1. 서 론

최근 소비자들이 요리할 때 사용하는 레인지 제품에 대한 관심이 늘고 있다. 레인지 종류별 특성을 살펴보면, 인덕션 레인지는 자기장을 이용하여 전기 유도 물질로 만들어진 용기와 반응시켜 열을 발생시킨다. 전용 용기를 사용해야 하는 단점이 있지만, 유해가스가 발생하지 않고 화재 위험 요소가 적다. 전기 레인지의 경우 열선 가열 방식으로 인덕션 레인지와 마차간지로 유해 가스가 발생하지 않으나, 누진세로 인해 전기요금이 많이 나오는 단점이 있다. 마지막으로 가스 레인지의 경우 연료(LNG, LPG) 유지비가 앞 선 두 가지 타입보다 싸고 용기의 제약은 없지만, 화재의 위험성 및 유해가스 발생으로 인해 최근 소비자들이 기피하는 경향이 있다. 하지만 국내에서 가스 연료 공급의 용이성과 제품의 가격경쟁력 때문에 여전히 많이 구매하고 있으며, 최근 가스 제품의 유해물질에 대한 연구가 지속적으로 늘면서 기본적인 메커니즘 및 유해물질을 최소화 방법에 대해 연구되고 있다.

연소 분야에서 친환경과 효율 향상은 지금껏 화두가 되고 있으며, 최근 주방 가전제품의 발달 및 일과 삶의 균형(Work and life balance) 측면에서 가정에서 보내는 시간이 늘어남으로써 가스레인지의 사용이 점점 증가하고 있는 추세이다. 또한 우리나라의 경우 미세먼지 이슈로 인해 실내 공기 오염에 대한 관심이 크게 증가하고, 오염원인 중 하나로 주방 가전 제품을 추정하고 있으나, 가스 버너 및 레인지에 관한 연구[1]는 많이 부족한 상황이다.

북미에서 일반적으로 사용되는 가스 오븐 레인지와 쿡탑부에서 가장 열량이 큰 버너로 많이 사용되는 ‘싱글’ 버너와 ‘더블’ 버너의 화염 사진을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.

Pictures of gas range and single/double cooktop burners (top view).

본 연구에서는 더블버너의 열효율 향상을 위해 내부화염의 안정화 및 CO 배출에 영향을 미치는 인자를 도출하고 메커니즘을 규명하고, 친환경, 고효율 가스 쿡탑 더블 버너를 개발하는데 기초 자료를 제시하고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1. 실험장치

본 연구에 사용된 버너 시스템 개략도를 Fig. 2에 나타내었다. 국소 배기가스 농도 측정위치, 내부버너 캡에서 용기 바닥면까지 거리(H), 버너의 연료 및 1차/2차 공기 공급방식 등 버너 동작 원리를 Fig. 2(a)에 나타내었다. 버너는 내/외부 2개로 구성되어 있으며, 총 열량은 19,000 Btu/h로써 일정하다. Q_o/Q_i(열량비)는 내/외부 버너 공급 열량의 비로 정의하였다. 1차 공기는 연료분사 노즐 유동에 의한 압력차에 의해 이론 공기량의 약 60%가 연료와 함께 공급되며, 나머지 연소에 필요한 2차 공기는 상판 위에서 공급받게 된다. 양산품의 버너바디(#1)와 1차 및 2차 공기량를 추가로 확보하기 위해 개조한 버너바디(#2) 형상을 Fig. 2(b)에 나타내었다. 그리고 상판에서 유입된 2차 공기가 내부화염에 더 많이 공급되게 하고자 양산품 버너헤드(#1) 대비 유입면적(A₂)을 약 1.7배 넓힌 버너헤드(#2) 형상을 Fig. 2(c)에 나타내었으며, 화염구조 및 CO배출에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 버너의 염공 각도에 대한 그림을 Fig. 2(d)에 나타내었다. 본 연구에서는 버너의 주염공은 변화시키지 않고 보조염공의 각도만을 변화시켜 실험을 수행하였다.

Fig. 2.

Schematic of experimental parameters (a) sampling location of exhaust gas and operating principles (b) burner body type (c) burner head type (d) aux. flame hole angles of inner /outer burners.

배기가스 농도와 물 온도 측정 장치의 개략도를 Fig. 3에 나타내었다. 배기가스 측정은 Horiba社 VA-3000 모델을 사용하였으며, CO, O₂, CO₂, NO_X를 측정하였다.

Fig. 3.

Experimental apparatus to measure the concentration of exhaust gases and the water temperature in the pot.

