[논문]입상 탄소 발열체의 열원을 이용한 온풍기의 적용에 관한 연구

배강열; 이광성; 공태우; 정한식; 정효민; 정희택

문제 정의

본 연구에서는 탄소발열체(carbon heating source)의 인가전류와 시간변화에 따른 온도특성, 저항특성 및 고유저항과 발열량등의 특성을 파악하였다. 또한, 발열체를 온풍기에 적용시켜 기존의 니크롬선 히터 (sheath heater)와 성능을 비교하여 탄소 발열체의 산 업체의 적용에 대한 가능성을 찾고자 한다.
본 연구에서는 탄소 발열체에 대한 기본적인 열방출 특성을 조사하였으며, 기존의 시즈히터와 비교 검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다
본 연구에서는 탄소발열체(carbon heating source)의 인가전류와 시간변화에 따른 온도특성, 저항특성 및 고유저항과 발열량등의 특성을 파악하였다. 또한, 발열체를 온풍기에 적용시켜 기존의 니크롬선 히터 (sheath heater)와 성능을 비교하여 탄소 발열체의 산 업체의 적용에 대한 가능성을 찾고자 한다.
산업용 온풍기의 경우에는 운전을 시작하여 정상상태에 도달한 시점으로부터 1시간 동안의 값들을 측정하여 최종적인 평균값을 이용하여 결과를 내었다. 최종적으로 탄소 발열체와 금속 발열체와의 입력대비 출력의 열효율을 구하는 것에 초점을 맞추었다. 실험에 사용된 입력전기는 탄소 발열체의 경우에는 28.

