서 론

스팀세탁기, 스팀조리기, 스팀다리미, 스팀청소기에 스팀을 공급하여 스팀을 사용하면 스팀은 잠열을 잃게 되고, 스팀이 잠열을 잃으면 응축수로 변하여 보일러로 회수된다. 이와 같이 응축수를 보일러로 회수함으로써 폐열이 회수되고, 이와 같은 과정으로 열에너지를 절감 할 수 있다. 그런데 이와 같은 응축수는 포화수로서 온도 (0.7 bar일 때 165.97℃)가 높기 때문에 펌프에 과열부하 가 발생하게 된다 (Kurl et al., 1981; Liao et al., 2000). 또한 응축수에 포화증기가 존재하는 경우가 빈번하게 발생한다. 원심펌프의 기술적 특성상 응축수에 수증기 가 존재하게 되면 펌프가 공회전을 하게 되며, 이는 펌프 의 기능 저하를 초래한다. 또한 원심펌프는 회전자가 주로 1,000 rpm 이상의 고속회전을 하므로 많은 회전열 이 발생하게 되며 (Yu et al., 2013), 이 열은 응축수의 증발을 야기시킨다 (Han et al., 2002). 응축수의 증발은 공동현상을 발생시키고, 순간적으로 진공이 형성되어 날개가 파손되는 등 커다란 고장의 원인이 되는 문제가 계속 발생되어 왔다 (Knaani et al., 1994). 이와 같은 문제로 산업현장의 스팀세탁기, 스팀조리기, 스팀다리 미, 스팀청소기를 사용하는 증기보일러는 주로 응축수 를 회수하지 않고 증기를 사용한 후 발생하는 응축수를 버리고 있으며 (Chen et al., 1988), 이에 따라 열에너지 손실이 크게 일어나고 있는 실정이다 (Faghri et al., 1989). 폐열회수 보일러에 관한 연구로서 Hallanger & Ering C. (1980)는 산업용 보일러에서 운전효율 개선을 위한 중요한 요소인 연소장치 및 제어장치의 최적설계 에 대한 연구결과를 발표하였다. 그리고 Annaratone & Donate-loo (1997)와 Changshu-yu & Shen you-ting (1987)은 수관식보일러의 포화증기 압력변화에 대한 폐 열 회수율과 보일러 성능에 대한 연구결과를 발표하였 다. 그리고 Kum (2016)은 응축수 순환에 대한 열효율 분석과 응축수 순환에 관한 수치해석을 하였다. 이와 같은 연구에서 공기예열장치를 추가하고 공급되는 난방 수의 일부를 외부에서 보일러로 들어오는 흡입공기에 공급하여 상대습도를 높이며 예열함으로써 흡입공기의 상대습도 및 온도를 높이는 역할을 하여 동일한 용량의 보일러에 비해 열효율이 12% 증가한 것으로 보고되었 다. 폐열회수 보일러에 관한 연구는 수관보일러와 노통 보일러 등에 대한 연구보고가 되어 있으나 스팀세탁기, 스팀조리기, 스팀다리미, 스팀청소기 등에 활용되는 소 형보일러의 폐열회수 보일러에 대한 연구보고는 미흡한 실정이다.

그러므로 본 연구에서는 스팀세탁기, 스팀조리기, 스 팀다리미, 스팀청소기에서 스팀 사용 후 발생한 응축수 를 응축수 탱크에 저장하고, 응축수 탱크 내에 압축공기 를 공급하고 그 압력에 의해 응축수가 보일러로 회수되 는 응축수 회수 시스템을 구성한 전기동력 증기보일러 를 연구하였다. 응축수 탱크에 압축공기를 공급하여 압 축공기의 압력에 의해 응축수를 보일러로 수송함으로써 펌프로 응축수 수송 시 야기 된 문제점이 해소되고, 응축 수를 보일러로 회수함으로써 열에너지가 절감되는 연구 결과를 도출하였다.

재료 및 방법

Fig. 1은 비금속 면상발열체히터를 나타낸다. Fig. 1에 서 보여주는 바와 같이 히터의 길이는 100 mm, 폭은 16.5 mm, 두께는 4 mm이다. 최대 동력은 1.5 kW이며 재질은 규소이다. 비금속 면상발열체히터는 규소를 주 성분으로 하여 소결되어 있는 판상형의 기판과, 기판 내에 매설되어 있는 저항 발열체와, 기판의 상부에 형성 된 발열체 헤드, 발열체 헤드 측에 설치되어 저항 발열체 에 전기선으로 연결되어 있는 단자로 구성하였다. 그리 고 후렌지금속히터는 직경 100 mm, 길이 600 mm이다.

