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문제 정의
- 따라서 가열탱크 내부의 열매체 유동에 따른 다수 히터봉 표면온도 편차를 완화하고, 히터봉으로부터 열전달을 촉진시키기 위해 히터봉과 접촉된 열매체 유속을 증진시켜 효율을 높일 필요가 있다. 이에 히터봉 표면온도 완화 및 열전달 촉진을 위해 기존 전기보일러와 달리 가열탱크 내부의 좌우에 히터봉과 히터봉 사이에 스크류 회전장치를 구비한 전기보일러를 제안하였다. 본 연구는 제안된 전기보일러의 기초 특성을 파악하고자 가열 탱크내부 열매체 유동에 따른 좌우 히터봉 표면온도 변화 및 편차, 설정온도 도달시간, 열효율을 비교 분석하였다[1,2].
가설 설정
- 표면온도 100℃를 기준으로 한 전체면적(시간 × 100℃)으로부터 적분된 면적을 차감하여 남은 면적을 히터봉으로부터 뺏어오는 열량의 비율로 가정하였다.
제안 방법
- 이에 히터봉 표면온도 완화 및 열전달 촉진을 위해 기존 전기보일러와 달리 가열탱크 내부의 좌우에 히터봉과 히터봉 사이에 스크류 회전장치를 구비한 전기보일러를 제안하였다. 본 연구는 제안된 전기보일러의 기초 특성을 파악하고자 가열 탱크내부 열매체 유동에 따른 좌우 히터봉 표면온도 변화 및 편차, 설정온도 도달시간, 열효율을 비교 분석하였다[1,2].
- 2는 실험장치 구성의 개략도와 전경이고, Table 1에 실험 장치에 사용된 바닥 난방배관, 전기 히터봉 용량, 가열탱크 규격, 스크류 규격, 측정 장비 등을 나타내었다. 히터봉 및 스크류 모터에서 사용되는 전력과 장비 전체에서 사용되는 전력측정을 위해 2대의 전력량계를 사용하였고, AVR을 사용하여 공급되는 전압을 일정하게 유지하였다. 데이터 측정용 센서 위치와 개수는 Table 2에 나타내었다.
- 2). 좌우 히터봉 중심에 설치된 스크류는 가열 탱크 상부에 설치된 모터에 의해 가열탱크 내부에서 회전을 하고, 회전속도는 슬라이덕스와 타코메타를 이용하여 조절 및 확인하였다.
- 실험은 가열탱크 내부에 부착된 스크류가 회전하지 않는 경우(rpm “0”)와 비교 대상으로 회전수 “100”, “200”, “300”으로 구분하여 동일한 유량조건에서 각 회전수별로 3회씩 180분 동안 실험을 진행하였다.
- 5℃)를 유지하였다. 데이터로 그를 통해 장치 내 시수 온도를 확인 후 순환펌프를 10분 이상 가동하여 장치 및 배관 내 공기를 제거하고, 유량계를 통해 순환 유량을 확인 후 실험을 시작하였다(Fig. 3). 열성능 측정을 위해서 보일러 환수측에 설치된 유량계로부터 유량과 환수 및 출수구에서 온도를 측정하여, 보일러 출력값(Q) 산출에 사용하였다.
- 3). 열성능 측정을 위해서 보일러 환수측에 설치된 유량계로부터 유량과 환수 및 출수구에서 온도를 측정하여, 보일러 출력값(Q) 산출에 사용하였다. 보일러 출력 및 열효율(η)의 기본식은 아래와 같다.
