Introduction
최근 국내 시설원예 하우스의 가온 재배 면적 중 유류난방 비중은 감소 추세에 있음에도 불구하고 80% 이상을 차지하여 여전히 비중이 높고, 농가들은 유가 변동에 취약한 상황이다(MAFRA, 2020). 특히 겨울철 자동화 온실에서 난방기를 사용하여 채소 및 화훼 작물을 재배할 경우 생산비 중에 난방비가 차지하는 비중이 40%를 상회하는 실정이다. 국내 시설 농가에서는 동절기 작물을 재배하기 위하여 온풍난방기, 라디에이터, 온수난방, 태양열난방 시스템 등을 사용하고 있고, 이중 농업용 난방기는 유류버너가 장착된 온풍기가 80% 이상 차지하고 있다. 특히 전기온풍 난방기는 초겨울과 초봄 등 외부기온이 크게 낮지 않은 시기에 난방효과가 있으나, 100 kW 초과시 유지비 증가, 한겨울 또는 고온성 작물 재배시 발열량 부족 등의 문제점이 있으며, 경유용 온풍 난방기는 최근 급증한 유가로 인해 시설 농가의 난방비 부담이 큰 실정이다. 이에 대응하기 위하여 시설원예 분야에 사용되는 에너지 절감 기술들이 다양하게 개발되고 있다. 그러나 시설원예 하우스 냉난방을 위한 냉난방기보다는 작물의 민감온도부 온도를 집중관리하는 부분 냉난방 기술 등이 주를 이루고 있다(Jun et al., 2008; Choi et al., 2013; Moriyama & Oku, 2012). 또한 시설하우스 난방 열원으로 사용되는 경유는 에너지 효율이 낮고, 증가하는 유류비와 이산화탄소 증가 등 환경적 요인이 단점으로 부각되고 있다. 전기를 이용한 경우에는 에너지 효율이 90% 정도에서 난방이 이루어지고 있고, 대규모 시설하우스에서 높은 열량을 필요로 하는 경우에는 대응이 어려운 단점이 있다. 따라서 시설원예 하우스 난방을 위한 새로운 개념의 고효율 난방기 개발이 필요한 실정이다.
플라즈마는 제 4의 물질상태를 지칭하는 단어로써 기체보다 높은 에너지를 갖게 되었을 때 이온과 전자로 분리되면서 이들이 갖는 에너지가 서로 평행을 이루는 상태를 말한다(Bogaerts et al., 2002). 따라서 기존은 전도와 대류 메커니즘을 이용하는 전극봉 또는 코일 히터와는 다른 플라즈마 방전 방식의 새로운 메커니즘을 가열방식으로 이용할 경우 높은 에너지 효율을 기대할 수 있다. 그러나 농업을 포함한 산업 분야에서는 플라즈마를 난방 열원 발생방식보다 플라즈마 램프를 이용한 보광 특성에 관한 연구(Lee et al., 2020), 식품가공 분야에서의 가공공정 플라즈마 처리에 따른 품질 특성 연구(Kim et al., 2020) 및 공업분야에서 플라즈마 촉매 반응기를 이용한 배기가스 저감기술 연구(Moon et al., 2004) 등이 대부분이고, 플라즈마 방전 특성을 이용한 난방기 개발은 전무한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 시설원예 난방용 고효율 수중 플라즈마 방전 방식 보일러를 개발하기 위한 기초 연구로서 기존의 전도와 대류 가열 메커니즘이 아닌 플러즈마 방전 방식의 가열 매커니즘을 도입하여 플라즈마 히터 코어 유닛을 개발하였고, 그에 따른 물리 및 전기적 특성을 분석하여 최적의 운전조전을 확립하고자 하였다.
Materials and Methods
플라즈마 방전 히터 유닛
본 연구에서는 수중 플라즈마 방전 방식 보일러 개발을 위한 플라즈마 방전 히터 유닛은 PPS와 타이타늄(Ti) 재질의 히터코어에 이리듐(Ir)을 코팅한 히터 유닛을 Fig. 1과 같이 제작하였다. 플라즈마 방전 PPS 히터 유닛의 히터코어와 히터 하우징 재질은 PPS로서 다중도금을 위하여 표면 개질 후 Cu-Ni-Pd-Pt 순으로 히터코어 외측면과 히터 하우징 내측면을 다중으로 도금하였다. 타이타늄(Ti)/이리듐(Ir) 히터 유닛의 타이타늄 재질은 Grade 2, 이리듐 코팅은 5 ㎛ 두께로 실시하였다. 이리듐(Ir) 도금 후의 전극코어 표면은 사진과 같이 무광 검회색을 띄며, R, S, T상 전극코어 사이즈는 직경 19 mm, 길이는 238.5 mm 로 발열 용량은 10 kWh 로 제작하였다.
