[논문]히트파이프를 활용한 농업용 고효율난방기 및 스마트 제어시스템

김응곤; 임창균

doi:10.13067/jkiecs.2017.12.6.1151

히트파이프를 활용한 농업용 고효율난방기 및 스마트 제어시스템
High-efficiency Agricultural Heater and Smart Control System Utilizing Heat Pipe 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.6, 2017년, pp.1151 - 1158

김응곤 (순천대학교) , 임창균 (전남대학교)

초록
AI-Helper

히트파이프 일체형 고효율 난방기는 겨울철 시설원예 내 작물생육에 필수인 난방장치와 배기열 회수기를 일체화하여 배기열이 외부로 배출되기 전 미사용 에너지를 재이용하는 장치이다. 시설원예, 유리온실 등 점검을 통해 우리나라 농업용 난방기의 문제점을 파악하였고, 개선방향을 찾아 시설원예 및 하우스에 맞는 최적화된 농업용 고효율난방기 및 스마트 제어시스템을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Effluent Heat Pipe integral with the heater is a device that recreates unused thermal energy from the plant in winter, and thus reuses unused energy before releasing the exhaust heat. Through the establishment of facility horticulture and glass greenhouses, we identified the problems of our agricultural heaters, and we proposed efficient agricultural efficiency and smart control systems for optimum agricultural efficiency and smart house.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에 본 논문은 제작 단계부터 난방기의 용량을 고려한 배기 열 회수기의 적용으로 제품의 기술적 완성도를 높이며, 설치면적을 최소화한 일체형 난방기의 개발과 난방기 및 배기 열 회수기 일체형 시스템의 운전은 물론 자동화시스템을 제어할 수 있는 기능 외에 스마트폰으로 제어가 가능한 S/W 기능을 추가하여 시설원예의 상태확인과 다양한 제어 기능을 통해서 농가의 효율적 운영이 가능한 스마트 제어시스템을 제안하여 가격 측면에서 시설원예 농가의 경제적 부담을 덜고 원격 접속을 통한 제어를 가능 하게 함으로서 관리의 편리성을 향진시킨다.

