[논문]세라믹 발열체기반 비저장식 순간 전기 온수기 개발 및 검증

안성수; 김우현

doi:10.5573/ieie.2016.53.11.151

세라믹 발열체기반 비저장식 순간 전기 온수기 개발 및 검증
Design and Verification of Ceramic Heating Element-based Tankless Instant Electric Water Heater 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.11 = no.468, 2016년, pp.151 - 159

안성수 ((재)대구기계부품연구원 기계로봇연구본부) , 김우현 (영남이공대학교 기계계열)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 다량의 온수가 필요하지 않는 세면을 목적으로 개발된 세라믹 발열체 기반 비저장식 순간 전기온수기를 제안한다. 입력되는 물을 가열하여 온수로 출수시키는 히팅모듈은 유량센서를 이용하여 입력되는 물을 감지하고 세라믹 히팅 모듈을 동작시킨다. 히팅 모듈 내부는 분당 1.5리터로 입수되는 물의 온도 대비 약 $15^{\circ}C$정도로 가열된 온수로 입수 2초 내에 출수시키기 위해 1 path 유로로 설계하였고 또한 설계의 타당성을 검증하기 위해 히팅모듈 내부 물의 흐름과 온도변화에 대한 열유동해석을 수행하였다. 기본 설계를 기초로 내부에 막대형 세라믹 발열체 1개가 내장된 히팅모듈을 제작하였다. 히팅모듈 제작 후 3단계로 온도 세팅 기능을 가지는 온수기 시제품을 제작하였다. 제작된 시제품을 분당 1.5리터의 물을 공급하는 상수도관에 연결하고 출수되는 물의 온도 및 시간을 측정한 실험에서 물 공급 후 2초 후에 온수기 3단 기준으로 공급되는 물 온도 대비 $18.3^{\circ}C$로 가열된 온수를 출수할 수 있음을 확인하였다. 그리고 대기전력 1w 미만, 순간 전력도 일반가정에서의 허용범위를 넘지 않는다. 성능 측정 결과들을 통해 제안된 비저장식 순간 전기온수기가 겨울철 세면용으로 가정, 고속도로휴게소, 공장 등의 세면대에 적용이 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a ceramic heating element-based tankless instant electric water heater for hand/face washing that does not require a lot of hot water. The heating module, which heats the input water and outputs hot water, operates the ceramic heating element detecting input water using a flow sensor. Inside of the heating module is designed to form one flow path in order to get almost $15^{\circ}C$ increased heated water compared to the input water temperature within 2 second after 1.5 liter per minute water supply. The design validity is verified using a heat flow analysis of the water flow and temperature variations inside of the heating module also. Based on the design data, the heating module is constructed including a single rod-type ceramic heating element. After that, a prototype system having temperature setting function by three steps were constructed. The prototype system is connected to a 1.5 liter per minute water supply line, and the water output temperature and time measurement experiments confirmed that the proposed system output the heated water increased by $18.3^{\circ}C$ in case of third step setting within 2 second after water supply. And standby power is under 1 W and peak power does not exceed the permissible range for the general house usage. Several performance results verify that the proposed tankless instant electric water heater is applicable for the washstand of the house, highway rest area and factory so on as winter-time hand/face washing.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문은 내부에 1개의 사각 막대형 세라믹 발열체가 장착되고 입력되는 물이 고루 접촉될 수 있도록 간단하게 설계된 히팅모듈을 채용하여 다량의 온수가 필요치 않는 세면전용 목적의 세면대 직결형 비저장식 순간 온수기를 제안한다. 대기전력 1W 미만, 추가적인 회로보호용 차단기 설치가 필요하지 않으며 분당 1.5리터 정도의 물을 입수 온도 대비 약 15℃정도로 가열하여 입수 2초 정도 후에 출수시킬 수 있는 성능을 내고자 하였다. 발열체와 접촉되는 물의 면적를 최대로 하기위해 발열체가 내장되는 히팅모듈의 형상을 발열체의 형상과 거의 동일하게 설계하여 히팅모듈 크기를 최소화 함으로써 온수기 자체를 세면대 급수라인 중간에 설치될 수 있도록 소형으로 제작하였다.
그러나 그림 4와 같은 유로 구조는 입수되는 물이 발열체에 의해 가열되는 시간이 길어져 결과적으로 물이 출수되는 시간이 다소 느린 문제점 및 히팅모듈의 크기가 커짐에 따른 온수기 전체의 크기가 커지는 문제점이 대두되어 이를 개선하기 위해 세라믹 발열체 1개를 입수되는 물이 한바퀴 감싸고 돌아 바로 출수되도록 한 개의 유로 구조를 가지는 히팅모듈을 아래 그림 5와 같이 발열체를 한바퀴 감싸돌고 물이 지나갈 수 있도록 단순한 유로구조를 가지도록 재설계하였다. 또한 세라믹발열체 양쪽을 지나가는 수로 중간부분에 턱을 설계하여 회오리와 같은 와류를 발생시켜 가열된 물이 히팅모듈 내부에서 고루 섞이는 효과를 얻고자 하였다.
본 논문에서는 주로 다량의 물이 필요하지 않은 세면을 목적으로 저탕조가 필요없는 세라믹발열체 기반의 비저장식 순간 전기온수기를 제안하였다. 1 path 유로를 가지는 간단한 구조의 히팅모듈을 설계하였고 설계를 기반으로 열유동해석을 통해 입수 2초 후 온수기에서 출력되는 물의 온도 및 온도 분포를 고찰하였다.