이와 같은 구조는 기존의 후렌지금속히터보다 전기저 항이 감소하여 열효율이 크게 향상되므로 에너지가 절 약될 수 있다. Fig. 2는 비금속 면상발열체히터 시스템에 의한 증기보일러를 나타낸다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 증기보일러의 용량에 따라 비금속 면상발열체히터 설치 개수를 조절할 수 있도록 구성하였다. 그리고 비금속 면상발열체 지지판에 다수개가 횡렬로 배치되어 스팀탱 크로부터 한번에 교체가 가능하도록 하여 설치와 보수 가 편리하도록 구성하였다. 그리고 비금속 면상발열체 히터 시스템을 가진 증기보일러는 스팀탱크, 스팀탱크 에 설치되는 비금속 면상발열체히터 시스템, 비금속 면 상발열체히터의 교체가 용이한 결속장치, 그리고 결속 장치의 히터 소켓에 결합되어져 있는 비금속 면상발열 체로 구성하였다. 또한 냉수 입구와 연결되어 냉수를 내부에서 순환 가온시켜 배출구로 배출시키는 U자형 통로를 갖는 가온챔버를 구성하여 스팀탱크 내부에는 비금속 면상발열체의 균열방지를 위해 보일러에 유입되 는 냉수는 가온챔버를 순환하면서 가온되어 스팀탱크의 내부로 유입됨으로써 직접적인 냉각 접촉이 없어져 균 열 및 파손을 방지할 수 있도록 구성하였다. Fig. 2에 나타낸 바와 같이 결속장치와 비금속 면상발열체를 이 용하여 스팀세탁기, 스팀조리기, 스팀다리미, 스팀청소 기, 스팀보일러 등 다양한 스팀 발생장치에 유용하게 적용될 수 있도록 연구하였다.

Fig. 3과 Fig. 4는 응축수 폐열회수장치를 갖춘 스팀보 일러를 나타낸다. Fig. 3에 나타낸 바와 같이 스팀세탁 기, 스팀조리기, 스팀다리미, 스팀청소기에서 스팀 사용 후 발생한 응축수를 응축수탱크에 저장하고, 응축수탱 크 내에 공급된 압축공기의 압력에 의해

응축수가 보일러로 회수되는 응축수 회수시스템을 구 성하였다. 이로써 펌프로 응축수 수송 시 야기되는 모든 문제점이 해소되고 열에너지를 절감할 수 있도록 구성 하였다. 그리고 공기압에 의한 응축수 회수장치는 수송 배관, 응축수탱크, 공기압축기, 오버플로우 시 나오는 응축수를 저장하는 오버플로우 탱크, 응축수 회수장치 컨트롤러로 구성하였다. 각각의 기기에서 스팀 사용 후 발생한 응축수는 응축수 수송배관으로 유입되어 응축수 탱크에 저장된다. 탱크에 수송된 응축수는 공기압축기 에 의해 응축수를 보일러로 수송한다. 이와 같은 가동원 리에 의해 응축수가 보일러로 회수되고, 이로 인해 응축 수가 보유하고 있는 열에너지가 회수됨으로써 열에너지 가 절감되도록 구성하였다.

결과 및 고찰

열에너지 평형

Fig. 5는 비금속 면상발열체에서 발생한 열량과 물이 흡수한 열량의 열에너지 평형을 나타낸다. 식 (1)은 비금 속 면상발열체에서 발생한 열량을 나타낸다.

여기서, q_heater는 비금속 면상발열체에서 단위시간 당 발생한 열량 (W)을 나타낸다. 그리고 n은 비금속 면상발열체의 개수이며, I 와 V 는 비금속 면상발열체히 터에 공급한 전류와 전압을 나타낸다. 식 (2)는 보일러 내부에서 물이 흡수한 열량을 나타낸다.

여기서, Q_water는 물이 흡수한 열량 (J)을 나타낸다. 그리고 m_w는 물의 질량 (kg), C_{p, w}는 물의 비열 (J/kg K), T₁은 물의 초기온도 (K), T₂은 물의 최종온도 (K) 를 나타낸다.

식 (3)은 보일러 내부에서 물이 단위시간당 흡수한 열량을 나타낸다.

여기서, q_water는 물이 단위시간당 흡수한 열량 (W)을 나타낸다. 그리고 t는 물을 가열한 시간을 나타낸다.

Fig. 5에서 나타낸 바와 같이 비금속 면상발열체에 공급한 전류는 24.5 A, 25.7 A, 46.7 A의 3가지 조건에서 실험을 수행하였다. 물의 온도는 초기온도 20℃에서 95℃ 범위에서 실험을 수행하였다. 비금속 면상발열체 에서 발생한 열량과 물이 흡수한 열량의 열에너지 평형 은 ±5% 범위에서 잘 일치하였다. 그리고 보일러에 열 에너지 공급원인 전기에너지의 전압과 전류를 일정하게 유지하였으며, 물의 질량이일정한 상태에서 실험이 수 행되었다. 그러므로 이와 같은 실험결과로부터 실험값 의 신뢰성이 검증된 것으로 사료된다.