제안 방법

설계된 제어 모듈 설계 정보를 기초로 하드웨어 회로를 설계하고 PCB를 제작하였다. PCB 회로 설게시 제품 운영 및 유지 보수의 편의성을 위하여 핵심부품(CPU, RAM, MAND 등)을 탈착이 편리한 모듈식으로 설계하였다.
WIFI AP, WIFI Router는 상용 통신망(SKT, KT, LG)에서 제공하는 무선 통신 장비를 이용하여 통신환경을 구축함으로서 스마트폰과 안정적인 통신이 가능하도록 구성하였다.
발열부는 공기 유입이 공기 흐름방향과 상대적으로 폭이 넓은 폭 방향으로 나란하게 설치하였다. 가이드 깃을 설치하여 배기가스가 수열부로 가이드 되도록 제작하였다[4].
난방기, 실내센서 및 실외 센서는 스마트 제어시스템과 통신 연결 시 외부 잡음에 강하고, 인터페이스가 규격화된 유선 직렬 통신 인터페이스(RS-232 또는 RS-422)로 구성하여 저속 환경에서 장거리 통신이 가능하도록 구성하였다.
난방면적에 따른 난방기 용량 설정 및 설계를 하였으며 바닥면적을 최소화하는 슬림형 난방기를 설계하였다. 열교환관의 내부로부터 연장되어 외주 면에 밀착되는 스트립 상 히트파이프 구조로 설계하였으며 송풍기와 공기 유입 부 사이에 설치되고, 배출부와 공기 유입부에서 열 교환이 이루어질 수 있는 폐열회수 유닛 구조를 설계하였고, 외보 공기 흡기용 덕트를 설치하고 이중 필터 구조 여과장치를 설계하여 불완전 연소 해소를 할 수 있는 연소실을 설계 하였다[3].
난방용량(84,000kcal/h)에 적합한 모터 용량을 설정하였으며, 유압식 송풍모터를 제작하였다.
흡기 및 배기 구조의 시설원예 하우스 설치를 고려해서 연도의 부하 발생을 최소화하는 구조를 설계하였다. 또한, 안정성과 효율성을 고려하였고 난방기 청소의 편의성을 위한 부분 분해 및 청소 구를 설치하였다. 가이드 깃을 설치하여 내부 흐림을 형성하고 1차 2차 연료 여과를 통한 불순물을 제거한다.
설계된 제어 모듈 설계 정보를 기초로 하드웨어 회로를 설계하고 PCB를 제작하였다. PCB 회로 설게시 제품 운영 및 유지 보수의 편의성을 위하여 핵심부품(CPU, RAM, MAND 등)을 탈착이 편리한 모듈식으로 설계하였다.
스마트 통합 제어 시스템의 블루투스, 무선 인터넷통신을 위한 인터페이스를 개발 하였고, 안전한 원격제어 환경을 위한 사용자 인증 모듈을 개발 하였다.
열 소실, 열 교환 시스템, 외부하우징 모두 내구성이 강하며, 부식염려가 없도록 SUS 강판을 이용해서 난방기 하우징을 제작하였다[5]. 흡기 및 배기 구조의 시설원예 하우스 설치를 고려해서 연도의 부하 발생을 최소화하는 구조를 설계하였다.
난방면적에 따른 난방기 용량 설정 및 설계를 하였으며 바닥면적을 최소화하는 슬림형 난방기를 설계하였다. 열교환관의 내부로부터 연장되어 외주 면에 밀착되는 스트립 상 히트파이프 구조로 설계하였으며 송풍기와 공기 유입 부 사이에 설치되고, 배출부와 공기 유입부에서 열 교환이 이루어질 수 있는 폐열회수 유닛 구조를 설계하였고, 외보 공기 흡기용 덕트를 설치하고 이중 필터 구조 여과장치를 설계하여 불완전 연소 해소를 할 수 있는 연소실을 설계 하였다[3].
이에 따라, 방진 방습 형 모터를 제작하고, 모터 내에 습기가 스며들지 못하도록 고무 패킹을 통하여 습기로부터 보호하여 문제발생을 최소화 하도록 제작하였다. 또한, 후에 서술할 스마트 통합 제어 시스템을 통해 원격으로 송풍 시스템을 제어할 수 있다.
폐열열회수장치의 소비 전류 센싱으로 난방기를 제어하며, 배출 온도 감지에 따른 송풍장치(펜)를 정밀제어한다. 일사(UV) 센서를 이용해서 난방기를 제어하며 습도 센서를 이용하여 습도(안개분무)를 제어하고 농어업 및 산업용 상용 전압을 고려해서 안전한 제어를 할 수 있도록 하였다.
열 소실, 열 교환 시스템, 외부하우징 모두 내구성이 강하며, 부식염려가 없도록 SUS 강판을 이용해서 난방기 하우징을 제작하였다[5]. 흡기 및 배기 구조의 시설원예 하우스 설치를 고려해서 연도의 부하 발생을 최소화하는 구조를 설계하였다. 또한, 안정성과 효율성을 고려하였고 난방기 청소의 편의성을 위한 부분 분해 및 청소 구를 설치하였다.

대상 데이터

히트파이프 사용 매체는 단위 용적 당 증기 발생량이 많고, 열용량이 크고, 잠열이 크며, 동점성계수가 작고 포화 증기압이 큰 매체를 사용하였다. 튜브 본체의 수열 부 측의 열 교환 매체 통로의 내면에는 진동에너지원이 크도록 다수의 캐비티를 형성하였다.

성능/효과

본 논문의 제안하는 히트파이프를 활용한 농업용 고효율난방기 및 스마트 제어시스템은 획기적인 접근을 통한 열 교환 시스템 구조 설계를 하여 기존 난방기 대비 뛰어난 열효율을 제공하며, 난방기가 차지하는 바닥 면적을 감소하여 재배면적 증가로 인한 생산량 증가, 난방기외 배기 열 회수기, 추가설치비용등 경제적 부담 절감, 뛰어난 열 효율성으로 유류사용량 감소 및 유류비 절약, 환경유해요인(일산화탄소, 이산화질소, 아황산가스 등)개선효과, 스마트폰, PC등을 이용한 환경제어기능으로 노동력절감 효과가 발생한다.
제안하는 난방기는 난방기내 열 교환 시스템이 구축되어있어 배기 열 회수기 추가 설치가 불필요에 따른 생산량이 증가한다. 또한, 기존 난방기는 대부분 연료부족, 기기내부온도, 버너 불 착화, 과열방지 정로만 적용하는 반면에, 제안한 난방기는 문제가 발생할

