[논문]이젝터 기술을 활용한 주방후드용 기류유인 덕트 시스템의 개발에 관한 연구

손유라; 홍성규; 양정훈

doi:10.7836/kses.2019.39.6.027

이젝터 기술을 활용한 주방후드용 기류유인 덕트 시스템의 개발에 관한 연구
Study on Development of Inducing Airflow Duct System for Kitchen Hood Using Ejector Method 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.39 no.6, 2019년, pp.27 - 40

손유라 (영남대학교 건축학부) , 홍성규 (영남대학교 건축학부) , 양정훈 (영남대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Kitchen hoods are limited in discharging all contaminants produced during cooking. Contaminants that have not been discharged can rise to the upper part of the kitchen and become stacked. To solve this problem, there is a way to increase the air volume of the kitchen hood, but there are limits, so a new system is required. This study proposes the Duct System (IADK : Inducing Airflow Duct system for Kitchen hood )through 3D printers and experiments. To do this, the pressure is measured to verify the three levels of air volume provided by the kitchen hood. To check the degree of loss of flow in the existing kitchen hood system, install flexible ducts alone to measure the pressure. Change the internal diameter and type of connection of the IADK and measure the pressure. The air pressure, static pressure difference, and loss factor are calculated and analyzed using the pressure measured through the experiment.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1 Kitchen hood duct composition according to IADK installation
그림 Fig. 2 A Conceptual Drawing of IADK
그림 Fig. 3 Experimental Composition
표 Table 1 Measurement equipment overview
그림 Fig. 4 Debimo Blade
그림 Fig. 5 Airflow measurement of kitchen hood using Debimo Blade
그림 Fig. 6 Exterior and Sectional Drawing of IADK
그림 Fig. 7 Experimental Installation Picture by Case
표 Table 2 Experimental Cases
표 Table 3 Comparison of the airflow volume in kitchen hood
표 Table 4 Airflow volume variation of kitchen hood by flexible duct
그림 Fig. 8 Results of static pressure loss by Cases
그림 Fig. 9 Induced airflow volume (Q₂) calculated by Debimo A and B
표 Table 5 Results of pressure loss coefficient by Cases
그림 Fig. 10 Mixed airflow volume (Q₃) measured by Debimo B

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 실험(Fig. 5)은 제조사가 제공한 주방후드의 유량과 Debimo Blade를 이용하여 측정한 유량과의 차이를 비교하기 위한 실험이다. 3.
본 실험은 IADK의 내부 노즐 직경과 연결방식의 변화에 따른 유인유량의 차이를 평가하는 실험이다. IDAK는 Fig.
그로 인해 플렉시블 덕트를 이용할 때 높은 정압손실이 발생할 수 있을 것으로 예측된다. 본 실험은 주방 후드에 플렉시블 덕트를 연결하고 유량을 측정함으로써 플렉시블 덕트가 주방후드의 배출유량에 미치는 영향을 평가하였다. 여기서, 플렉시블 덕트는 Debimo A의 풍하측에 연결한 후, Debimo B의 풍상측 PVC 파이프 말단까지 90°로 굽혀서 엘보와 같은 형태로 설치하였다.
실험에 사용된 주방후드는 598(W) × 480(D) × 193(H)mm의 크기로 제조사에서 제공한 유량 성능[m³/h]은 255/345/495의 3단계이다. 본 실험의 목적은 IADK의 성능평가 이기 때문에, 제조사에서 제공한 주방후드의 풍량을 그대로 사용하기 위하여 주방후드 필터를 제거하였다¹⁵⁾. 또한, 주방후드의 원활한 흡입을 위하여 바닥면에서 일정거리를 이격시켜 설치하였다¹⁶⁾.
본 연구는 IADK의 내부 노즐 직경과 연결방식에 따라 유입 유량과 혼합유량의 성능을 만족하는 최적의 조합을 제안하였다. 그러나, IADK에는 유인구 및 덕트의 형상, 이젝터 내부 노즐의 형상 등 다양한 변수가 존재한다.
본 연구는 주방 상부에 적층 되어 배출되지 못한 오염물질을 추가적인 인공동력 사용 없이 배기 덕트로 유인하여 배출시키는 새로운 주방 배기 시스템을 제안하고, 그 배기성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서 새로이 제안하는 주방 배기 시스템은 다양한 설비분야에서 활용되는 이젝터^11,12,13)의 작동원리를 주방후드용으로 개발한 것으로써 주방후드용 기류유인 덕트 시스템(IADK : Inducing Airflow Duct system for Kitchen hood)으로 명명한다.
IADK는 주방후드의 배출덕트 계통에 추가적으로 설치하여 , IADK의 슬릿형 유입구를 통해 상부에 적층된 오염물질을 덕트 내로 유인하여 배출하는 시스템이다. 본 연구에서는 IADK의 유용성을 검토하고 효율적인 시스템 제안을 위하여 유인유량 및 혼합유량, 손실계수를 산출하고 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
IADK의 배기성능을 평가하기 위하여 IADK를 적층식 3D 프린터로 제작하고, 실험을 통해 IADK로 유인되는 유량 및 정압차를 측정한다. 이 때 IADK의 내부 노즐 직경과 덕트계통의 연결방식의 차이가 배기성능에 영향을 줄 수 있기 때문에 이에 대한 검토를 수행한다.
주방은 여러 조리 기구를 이용하여 식사를 준비하는 공간이다. 주방 후드는 조리 시 발생하는 오염물질을 효율적으로 배출하고 주방 외의 공간으로 냄새가 확산되지 않도록 하는데 목적이 있다. 주방 후드는 조리 시 발생하는 모든 오염물질을 배출하는 것에 한계가 있다^1,2,3).