- 1)를 기준으로 설정온도 60℃에 도달하는 시점(보일러 가동 후 설정온도에 도달 한 후 on-off를 반복할 때 1차 off가 일어나는 시점)과 이때까지 전력량계에 의해 측정된 전체 소비전력량을 조건별로 정리한 것이다. 출수온도 상승률은 보일러 가동 시가열탱크에서 난방 배관쪽으로 나가는 초기 출수온도(supply)를 기준으로 설정온도와 온도차를 설정온도 도달 시간으로 나누어 구하였다. 설정온도 도달 시간은 가열탱크 내부에 있는 스크류가 좌우에 설치된 히터봉 중심에서 회전수가 증가할수록 짧아지는 경향을 나타내었고, 출수온도 상승률은 회전수가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다.
- 열효율은 보일러가 운전을 시작하고 설정온도에 도달 한 후 on/off를 반복하는 시점을 대상으로 하였고, 120분 경과 후 60분을 기준으로 하였다. 소비전력은 히터, 펌프, 모터를 대상으로 전력량계로부터 10초 간격으로 측정된 소비전력을 적산하여 산출하였고, 보일러 출력은 식 (2)를 사용하여 산출한 후 적산하였다.
- 열효율은 보일러가 운전을 시작하고 설정온도에 도달 한 후 on/off를 반복하는 시점을 대상으로 하였고, 120분 경과 후 60분을 기준으로 하였다. 소비전력은 히터, 펌프, 모터를 대상으로 전력량계로부터 10초 간격으로 측정된 소비전력을 적산하여 산출하였고, 보일러 출력은 식 (2)를 사용하여 산출한 후 적산하였다. Fig.
대상 데이터
- 실험에 사용된 스크류의 규격은 길이 150 mm, 축을 중심으로 좌우에 하나씩 부착된 윙의 크기는 25 mm × 30 mm이다 (Fig. 2).
- 이에 KEAA 단체표준[3]과 KS 규격[4,5]을 참조하여 실험장치를 구성하였다. 실험 대상은 순환펌프로부터 가열탱크 하부에서 환수되는 난방수가 가열되어 상부 출수구로 빠져 나가는 일반적인 유로 구조의 가열탱크를 가진 전기보일러이다. Fig.
이론/모형
- 현재 발열체가 공기를 직접 가열하지 않는 방식의 전기온풍기 및 전기보일러의 경우 산업통상자원부 고시(제2015-28호)에 따르면 효율관리 기자재 대상에서 제외되어 평가기준이 없는 실정이다. 이에 KEAA 단체표준[3]과 KS 규격[4,5]을 참조하여 실험장치를 구성하였다. 실험 대상은 순환펌프로부터 가열탱크 하부에서 환수되는 난방수가 가열되어 상부 출수구로 빠져 나가는 일반적인 유로 구조의 가열탱크를 가진 전기보일러이다.
성능/효과
- 실험진행 순서는 실내온도가 유지됨을 확인한 후 바닥배관과 가열탱크 내부 입출구를 지하 저수조로부터 공급 되는 시수에 연결하여 30분 이상 순환시켜 동일한 온도(22 ± 0.5℃)를 유지하였다.
- 즉 스크류 회전 속도 증가에 따라 도달시간이 짧아지고, 상대적으로 운전시간도 감소하여 소비전력량은 회전수 “0”의 조건에 비해 적게 나타났다.
- 출수온도 상승률은 보일러 가동 시가열탱크에서 난방 배관쪽으로 나가는 초기 출수온도(supply)를 기준으로 설정온도와 온도차를 설정온도 도달 시간으로 나누어 구하였다. 설정온도 도달 시간은 가열탱크 내부에 있는 스크류가 좌우에 설치된 히터봉 중심에서 회전수가 증가할수록 짧아지는 경향을 나타내었고, 출수온도 상승률은 회전수가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 즉 스크류 회전 속도 증가에 따라 도달시간이 짧아지고, 상대적으로 운전시간도 감소하여 소비전력량은 회전수 “0”의 조건에 비해 적게 나타났다.
