[특별기고] 유도가열방식 고효율 콘택터 열교환기 기술

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[특별기고] 유도가열방식 고효율 콘택터 열교환기 기술

2008년 5월 2일 (금) 23:48:00 | 지면 발행 ( 2008년 4월호 - 전체 보기 )

유도가열방식 고효율 콘택터 열교환기 기술 한국기계연구원 지능형생산시스템 연구본부_박희창 책임연구원 윤동원 선임연구원 (042)868-7611 / hcpark@kimm.re.kr 1. 개요 석유자원의 고갈과 고유가 시대를 맞이하여 고효율 전열기술 개발을 통한 에너지 절약이 절실해지고 있으며, 기존 화석연료 시스템을 교체하여 '교토기후협약'에 의한 CO2 방출을 줄임으로써(선진국 기준 2012년까지 평균 5.2% 이상) 환경파괴를 막기 위한 요구가 증대되고 있다. 전기 가열은 기존 화석연료를 이용한 가열에 비하여 배출가스가 없으며 밀폐, 보온성이 좋아 열효율이 좋다는 장점이 있다. 특히 유도가열의 경우에는 피가열물 자체에서 열을 발생시키므로 열효율이 좋고 온도상승 속도가 빠르며 균일가열도 쉽게 할 수 있다. 유도가열기술은 19세기 후반에 개발된 기술로 20세기 초에는 금속 용해나 담금질이 주된 용도였지만, 최근에는 에너지 절약 효과가 뛰어나기 때문에 여러 산업 현장뿐만 아니라 정보 처리 기기에도 널리 사용된다. 고효율 유도가열방식 콘택터 열교환기(DPH : Dual Packs Heater)는 다양한 산업분야의 열교환기로 적용 가능하며 과열증기 발생장치를 통한 건조기, 조리시스템 등에 적용할 수 있다. 뿐만 아니라 향후 1,200℃급 초고온 열교환기가 개발되면 각종 폐기물의 탄화, 탈취 등에 활용하여 그 분야에서 에너지 절약 효과도 기대할 수 있다. 콘택터 열교환기는 복잡한 구조를 갖는 규칙 충진물을 발열체로 사용하는데, 매우 큰 열 교환 표면적을 갖기 때문에 단위면적당 전열면적이 넓다. 이에 따라 유체와의 접촉 면적도 넓기 때문에 열 교환 효율도 매우 높다고 할 수 있다. 2. 원리 및 구조

유도가열(Induction Heating)이란 가열하고자 하는 강관 외부에 유도코일을 감고 교류전류를 흘릴 때 자속이 발생하는데, 이 자속의 변화에 의해 와전류(Eddy Current)가 강관 표면에 유도되어 강관의 전기 저항에 의해 줄열(Joule's Heat)이 발생하는 것이다.(<그림 1> 참조) 전기 등가회로는 2차측이 단락된 변압기의 원리이며 유도코일이 1차측, 강관이 2차측이 된다.(<그림 2> 참조)

시간에 따라 변화하는 교류 자기 플럭스가 통과하는 자성체에서 발생하는 열에는 히스테리시스(Hysteresis) 열과 와전류 열의 2가지 종류가 있다. 여기서 히스테리시스 열은 자계의 영향에 의한 것이다. 이 2가지 성분이 차지하는 비율은 자성체 재질과 온도, 입자 크기, 기본 치수(Base Dimension), 자속밀도, 주파수 변화에 따라 다르다. 열이 발생하여 모재의 온도가 올라가면 히스테리시스에 의한 열 발생도 줄어든다. 따라서 높은 자속밀도와 높은 주파수에서 가동하는 유도가열 히팅롤의 경우 히스테리시스에 의한 열 발생 영향은 고려하지 않아도 된다. 콘택터(Contactor)는 원래 석유화학 분야의 증류탑에서 두 가지 액체를 섞는 믹서의 용도로 사용하는 규칙 충진물을 의미하는 것으로, 정치형 혼합기 원리와 같다. 또한 그 구조는 두 액체를 흘려보내 난류(亂流)를 일으켜 별다른 동력을 사용하지 않고도 완벽한 혼합이 가능하도록 되어 있다.