후속연구

히트파이프를 활용한 방법은 많이 있으나 난방기에 내장된 방법으로 미활용 에너지가 아닌 실사용 에너지로 인식되어질 것이며, 적용분야를 점차 넓힐 수 있다. 매출증대, 고용창출, 수출 등 여러 방면에서 큰 기여를 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	히트파이프 일체형 고효율 난방기는 어떤 장치인가?	히트파이프 일체형 고효율 난방기는 겨울철 시설원예 내 작물생육에 필수인 난방장치와 배기열 회수기를 일체화하여 배기열이 외부로 배출되기 전 미사용 에너지를 재이용하는 장치이다. 시설원예, 유리온실 등 점검을 통해 우리나라 농업용 난방기의 문제점을 파악하였고, 개선방향을 찾아 시설원예 및 하우스에 맞는 최적화된 농업용 고효율난방기 및 스마트 제어시스템을 제안하였다.
	본 연구에서 개발한 배기 열전달 효율화를 위한 히트파이프 구조는 어떻게 설계되었는가?	히트파이프 사용 매체는 단위 용적 당 증기 발생량이 많고, 열용량이 크고, 잠열이 크며, 동점성계수가 작고 포화 증기압이 큰 매체를 사용하였다. 튜브 본체의 수열 부 측의 열 교환 매체 통로의 내면에는 진동에너지원이 크도록 다수의 캐비티를 형성하였다. 통로내주 면에는 열 교환 매체의 표면적을 넓히기 위한 돌기 부를 형성 하였고 상기 수열 부는 공기의 흐름방향과의 저항을 줄일 수 있도록 상대적으로 넓은 폭방향이 공기의 흐름과 나란하게 수평방향으로 설치하였다. 발열부는 공기 유입이 공기 흐름방향과 상대적으로 폭이 넓은 폭 방향으로 나란하게 설치하였다. 가이드 깃을 설치하여 배기가스가 수열부로 가이드 되도록 제작하였다[4].
	기존의 난방기에는 어떤 문제점이 있는가?	기존의 난방기는 난방기와 배기 열 회수기가 이원화 되어있어, 구매 및 이중 설치에 따른 고비용 문제점과 난방기 부하의 최적제어가 어려워 운영의 위험성이 존재한다.

참고문헌 (9)

W. Suh, Y. Yoon, and J. Kang "Heat Exchanging Performance as Affected by Arrangement of Heat Exchanging Pipe," The Korean Society for Bio-Environment Control, vol. 11, no. 3, 2002, pp. 101-107.
N. Yoo, "Development of Smart Farm System for minimizing Carbon Emissions," Korean Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 11, no. 12, 2016, pp. 1231-1236.

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G. Kang, "Performance Test of Hot Air Heater Exhaust Gas Heat Recovery System Using Heat Pipe," The Korean Society for Bio-Environment Control, vol. 33, no. 2, 2000, pp. 57-66.
Y. Lee, "Design and applications of the heat pipe," Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, vol. 16, no. 1, 1997, pp. 34-45.
I. Park, S. Kang and S. Oh, "A Study on the Creep Rupture Life of SUS 304 Stainless Steel Subjected to Hot Corrosion," The Corrosion Science Society of Korea, vol. 17, no 17, 1998, pp. 247-254.
G. Song, "Improvement of heat utilization efficiency of radiator," The Korean Society for Bio-Environment Control,, vol. 10, no. 1, 1997, pp. 19-37.
K. Ryu, K. Kim, H. Kim, and H. Chae, "Development of an Algorithm for Searching Optimal Temperature Setpoint for Lettuce in Greenhouse Using Crop Growth Model," The Korean Society of the Agricultureal machinery, vol. 24, no. 5, 1999, pp. 445-452.
Y. Lee, "Development of Smart Garden Control System Using Probabilistic Filter Algorithm Based on SLAM," Korean Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12, no. 3, 2017, pp. 465-470.
H. Lee, "The New Role of UX Design and Its' Framework for Mobile App Design-Focusing on the Agile UX framework," Korea Digital Design Society, vol. 12, no. 4, 2012, pp. 109-118.

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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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