플라즈마 방전 히터코어 수명 실험
Fig. 2는 플라즈마 방전 히터코어의 수명을 측정하기 위한 실험장치 개략도를 나타낸 것이다.
Fig. 2에서 보는 바와 같이 플라즈마 방전 히터코어 수명실험은 20 L 난방수 탱크로부터 1.2 L/min 유량으로 히터 유닛을 통하여 순환되도록 시험장치를 구성하였다. 전극코어와 하우징 간 AC 380 V 인가 시 운전전류 3 A 가 일정하게 흐르면서 총 전력량 660 W급, 면전류밀도 0.2~0.3 A/㎠ 으로 플라즈마 방전상태가 양호한 것으로 판단되었고, PPS 히터 유닛의 재질과 타이타늄(Ti)/이리듐(Ir) 히터 유닛의 수명시험을 수행하였다. 수명실험 기간은 100일간 수행하였다.
플라즈마 히터 코어 누설 전압 실험
플라즈마 보일러 유닛의 누설전압을 1 V 이하로 극소화하며, 최적의 열효율을 확보하기 위하여 R, S, T상의 히터코어와 N상의 하우징 간의 상대 위치를 결정하기 위하여 Fig. 3과 같은 실험장치를 구상하여 제작하였다. 3상 히터코어는 N상 하우징 중심 기준 120°등간격으로 배치하고, 중심경은 ø33.9~ø49.9 mm 까지 9단계로 변경할 수 있다. 누설전압 실험은 히터코어 위치를 중심경 ø33.9부터 ø49.9까지 반경을 1 mm씩 증가시키면서 120°등간격으로 배치하고, 3상 AC 380 V 인가 시 플라즈마 방전 운전전류와 전해수와 접지 간 누설전압을 측정하였고, N상 하우징의 유무에 따른 누설전압의 변화를 측정하였다.
이와 같은 누설전압 시험장치를 전술한 바와 같이 수명 시험장치에 설치하고, 전해수는 탈이온수에 헥사메타인산염 나트륨 0.2 %(w/v) 을 용해시켜서 20 L 물탱크에 충수하였다. 전해수 온도를 60℃ 정도로 일정하게 유지하기 위하여 방열량 11 kWh (9,460 kcal/h) 급의 열교환기를 설치하고, 순환유량 30 L/min 의 펌프로 전해수를 순환시켰다.
Results and Discussion
플라즈마 방전 히터 코어 수명 실험
Fig. 4와 Fig. 5는 PPS 히터 코어와 Ti-Ir 히터 코어의 수명실험 결과를 나타낸 것이다.
Fig. 4에 나타낸 바와 같이 히터 코어의 수명 실험 결과, PPS 히터 코어는 수명시험을 시작한 이후, 80일간 상기 운전조건은 변함없이 지속되다가 서서히 운전전류가 감소하여, 90일차 운전전류는 2.3 A 로 감소하였다. 운전 종료 후 분해한 결과, Fig. 4의 B에서 보는 바와 같이 전극표면과 하우징 내측의 도금층이 우측 히터코어 외측면과 같이 박리된 상태로 확인되었다.
이는 PPS 재질이 240℃의 내열성을 가지고 있으나 플라즈마 방전에 의한 표면 온도 상승을 견디지 못하고 열부식이 발생되었고, 그에 따른 다중도금층 파괴의 원인으로 판단되며, PPS 다중도금 전극은 플라즈마 보일러용 히터코어로서 적용이 불가한 것으로 판정되었다.
따라서 PPS히터코어의 플라즈마 보일러 적용이 불가하므로 전극봉 보일러용 히터코어 재료로서 적용되었던 사례를 조사한 결과, 미국 특허 4422917에서 제시된 티타늄 재질의 히터코어에 이리듐을 코팅한 방법이 유력한 해결 방안이라 판단하였다.
Fig. 5에 나타낸 바와 같이 Ti-Ir 히터 코어는 100일 동안의 수명 실험 기간 동안 설정한 운전 전류에서 안정적으로 작동되었고, PPS 히터 코어와 같이 표면에 심한 부식이나 박리 현상은 관찰되지 않아 내구성이 인정되었다. 따라서 본 연구에서 개발하고자 하는 플라즈마 보일러의 히터로 적합한 것으로 나타났다.
