초점 온도는 300 ℃이며, 최대 운전 온도는 약 250 ℃이다.
일사량은 하루 중 시간대 별로 차이가 있다. 그래서 시간대 별로 구분하여 집열기로부터 열을 확보 및 열탈수 실험을 수행하였다. 집열기로부터 확보한 열이 부족할 경우에는 보일러로부터 열을 보충하였다.
하지만 태양열 집열기로부터 열을 확보하여 공급함에 따라 이와 같은 문제를 해결할 수 있다. 그래서 실증장치를 구축하여 태양열 집열기로부터 열원을 확보를 통한 운전시 경제성을 평가하였다. 이를 통해 태양열 집열기의 산업 분야 현장적용 가능성을 평가하였다.
그리고 하루 동안 열탈수장치를 5회 운전하면서 태양열 집열기로부터의 열량 확보를 측정하였으며 보조 보일러와의 에너지 담당 정도를 조사하였다. 그리고 마지막으로 5회 운전 자료를 기반으로 태양열 집열기의 운전에 따른 열탈수장치의 에너지 절감 효과를 분석하였다.
우선 태양열 집열기를 통해 시스템의 열수 탱크에 열원을 확보하는 정도를 평가하였다. 그리고 하루 동안 열탈수장치를 5회 운전하면서 태양열 집열기로부터의 열량 확보를 측정하였으며 보조 보일러와의 에너지 담당 정도를 조사하였다. 그리고 마지막으로 5회 운전 자료를 기반으로 태양열 집열기의 운전에 따른 열탈수장치의 에너지 절감 효과를 분석하였다.
태양열 집열기로부터 열수를 생산하여 열탈수장치로 공급한다. 열탈수장치에서 사용하는 열수는 보일러와 태양열 집열기에서 열원을 공급 받도록 구성되어 있는데, 낮에는 태양열 집열기로부터 열원을 확보하고 밤이나 흐린 날은 보일러로부터 열원을 확보할 수 있도록 설계하였다. 본 연구의 시스템 설계에서 주안점을 둔 것은 열탈수장치 운영시 태양열 집열기에 의한 에너지 절감 효과를 확보하고자 하는 것이다.
실증 실험은 3가지로 진행되었다. 우선 태양열 집열기를 통해 시스템의 열수 탱크에 열원을 확보하는 정도를 평가하였다. 그리고 하루 동안 열탈수장치를 5회 운전하면서 태양열 집열기로부터의 열량 확보를 측정하였으며 보조 보일러와의 에너지 담당 정도를 조사하였다.
이상인 1일 중 시간대 별로 5회 운전하였다. 이를 통해 태양열 집열기로 열원 확보 특성을 파악하였다. 일사량은 하루 중 시간대 별로 차이가 있다.
전자의 경우는 흐린 날 또는 밤에 탈수기에 열원을 공급하기 위한 것이고, 후자는 일사량 600 w/m2이상에서 지열기로부터 열수를 생산하여 공급하기 위한 것으로 설계 제작하였다.
^6,7) 하지만 본 연구에서는 태양열 집열기를 슬러지 탈수장치에 적용하여 저함수 탈수 케이크를 생산하는데 적용하고자 한다. 태양열 집열기를 통한 열원을 확보하여 열 탈수시스템을 운영하였을 경우와 기존 보일러에 의한 열 확보를 통한 열탈수 운영시의 에너지 절감 효과를 분석하였다.
본 실험장치를 통해 일사량이 500w/m²이상인 날에 현장 실증 실험을 수행하였다. 하루 중 보일러를 사용한 시간과 집열기를 사용한 시간을 도출함으로서 태양열 집열기의 유효성을 확보하였다.

대상 데이터

PTC 태양열 집열기가 장착된 열탈수 시스템을 부산 소재 D상수처리장에 설치하여 일사량이 500w/m²이상인 1일 중 시간대 별로 5회 운전하였다. 이를 통해 태양열 집열기로 열원 확보 특성을 파악하였다.
이때 집열기에서 발생되는 최대온 도는 약 300 ℃이며, 열교환기를 통해 탈수기에서 필요로 하는 80 ℃의 열수를 생산한다. 열탈 수장치의 크기는 보통 열판으로 크기와 필터 챔버의 두께에 의해 결정되는데, 본 장치의 열판 크기는 630mm x630mm로 하였고 필터 챔버의 두께는 26mm로 하였다. 그리고 열에너지 사용에 대한 비교 실험을 위한 보일러는 시간당 50 kg의 스팀을 생산규모로 설치하였다.
전 절에서 설명한 바와 같이 본 실험장치는 태양열 집열기(PTCSolarcollector)와 열탈수장치 (ThermalDewatering;TDW)로 구성되어 있는 실증장치이다. 즉 Fig.
Table1은 본 시스템의 운전 및 설계 조건을 나타낸 것이다.태양열 집열기의 집열 면적은 10m²이며 집광비율은 50 SUN으로 설계하였다. 이때 집열기에서 발생되는 최대온 도는 약 300 ℃이며, 열교환기를 통해 탈수기에서 필요로 하는 80 ℃의 열수를 생산한다.