연소장 조건에서의 속도/유동장 및 화염구조를 파악하기 위한 PIV, OH PLIF 레이저 측정 시스템 개략도를 Fig. 4에 나타내었다. PIV 측정은 펄스당 최대 에너지 200 mJ의 더블 펄스 Nd:YAG 레이저를 이용하였으며, 입자는 평균입경 20 µm의 산화알류미늄(Al₂O₃)을 사용하였다. OH PLIF측정에서는 Tunable 색소레이저를 이용하여 281 nm, 펄스당 5 mJ의 OH 여기 광원을 만들었다. 아울러, 광의 1%를 Dye cell로 반사시켜 레이저 파워에 대한 OH LIF 강도가 선형적인 범위에서 실험을 수행하였으며, 평면광을 통한 단면 이미지를 20장 평균하여 분석하였다. 색소레이저의 펌핑 광원인 Nd:YAG 레이저의 발진주기는 10 Hz이다.

Fig. 4.

Schematic of laser measurement systems of (a) PIV (velocity field) (b) OH PLIF (flame structure).

2.2. 실험방법

본 연구에서는, 열효율을 버너 스펙 열량에 대한 물의 온도상승에 사용된 열량의 비(ratio)로 아래와 같이 정의하였다.

버너 스펙 열량은 19,000 Btu/h, 물 질량 6 kg, 초온 20~25℃, 26.6℃에서 87.7℃까지 상승시킬 때 사용된 열량을 계산하였다. 이러한 조건들은 권위 있는 북미 제품 평가기관(CU: Consumer’s Union)의 물끓임 시간 측정 기준을 준용하였다. 열 부하에 따른 공급 열량감소 및 용기로의 열전달은 무시하였으며, 이들의 효과를 고려한 버너의 실제 열효율은 본 연구에서의 열효율 대비 5~10% 높을 것으로 예상된다. 버너 캡과 용기 바닥면 사이의 온도는 R-type 열전대를 사용하여 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

싱글/더블버너에 대한 열효율을 비교, 분석하고, 더블 버너의 내부화염이 불안정해지는 원인에 대해 3가지 가설을 설정하여 그 각각에 대해 고찰하였다.

3.1. 버너 타입에 따른 열효율 비교

현 수준 파악 측면에서, 당사에서 양산한 동일 열량의 싱글/더블 버너에서 버너 캡과 용기 바닥면 사이(해치한 영역)의 온도측정 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 싱글 버너의 경우 최고온도 700℃이상, 용기바닥면 근처 250~300℃ 수준으로, Fig. 5(b)에 나타낸 더블버너 대비 각각 150℃, 50℃ 높은 값을 가진다. 이는 일반적으로 더블버너의 경우 버너캡과 용기바닥까지의 거리가 멀고, 가까워 질수록 내부화염의 불안정성에 의해 CO배출이 급격히 증가하는 결과에 기인한 것이다. 식 (1)에서 정의한 열효율 기준으로, 실제 더블 버너의 열효율을 측정한 결과 싱글버너 대비 약 5% 낮은 값을 가짐을 확인하였다.

Fig. 5.

Temperature distribution at the central vertical plane between the bottom of pot and burner cap (a) single burner (b) double burner.

3.2. 더블 버너에서의 내부화염 안정성

더블 버너에서 열효율 및 배기가스 성능에 가장 중요한 인자인 H와 열량비에 따른 내부 화염의 안정화 맵을 Fig. 6에 나타내었다. 안정, 과도, 불안정 3개의 영역으로 구분하였으며, 점화 후 내부 버너의 염공에 화염이 부착되는 정도에 따라 판정하였다. 즉, 모든 염공에 화염이 부착되는 경우 “안정”, 일부 꺼지거나 날리는 경우 “과도”, 모든 염공에서 소염(Extinction)되는 경우 “불안정”으로 판정하였다. 내부화염의 안정성은 H에 지배적인 영향을 받는 것을 알 수 있는데, 이는 더블버너의 효율 향상과 trade-off 관계를 가지기에 내부화염 안정화 메커니즘을 규명하여 열효율을 향상시키는 것이 중요한 이슈라 하겠다.

Fig. 6.

Stability map of inner flame at the double burner as a function of height(H) and fuel ratio (Qo/Qi).

3.3. 압력효과가 내부화염 불안정에 미치는 영향

내부화염의 안정화를 도모하는 동시에 버너 열효율을 향상시키기 위해 3가지 가설을 설정하고 각각에 대해 고찰하였다. 첫째는, 내부화염과 용기 바닥 사이에 배기가스가 정체하여 압력(P1)이 외부 압력(P2)에 비해 높아져 화염이 불안정해 진다는 가설을 설정하였다[2]. 이를 검증하고자 Grate상단에 속이 비고 찬 2종류 파이프를 설치하여 열효율 및 CO를 측정한 결과를 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7.

(a) Top & Side views of pipes on grate and (b) pressure effect on thermal efficiency and CO emission characteristics.

