1. 서 론

연소분야에서 친환경과 효율 향상은 지금껏 화두가 되고 있다. 최근 주방 가전제품의 발달과 아울러, 일과 삶의 균형(Work and life balance) 측면에서 가정에서 보내는 시간이 늘어남으로써 가스레인지의 사용이 점점 증가하고 있는 추세이다. 우리나라의 경우 미세먼지 이슈로 인해 실내 공기 오염에 대한 관심 또한 크게 증가하고 있는 실정인데, 이러한 실내 공기오염의 원인 중 하나로 주방 가전 제품이라고 추정하고 있으나, 가스 버너 및 레인지에 관한 연구[1]는 많이 부족한 상황이다. 북미 지역에서 많이 사용하고 최근 우리나라에서도 사용이 증가하고 있는 가스 오븐 레인지의 내부에는, 오븐 버너와 브로일 버너가 아래위로 각각 위치되어 있다. 아래의 오븐 버너는 주로 빵이나 쿠키를 굽기 위해 사용을 하며 상부 브로일 버너는 육류나 생선을 조리하기 위해 사용을 한다. 각 버너는 hot surface igniter를 점화원으로 연소가 진행되고, 연소생성물은 자연대류에 의해 외부로 배기된다. 일반적으로 사용되는 연료는 LNG와 LPG이다.

브로일 버너는 화염이 복사판(radiation plate)의 역할을 하는 넓은 면적의 metal mesh나 ceramic plate와 같은 돌출된 물체에 직접 충돌하게 되면서 기존 버너에 비해 복사 열전달(radiation heat transfer)을 증가시키는 특징이 있다. 이때 화염과 충돌되는 물체 간의 상호작용에 의해 소염(extinction)이 발생하여 CO가 증가하는 경향이 나타나게 되는데[2,3], 본 연구에서 화염 경계층의 위치 및 구조와 열유속(heat flux), CO 발생과의 연관성 등에 대해 구체적으로 실험적 검증을 수행하고자 한다.

선행연구[4]에서 브로일 버너의 형상 구조가 버너에서 발생하는 배기가스에 중요한 영향을 미치는 요소 중에 하나라는 것이 밝혀졌고, 부분적으로 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 버너 형상 설계에 있어서의 주요 목적은 적절한 연료와 공기의 공급, 점화와 화염 조절의 용이함, 화염의 형상과 구조의 안정성이라 밝히고 있으며[5], 이러한 목적을 이루기 위해서는 브로일 버너의 형상과 작동에 대한 이해가 필수적이다. 브로일 버너에서 배기가스에 미치는 형상 요소들의 영향에 대하여 초점을 맞추어 연구[6]가 이루어져 왔고 버너 연소 기술이 수백년간 이어져 오고 있지만 실질적인 가전제품 분야에서 적용할 연소 기술의 기초자료는 부족한 상황이다. 브로일 버너 관점에서, 열효율 증가뿐만 아니라 복사열 증대를 통한 요리성능 향상을 위해 복사판이 존재하는 브로일 버너에 있어서 설계의 궁극적인 목표는 효율과 CO 배출물 최적화에 있을 것이다. 특히, 버너 설계에 있어 어떠한 요소가 CO 발생에 큰 영향을 주는 지에 대한 기초 연구[7]는 필수적이라 하겠다. CO 발생 메커니즘에 근거하면, 화염이 물체에 직접 부딪힘에 의한 quenching효과와 복사판에 있는 돌기(bump)들 사이에서 발생하는 후류(wake)에 의한 효과에 기인한 것으로 판단된다.

본 연구에서는 복사판 내 돌기의 존재로 인해 화염이 눌러져 굽어지게 되는 곡률효과(curvature effect)가 발생하고, 그 과정에서 미연가스(unburned gas)가 미처 다 타지 못한 상태로 곡면효과가 발생한 화염면을 통해서 그대로 빠져 나오게 되고 그와 동시에 열손실 또한 증가하게 되어, 그 결과로 인해 전체적인 화염속도는 느려지고 화염길이는 길어진 상태로 연소가 이뤄지게 된다는 가설[8]을 토대로, 다양한 과잉공기비와 유량조건에서 복사판 내 돌기 유무에 따른 CO 배출특성과 돌기에서의 열유속 측정을 통해 열손실 특성을 파악하고, CO 배출에 영향을 주는 상세 인자를 파악하여 친환경, 고효율 가스 브로일 버너를 개발하는데 기초 자료를 제시하고자 한다.

