Hot Tech - 폐열회수장치를 이용한 제설제 히팅 기술
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▲ 이계석 대표이사
(주)자동기제설
기술개발 배경
제설제 살포기는 동절기에 눈이 내리거나 도로가 결빙되기 전후, 미끄럼 방지를 위해 차량 적재함에 장착하고 도로에 제설제를 살포하여 미끄럼을 방지함으로써 안전사고를 예방하고, 차량 통행을 원활하도록 하는 재난안전장비이다.
동절기 제설작업에는 이러한 살포기가 많이 사용되는데 최근 살포 방식에 있어 독일 등 유럽 국가들이 많이 사용하는 습염식 제설 방법(Pre-wetted spreading system)이 우리나라에서도 선호 되고 있다.
습염식 살포 방식은 고체 소금과 제설 용액을 혼합(중량비 7:3)하여 강설량과 기상상태에 따라 살포량을 조절하여 도로에 살포하는 방식이다.
살포휠에서 자동기제설 용액으로 코팅하여 살포시 제설제의 비산을 억제하고 노면 부착성 향상과 고체 소금의 용해를 촉진시켜서 제설의 속효성과 지속성 향상은 물론이고 제설제를 비교적 적게 사용하는 환경 친화적인 제설 방법이다.
이렇듯 효율적인 습염식 제설 방법에 더하여 제설작업시 동일한 시간 대비 융빙 속도를 어떻게 향상시킬 것인가에 대한 해법으로 (주)자동기(이하 자동기)는 수요기관의 다양한 아이디어를 접목시켜 제설제 살포기 엔진 가동시 발생되는 160℃ 이상의 배기가스 폐열과 유압 구동장치에서 발생하는 65℃ 이상의 폐열을 회수하여 제설 용액을 히팅하여 도로에 살포하는 기술을 개발하게 되었다.
폐열회수장치 개발
개발된 폐열회수장치는 그림 2와 같이 제1열교환기와 제2열교환기로 이루어져 있다.
제1열교환기는 핀플레이트를 설치하여 설계 변수인 전열면적을 향상시켰고 기존 유압 탱크를 활용하여 호환성을 향상시켰다.
제2열교환기의 경우 튜브를 3열로 설계하여 전열면적 향상과 공간의 활용성 및 열전달 효과를 높이기 위해 설치 형상은 수직형으로 하였다.
제설용액의 순환경로는 제1열교환기를 통과한 후 바로 제로 제2열 교환기로 순환되어 탱크에 저장되거나 필요시 바로 살포할 수 있는 회로로 구성하였다.
그림 3은 제1열교환기의 본체 및 제설용액 순환 파이프의 열유동해석을 진행한 자료로 제1열교환기의 본체 및 배관 파이프는 –4.6℃~62.6℃의 온도 분포를 보이고 있으며 최대 온도는 작동 유압 유입구에서 나타나고 최소 온도는 제설용액 유입구에서 나타나고 있다.
제설용액과 작동 유압유의 열유동해석 결과 그림 4와 같이 제설용액은 –4.6℃~15.7℃의 온도분포를 보이고 있으며 제설용액 유출구에서의 평균 온도는 1.2℃로 나타나고 있다.
그림 5는 좀 더 다양한 설계조건을 비교하기 위해 3가지 타입으로 제2열교환기의 열유동해석을 실시한 자료로 열교환기 본체 및 배기가스 파이프의 두께 및 구경을 달리하였을 때 결과이다.
유체영역 온도 분포는 그림 6과 같이 나타났다. 제설용액은 B1 타입의 경우 3.7℃~61.0℃, B의 경우 3.7℃~60.2℃, A1의 경우 3.7℃~57.5℃의 온도 분포를 보이며 B1 타입이 가장 높은 온도를 나타냈다. 이때 제설용액 유출구의 평균 온도는 7.1℃였다.
이러한 열유동해석 결과를 토대로 유압유의 폐열이 배기가스의 폐열보다 전열계수가 크므로 유압유 폐열을 이용한 열교환기를 제1열교환기로 적용하고, 제1열교환기는 작동유압유의 유동을 방해하지 않는 범위 내에서 코일은 15A 파이프로 4열로 분리하여 배열하고 핀플레이트를 수직형으로 설치하여 제품에 적용하였다.
또한, 기존 유압탱크를 활용하여 설치 공간 및 생산원가를 최소화하였다.
제2열교환기의 경우 동일 공간에서 최대한 전열면적을 확장한 파이프를 3열로 설계해 제품에 적용하여 열교환기의 크기를 최적화하여 장비에 적용한 구조는 그림 7과 같다.
기술개발 파급효과
유압과 엔진을 이용하는 살포기의 특성상 구동부에서 고열이 발생하게 되는데 이를 열교환기를 이용하여 온도를 일정하게 유지시켜 비례제어 성능을 안정화할 수 있으며, 유압유 발열 방지를 위한 쿨러의 설치가 필요 없게 되어 원가절감이 가능하므로 유압을 이용한 다른 산업기계에 적용이 가능한 기술이다.
고온의 배기가스 방출을 최소화하여 환경 친화적인 장비로 별도의 엔진을 사용하는 노면청소차 등 많은 특장차량에 적용을 기대할 수 있다.
특히, 최근 동절기 이상기온 현상으로 인해 예측되지 않는 폭설과 잦은 저온현상으로 인해 제설제 살포기 시장이 활성화되고 있으며 제설능력 향상과 작업성 향상을 위해 살포기에서 발생하는 폐열을 회수하여 제설용액의 온도를 상승시켜 고체 소금의 용해를 촉진시켜 살포함으로써 제설제 사용량 절감 및 제설의 속효성과 지속성 증대로 융빙 성능을 향상시키는 기술이다.
물론 최근 용액을 광폭으로 다양한 방향으로 살포할 있는 유럽의 기술개발 상황에서 볼 때 우리나라도 제설제의 투입 위치 조절기술과 광폭으로 살포할 수 있는 기술 등을 추가 개발하여 국내 제설 시장은 물론이고 러시아, 카자흐스탄 등 중앙아시아 시장으로의 수출 가능성이 높을 것으로 판단하고 있으며, 지속적인 R&D와 매출 증가로 고용창출의 효과 또한 증대될 것으로 전망한다.