제안 방법

본 실험에서는 발열체에 일정한 전류를 가하였을 경우에 발열체의 상승온도, 전기적특성, 발생하는 주울열을 알아보기 위한 실험으로서 실험의 변수는 발열체량(300g, 400g, 500g)과 전류(5A, 10A, 15A)의 변화에 중점을 두고 실험을 진행하였다. 각각의 발열체 량과 전류에 대하여 2시간씩 실험을 행하여 그 때의 발열체에 인가되는 전압, 저항과 온도상승의 변화에 대하여 고찰하였다.
입구 및 출구의 온도는 측정점의 값을 평균하여 구하였으며, 공기유량의 측정은 오리피스(orifice)형 유량계를 사용하였으며 최적의 균일한 유동상태로 만들어 주기 위해서 오리피스 전단에 허니컴(honeycomb)을 설치하였고 오리피스 후단은 충분한 길이의 덕트를 유지시켰다. 또한 오리피스 전후단의 차압(presure difference)은 아날로그형 마이크로 마노미터를 통해 측정되었다.
상부의 홉입공기유로는 내경 600mm, 길이 1, 200mm의 원형덕트로 되어있고 하부의 배출공기 유 로는 직경이 각각 300mm인 원형 덕트가 온풍기본 체 좌우에 부착되어 구성된다. 또한, 온풍기의 입구와 출구에는 T-type의 열전대를 설치하여 시간에 대한 연속적인 온도를 측정하였다.
상층용 발열체는 탄화 미립자와 소정의 온도 이상으로 도전화(導電化)하는 무기질 내열재의 혼합물 소성재를 분쇄하여 얻은 분말이고, 하층용 저항 발열 체는 목탄등을 분쇄한 평균 1mm 내지 5mm의 탄소 입상물체로 구성된다. 로체의 내부에 배치한 배전 전극에 전기를 통하고 그 사이에 있는 상층용 저항 발 열체 및 하층용 저항 발열체를 저항 발열시켜 냉각 후 이들 혼합물을 분쇄하여 분말물질을 선별하여 목탄의 전기 저항 발열체를 제조한다.
모든 실험의 데이터의 변수들이 미소하게 변하게 되므로 2초마다 하나의 데이터를 컴퓨터를 이용하여 저장하였다.
발열체에 인가되는 전류를 일정하게 제어하기 위하여 정전류 제어장치를 이용하여 일정한 전류를 인가하였다. 발열체 통전시의 인가전류 및 발열체의 저항변화를 측정하기 위하여 파워메타(Power meter : YOKOGAWA DT200)를 설치하였다.
발열체내부의 온도상승을 조사하기 위하여 B-type의 열전대 2개를 설치하였다. 발열체에 인가되는 전류를 일정하게 제어하기 위하여 정전류 제어장치를 이용하여 일정한 전류를 인가하였다. 발열체 통전시의 인가전류 및 발열체의 저항변화를 측정하기 위하여 파워메타(Power meter : YOKOGAWA DT200)를 설치하였다.
흡입공기의 평균온도는 상부의 흡입공기 유로에서 330mm 떨어진 지점에 5개의 열전대를 설치하였다. 배출공기의 온도측정은 하부의 원형덕트에서 좌우로 약 100mm 떨어진 곳에 면적평균법에 따라 각각 10개의 위치를 선정하여 열전대를 부착하였다7).
본 실험에서는 발열체에 일정한 전류를 가하였을 경우에 발열체의 상승온도, 전기적특성, 발생하는 주울열을 알아보기 위한 실험으로서 실험의 변수는 발열체량(300g, 400g, 500g)과 전류(5A, 10A, 15A)의 변화에 중점을 두고 실험을 진행하였다. 각각의 발열체 량과 전류에 대하여 2시간씩 실험을 행하여 그 때의 발열체에 인가되는 전압, 저항과 온도상승의 변화에 대하여 고찰하였다.
실험은 1시간 이상 가동하여 정상상태가 유지된 것을 확인한 후 진행하였다. 입구 및 출구의 온도는 측정점의 값을 평균하여 구하였으며, 공기유량의 측정은 오리피스(orifice)형 유량계를 사용하였으며 최적의 균일한 유동상태로 만들어 주기 위해서 오리피스 전단에 허니컴(honeycomb)을 설치하였고 오리피스 후단은 충분한 길이의 덕트를 유지시켰다. 또한 오리피스 전후단의 차압(presure difference)은 아날로그형 마이크로 마노미터를 통해 측정되었다.
본 연구에서는 2가지의 경우에 대하여 실험을 진행하였다. 첫 번째로 기본적인 탄소발열체의 전기적, 열적 특성을 파악하였으며, 두 번째로 탄소발열체의 산업용 온풍기에 적용하여 기존의 시즈히터와 성능을 비교하였다.

대상 데이터

발열체로(Furnace)의 재질 은 캐스타블(Castable)을 사용하여 발열체의 상승온도에 대하여 견딜 수 있도록 제작되었다. 발열체내부의 온도상승을 조사하기 위하여 B-type의 열전대 2개를 설치하였다. 발열체에 인가되는 전류를 일정하게 제어하기 위하여 정전류 제어장치를 이용하여 일정한 전류를 인가하였다.
3은 발열체의 성능 평가를 위한 실험장치의 개략도를 나타낸 것이다. 발열체로(Furnace)의 재질 은 캐스타블(Castable)을 사용하여 발열체의 상승온도에 대하여 견딜 수 있도록 제작되었다. 발열체내부의 온도상승을 조사하기 위하여 B-type의 열전대 2개를 설치하였다.
최종적으로 탄소 발열체와 금속 발열체와의 입력대비 출력의 열효율을 구하는 것에 초점을 맞추었다. 실험에 사용된 입력전기는 탄소 발열체의 경우에는 28.88kW이고, 시즈히터의 경우에는 21.59kW의 전기를 입력하였다.
5는 온풍기의 흡입구 및 토출구의 온도 측정점을 나타내고 있다. 흡입공기의 평균온도는 상부의 흡입공기 유로에서 330mm 떨어진 지점에 5개의 열전대를 설치하였다. 배출공기의 온도측정은 하부의 원형덕트에서 좌우로 약 100mm 떨어진 곳에 면적평균법에 따라 각각 10개의 위치를 선정하여 열전대를 부착하였다7).

