[논문]가정용 가스레인지 열효율과 배출성능에 미치는 설계 인자에 관한 실험적 연구

최인찬; 송도현; 양시진; 이기만

문제 정의

본 연구는 지역 업체로부터 가정용 가스레인지 신규 사업 참여 일환으로 본 대학과의 산학과제로 의뢰되어 개발에 필요한 설계 용역에 관한 연구로서, 가스레인지에 성능에 미치는 인자를 선행적으로 파악하고자, 현재 시중에서 시판되고 있는 가스레인지를 임의로 선정하여 연구를 수행하였다. 따라서 가정용 가스레인지 설계에서 고려될 수 있는 성능 인자들이 열효율과 연소 배기가스 배출성능에 미치는 영향을 선 파악하여 개발에 필요한 정보를 제공하고자 한다. 이를 위해 성능인자로 공급되는 가스 공급 압력, 연료 분사노즐의 위치와 받침대 높이 변화에 따른 열효율을 측정하고, 배기가스 분석기로 연소 배출 특성을 파악하여 가스레인지에 성능에 미치는 설계 인자들의 영향을 파악하였다.
본 연구는 지역 업체로부터 가정용 가스레인지 신규 사업 참여 일환으로 본 대학과의 산학과제로 의뢰되어 개발에 필요한 설계 용역에 관한 연구로서, 가스레인지에 성능에 미치는 인자를 선행적으로 파악하고자, 현재 시중에서 시판되고 있는 가스레인지를 임의로 선정하여 연구를 수행하였다. 따라서 가정용 가스레인지 설계에서 고려될 수 있는 성능 인자들이 열효율과 연소 배기가스 배출성능에 미치는 영향을 선 파악하여 개발에 필요한 정보를 제공하고자 한다.

제안 방법

가정용 가스레인지의 열효율과 연소 배출성능에 미치는 설계 인자에 대한 특성을 파악하기 위하여 주요 변수로 버너의 크기, 유입 가스의 압력, 연료노즐의 위치, 적재 높이 등에 따른 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
노즐의 분사 거리는 1차 공기의 유입량을 조절하는 중요한 인자로서 그 특성을 파악하기 위하여 실험은 소 버너(58mm)로 진행하였는데, 혼합 관 입구로부터 분사 노즐 위치까지의 길이(L_n)가 변화한 경우 열효율과 배기가스 배출량을 측정하여 혼합 관 입구부터 벤츄리 목까지의 거리(L_d)로 무차원하여 그 결과를 Fig.6에 나타내었다.
버너는 벤츄리 형상의 혼합 관(mixing tube) 헤더 직경 크기에 따라 3가지 종류를 사용하였으며, 100mm 구경의 대 버너에 대해서는 Fig.2와 같이 일반 캡과 이중 캡을 사용하여 결과를 비교했다. 가스노즐의 거리는 혼합 관 입구부터 연료 분사 노즐까지의 거리(Ln)를 혼합 관 입구에서 벤츄리 목(throat)까지의 거리(Ld)로 나누어 수치를 무차원화시켰으며, 열효율은 KS B 8114에 의거하여 산출하였는데 다음과 같은 식으로 계산된다.
실험에 사용된 가스레인지는 상용 LPG 가스를 연료로 사용하는 시판 중인 모 제조사의 가정용 가스레인지를 선정하였다. 열효율을 측정하기 위해 KS 규격 냄비는 버너크기에 따른 가스소비량 별로 각각 준비하였으며, 연소 시 발생되는 배기가스 배출성능을 측정하기 위하여 NDIR 방식의 독일산 배기가스 분석기(MGA5)를 사용하였다.
따라서 가정용 가스레인지 설계에서 고려될 수 있는 성능 인자들이 열효율과 연소 배기가스 배출성능에 미치는 영향을 선 파악하여 개발에 필요한 정보를 제공하고자 한다. 이를 위해 성능인자로 공급되는 가스 공급 압력, 연료 분사노즐의 위치와 받침대 높이 변화에 따른 열효율을 측정하고, 배기가스 분석기로 연소 배출 특성을 파악하여 가스레인지에 성능에 미치는 설계 인자들의 영향을 파악하였다.
캡의 형상에 따른 열효율과 배기가스 특성을 알아보기 위해 Fig.2에 나타낸 단일 캡과 이중 캡의 대버너(100mm)를 통해 실험을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

2는 실험에 사용된 대 버너 성능에서 열효율 향상 목적으로 구성된 단일 버너 캡과 이중 버너 캡의 형상을 보여주고 있다. 실험에 사용된 가스레인지는 상용 LPG 가스를 연료로 사용하는 시판 중인 모 제조사의 가정용 가스레인지를 선정하였다. 열효율을 측정하기 위해 KS 규격 냄비는 버너크기에 따른 가스소비량 별로 각각 준비하였으며, 연소 시 발생되는 배기가스 배출성능을 측정하기 위하여 NDIR 방식의 독일산 배기가스 분석기(MGA5)를 사용하였다.
본 실험의 방법은 KS B 8101(연소기기의 시험방법)에 의거하여 실험을 수행하였으며, 표1은 이에 따른 상세한 실험 조건을 나타낸다. 연료는 상용 LPG 가스를 사용하였으며, 가스의 유량을 조절하기 위하여 습식 가스미터(wet gas meter)와 액주계(manometer)를 사용하였고, 유량 검정을 위하여 버블미터(bubble meter)를 사용하였다.

