2.1 히팅 모듈 분석 설계 및 제작

국가 정책상 이산화탄소 저감을 위해, 가스보일러는 일반타입 보일러에서 콘덴싱타입 보일러로 전환하기 위해 정부차원 및 지자체 차원에서 보조금을 지급하여 확대 보급을 위해 노력하고 있다. 이는 한계가 있으며, 최종적으로는 연소에 의한 가스보일러를 전기보일러로 전환하는 것이 좋을 것으로 판단하고 있다. 이에 본 논문에서는 일반적인 전기보일러의 히팅 모듈에 대한 부분을 분석하고 이에 대한 대안을 반영한 새로운 히팅 모듈에 대해 제안하고, 실제 제작, 적용 실험결과에 대하여 논하였다. Fig. 1은 일반타입 가스보일러와 이산화탄소 저감을 고려한 콘덴싱타입 가스보일러의 주요 블록도를 보여 주고 있다^{[1, 2]}. Fig. 1에서 보듯이, 콘덴싱 보일러의 주요 블록은 급탕교환기, 삼방밸브, 순환펌프, 팽창탱크, 또는 물탱크, 점화를 위한 송풍기, 가스밸브, 점화트랜스, 이를 이용해서 열을 발생시키는 버너, 화염감지기, 현열 열교환기, 잠열 열교환기로 구성되고, 크게 차이 나는 부분은 콘덴싱 가스보일러는 잠열 교환기를 사용하여 충분한 열 교환을 통해 열효율을 증대하여 효율 등이 일반 보일러 대비 16%이상 에너지 절감이 되는 반면 콘덴싱 효과인 응축에 의한 응축수가 발생하고 응축수가 많을수록 절감되는 비용도 높아지나, 가스를 이용한 버너를 사용하기 때문에 이산화탄소가 항상 발생하는 단점이 있다. 이를 개선하기 위해서는 전기를 이용한 가열 시스템으로 Fig. 2는 전기보일러와 콘덴싱타입 가스보일러의 주요 블록도를 보여주고 있다^[3-5]. 콘덴싱타입 가스보일러는 버너와 현열교환기, 잠열교환기로 구성되어 있고, 원료로는 가스와 전기를 사용하나, 전기보일러는 관체(물탱크)와 히터, 전력 스위칭 소자로 구성되어 있고, 원료로는 전기만을 사용하는 것이 차이가 있으며, Fig. 2에서 보듯이 큰 차이점은 환경오염이 발생하는 버너를 사용하여 온수를 제공하는 가스보일러와 대조적으로 전기보일러는 히터를 사용하여 온수를 제공하는 구조로 되어 있음을 알 수 있다.

Fig. 3은 실제 콘덴싱타입 가스보일러^[3]와 전기보일러의 내부 구조를 보여 주고 있다. Fig. 3에서 보듯이 가스보일러는 가스를 사용하여 버너에 의해 열을 발생하고 전기보일러는 전기를 사용하여 히팅 모듈에 의해 열을 발생하게 된다. 일반적으로 전기보일러의 전기 히팅 모듈은 히터(시지)를 물탱크 내에 삽입되어진 구조를 가지며, 물과 직접적으로 접촉하여 물을 가열하게 된다. 이는 물과 히터가 직접 접촉 등에 의한 산화 부식 발생과 물에 의한 이물질 발생 등의 문제가 지속적으로 발생되어 현재 유리관(석영) 히터를 사용하는 제품들도 꾸준히 출시(연구)되고 있다. Fig. 4는 전기보일러의 전기 히팅(가열) 모듈을 보여주고 있다^{[6, 8]}. Fig. 4에서 보듯이 크게 직접 물과 접촉하여 가열하는 접촉식 전기 히팅(가열) 모듈과 물과 간접 접촉에 의한 비접촉식 전기 히팅(가열) 모듈로 구분할 수 있다. 여기서 접촉식 전기 히팅(가열) 모듈인 시지히터는 물에 의한 부식과 이물질 발생과 비접촉식 전기 히팅(가열) 모듈인 유리관 히터는 나노 발열체를 유리관에 도포 코팅하여 발열하는 히터로 충격에 의한 유리 파손, 비접촉식 전기 히팅(가열) 모듈인 세라믹(PTC) 히터도 세라믹 재질에 의한 충격파에 의한 세라믹 파손 등의 단점이 있다. 이에 본 논문에서는 비접촉식 전기 히팅(가열) 모듈인 면상발열체를 이용하여 물탱크 구조에 맞게 기구적인 제작이 용이하고, 충격에 의한 파손이 적은 면상발열체를 적용한 비접촉 히팅(가열) 모듈을 제안하여 설계, 제작, 적용 시험을 행하였다. Fig. 5는 제안한 면상발열체를 적용한 비접촉 히팅 모듈 구조를 물탱크 구조에 맞게 알루미늄(Al) 재질을 갖는 구조에 제안한 면상발열체를 적용한 비접촉 히팅 모듈을 보여 주고 있다. Fig. 5에서 보듯이 제안한 면상발열체가 물탱크 구조에 맞게 일체화될 수 있게 제안하여 설계, 제작하였다. 제안한 면상발열체는 크게 3개로 구성되게 제안하여 전기보일러의 용량별 제품에 맞게 사용 개수 조절이 가능하도록 하였으며, 제안한 면상발열체가 물탱크 구조에 맞게 기구를 배치하였으며, 물탱크의 재질은 알루미늄(Al)을 사용하여 비접촉 히팅 모듈로 구성하였고, 시험을 위해 온도 센서를 히팅 모듈 표면에 취부하여 온도를 측정하였다.