제안 방법

(2) 본 연구는 적층식 3D 프린터를 이용하여 IADK를 제작하였고, IADK의 내부 노즐 크기와 연결방식을 변화시켜 실험을 실시하였다. IADK의 내부 노즐은 D60, D70, D80으로 하였고, 연결방식은 플렉시블 덕트, 스테인리스 90° 엘보, 스테인리스 45° 엘보를 이용하였다.
Case 1은 IADK에 플렉시블 덕트만으로 연결할 경우, Case 2는 플렉시블 덕트와 스테인리스 90° 엘보로 연결할 경우, Case 3는 플렉시블 덕트와 스테인리스 45° 엘보로 연결할 경우에 대하여 정압손실과 유인유량을 평가하였다.
본 연구에서 새로이 제안하는 주방 배기 시스템은 다양한 설비분야에서 활용되는 이젝터^11,12,13)의 작동원리를 주방후드용으로 개발한 것으로써 주방후드용 기류유인 덕트 시스템(IADK : Inducing Airflow Duct system for Kitchen hood)으로 명명한다. IADK의 배기성능을 평가하기 위하여 IADK를 적층식 3D 프린터로 제작하고, 실험을 통해 IADK로 유인되는 유량 및 정압차를 측정한다. 이 때 IADK의 내부 노즐 직경과 덕트계통의 연결방식의 차이가 배기성능에 영향을 줄 수 있기 때문에 이에 대한 검토를 수행한다.
IADK의 성능을 평가하기 위하여 Case별 공급유량과 혼합유량을 측정하였고 유인유량을 산출하였다. Fig.
제조사가 제안한 Debimo Blade의 안전거리는 풍상측이 5D 이상, 풍하측이 3D 이상이다. 그러나, 본 실험에서 Debimo A는 IADK 시스템의 설치 높이 제약으로 인하여 안전거리를 고려하지 않았고, Debimo B는 풍상측에 10D, 풍하측에 5D의 안전거리를 확보하였다. 주방후드와 Debimo A 또는 B, IADK 사이에는 실험조건 및 Case에 따라 플렉시블 덕트와 스테인리스 엘보를 이용하여 연결하였다.
주방후드에서 사용하는 팬은 매우 낮은 정압 특성을 갖고 있으므로 미압 측정용 차압계를 사용하였다. 대기압은 실험실 내에서 측정하였고, T-type 열전대는 IADK를 통과하는 공기의 온도를 측정하였다.
1절에 설명한 바와 같이, Debimo A는 안전거리를 고려하지 못함에 따라 주방후드의 유량측정에 오차가 발생할 수 있다. 따라서 Debimo A측에 측정된 유량과 제조사측이 제공한 유량과의 비교를 실시하여 Debimo Blade의 정확성을 검증하였다. 이를 위해 주방후드의 유량은 제조사가 제공한 3단계(255/345/495m³)의 유량(이후 Flow 1, 2, 3로 표기함)을 이용하였고, 각각 5분간 1초 간격으로 압력을 측정하였다.
9와 같이 IADK에 의해 유인유량이 발생하더라도 최종 배출되는 유량이 플렉시블 덕트를 단독으로 이용했을 때 보다 낮게 된다면 IADK는 유용하지 않게 된다. 따라서 Fig. 10은 플렉시블 덕트를 단독으로 이용했을 때와 비교하여 IADK의 배출유량을 검토하여 IADK의 유용성을 평가하였다. 그 결과, IADK의 노즐 직경이 D80에 스테인리스 90° 엘보를 설치한 Case 2에서 플렉시블 덕트를 단독 이용했을 때 보다 많은 유량이 혼합되어 최종적으로 배출됨을 알 수 있었다.
따라서 이 경로에서의 유량을 측정하기 위하여 Debimo Blade B (이하 Debimo B)를 설치하였다. 또한 Debimo B에는 IADK의 유량을 정확히 측정하기 위해 제조사가 제안한 안전거리를 확보하였고, 이를 위해 PVC 파이프를 이용하였다. 제조사가 제안한 Debimo Blade의 안전거리는 풍상측이 5D 이상, 풍하측이 3D 이상이다.
본 실험의 목적은 IADK의 성능평가 이기 때문에, 제조사에서 제공한 주방후드의 풍량을 그대로 사용하기 위하여 주방후드 필터를 제거하였다¹⁵⁾. 또한, 주방후드의 원활한 흡입을 위하여 바닥면에서 일정거리를 이격시켜 설치하였다¹⁶⁾. IADK는 실험조건 및 Case에 따라 적층식 3D 프린터를 이용하여 다수 제작하였다.