2. 실험 장치 및 방법

2.1. 실험장치

상용 가스오븐레인지 브로일 버너와 본 실험에 사용된 버너의 개략도를 Fig. 1, 2에 각각 나타내었다. 상용버너를 상사시켜 설계, 제작하였으며, 상용버너의 노즐 형상과 유량에 대하여 1차 화염의 길이와 화염이 충돌되는 지점의 레이놀즈수(Reynolds number)에 맞춰서 스케일 업된 노즐의 형상, 유량 및 충돌되는 돌기의 직경 또한 결정하였다. 연료/공기유량과 오븐 내부 열량, 오븐 내부 체적이 같다는 전제하에 상사비를 이용하여 실험용 브로일 버너를 제작 하였다.

Fig. 1.

Schematic of broil burner in the gas range.

Fig. 2.

Schematic of burner geometry scaled-up compared to real burner.

똑같은 연소 조건을 위해서 복사판의 각도(7도)와 복사판에 대한 상대적인 노즐의 위치 등을 실제 상용버너의 특성과 동일하게 설계 하였다. 실제 버너와 실험 버너의 스펙을 비교, 정리하여 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Comparison of burner specifications between real and lab-scale burners

CO 배출과 heat flux를 측정하는 실험장치의 개략도를 Fig. 3에 나타내었다. 가스 분석장치는 GreenLine6000 (Eurotron corp.)을 사용하였으며 radiation plate에 가스 샘플링 홀을 설계하여 샘플링 튜브를 일정 유량으로 측정하기 위해 설치한 다이아프램 펌프(diaphram pump)에 연결하여 사용하였다. 열유속 측정하기 위한 센서는 문헌[9,10]을 참조하여 제작하였다.

Fig. 3.

Experimental apparatus to obtain CO emission and heat flux at the bumps.

PIV(particle image velocimetry)를 이용한 화염 내부의 속도와 C2 라디칼 분포를 통한 화염구조 관찰 시스템을 Fig. 4에 나타내었다. 아크릴 박스 속에 lab scale 브로일 버너를 설치하고 TiO_2 입자(0.5 µm)를 공급하였으며, 더블 펄스 레이저 및 CCD 카메라를 이용하였다. 화염의 경계층 및 구조는 C2 radical 이미지를 ICCD 카메라를 이용하여 측정하여 분석하였다.

Fig. 4.

Schematic of experimental apparatus for PIV measurement and flame structure.

2.2. 실험방법

본 연구의 중점적인 가설이 되고 있는 곡률 효과를 최종적으로 검증하기 위한 실험장치가 Fig. 5와 같이 설계하였다.

Fig. 5.

Experimental factors and levels (a) the angle of radiation plate (θi), (b) bump height (Hi) and (c) distance from nozzle tip (Xi).

곡률에 따른 효과를 알아 보기 위하여 복사판 돌기의 곡률을 0 mm(reference)부터 3 mm, 6 mm, 9 mm로 설계하여 CO 및 열유속을 측정하였고, 각 곡률마다 물체의 위치 또한 X_1 지점을 기준으로 5 mm 씩 이동하여 X_4지점까지 이동하며 각각 CO와 열유속을 측정하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 돌기 유무에 따른 CO 배출 특성

일반적으로 일정한 과잉 공기비 조건에서 복사판에 돌기가 있는 경우, 복사판에서 음식(주로, 햄버거 패티 등)으로의 복사 열 전달량이 증가하여 햄버거의 Searing이 좋아지는 등 요리성능이 향상되는 반면에, 과다한 CO배출 등의 역작용이 나타나게 된다.