가설 설정

1. Concept of proposed tankless water heater.

제안 방법

본 논문에서는 주로 다량의 물이 필요하지 않은 세면을 목적으로 저탕조가 필요없는 세라믹발열체 기반의 비저장식 순간 전기온수기를 제안하였다. 1 path 유로를 가지는 간단한 구조의 히팅모듈을 설계하였고 설계를 기반으로 열유동해석을 통해 입수 2초 후 온수기에서 출력되는 물의 온도 및 온도 분포를 고찰하였다. 설계안을 바탕으로 히팅모듈, 제어보드 및 간단한 구조의 제어 소프트웨어를 제작하였고 이후 히팅모듈의 하우징 재질 변경의 보완작업을 거쳐 전체 시스템을 구현하였다.
5리터, 18℃로 공급되는 물이 온수기 입수 2초 후 출수되는 물의 온도, 출수되는 동안 순간 최대 전력 및 온수기 자체의 대기전력 성능에 대한 성능시험을 그림 17과 같이 수행하였다. 20초간 공급되는 물의 양을 측정하여 분당 공급되는 양으로 환산하였고 측정결과 0.5리터로 이후 같은 조건의 유량을 일정하게 공급하여 물 공급 2초 후 온수기 1/2/3단계 설정에 따른 출수온도, 순간 최대 전력을 각각 3회씩 측정하였고 물 공급이 중지되어 온수기가 가동중지 상황일 때 온수기 자체의 대기전력을 측정하였다.
. 그러나 그림 4와 같은 유로 구조는 입수되는 물이 발열체에 의해 가열되는 시간이 길어져 결과적으로 물이 출수되는 시간이 다소 느린 문제점 및 히팅모듈의 크기가 커짐에 따른 온수기 전체의 크기가 커지는 문제점이 대두되어 이를 개선하기 위해 세라믹 발열체 1개를 입수되는 물이 한바퀴 감싸고 돌아 바로 출수되도록 한 개의 유로 구조를 가지는 히팅모듈을 아래 그림 5와 같이 발열체를 한바퀴 감싸돌고 물이 지나갈 수 있도록 단순한 유로구조를 가지도록 재설계하였다. 또한 세라믹발열체 양쪽을 지나가는 수로 중간부분에 턱을 설계하여 회오리와 같은 와류를 발생시켜 가열된 물이 히팅모듈 내부에서 고루 섞이는 효과를 얻고자 하였다.
개발 초기에는 히팅모듈에 그림 2와 같은 코일발열체 적용을 검토하였으나 물이 닿는 단면적이 크지 않고 일부 코일형 발열체의 경우 발열체를 감싸는 히팅모듈과 온수기의 크기가 커질 수 있는 문제점이 발생할 수 있다는 결론에 도달하게 되었다. 따라서 히팅모듈의 설계를 단순화 할 수 있고 온수기의 크기도 줄일 수 있으며 내부에서 물이 닿는 단면적이 상대적으로 크다고 판단된 직사각형 막대 타입의 세라믹 발열체를 적용하기로 결정하였다.
목표 온도로의 가열을 위해 필요한 열량과 선정된 세라믹 발열체가 낼 수 있는 열량을 계산식으로 살펴보았다. 입수되는 물을 일정한 온도로 가열시키는데 필요한 열량은 식(1)로 구할 수 있다^[13].