IADK의 풍상측 및 풍하측에 설치된 플렉시블 덕트의 길이는 Table 2에 나타내었다. 본 실험은 Debimo Blade를 이용하여 5분간 1초 간격으로 정압손실과 유량을 측정하였다.
본 연구는 주방 상부에 적층 되어 배출되지 못한 오염물질을 추가적인 인공동력 사용 없이 배기 덕트로 유인하여 배출시키는 새로운 주방 배기 시스템을 제안하고, 그 배기성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서 새로이 제안하는 주방 배기 시스템은 다양한 설비분야에서 활용되는 이젝터^11,12,13)의 작동원리를 주방후드용으로 개발한 것으로써 주방후드용 기류유인 덕트 시스템(IADK : Inducing Airflow Duct system for Kitchen hood)으로 명명한다. IADK의 배기성능을 평가하기 위하여 IADK를 적층식 3D 프린터로 제작하고, 실험을 통해 IADK로 유인되는 유량 및 정압차를 측정한다.
따라서 Debimo A측에 측정된 유량과 제조사측이 제공한 유량과의 비교를 실시하여 Debimo Blade의 정확성을 검증하였다. 이를 위해 주방후드의 유량은 제조사가 제공한 3단계(255/345/495m³)의 유량(이후 Flow 1, 2, 3로 표기함)을 이용하였고, 각각 5분간 1초 간격으로 압력을 측정하였다.
기존의 주방후드는 배출덕트 계통에 플렉시블 덕트로 연결되어 제품의 제공 유량을 만족하지 못하고 오염물질이 주방 상부에 적층되는 단점이 있었다. 이에 본 연구는 다양한 설비분야에서 활용되는 이젝터를 주방후드용으로 개량하여 주방후드용 기류유인 덕트 시스템(IADK System : Inducing Airflow Duct System for Kitchen hood)을 새롭게 제안하였다. IADK는 주방후드의 배출덕트 계통에 추가적으로 설치하여 , IADK의 슬릿형 유입구를 통해 상부에 적층된 오염물질을 덕트 내로 유인하여 배출하는 시스템이다.
IADK는 실험조건 및 Case에 따라 적층식 3D 프린터를 이용하여 다수 제작하였다. 주방후드로부터 포집되고 IADK로 유인되는 공기가 최종적으로 혼합되어 배출되는 과정에서, 각 위치의 유량 및 압력을 측정하기 위하여 KIMO사의 Debimo Blade를 사용하였다.
Debimo Blade는 0 ~ 40 m/s의 유속을 측정할 수 있고, 정확도는 3 ~ 5%이다. 주방후드에서 사용하는 팬은 매우 낮은 정압 특성을 갖고 있으므로 미압 측정용 차압계를 사용하였다. 대기압은 실험실 내에서 측정하였고, T-type 열전대는 IADK를 통과하는 공기의 온도를 측정하였다.
그러나, 본 실험에서 Debimo A는 IADK 시스템의 설치 높이 제약으로 인하여 안전거리를 고려하지 않았고, Debimo B는 풍상측에 10D, 풍하측에 5D의 안전거리를 확보하였다. 주방후드와 Debimo A 또는 B, IADK 사이에는 실험조건 및 Case에 따라 플렉시블 덕트와 스테인리스 엘보를 이용하여 연결하였다. 실험조건 및 Case는 3.
주방후드로 포집된 공기는 직경이 100mm인 배출구로 빠져나가게 된다. 주방후드의 유량을 측정하기 위하여 주방후드 배출구에 Debimo Blade A (이하 Debimo A)를 설치하였다. 일반적으로 주방후드에서 포집된 공기가 실외로 배출되는 경로에는 플렉시블 덕트와 PVC 파이프의 조합으로 이루어져 있다.
여기서, 플렉시블 덕트는 Debimo A의 풍하측에 연결한 후, Debimo B의 풍상측 PVC 파이프 말단까지 90°로 굽혀서 엘보와 같은 형태로 설치하였다. 측정 유량은 주방후드 제조사가 제공한 3단계의 유량(Flow 1, 2, 3)을 이용하였고, 각각 5분간 1초 간격으로 압력을 측정하였다.