- 즉 스크류 회전 속도 증가에 따라 도달시간이 짧아지고, 상대적으로 운전시간도 감소하여 소비전력량은 회전수 “0”의 조건에 비해 적게 나타났다. 따라서 도달시간과 온도상승률을 고려할 때 본 연구에서 제안한 탱크 내 히터봉 사이에서 스크류 회전은 히터봉 발열표면과 접촉하고 있는 열매체측으로 열전달을 촉진시키는 역할을 하는 것으로 판단된다.
- 회전수 “0”인 우측 히터 산출값을 기준(0%)으로 할 때 회전수“300”쪽이 “0”보다 좌측에서는 차이가 작지만, 우측의 경우 상하 평균 약 11%의 차이가 나타났고, 회전수가 증가함에 따라 비율값이 증가하였다.
- 이는 가열탱크로 내부로 들어오는 환수에 의해 직접적으로 영향을 받아 온도가 낮고, 반대로 우측에 있는 히터봉 표면온도는 환수의 영향이 적고, 하부쪽에서 환수와 상부에서 출수 구조를 가진 가열탱크 내부 구조상 열매체가 정체되므로 표면온도가 상대적으로 높게 나타냈다. 그러나 가열탱크 내부 히터봉 사이의 중심에 설치된 스크류의 회전수가 증가함에 따라 탱크내부에서 열매체가 상대적으로 정체되어 있던 우측에서 유속이 증가함에 따라 히터봉 표면에서 열전달이 촉진되어 히터봉 표면온도의 좌우 편차가 줄어드는 경향을 나타냈다. 반면에 환수 온도의 영향을 크게 받는 좌측에 있는 히터봉의 경우에는 스크류 회전에 의한 영향이 우측에 비해 적게 나타났다.
- 따라서 추가로 회전수 “250”에 대하여 실험을 진행한 결과 “250” 이상에서는 효율이 증가하는 경향을 나타내었다.
- (3) 본 연구에서 제안한 가열탱크 좌우 양측에 히터봉을 구비하고 히터봉 중심에 스크류가 부착된 구조는 최소 회전수가 “250” 이상인 경우 열효율 측면에서 효과가 있는 것으로 나타났고, 회전수 “0”과 비교할 때 약 3.8%의 차이를 나타냈다.
- (2) 회전수 “300”의 경우 회전수 “0”에 비해 좌우 히터봉 표면온도 편차는 평균 19.7℃에서 9.7℃로 49% 감소하였다.
- 따라서 본 연구에서 제안한 양단에 히터봉을 구비한 일반적인 사각 형태의 가열탱크 구조에서는 최소 회전수가 “250”이상이 되어야 열효율 측면에서 효과가 있는 것으로 나타났고, 회전수 “0”과 비교할 때 약 3.8%의 차이를 나타냈다.
- 본 연구에서 제안한 가열탱크 구조에서 나타난 이러한 경향은 보일러 가열탱크 구조상 환수와 출수 사이의 열매체 흐름이 기본적으로 펌프에 의해 구동됨으로 인하여, 회전수 “0”의 경우에는 환수구로부터 토출되는 유체 속도에 의해 열전달이 촉진되지만, 스크류가 회전하는 경우 회전수 “200”까지는 회전에 의한 열전달 촉진보다는 환수 및 출수구 위치에 따른 열매체 흐름 자체에 의한 효과가 더 크고, 반면에 회전수가 “250” 이상이 되면 환수와 출수에 의한 열전달 효과보다 회전에 의한 열전달 효과가 증가하기 때문에 열효율이 증가하는 것으로 판단된다.
- 5℃정도로 나타냈다. 따라서 좌우 히터봉 사이에서 회전하는 스크류는 열매체 정체로 인해 표면온도가 높은 히터봉 표면으로부터 열전달을 촉진시켜 좌우 히터봉 표면온도 편차를 평균 19.7℃에서 9.7℃로 감소시켜 주는 것으로 나타났다.
- (1) 설정온도 도달시간은 스크류 회전수가 증가할수록 짧아지는 경향을 나타내었다.
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