파이프를 설치하지 않은 조건의 열효율은 34.5%, CO는 300 ppm 수준인데, 속이 빈 파이프를 설치한 경우, 열효율 3.5% 증가한 반면에 CO농도 또한 오히려 100~150 ppm 정도 증가하였다. 상기 결과는 내부화염이 안정화되면 CO배출이 감소할 것이라는 가설과 부합하지 않는 결과로써, 내부화염의 불안정은 압력효과에 기인한 것이 아닌 것으로 판단된다. 검증 차원에서 동일 직경의 속이 찬 파이프를 설치하여 측정한 결과, 속이 빈 경우와 거의 유사한 결과를 보였으며 이를 통해 압력효과는 없다는 결론을 도출하였다. 열효율이 증가한 이유에 대해서는 그레이트 형상 최적화를 위한 별도 연구에서 수행하여 Grate로의 열손실 저감에 기인한 결과라는 것을 확인하였다.

3.4. 배기가스가 내부화염 불안정에 미치는 영향

내부화염과 용기바닥 사이 갇힌 공간의 산소농도가 너무 낮아 내부화염이 불완전 연소되고, 그 결과 과도한 CO를 배출시킨다는 가설[3] 하에, 두 가지 버너타입(Fig. 4 참조)에 대해, “A”지점에서의 시간에 따른 배기가스 농도 측정결과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8(a)에서 보듯, 안정한 화염조건(H=32 mm)임에도 불구하고, 거의 점화와 동시에(포집파이프 길이 따른 시간지연 60초) 산소농도가 급격히 감소하여 1~2%수준의 산소결핍상태를 나타낸다. Fig. 8(b)에서, CO농도는 점화와 동시에 급격히 증가하여 계측기 측정범위(2,300 ppm)를 벗어나는 수준을 보여주고 있다. 즉, 2차 공기의 유입 경로를 고려해 볼 때, 2차 공기 유입량을 증가시켜도 내부화염의 외부영역에서 대부분의 공기를 소모할 것으로 예상되며, “A”지점에서의 배기가스 농도 차이는 없는 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Effects of concentration on (a) CO₂ and O₂ and (b) NO_X and CO emissions at location of “A”.

상기 분석을 토대로, 가스 포집 위치를 변경하여 버너 헤드 타입 #2, “B” 지점에서의 CO, O₂농도 측정한 결과를 Fig. 9에 나타내었다. 내부화염이 불안정(H=14 mm), 과도(H=18 mm), 안정(H=22~28 mm)한 영역들에 대한 결과로써, 산소농도가 18% 이하에서 화염이 불안정해지기 시작하며 CO가 급격히 증가하는 경향을 나타낸다.

Fig. 9.

Effects of concentration on (a) CO and (b) O₂ emissions at the location of “B”.

2~3분이 지난 후 안정화되는 특성을 보이는 반면에, 산소농도 15% 이하로 떨어졌다가 17% 수준까지 회복된 내부화염이 불안정한 조건(H=14 mm)의 경우, 시간에 따른 CO 감소는 없었다. 이로부터 2차 공기의 원활한 공급이 내부화염의 안정성에 미치는 영향이 크며, 내부화염의 바깥 면을 통해 안정화를 이룰 수 있다는 것을 확인하였다

3.5. 유동효과가 내부화염 불안정에 미치는 영향

배기가스 영향을 상세 파악하고자 선행연구[4],[5]를 참조하여, PIV를 통한 유동장 및 OH PLIF를 통한 화염구조를 측정하였으며 기준 조건에서의 결과를 Fig. 10에 나타내었다. 아울러, Turbulent intensity, Vorticity, Strain rate 파라미터를 통한 유동장 분석을 수행하였으며, 이에 대해서는 아래 식 (2), (3)에 정의하였다. 난류강도는 평균속도에 대한 난류 섭동분의 비로써 정의하였다. Fig.10 (a)에서 보듯, 외부/내부 화염 사이에 큰 와(Vortex) 형태의 내부재순환영역(IRZ : Internal Recirculation Zone)이 존재하는 것을 확인 할 수 있다. 이로부터 내/외부 화염의 배기가스가 내부 화염 쪽으로 재순환되어 불완전 연소되고 화염이 불안정해진다는 것을 예상 할 수 있다.

Fig. 10.

Effects of flow on (a) Velocity field and (b) structure of inner flame at the “Base” condition.

6시그마 기법에 근거한 실험계획법(DOE)을 통해 더블버너의 열효율 및 CO 최적화 실험을 별도 수행하였으며, 이를 통해 도출된 인자가 유동장 및 화염구조에 미치는 영향을 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11.

Velocity field and streamline at (a) increased primary and secondary air flow rate (b) increased secondary air flow rate (c) large mixture injection angle and (d) combined effect conditions.