이론/모형

가스레인지 성능에 영향을 주는 인자를 파악하고자 KS 규격에 따라 실험을 수행하였으며, 가스레인지의 열효율과 배기가스 측정을 위한 실험장치를 Fig.1에 나타내었다. Fig.
본 실험의 방법은 KS B 8101(연소기기의 시험방법)에 의거하여 실험을 수행하였으며, 표1은 이에 따른 상세한 실험 조건을 나타낸다. 연료는 상용 LPG 가스를 사용하였으며, 가스의 유량을 조절하기 위하여 습식 가스미터(wet gas meter)와 액주계(manometer)를 사용하였고, 유량 검정을 위하여 버블미터(bubble meter)를 사용하였다.

성능/효과

1) 연료 가스 공급 압력을 2.3kPa부터 3.3kPa로 증가함에 따라 전반적으로 열효율은 소폭 상승하는 경향을 보이고, 배기가스 배출량은 거의 변화가 없음을 확인했다. 다른 경향을 보인 대 버너에 대한 분석은 추후 연구를 필요로 하였다.
2) 적재 높이를 12mm에서 24mm까지 변화함에 따른 열효율과 연소 배출성능 모두에서는 감소하는 경향이 있음을 확인하였다.
3) 혼합 관 입구로부터 연료 분사 노즐까지의 거리가 증가함에 따라 열효율과 배기가스 성능이 증가하는 경향을 보이지만 일정 거리 이상이 되면 다시 감소되는 것으로 나타나, 최적의 분사 노즐 위치가 존재함을 확인하였다.
4) 대 버너에서 이중 캡이 단일 캡에 비해 열효율이 더 높지만 CO의 배출량은 약간 증가하는 것으로 확인되었다.
또한 적재높이의 증가에 따라 배기가스 배출량의 감소를 확인할 수 있었는데, 이는 적재 높이의 증가에 따라 2차 공기 접촉면의 증가로 인해 버너에서의 연소가 더 잘 이루어지는 것으로 판단된다.
혼합 관 입구로부터 분사 노즐의 위치가 증가함에 따라 열효율이 증가하는 추세를 보이고 있으나, 일정 거리 이상이 되면 다시 감소하는 추세를 보이고 있다. 배기가스 배출량 또한 혼합 관 입구로부터 노즐 위치가 증가함에 따라 CO의 양은 감소하지만 일정 거리 이상이 되면 다시 증가하는 경향으로 나타났다. 이는 혼합 관 입구로부터 분사 노즐의 거리가 증가함에 따른 연료 분사 속도에 의한 1차 공기 흡입량이 늘어나 열효율과 배기가스 성능을 높인 것으로 판단되며, 일정거리 이상에는 오히려 열효율과 배출성능을 저하시키는 것으로 확인되어 이 경우에서도 최적화된 분사 위치가 존재함을 알 수 있다.
연료가스 공급 압력이 증가함에 따라 중 버너와 소 버너에서는 열효율이 소폭 상승하는 경향을 보였으나, 일정 압력 이후부터는 약간씩 감소하는 추세를 보였다. 이에 따른 배출성능의 주요 지수인 일산화탄소(CO)의 배출량은 가스 압력의 증가에 따라 큰 차이를 보이지 않았다.
이에 따른 배출성능의 주요 지수인 일산화탄소(CO)의 배출량은 가스 압력의 증가에 따라 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 공급가스 압력 증가에 따른 유량 증가로도 연소 상태가 양호하게 이루어지는 것으로 판단되나, 일정 이상의 유량에서는 오히려 열효율이 약간 저하되는 것으로 나타났다.
5는 가스레인지의 버너 삼발이 높이에 해당되는 적재 높이의 변화에 따른 열효율 및 배기가스 배출성능을 보여주고 있다. 적재 높이가 증가함에 따라 일정 높이까지는 열효율 차이가 미비하나 일정 높이 이상에서는 열효율이 감소하는 경향을 보임으로써 최적화된 높이가 존재함을 암시하고 있다. 따라서 일정 높이 이상에서는 용기와 버너 화구와의 간격 증가에 따른 열전달률 감소가 예상된다.

후속연구

반면에 대 버너에서는 중 버너와 소 버너와는 달리 열효율이 계속 감소하는 경향을 나타내었고, 이에 따라 CO의 배출량 또한 증가하고 일정 압력 이후에는 소폭 감소하는 경향을 보였는데 대 버너의 이러한 경향에 대해서는 추후 연구를 통해 원인을 분석할 예정이다.

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