유도가열방식 고효율 콘택터 열 교환 시스템은 이러한 석유화확 분야에서 사용되는 콘텍터를 자성체로 개량하여, 유도가열 발열체로 사용하는 전자 유도가열 열 교환 시스템이다. 발열체로 사용하는 규칙 충진물은 <그림 3>과 같이 복잡한 구조를 한 SUS 계열 금속 등의 합금으로 두께가 1㎜ 이하의 박판 금속판을 다수 적층하여, 가열하고자 하는 액체나 기체를 발열체 사이에 통과시켜 순간적으로 가열해 원하는 목표치의 온도를 얻을 수 있는 구조다. 예를 들어 직경 100㎜, 높이 200㎜에 불과한 작은 크기의 발열체 표면적도 무려 22,000㎠나 되므로 같은 크기의 일반적 소재 원통형(628㎠)보다 35배 더 넓은 표면적을 갖게 된다. 그만큼 단위면적당 전열면적과 유체와의 접촉 면적이 넓어 열 교환 효율이 매우 높다고 할 수 있다. <그림 4>는 유도가열방식 콘택터 열교환기 구조를 나타낸 것이다.

3. 특징 및 효과 이 유도가열방식 DPH 열 교환 시스템은 외통과 가열부가 분리된 '비접촉 고효율 열 교환 시스템'으로서 최근 중시되고 있는 고효율 운전, 온도 속응성 및 상압에서의 가열 등의 조건에 부응한다. 따라서 이 시스템은 화학, 재료, 전자, 반도체, 기계, 환경, 식품, 제약 공업 등 다양한 분야에서 반응 및 분해, 결정화, 증류, 추출, 흡수, 건조, 흡착 등과 같은 여러 공정에서 활용될 수 있으며 에너지 절약, 효율 향상, 친환경, 고속화 등의 효과를 기대할 수 있다. 이 기술은 열원을 이용하는 거의 모든 산업분야에 폭넓게 적용 가능한 원천에 가까운 기술이기 때문에 에너지 변환의 고효율화에 의한 에너지 절약 및 기존 산업 생산품의 고품질화, 작업 환경의 획기적인 개선이 가능하다. 그리고 화석연료의 낮은 에너지 이용률(약 45%)과 대치하는 고효율 전열 시스템이기 때문에 각종 보일러, 과열증기렌지, 식품가공, 의료용 소독장치 등 친환경적이고 유지보수가 용이한 민생용 고효율 열에너지 발생 장치로 개발·활용이 가능하다. 또한 무산소 초고온가열 특성을 이용한 소각로시스템, 반도체 및 LCD 제조공정에서의 세정장비, 섬유 및 제지분야의 건조 공정, 약품제조 공정, 자동차 표면 도장 가열 장치 등 다양한 분야의 산업용 열에너지 발생장치로도 활용 가능하다. 한편 이 기술에 의한 과열증기 발생 장치의 경우에도 폭넓은 응용 발전성을 지니고 있다. 4. 기술 응용 및 개발 사례 앞서 서술한 바와 같이, DPH 기술은 열원을 사용하는 거의 모든 산업분야에서 고효율화에 의한 에너지 절약 및 고품질화, 작업환경 개선을 이룰 수 있는 원천기술로써, 한국기계연구원에서는 이 기술을 사용하여 다음과 같은 시제품을 개발하였다. ⑴ 유도가열방식 DPH 이용 산업용 가습기 기존의 산업용 가습기는 주로 항온항습실이나 초정밀 반도체 공장의 내부 환경제어를 위한 공조시스템에 사용되는데, 가습방식은 전극방식으로 물탱크 안에 전극을 삽입하여 물의 전기전도도를 이용해 물을 끓이는 원리다.

한편 <그림 5>는 이 개발 기술을 적용한 유도가열방식 가습기 시제품 사진이다. 수위센서를 별도로 장착하여 통 안에 물이 없을 때는 통전되지 않도록 안전에 대비하였다. 특성시험 결과, 전극식 방식인 기존 제품은 자체 매뉴얼에도 명시된 바와 같이 약 93%의 에너지 효율이 나타난 데 반해, DPH 제품의 경우에는 에너지 효율이 최소 95%에서 최고 98%까지 나타났다. ⑵ 산업용 온풍기 기존 산업용 공기 청정 및 항온항습실용 온풍기는 보일러로 열매(熱媒)를 가열하거나 스팀을 생성하여 배관을 통해 이 열매를 열교환기에 투입하고 대형 블로어(Blower)로 열풍을 만드는 방식이다.