1, 2차 공기 유량을 증가시킨 버너바디 변경에 따른 속도장과 유선흐름을 Fig. 11(a)에 나타내었다. 유동각은 외부 41도, 내부 10도로 형성되며, 1,2차 공기량 증가로 CO 배출은 350 ppm 저감되는 반면에, 효율은 거의 일정한 값을 나타내었다. CO 저감원인은 외부 유동각이 커짐에 따른 배기가스 재순환 영역이 내부버너 근처까지 존재하지만 재순환 유량이 줄어든 것에 기인한 것으로 판단되며, 효율 측면에서는 내부 냉각 효과로 인해 열효율 상승 없는 것으로 판단된다.

2차 공기 유량을 증가시킨 버너헤드 변경에 따른 실험결과를 Fig. 11(b)에 나타내었다. 유동각은 외부 35도, 내부 10도로 형성되며, 2차 공기량이 증가했음에도 불구하고 CO 배출은 오히려 130 ppm 정도 증가하였는데, 이는 외부화염 유동각이 작아져서 내부화염으로 재순환되어 들어오는 배기가스 유량이 증가한 것에 기인한 것으로 판단된다. 열효율은 약 1.5%정도로 약간 증가한 것으로 나타났다.

내/외부 보조염공의 분출 각도를 변경시킨 조건에서의 결과를 Fig. 11(c)에 나타내었다. 유동각은 외부 66도, 내부 25도로 아주 큰 각을 형성하면서 용기 바닥면과 부딪힘으로 인해 급격한 CO증가 예상되었으나, 실제 CO 배출은 100 ppm 정도 증가한 반면에 열효율은 약 3% 증가하는 것으로 나타났다. 이는 내/외부 화염 유동각이 커짐으로써 용기로의 전열면적이 증가한 것에 기인한 결과로 판단된다. 상기 조건을 조합한 예상 최적 조건에서의 실험 결과를 Fig. 11(d)에 나타내었다.

유동각은 외부 41도, 내부 25도로 형성되며, 내부화염은 보조 염공각도의 영향을 받는 것을 알 수 있다.

CO 배출은 동일한 수준인 반면에, 열효율은 약 5% 증가하여 싱글 버너의 열효율과 유사한 수준을 나타내었다. 이는 Fig. 11(d)의 유선 흐름결과에서 보듯, 내부화염으로 재순환되어 들어오는 IRZ 중심이 버너에서 멀어지고, 내부버너 보조 염공 각도를 증가시킴으로써 재순환유동이 내부화염에 미치는 영향이 줄어든 결과로 판단된다.

끝으로, Fig. 11 (a)~(d)에 상응하는 화염구조및 화염이 용기에 부딪히는 면에서의 유동장 분석 결과를 Fig. 12와 Table 1에 각각 나타내었다. 내부화염이 안정한 조합 조건에서 다른 조건대비 큰 값의 Turbulent intensity, Vorticity, Strain rate을 가지는 것을 알 수 있다.

Fig. 12.

Flame structures obtained by OH PLIF at conditions corresponding to Fig. 11(a)~(d).

Table 1. Dynamic property values at different conditions corresponding to Fig. 11(a)~(d)

이는 열 전달을 촉진시켜 열효율을 향상시킨 것으로 판단된다. 아울러, OH PLIF 이미지를 통한 화염구조를 분석하면, 전반적으로 PIV 측정을 통한 유동각과 동일한 경향을 나타냄을 확인할 수 있다. 그리고 Fig. 12(d) 조합조건에서 가장 강한 강도를 보이는데 이는 배기가스 내부재순환 영역이 내부화염에서 멀어졌다는 PIV 측정결과와 부합하는 것으로 판단된다.

4. 결 론

쿡탑 더블버너의 내부화염 불안정을 개선함으로써 열효율을 향상시키고자, PIV 및 OH PLIF 계측기법을 이용하여 몇 가지 가설에 대해 검증한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 내부 압력 조절에 따른 열효율 향상 효과는 미비하나, Grate 형상에 따른 전열 면적 확대로 효율 상승 효과가 크다는 것을 확인하였다.

2) PIV 기법을 이용해서 용기가 있는 부하조건에서 내부 화염의 상부에 내부재순환 영역(IRZ)이 생기며, 배기가스에 의해 화염이 불안정해 지는 메커니즘을 확인하였다.

3) 여러 가지 설계인자를 변경하여 내부버너와 용기 바닥사이 유동장을 분석함으로써, 난류강도, Vorticity 및 Strain rate을 크게 하고 재순환 영역을 이동시킴으로써 내부 버너의 안정성을 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

4) OH PLIF 측정을 통한 화염구조 관찰로부터 안정화된 화염에서 강한 강도를 나타내며 화염각도에 따른 CO배출 및 효율향상의 최적화에 관한 통찰력을 확보하였다.