은 코일 발열체 3개를 사용하는 방식이다. 반면에 제안된 시스템의 히팅 모듈은 내부에 직사각형의 막대 타입의 세라믹 발열체에 닿는 물이 직접 가열되는 방식으로 차이점을 가지며 또한 입수되는 물이 가열된 발열체 표면을 최대한 접촉할 수 있도록 히팅 모듈을 발열체와 같은 직사각형 막대형태로 설계하였고 내부에는 와류를 발생시켜 가열된 물이 고루 섞이도록 발열체 삽입부 중간부분에 턱을 설계하였다.
5리터 정도의 물을 입수 온도 대비 약 15℃정도로 가열하여 입수 2초 정도 후에 출수시킬 수 있는 성능을 내고자 하였다. 발열체와 접촉되는 물의 면적를 최대로 하기위해 발열체가 내장되는 히팅모듈의 형상을 발열체의 형상과 거의 동일하게 설계하여 히팅모듈 크기를 최소화 함으로써 온수기 자체를 세면대 급수라인 중간에 설치될 수 있도록 소형으로 제작하였다. 휴게소, 공장, 건물, 상가 화장실 등에서 간단한 세면용으로 사용이 가능하며 사용자가 세면대에서 나오는 물의 양을 조절함에 따라 온수의 온도를 조절함으로써 절수의 효과를 가지도록 개발하였다.
본 논문은 내부에 1개의 사각 막대형 세라믹 발열체가 장착되고 입력되는 물이 고루 접촉될 수 있도록 간단하게 설계된 히팅모듈을 채용하여 다량의 온수가 필요치 않는 세면전용 목적의 세면대 직결형 비저장식 순간 온수기를 제안한다. 대기전력 1W 미만, 추가적인 회로보호용 차단기 설치가 필요하지 않으며 분당 1.
분당 1.5리터, 10℃의 온도를 가지고 히팅모듈로 공급되는 물이 2초 후에 어느정도로 가열되어 출수되는지를 알아보기 위해 히팅모듈 3D 모델링을 기초로 유동해석 툴인 플런트(FLUENT)를 이용하여 물공급 후 3초동안의 과도해석(transient analysis)을 수행하였다.
1 path 유로를 가지는 간단한 구조의 히팅모듈을 설계하였고 설계를 기반으로 열유동해석을 통해 입수 2초 후 온수기에서 출력되는 물의 온도 및 온도 분포를 고찰하였다. 설계안을 바탕으로 히팅모듈, 제어보드 및 간단한 구조의 제어 소프트웨어를 제작하였고 이후 히팅모듈의 하우징 재질 변경의 보완작업을 거쳐 전체 시스템을 구현하였다.
제작된 온수기를 실험실 세면대의 유로에 직결하여 분당 1.5리터, 18℃로 공급되는 물이 온수기 입수 2초 후 출수되는 물의 온도, 출수되는 동안 순간 최대 전력 및 온수기 자체의 대기전력 성능에 대한 성능시험을 그림 17과 같이 수행하였다. 20초간 공급되는 물의 양을 측정하여 분당 공급되는 양으로 환산하였고 측정결과 0.
발열체와 접촉되는 물의 면적를 최대로 하기위해 발열체가 내장되는 히팅모듈의 형상을 발열체의 형상과 거의 동일하게 설계하여 히팅모듈 크기를 최소화 함으로써 온수기 자체를 세면대 급수라인 중간에 설치될 수 있도록 소형으로 제작하였다. 휴게소, 공장, 건물, 상가 화장실 등에서 간단한 세면용으로 사용이 가능하며 사용자가 세면대에서 나오는 물의 양을 조절함에 따라 온수의 온도를 조절함으로써 절수의 효과를 가지도록 개발하였다.