대상 데이터

Case 2와 Case 3에서 사용된 플렉시블 덕트의 길이는 동일하지만, Case 2는 스테인리스 90° 엘보를 Case 3은 스테인리스 45° 엘보를 사용하였다.
IADK의 내부 노즐은 D60, D70, D80으로 하였고, 연결방식은 플렉시블 덕트, 스테인리스 90° 엘보, 스테인리스 45° 엘보를 이용하였다.
90° 및 45° 엘보는 본 연구에서 사용된 적층식 3D 프린터를 이용하여 제작하기에 한계가 있었다. 그로 인해 실험에서 사용된 엘보는 기성 제품 중 실험에 적합한 크기와 성능을 갖춘 스테인리스 제품을 사용하였다.
따라서 IADK의 내부 노즐은 100 mm 보다 작은 직경을 사용하여 노즐의 유속을 증가시키고 유인부에 낮은 압력을 형성시켜 유입유량을 증가시켜야 한다. 따라서 IADK의 내부 노즐 직경은 60 mm(이하 D60), 70 mm(아하 D70), 80 mm(이하 D80)로 하였다.
실험에 사용된 주방후드는 598(W) × 480(D) × 193(H)mm의 크기로 제조사에서 제공한 유량 성능[m3/h]은 255/345/495의 3단계이다.