Fig. 1. The main block diagram of gas boiler

Fig. 2. The block diagram of bas and electric boiler

Fig. 3. The internal structure of gas and electric boiler

Fig. 4. Eletric heating module of electric boiler (Contact, Contactless)

Fig. 5. The proposed contactless heating module(Aluminum)

2.2 제안한 히팅 모듈 시제품 및 시험

Fig. 6은 제안한 비접촉 히팅 모듈의 시제품을 보여주고 있다. Fig. 6에서 보듯이 Fig. 5에서의 제안한 면상발열체를 적용한 비접촉 히팅 모듈을 실제 입력 전압 변동 및 유량 별 온도 변화 시험 등을 진행하였다.

Fig. 7은 제안한 면상발열체에 특정 전압과 제안한 비접촉 히팅 모듈에 특정 유량에 대한 온도 특성값을 보여 주고 있다. Fig. 7에서 보듯이 제안 면상발열체를 포함하는 알루미늄(Al) 재질의 비접촉 히팅 모듈 기구의 표면 8포인트에 온도 변화에 대한 측정을 진행하여, 히팅 모듈의 입수부와 출수부 2포인트와 비접촉 히팅 모듈 표면 온도 6 포인트로 총 8개 포인트의 온도로, 제안한 면상발열체의 입력전압을 190V와 제안한 히팅 모듈의 입수부의 유량을 10LPM으로 고정하였을 경우 제안한 비접촉 히팅 모듈의 표면온도는 입수부 28.1도, 출수부 33.9도, 히팅 모듈 표면의 온도는 30.4도, 38.6도, 43.6도, 48.0도, 54.0도, 43.4도를 최대 표면 온도는 54.0도 임을 알 수 있었다. 또한, 알루미늄 재질 표면 최대 온도인 54.0도인 경우, 면상발열체 온도는 150도로 100도 정도 차이가 있음을 알 수 있었다.

Fig. 8은 제안한 면상 발열체의 입력 전압의 변동에 대한 비접촉 히팅 모듈의 온도 시험을 보여 주고 있다.

Fig. 8에서 보듯이 비접촉 히팅 모듈의 유량을 10LPM으로 고정하고, 면상 발열체의 입력전압을 110V, 130V, 160V, 190V로 가변 하였을 경우에 대한 열화상 카메라를 사용한 온도 특성을 보여 주고 있다. 이는 입력 전압을 증가하면 온도는 증가하는 경향을 알 수 있었으며, 입력 전압 190V이고, 유량이 10LPM인 경우, Fig. 7과 Fig. 8에서 보듯이 같은 경향의 결과가 도출되는 것을 알 수 있다. Fig. 9는 제안한 면상 발열체를 적용한 비접촉 히팅 모듈에 입수부와 출수부의 유량 변동에 대한 비접촉 히팅 모듈의 온도 시험을 보여 주고 있다. Fig. 9에서 보듯이 제안한 면상 발열체의 입력 전압을 250V로 고정하고, 비접촉 히팅 모듈의 유량을 10LPM, 8LPM, 6LPM, 4LPM으로 가변 하였을 경우에 대한 열화상 카메라를 사용한 온도 특성을 보여 주고 있다. 이는 유량을 감소하면 온도는 증가하는 경향을 알 수 있었으며, 입력 전압 250V이고, 유량이 10LPM인 경우도 제안한 면상발열체를 포함한 알루미늄 재질을 갖는 비접촉 히팅 모듈에 적용 가능하다는 것을 알 수 있다. 이는 입력전압 190V에서 250V와 유량 4LPM에서 10LPM에서 사용 가능하다는 것을 확인하였다.

Fig. 10은 제안한 비접촉 히팅 모듈을 적용한 전기보일러의 시제품을 보여 주고 있다. Fig. 10에서 보듯이 제안한 비접촉 히팅 모듈을 기존 시지히터를 포함하는 물탱크 구조에 맞게 기구적으로 취부 되고 여러 전기 부품들과 부합되게 접속 가능한 것을 확인되어, 제안한 비접촉 히팅 모듈이 전기보일러에 적용 가능하다는 것을 알 수 있다. 향후, 비접촉 히팅 모듈을 원가 등으로 고려하여 기구적인 재질을 알루미늄(Al) 재질에서 사출 재질로 변경하는 것으로도 고려해 볼 필요는 있을 것으로 생각된다.

Fig. 6. The prototype of proposed contactless heating module

Fig. 7. The contactless heating module surface temperature experiment(Al material, 190V, 10LPM)

Fig. 8. The temperature characteristic by voltage fluctuation

Fig. 9. The temperature characteristic due to flow fluctuation

Fig. 10. The actual electric boiler prototype using the proposed contactless heating module