이론/모형

9는 인가전류가 5A와 15A일 경우의 발열체의 저항특성을 나타낸 그림이다. 저항값은 위의 옴의 법칙을 이용하여 구하였으며, 인가전류가 작을 경우에는 전압과 마찬가지로 저항적인 특성도 상당히 불안정하게 나타나고 있다. 그러나 인가전류가 큰 경우에는 저항의 특성이 매우 안정적으로 나타나고 있는 것을 알 수가 있다.

성능/효과

1. 부성저항의 영향으로 인가전류 및 온도의 사용에 따른 발열체의 저항값은 20~25% 감소하였다.
2. 주울열은 인가전류에 대하여 발열체의 양이 적을수록 커지며, 발열체량이 300g이고 전류가 15A일 때 주울열은 약 4604.6kJ/h으로 나타났다.
3. 탄소발열체의 열효율은 97.7%이고, 시즈히터의 열효율은 87.1%로 나타났다. 따라서, 탄소발열체가 시즈히터에 비하여 10%정도의 높은 효율을 타나내고 있어 탄소발열체 온풍기의 성능이 기존 시즈 히터 발열의 온풍기 성능에 비하여 우수한 것으로 나타났으며, 각종 산업현장에서의 가능성을 확인할 수 있었다.
1%로 나타났다. 따라서, 탄소발열체가 시즈히터에 비하여 10%정도의 높은 효율을 타나내고 있어 탄소발열체 온풍기의 성능이 기존 시즈 히터 발열의 온풍기 성능에 비하여 우수한 것으로 나타났으며, 각종 산업현장에서의 가능성을 확인할 수 있었다.
발열 체량에 따른 평균 주울열의 변화는 발열량이 적을수록 커지는 것을 알 수가 있는데 이것은 이전의 결과에서 나타나듯이 동일한 전류를흘렸을 때 감소되는 저항의 비율이 발열체의 양이 많을수록 크기 때문에 이러한 현상이 나타나는 것이다. 본 탄소 발열체는 저항보다는 전류의 가감으로 고온을 획득할 수 있는 것으로서 적당한 인입전류와 탄소발열체량을 조절함으로서 1000℃이상의 고온을 획득 할 수 있는 것으로 산업용으로의 이용이 대단히 유리하다.
6과 7은 실험장치의 가열부에 설치된 입상의 탄소 발열체로와 비교실험을 위한 전기히터(sheath heater)를 타나낸 그림이다. 실험은 1시간 이상 가동하여 정상상태가 유지된 것을 확인한 후 진행하였다. 입구 및 출구의 온도는 측정점의 값을 평균하여 구하였으며, 공기유량의 측정은 오리피스(orifice)형 유량계를 사용하였으며 최적의 균일한 유동상태로 만들어 주기 위해서 오리피스 전단에 허니컴(honeycomb)을 설치하였고 오리피스 후단은 충분한 길이의 덕트를 유지시켰다.
탄소발열체의 경우에는 출력 28.23kW, 입력이 28.88kW로서 열효율이 97.7%로 평가되었고, 시즈히터의 경우 출력 18.80kW, 입력 21.59kW로서 열효율은 87.1%로 평가되었다.

후속연구

그러나 위의 식에서 알 수 있듯이 주울열은 전류 의 제곱과 저항에 비례하여 증가하므로 저항보다는 전류에 더욱더 많은 영향을 받고 있음을 알 수가 있다. 또한 인가전류가 일정하다면 저항이 큰 재료를 쓰게되면 많은 주울열을 얻을 수 있을 것이다. 발열 체량에 따른 평균 주울열의 변화는 발열량이 적을수록 커지는 것을 알 수가 있는데 이것은 이전의 결과에서 나타나듯이 동일한 전류를흘렸을 때 감소되는 저항의 비율이 발열체의 양이 많을수록 크기 때문에 이러한 현상이 나타나는 것이다.

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