성능/효과

(3) IADK의 노즐 직경이 동일한 경우, 연결방식의 변화에 따른 정압손실의 차이가 매우 적었다. 또한, IADK의 노즐 직경이 커질수록 정압손실은 감소하였다.
(4) IADK를 플렉시블 덕트와 스테인리스 90° 엘보로 연결한 Case 2는 모든 노즐 직경에서 유인유량이 발생하였다.
(5) IADK의 노즐 직경이 D80에 스테인리스 90° 엘보를 설치한 Case 2에서 IADK를 설치하지 않고 플렉시블 덕트를 단독 이용했을 때 보다 많은 유량이 혼합되어 최종적으로 배출되었다.
(6) IADK를 제작할 경우, IADK는 낮은 정압손실과 손실계수를 갖는 것이 유리하므로 내부 노즐의 직경을 D80으로 하고 90° 엘보를 함께 제작하는 것이 바람직하다.
IADK의 노즐 직경이 작을수록 손실계수가 증가하였고, 노즐 직경 D80에 플렉시블덕트 + 스테인리스 90° 엘보 연결(Case2)에서 가장 낮은 손실계수인 2.0 ~ 2.1이 산출되었다.
IADK의 노즐 직경이 동일한 경우, 연결방식의 변화에 따른 정압손실은 차이가 매우 적었다. IADK의 노즐 직경이 커질수록 정압손실은 감소하였다. D80의 경우, 모든 Case는 IADK를 설치하지 않고 플렉시블 덕트를 단독으로 설치 되었을 때의 정압손실(Table 4 참조)과 유사하게 나타났다.
그 결과, IADK의 노즐 직경이 D80에 스테인리스 90° 엘보를 설치한 Case 2에서 플렉시블 덕트를 단독 이용했을 때 보다 많은 유량이 혼합되어 최종적으로 배출됨을 알 수 있었다.
(3) IADK의 노즐 직경이 동일한 경우, 연결방식의 변화에 따른 정압손실의 차이가 매우 적었다. 또한, IADK의 노즐 직경이 커질수록 정압손실은 감소하였다. D80의 모든 Case는 IADK를 설치하지 않고 플렉시블 덕트를 단독으로 설치하였을 때의 정압손실과 유사하였다.
또한, 부차적 손실에 의한 손실계수는 약 2.5 ~ 2.6이 산출되어 나사이음의 90° 엘보에서 발생하는 손실계수보다도 높게 나타났다.
사용된 플렉시블 덕트의 길이가 가장 길고, 플렉시블 덕트로 90° 엘보를 형성한 Case1의 손실계수가 가장 높았다.
이상의 실험결과를 종합해 보면, IADK는 낮은 정압손실과 손실계수를 갖는 것이 유리하다. 따라서 IADK를 제작할 경우, 내부 노즐의 직경을 D80으로 하고 90° 엘보를 함께 제작하는 것이 바람직하다.
3 ~ 194 Pa의 정압손실에 기인하였다. 즉, 주방후드로부터 공급되는 유량이 증가할수록 정압손실 및 유량감소가 증가하였다. Debimo A와 Debimo B에서 측정된 유량의 차이는 Flow 1이 0.

후속연구

90° 및 45° 엘보는 본 연구에서 사용된 적층식 3D 프린터를 이용하여 제작하기에 한계가 있었다.
또한, 주방후드에서 IADK의 설치 높이 제약으로 Debimo A의 안전거리를 고려하지 못하였으며, 그 결과 곧은 계통에서의 주 손실을 엄밀히 고려하지 못하였다. 차기 연구에서는 주 손실과 마찰계수를 엄밀하게 측정하여 고려하는 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주방후드용 기류유인 덕트 시스템이란 무엇인가?	본 연구는 주방 상부에 적층 되어 배출되지 못한 오염물질을 추가적인 인공동력 사용 없이 배기 덕트로 유인하여 배출시키는 새로운 주방 배기 시스템을 제안하고, 그 배기성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 본 연구에서 새로이 제안하는 주방 배기 시스템은 다양한 설비분야에서 활용되는 이젝터11,12,13)의 작동원리를 주방후드용으로 개발한 것으로써 주방후드용 기류유인 덕트 시스템(IADK : Inducing Airflow Duct system for Kitchen hood)으로 명명한다.
	에어커튼과 라인 디퓨저를 이용해서 주상복합 건물의 냄새확산을 방지하고자 할 때 문제점은 무엇인가?	(2007)9)은 초고층 주상복합 건물의 냄새확산 방지를 위한 주방 후드 개선 및 강력 배기 시스템으로 에어커튼과 라인 디퓨저를 제안하였다. 하지만 덕트와 송풍기의 추가적 설치가 필요하다. Jeong et al.
	AI-LEV의 한계는 무엇인가?	AI-LEV는 작업 공간의 상부 오염물질을 배기구의 이중 덕트를 이용해 유인하여 배출하는 원리이다. 그러나 AI-LEV는 외기와 직접 면하여 배출하는 시스템이므로 공동주택과 같이 주방과 외기 사이 유틸리티 공간이 존재하는 곳에 적용하기에 무리가 있다.

참고문헌 (17)

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Young, D. F., Brief introduction to fluid mechanics, 5th edition, wiley, 2013.
Choi, S. H. and Lee, G. T., An Experimental Study on the Kitchen Ventilation System Effectiveness by Character of Static Pressure Loss of Each System Component in Apartment Building, Architectural Institute Of Korea, Vol. 28, No. 3, pp. 269-276, 2012.
Hongqiang, W. and Liu, B. H., and Yanxia, Numerical Investigation of the Influences of Mixing Chamber Geometries on Steam Ejector Performance, Elesevier, Desalination No. 353, 2014.
KIMO Debimo Blade Manual, http://www.kimocorea.com

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