대상 데이터

그림 12는 모델링을 기초로 최종 온수기 시스템 내부에 장착되는 히팅모듈을 보여준다. 초기 하우징은 알루미늄 재질로 제작하여 테스트용 지그 시스템에서 사용하였으나 하우징 재질에 따른 열손실이 있다고 판단되어 PEEK계열의 수지로 시제품을 위해 제작되었다.
출력이 2kW급 정도의 세라믹 발열체 선정을 진행하였고 최종적으로 그림 3과 같이 막대모양을 가진 소비전력 2kW(90x30x4mm)급의 제품을 선정하였다[12]. 2kW 소비전력을 가진 세라믹 발열체를 선정한 이유는 일반 가정의 경우 통상 10A, 2.

성능/효과

그림 2는 저장식 온수기에서 주로 사용되는 스테인레스 재질의 코일발열체들을 나타낸 것이다. 개발 초기에는 히팅모듈에 그림 2와 같은 코일발열체 적용을 검토하였으나 물이 닿는 단면적이 크지 않고 일부 코일형 발열체의 경우 발열체를 감싸는 히팅모듈과 온수기의 크기가 커질 수 있는 문제점이 발생할 수 있다는 결론에 도달하게 되었다. 따라서 히팅모듈의 설계를 단순화 할 수 있고 온수기의 크기도 줄일 수 있으며 내부에서 물이 닿는 단면적이 상대적으로 크다고 판단된 직사각형 막대 타입의 세라믹 발열체를 적용하기로 결정하였다.
성능 실험을 통해 분당 1.5리터 유량에서 2초안에 발열체 최대출력 기준 약 18.3℃정도의 출수 온도 상승이 가능하며 온수기의 최대 출력 기준으로 겨울철 열을 가하지 않은 급수 온도인 10℃^[15]를 세면이 가능한 정도의 온도로 짧은 시간 내에 출수시킬 수 있는 성능을 가져 겨울철 세면용으로 적용이 가능함을 확인할 수 있었다. 이와 더불어 순간 최대 소비전력, 대기전력의 측정결과도 초기 목표를 만족하는 수준을 가진 것으로 나타났다.
3℃정도의 출수 온도 상승이 가능하며 온수기의 최대 출력 기준으로 겨울철 열을 가하지 않은 급수 온도인 10℃^[15]를 세면이 가능한 정도의 온도로 짧은 시간 내에 출수시킬 수 있는 성능을 가져 겨울철 세면용으로 적용이 가능함을 확인할 수 있었다. 이와 더불어 순간 최대 소비전력, 대기전력의 측정결과도 초기 목표를 만족하는 수준을 가진 것으로 나타났다.
제안한 온수기 시스템은 히팅모듈 내부에서 발열체와 입수되는 물과의 접촉면이 커서 효율이 뛰어나며 히팅모듈의 구조 단순화 및 소형화로 온수기 자체의 크기도 소형화되며 열효율을 위한 부가적인 장치가 필요하지 않는 장점을 가지고 있다. 향후 시스템 완성도가 높아진다면 기존 세면대를 그대로 이용하면서 기존 제품들에 비해 공간 활용율이 높게 컴팩트하게 개발된 비저장식 순간전기 온수기가 공중세면시설들이 있는 학교, 고속도로 휴게소, 공장 및 원룸 등의 다세대 주택등지의 틈새 시장 공략이 가능한 제품 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 생각된다.
표 2는 온수기 온수기 1/2/3단계 설정에 따른 출수온도에 대한 측정결과로 세라믹 발열체의 최대 출력인 3단을 기준으로 목표 유량 분당 1.5리터에 대해 온도 상승 목표 15℃대비 22%정도를 초과하는 18.3℃의 결과를 나타내었고 2초간 인가된 열량 4,000J에 대해 소요 열량은 약 3,826.53J로 약 95%의 효율을 가지고 있음을 실험결과에서 알 수 있다.

