“바이오연료”… 난방시스템 디자인 설계

[디지털비즈온 김맹근 기자] 전 세계 경제성장 정책으로 인한 자원 고갈과 무분별한 화석연료 연소 및 활용에 의한 환경오염문제로 기후변화가 매우 심각해지고 있는 상황이며, 특히 막대한 에너지 자원 대부분을 수입에 의존하고 있는 우리나라는 기존 연료를 대체 할 수 있는 에너지 개발과 수급 방법에 대한 고민을 더 이상 미룰 수 없는 상황에 직면했다.

난방장치 설계 방법

식물성 유지의 대표적인 폐식용유는 수분함량이 다소 높고, 인화점과 점도가 높은 특징으로 인해, 연소시 착화가 어렵고 노즐로 연소 분사시 막힘 현상 등이 다양한 문제점이 존재한다. 특히 기존의 방법으로 연소할 경우, 연소효율이 낮아 유해물질(타르, NOx, TSP 등) 발생량이 높을 수 있다.

반면, 온도가 100℃ 이상의 조건에서 점도가 경유와 유사하여, 온도 조건 조절을 통해 연료의 공급과 인화점 문제를 해결할 수 있다. 이에 폐식용유 등의 동식물성 유지를 효율적으로 연소시킬 수 있는 열재순환 기법을 적용한 연소기관으로 설계를 진행한다.

원적외선 난방시스템 설계 및 개발

원적외선 히터는 연소기관에서 발생한 열기와 뜨거운 바람이 세라믹 코팅이 된 튜브를 통과하면서 열을 방사하는 방식의 난방기로 등유와 경유를 사용해 실내 난방을 목적으로 한다. 폐식용유 등의 동식물성 유지를 직접 연소시킨 난방시스템을 설계한다.

방열 방식은 복사열을 이용하는 방사식으로서 단 방향으로 열을 방사하는 단면 방 사식을 선정하였다. 연소에 필요한 공기는 배기 연통의 설치와 제품 이동의 편의성을 고려하여 연소용 공기를 옥내에서 흡입하여 연소배가스를 옥내로 배출하는 개방식으로 설계 하였다. 또한 히터는 운반, 설치, 운전 등을 할 때를 고려하여 충분한 강도와 안정성을 갖도록 설계하였다.

난방시스템의 작동 프로세스는 먼저 연료탱크에 저장된 폐식용유를 펌프 압력을 통해 연소실로 주입하며, 동시에 송풍팬으로부터 연소실로의 공기를 주입한다. 연소실 내 주입된 연료를 세라믹 심지로 점화 시키며, 이후 주입된 공기로 공연비를 조정하게 된다.

설계구조의 문제 인식을 통한 원적외선 히터의 구조의 원인을 분석(DISCOVER)하고 문제를 정의(DEFINE)하였다. 진단(DIGNOSE)한 내용은 시스템 내부에 낭비되는 공간을 재설정하여 크기를 조정하고 낭비된 공간을 재배치하고 심미성을 높이기 위해 모서리 부분에 알루미늄 곡선 프로파일 링을 통해 곡면 디자인을 도출하였다.

바이오연료의 손쉬운 주입 및 청소와 연소장치 유지보수를 편리성과 사용성의 측면에서 향상시켰으며 전면부에 원적외선 난방기의 기본적인 기능을 구현하여 소비자들의 사용성을 극대화하였다. 시각적으로 노출되는 부분인 내부 연소통 및 배관들의 색상을 검정색으로 착색하여 열로 발생되는 변색에 대비하도록 디자인하였다.

또한 각 장치 모듈 및 전자회로, 연료통은 최대한 가려 제품을 사용하는 사람들의 시각적 불편함을 해소시키는 디자인을 완성하였다.

열풍기 시스템 설계 및 개발

열풍기는 야외 등의 넓은 공간에 뜨거운 바람을 공급하는 난방기기이다. 발열량이 높아 넓은 곳의 난방에 효율적이며, 건조 효과도 가지고 있으므로 난방과 건조 기능을 동시에 필요로 하는 산업 또는 난로를 설치하기 어려운 화원, 농장 등의 장소에서 주로 사용된다. 폐식용유의 고효율 연소 성능을 확인하고 상용화 가능여부를 확인하기 위해 열풍기를 제작 하였다.

열풍기는 기존의 등유 히터의 제트분사 방식을 차용하여 연소기관에서 발생한 열기와 가스로 직접열을 방사하는 방식의 구조로 설계하였다. 하단의 연소기에서 발생한 열기와 가스가 수직으로 상승하면서 본체 내부에 위치한 내관을 따라 히터의 전면으로 배출하도로록 구성하였다.

열풍기의 작동 프로세스는 하단의 연소기에서 발생한 열기와 가스가 본체 내부에 위치한 내관을 따라 히터의 전면 방향으로 배출된다. 동시에 본체 외관에 위치한 냉각팬을 통해 주입된 공기가 연소기에서 발생한 열을 히터의 배출구로 전달한다.

결론적으로 바이오연료(폐식용유)를 연소장치에 직접 투입하여 난방이 가능한 난방시스템(원적외선 히터, 농업용 열풍기)을 확인하였다. 프로세스 디자인 설계를 통해 사용자 중심의 편의성 개선과 최적화를 수행한다. 이글은 한국유체기계학회 논문집(제26권, 제1호, 2023)에 따른 기사로 인용한 내용이다.