플라즈마 방전 히터 코어 누설 전압 실험
Table 1은 Ti-Ir 히터 코어의 플라즈마 방전시 누설전압 실험 결과를 나타낸 것이다. 전술한 바와 같이 PPS 히터 코어의 경우에는 수명실험에서 부적격한 것으로 판단되어 누설전압 실험에서는 제외하였다.
Table 1에서 보는 바와 같이 Table 1은 Ti-Ir 히터 코어의 플라즈마 방전시 누설전압은 N상 하우징이 있는 경우가 없는 경우보다 누설전압이 낮은 경향을 보였다. 또한 N상 하우징과 R, S, T 상의 히터코어와의 거리가 가까울수록 누설전압이 증가하는 경향을 나타내었다.
전해수온도 60℃에서 중심경 ø43.9 경우 방전전류는 18.3 A 이었고, 반경이 1 mm 증가함에 따라 약 1.8 A 감소하였다. 반경이 1 mm씩 감소될 경우 1.8~2.3 A 씩 증가하다가 반경이 5 mm 감소된 중심경 ø33.9 mm 에서는 운전전류가 30 A를 초과하면서 과전류 보호장치가 작동하여 실험이 중단되었다.
누설전압은 중심경 ø37.9~ø49.9 범위는 모두 0.0~1.8 V 이었고, 중심경 ø35.9 mm 에서 5.9 V, ø33.9 mm 에서는 순간적으로 20 V 이상이 측정되다가 작동 정지되었다.
N상 하우징을 제거한 경우에는 중심경 ø43.9 mm 에서 누설전압이 58 V 에 달하였고, 이로써 N상 하우징이 플라즈마 방전의 왜곡을 방지하여 발열에너지로 변환시키는 중요한 기능이 있음이 입증되었다. 본 시험을 통하여 Ti-Ir 히터코어 10 kW 급 플라즈마 보일러 유닛 설계는 직경 ø19 mm, 길이 238.5 mm의 히터코어를 중심경 ø43.9 mm 에 120°등간격으로 배치하고, N상 하우징 사이즈는 직경 ø82.5 mm, 길이 235.5 mm 로 하며, 전해수는 0.2 %(w/v) 헥사메타인산염 나트륨으로 결정할 수 있었다.
이와 같은 설계사양으로 제작된 시제품에 3상 AC 380 V 인가 시 순환수의 온도가 55~65℃로 변함에 따라 운전전류는 17.2~18.3 A 가 인가되었고, 이는 총 전력량 10,176~10,827 W 급으로 10 kW 급 플라즈마 보일러로서 방전상태가 양호한 것으로 나타났다.
Conclusion
본 연구는 시설원예 난방용 고효율 수중 플라즈마 방전 방식 보일러를 개발하기 위한 기초 연구로서 PPS(Polyphenylene Sulfide)와 타이타늄(Ti) 재질의 히터코어에 이리듐(Ir)을 코팅한 히터 유닛의 수명시험과 누설전압 분석하여 최적의 히터 유닛을 개발하고자 하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
플러즈마 보일러 히터 유닛의 수명실험 결과, PPS 히터 유닛은 플라즈마 방전에 의한 표면 온도 상승을 견디지 못하고 열부식이 발생되었어 다중도금층이 파괴되는 것으로 나타났다. Ti-Ir 히터 유닛의 경우에는 수명시험 기간 동안 표면 부식 없이 정상적으로 작동하는 것으로 나타났다. Ti-Ir 히터 코어의 플라즈마 방전시 누설전압은 N상 하우징이 있는 경우가 없는 경우보다 누설전압이 낮은 경향을 보였다. 또한 N상 하우징과 히터코어와의 거리가 가까울수록 누설전압이 증가하는 경향을 나타내었다.
이상의 결과로부터 플라즈마 보일러의 히터 유닛은 전해수인 헥사메타인산염 나트륨이 0.2 %(w/v)의 조건에서 Ti-Ir 히터 코어의 직경은 ø19 mm, 길이 238.5 mm 를 중심경 ø43.9 mm 에 120°등간격 배치와 N상 하우징 직경 ø82.5 mm, 길이 235.5 mm 조건이 플라즈마 방전의 최적조건으로 판단된다.