반면 DPH 방식 온풍기는 기존의 온풍기에 비해 보일러와 같은 부대설비와 배관 등이 필요가 없으며 <그림 6>과 같이 매우 간단하게 구성할 수 있다. ⑶ 과열증기 발생 장치

과열증기는 섬유나 제지의 건조공정이나 폐기물 건조, 조리, 살균 등에 활용되는 신기술 분야로 최근 그 응용 범위가 날로 다양해지고 있다. 유도가열방식 과열증기 발생 장치는 <그림 7>과 같이 DPH를 2단으로 사용한다. 수직 장착된 1차 DPH 가열부는 5㎾ 용량으로 단순하게 물만 가열하여 100℃의 증기를 발생시킨다. 이 증기는 단열처리된 배관을 통하여 수평 장착된 용량 5㎾의 2차 DPH 가열부를 통과하면서 추가 가열되어 온도 250℃의 습공기인 과열증기로 바뀌어 출구로 배출된다. 이 장치는 과열증기 온도를 약 1℃의 오차로 제어할 수 있다. ⑷ 과열증기 이용 의료용 소독기

과열증기를 이용한 의료기기 소독용 소독기 시제품을 설계겵╂徘臼눼? 이것은 기존 소독기 챔버(Chamber)와 같은 형상을 하고 있는데, 윗부분의 챔버에는 소독하는 의료용 기기들을 넣도록 하였으며 하부에는 각각 용량 5㎾의 DPH 2개를 장착하였다.(<그림 8> 참조) 앞서 언급한 과열 증기 발생 장치와 동일한 구조를 갖고 있으며, 상부 챔버로 투입되는 과열증기 온도는 400℃를 목표로 하였다. ⑸ 핫프레스(Hot Press) 열교환기 반도체 기판 제조용 핫프레스는 대개 6단 또는 10단 등 복수의 단이 동시에 사용되므로, 보통 10만 kcal 이상 용량의 보일러가 사용된다. 따라서 생산량을 증가시키기 위해 단을 올리면 그에 따라 보일러 용량을 증가시키거나 온도 상승 시간을 단축시켜 생산량을 늘리게 된다. 반도체 기판 제조용 핫프레스에서 이런 보일러 용량 문제를 해결하기 위해, 용량을 증가시키기 위한 보조 장치로 기존 보일러 설비의 출력 측에 유도가열방식 가열기를 삽입하는 시스템을 고안하였다.

<그림 9>는 이 유도가열방식 열매체 가열기의 시험 장치를 나타낸 것이고, <그림 10>은 여기에 삽입된 열매체 가열기 모습을 나타낸 것이다. 기존 보일러 설비에 5㎾급 용량 간단하게 추가할 수 있으며, 가열기도 핀 구조로 되어 있어 유체 흐름에 방해되지 않는다.

5. 향후 과제 이 기술 개발을 통하여 유도가열방식 콘택터 열교환기의 개념을 정립하고 이 방식을 통한 열교환기의 고효율화를 위한 원천 기술을 파악할 수 있었다. 또한 핵심부품인 규칙 충진물(콘택터)을 임의 크기로 양산할 수 있는 제작 기술을 확보하였다. 다양한 소재의 외통 시제품을 제작하여 온도 범위에 따른 적정 소재를 파악하였으며, 충진물의 공기압 특성과 온도 특성을 시험하였다. 또한 DPH의 고효율 구동을 위한 공진인버터 기술을 개발하고 실제 이 기술을 응용한 과열증기 발생 장치, 산업용 가습기, 산업용 온풍기, 의료기기용 소독기 등의 시제품을 설계 제작하여 특성 시험을 통해 에너지 절약 효과를 확인할 수 있었다. 이 장치들은 현재 특허출원상태며 관련 업체와 함께 시장을 개척할 예정이다. 하지만 한 가지 어려운 점은 외통의 재질에 관한 것으로, 100℃ 이하의 경우에는 테프론 재질로 쉽게 가능했지만 그 이상의 온도에서는 무조건 세라믹 재질의 외통을 사용해야 했다는 점이다. 세라믹 소재는 원하는 형태로 구하기 어려울 뿐 아니라 가공도 어렵고 가격도 매우 비싸다는 단점이 있다. 향후 더 많은 연구를 통해 저렴하면서 제작이 쉬운 외통재료에 대한 기술을 획득해야 할 것이다. 이 개발 기술은 원천기술로 많은 분야에 응용할 수 있겠지만, 그 중 가장 먼저 상용화할 수 있을 것으로 기대되는 분야에 먼저 적용 시험해 보았다. 앞으로도 새로운 아이디어만 있다면 이 기술을 적용하기에 어려움이 없을 것으로 예측되며 더 다양한 분야에 적용될 것으로 본다.