면상발열체의 열에너지 발생율

Fig. 6은 규소 면상발열체히터 (1.5 kW)와 후렌지금 속히터 (1.5 kW)의 온도 상승율을 나타낸다. 그리고 Fig. 7은 규소면상발열체히터 (1.5 kW)와 후렌지금속히터 (1.5kW)의 열전달율을 나타낸다. 실험결과에서 보는 바 와 같이 규소 면상발열체히터는 보일러 내 5 L의 물이 100℃까지 상승하는데 1,590초가 소요되었으며, 후렌지 금속히터의 경우는 1,991초가 소요되었다. 이와 같은 실 험결과로부터 규소 면상발열체 히터가 기존 후렌지금속 히터보다 소요시간이 20% 정도 적게 소요되는 것을 알 수 있다. 따라서 열효율이 20% 이상 상승되는 것으로 나타났다. 비금속 면상발열체히터는 규소를 주성분으로 하여 소결되어 있는 판상형의 기판과, 기판 내에 매설되 어 있는 저항 발열체와, 기판의 상부에 형성된 발열체 헤드 측에 설치되어, 저항 발열체에 전기선으로 연결되 어 있는 단자로 구성함으로써 기존의 후렌지금속히터보 다 전기저항이 크게 감소되며, 또한 히터 표면온도가 크게 상승함으로써 열효율이 크게 향상된 것으로 사료 된다. Fig. 8은 보일러 내의 물의 온도 상승율을 나타낸 다. 그리고 Fig. 9는 면상발열체히터로부터 발생한 열이 물로 전달된 열전달율을 나타낸다. 면상발열체히터의 전기 동력은 16.3 kW, 17.3 kW, 31.1 kW의 3가지 조건 에서 실험을 수행하였다. Fig. 8에 나타낸 바와 같이 면 상발열체히터의 전기 동력에 비례하여 물의 온도 상승 율이 증가함을 알 수 있다. 그리고 전기동력이 증가함에 따라 온도 상승율이 증가하였다. 그리고 Fig. 9에서 나타 낸 바와 같이 면상발열체히터의 전기 동력에 비례하여 열전달율이 증가함을 알 수 있다. 이와 같은 결과로부터 면상발열체히터는 정상적으로 작동되었으며, 또한 면상 발열체히터에 의하여 물에 열이 공급되는 보일러도 역 시 정상적으로 작동되었다. 그리고 면상발열체히터에 의하여 물에 열이 공급됨으로써 물의 상승온도에 소요 되는 시간이 후렌지금속히터보다 단축되며, 열효율이 20% 상승하는 것으로 사료된다.

스팀보일러의 폐열에너지 회수율

Fig. 10은 폐열에너지 회수율을 나타낸다. 그리고 Fig. 11은 폐열 회수율을 나타낸다. 식 (4)는 단위시간당 폐 열에너지 회수열량 (W)을 나타낸다.

여기서, q_L은 단위시간당 폐열에너지 회수열량 (W) 을 나타낸다. 그리고 m ˙ w 는 응축수 질량 유동율 (kg/s), h_fg는 응축잠열 (J/kg)을 나타낸다. 식 (5)는 폐열회수율 을 나타낸다.

Fig. 10에 나타낸 바와 같이 열유속 증가에 비례하여 단위시간당 폐열에너지 회수열량이 증가하였다. 그리고 단위시간당 폐열에너지 회수열량의 실험값이 선형적으 로 증가하므로 실험이 정상상태에서 수행된 것으로 사 료된다. 또한 고압축 폐열회수장치를 구비한 증기보일 러의 응축수 회수에 의한 폐열에너지가 정상적으로 회 수되는 것이 실험적으로 검증되었다. Fig. 11에 나타낸 바와 같이 폐열회수율은 23%로 나타났다. 본 연구의 고 압축 폐열회수장치를 구비한 증기보일러 연구결과로부 터 폐열회수가 정상적으로 회수됨으로써 열에너지 절감 에 크게 기여한 것으로 사료된다.

결 론

본 연구에서는 스팀세탁기, 스팀조리기, 스팀다리미, 스팀청소기에서 증기 사용 후 발생한 응축수를 응축수 탱크에 저장하고, 응축수 탱크 내에 압축공기를 공급하 여 그 압력에 의해 응축수가 보일러로 회수되는 응축수 회수시스템을 구비한 증기보일러에 대한 연구를 수행한 결과를 요약하면 다음과 같다.

비금속 면상발열체에서 발생한 열량과 물이 흡수한 열량의 열에너지 평형은 ±5% 범위에서 잘 일치하였다. 면상발열체히터에 의하여 물에 열이 공급됨으로써 물의 상승온도에 소요되는 시간이 후렌지금속히터보다도 단 축되며, 열효율이 20% 상승하였다. 고압축 폐열회수장 치를 구비한 증기보일러의 응축수 회수에 의한 폐열에 너지가 정상적으로 회수되었으며, 폐열회수율은 23%로 나타났다.