성능/효과

(2)면적 10m²의 PTC태양열 집열기에 대한 1일 성능평가를 수행한 결과,평균 일사량은 12.328kcal(51,777kw)이고 태양열 집열기로부터 생산한 평균 열량은 5,618kca로 조사되었으며 평균 집열효율은 46%로 분석되었다.
(3)열탈수 실증장치를 운전하는데 필요한 1일 총 에너지량은 26,593kcal이며, 이중 태양열 집열기가 담당한 열량은 24,968kcal로 약 94%를 담당(보일러 6% 담당)하였다. 오전 9시 일사량이 부족할 때만 보일러를 사용하였을 뿐 다른 시간대에는 PTC태 양열 집열기만으로 열탈수장치를 운전하였다.
4와 Table 1은 하루 4회에 걸쳐 면적 10m²의 PTC태양열 집열기를 운전하여, 열탈 수장치에 공급할 열원 확보 현상을 파악한 실험 결과를 나타낸 것이다. 1회 운전시 일사량은 13,068kcal(54,885kw)이고, 이때 열수 탱크에서 회수한 열량은 5,483kcal로 측정되어 집열회수 효율이 42%로 분석되었다. 오후 5시까지 4회 측정한 결과 1일 평균 일사량은 12.
8wt%로 파악되었다.기존의 탈수장치에서 생산한 탈수케이크의 함수율이 70wt%이상인 점을 고려하면 탈 수효율이 매우 우수한 것으로 평가된다. 즉 태양열 집열기 장착한 실증 열탈수장치에 대한 실험을 수행한 결과 태양열 집열기가 담당한 에너지 부하는 약 94%이며, 태양열로부터 확보된 에너지의 분포도 균일한 것으로 평가되어 경제적 유효성이 있는 것으로 판단된다.
본 열탈수장치가 1 cycle 운전하면서 소비하는 열량은 약 5,500kcal정도 이므로, 10m ²의 PTC 태양열 집열기로 열 탈수 공급 열량 확보가 가능할 것으로 분석되었다. 실제 열탈수는 보일러로 스팀을 생산하여 사용하는데, 이를 경우 에너지 비용이 높아 경제성이 떨어진다.
1회 운전시 일사량은 13,068kcal(54,885kw)이고, 이때 열수 탱크에서 회수한 열량은 5,483kcal로 측정되어 집열회수 효율이 42%로 분석되었다. 오후 5시까지 4회 측정한 결과 1일 평균 일사량은 12.328kcal(51,777kw) 이고,태양열 집열기로부터 생산한 평균 열량은 5,618kcal로 조사되었으며 평균 집열효율은 46%로 분석되었다.
기존의 탈수장치에서 생산한 탈수케이크의 함수율이 70wt%이상인 점을 고려하면 탈 수효율이 매우 우수한 것으로 평가된다. 즉 태양열 집열기 장착한 실증 열탈수장치에 대한 실험을 수행한 결과 태양열 집열기가 담당한 에너지 부하는 약 94%이며, 태양열로부터 확보된 에너지의 분포도 균일한 것으로 평가되어 경제적 유효성이 있는 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	슬러지의 함수율을 줄이기 위해서 사용하는 방법은 무엇이 있는가?	하수 또는 폐수 처리장으로부터 발생되는 오폐수로부터 발생되는 슬러지의 함수율을 줄여야 경제적인 처리가 가능하다. 슬러지의 함수율을 줄이기 위해, 진 공압, 압착력, 원심력 등의 다양한 방법들이 적용되고 있지만 최근들어 열압착력에의 탈수 방법이 개발되어 오고 있다. 1,2)하지만 열압착력에 의한 탈수 방법인 열탈수는 에너지소모량이 큰 단점이 있어 범용적으로 확대되는데 어려움이 있다.
	국내에서 사용 중인 태양열 집열기의 종류는?	국내에서는 평판형, 진공관형, 집광형등 다양한 종류의 태양열 집열기를 설치 운용되고 있다. 이들 집열기는 생산되는 열원의 온도 분포에 따라 다양하게 사용되고 있다.
	가정에서 사용하는 태양열 집열기 주로 어떤 형태의 집열기를 사용하는가?	이들 집열기는 생산되는 열원의 온도 분포에 따라 다양하게 사용되고 있다. 평판형과 진공관형 집열기 주로 온도가 80℃이하의 저온의 열원 생산에 많이 사용되고 있는데, 주로 가정용 온수급탕용의 열원으로 활용되고 있다. 반면에 집광형 태양열 집열기는 80℃이상의 고온의 열원을 생산이 가능하다.

참고문헌 (8)

Lee, J. E., Thermal Dewatering (TDW) to Reduce the Water Content of Sludge, Drying Technology, 2006, Vol.24, No.10, pp.225-232.

상세보기
Lee, J. E., Kim, D. S., A study for Heating Filter Press Dewatering Technology, J. of Korean Inst. of Resources Recycling, Vol.15, No.3, pp.38-45, 2006
Kim, I. H., Hur, N. S., Kim, M. S., Lee, J. E., The Comparative Study on Performance of PTC and Flat-plate Solar Collector PTC, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol.30, No.6, pp.28-33, 2010.
Kang, M. C., Kang, Y. H., Yoon, H. K., Yoo, S. Y. A Characteristic Analysis on the Thermal Performance of the Dish Type Solar Concentrating System, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol.26, No.1, pp.7-12, 2006.
Choi, E. Y, Kim, Y., Seo, T. B., Effects of Absorber Tube Shape and Operating Conditions on Thermal Performance of All-Glass Evacuated Tube Solar Collectors, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol.25, No.1, pp.19-25, 2005.
Han, Y., Park, Y. C., Performance Prediction of a Hot Water Supply and Panel Heating System with Solar Energy, Journalof the Korean Solar Energy Society, Vol.32, No.5, pp.11-17, 2012.

원문보기 상세보기
Lee, K. D., Performance Evaluation of Selective Coatings for Solar Thermal Collectors, Journal of the Korean Solar Energy Society, Vol.32, No.4, pp.43-50, 2012.

원문보기 상세보기
Duffie, J. A., Beckman W. A., Solar Engineering of Thermal Processes, Jhon Wiley & Sons Inc., New York, 1991.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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