후속연구

세라믹 발열체 후미 하단부에서 약간의 와류가 다시 발생하나 유체흐름의 대부분이 상단부에 몰려서 직진하는 유체흐름 구조를 가지고 있음을 보여주고 있다. 설계 시 생각했던 것만큼 가열된 물이 골고루 섞이도록 와류가 많이 발생하게되는 구조는 아닌 것으로 생각되며 향후 개선 시 고려할 사항으로 판단된다.
그리고 히팅모듈의 누수 가능 여부에 대해 장기간에 걸친 모니터링도 요구된다. 언급된 사항들을 포함하여 향후 시스템의 신뢰성 확보를 위해 다방면에 걸친 설계보완이 이루어져야될 것으로 생각된다.
열유동해석에서 나타났듯이 와류를 발생시켜 가열된 물이 원활히 섞이도록 설계한 내부 턱의 효과가 기대했던 것보다는 크지않아 향후 히팅모듈 내부에서 가열된 물이 고루 섞일 수 있는 내부 구조에 대한 개선도 필요할 것으로 판단된다. 그리고 히팅모듈의 누수 가능 여부에 대해 장기간에 걸친 모니터링도 요구된다.
제안한 온수기 시스템은 히팅모듈 내부에서 발열체와 입수되는 물과의 접촉면이 커서 효율이 뛰어나며 히팅모듈의 구조 단순화 및 소형화로 온수기 자체의 크기도 소형화되며 열효율을 위한 부가적인 장치가 필요하지 않는 장점을 가지고 있다. 향후 시스템 완성도가 높아진다면 기존 세면대를 그대로 이용하면서 기존 제품들에 비해 공간 활용율이 높게 컴팩트하게 개발된 비저장식 순간전기 온수기가 공중세면시설들이 있는 학교, 고속도로 휴게소, 공장 및 원룸 등의 다세대 주택등지의 틈새 시장 공략이 가능한 제품 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 생각된다. 또한 온수저장탱크와 급수전간의 거리에 때문에 온수출수 지연시간 5∼30초를 가지면서 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	온수기의 기본적인 구성은 어떻게 되는가?	온수기의 기본적인 구성은 [9]와에서 제시된 것과 비슷하나 물을 직접적으로 가열시키는 히팅모듈의 경우[9]의 방식은 세라믹 원통 외벽을 감싸는 코일에 의해 원통내부를 통과하는 물이 간접적으로 가열되는 방식이며 [10]은 코일 발열체 3개를 사용하는 방식이다. 반면에 제안된 시스템의 히팅 모듈은 내부에 직사각형의 막대 타입의 세라믹 발열체에 닿는 물이 직접 가열되는 방식으로 차이점을 가지며 또한 입수되는 물이 가열된 발열체 표면을 최대한 접촉할 수 있도록 히팅 모듈을 발열체와 같은 직사각형 막대형태로 설계하였고 내부에는 와류를 발생시켜 가열된 물이 고루 섞이도록 발열체 삽입부 중간부분에 턱을 설계하였다.
	비저장 순간식 온수기의 장점은?	비저장 순간식 온수기는 샤워시설같이 상대적으로 온수가 많이 요구되는 곳이나 샤워시설을 제외한 대용량의 온수가 필요한 곳에서는 필요 온수에 비례하여 가스 또는 전기와 같은 에너지가 소비되며 온수 제어가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 그러나 저장식 온수기에 비해 상대적으로 크기가 소형이고, 내구성이 길며, 온수의 흐름이 지속적이고, 소비에너지가 적다. 또한 물을 사전에 데우고 적정 온도를 유지하기 위한 대기에너지가 적거나 아예 제거될 수 있고 상대적으로 짧은 급수배관임으로 배관에서의 열손실이 적다는 장점들을 가지고 있으며 이러한 장점들로 인해 비저장식 온수기와 관련된 연구들이 진행되어져 왔다.
	저장식 온수기의 문제점은?	현재 가정 혹은 사무실 등에서 샤워 및 세면을 위해 온수를 공급하기 위해 사용되는 대부분의 온수기는 저장탱크에 항상 일정량의 물을 저장하여 가스 혹은 전기를 열원으로 사용하는 방식이 주류를 이루고 있다. 이러한 저장식 온수기들은 급탕을 위해 저장탱크 내에 일정량의 물을 항상 저장해야하고 저장된 물을 설정한 온도만큼 계속 데워놓아야 하기 때문에 이를 위한 전기 및 가스 등의 에너지가 지속적으로 소비되는 문제점을 안고 있다. 현재 국내 저장식 온수기를 제작하는 업체 들의 전기 온수기 제품군 중에서 가장 적은 용량인 15리터 용량의 벽걸이형 제품들은 평균적으로 최고 온수 온도는 75℃, 저장된 물을 가열하는데 40분의 시간이 소요되며 저장탱크에 저장된 온수를 모두 소비할 경우 1∼2시간정도의 대기시간이 필요하다.

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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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