CO발생 메커니즘에 대하여 몇 가지 가정을 Fig. 6에 나타내었다. 본 연구에서는, 곡면효과 가정을 중심으로 화염 내 유동장 및 화염구조 변화를 관찰하여 CO발생 메커니즘을 규명하고자 한다.

Fig. 6.

Several assumptions on CO emission mechanism (a) quenching effect (b) wake effect (c) curvature effect.

복사판의 돌기 유무에 따른 Port별 CO 배출특성 및 열유속 측정결과를 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7(a)로부터 돌기 유무에 관계없이 과잉공기비가 증가할수록 완전연소에 가까워져 모든 Port 지점에서 CO값은 감소하는 것을 알 수 있고, 복사판에 돌기가 있는 경우 CO 배출이 급격히 증가하며, 이는 Fig. 7(b)에서 보듯, 돌기로의 열전달 증가에 따른 화염온도 저감, 화염길이 변화에 기인한 것으로 판단된다. 과잉공기비가 0.7인 경우에 CO값의 증가 정도가 가장 큰 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

(a) CO emission and (b) Heat flux characteristics according to the presence of bumps.

3.2. 복사판 설치각도 따른 CO배출 특성

Fig. 8, 9에 복사판 각도 7도/14도 각각 조건에서의 화염구조 및 속도측정 결과를 나타내었다. Fig. 8 (a), (b)를 살펴보면, 복사판 각도 7도의 경우 돌기가 존재함에 따라 화염의 곡면 효과가 발생하여 굽어지는 것과 화염의 유동장 또한 물체에 의해 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 반면에, 14도 복사판의 경우 돌기의 효과는 거의 없는 것으로 판단된다. 이는 Fig. 8, 9(c), (d)에 나타낸 돌기 영향을 가장 많이 받는다고 예상되는 상부화염면 근처에서의 평균속도 및 수직속도성분 결과를 보면 확실하게 확인이 가능하다.

Fig. 8.

Flame structures (a) without bump, (b) with bump and (c) average velocity and (d) normal component of velocity at the condition of 7° radiation plate.

Fig. 9.

Flame structures (a) without bump, (b) with bump and (c) average velocity and (d) normal component of velocity at the condition of 14° radiation plate.

복사판 각도 7도의 경우 돌기 유무에 따라 평균속도가 0.1~0.2 m/s(약 20%) 늦어지고, 특히 속도의 수직성분을 살펴볼 때 돌기 주변에서 음의 속도(그림 아래쪽 방향)를 가지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 돌기의 영향으로 곡면효과가 커져 화염속도가 점차 감소하다가 결국 음의 값이 존재하는 구간이 발생함을 볼 수가 있다. 반면에, 복사판 각도 14도 경우, Fig. 9(c), (d)에서 보듯, 돌기의 효과는 미미한 것으로 판단된다.

Fig. 10(a), (b)에는 복사판 각도 7도 조건에서의 CO 배출특성과 수직속도성분 분포를 각각 비교하였다. 화염 속도가 음의 값을 나타내기 시작하는 구간이 CO값이 급격히 증가하기 시작하는 구간과 일치함을 확인할 수 있다. 반면에, 14도의 경우 돌기가 CO배출에 미치는 영향은 거의 없었다. 이러한 결과로부터, 화염에 곡면효과를 일으키는 임계 복사판 각도가 존재하며, CO배출 특성과 복사판으로부터 음식으로의 복사량 증가에 따른 요리성능과의 관계를 최적화하여 설계하여야 함을 발견할 수 있다.

Fig. 10.

(a) Normal velocity and (b) CO emission at the radiant plate angle of 7°.

3.3. 돌기 크기/위치에 따른 CO 배출 특성

이해를 돕기 위해 브로일 버너 설계에서 중요한 인자 중 하나인 돌기의 위치와 형상을 Fig. 11에 나타내었다. 본 실험에서는 Fig. 11에서 보듯, 돌기 위치(Xi)/ 크기(Hi)를 각각 5~27 mm, 3~9 mm 범위에서 CO배출 특성을 검토하였다.

Fig. 11.

Bump height (Hi) and distance from nozzle tip (Xi).

돌기 크기에 따른 CO배출특성과 열유속 측정 결과를 Fig. 12(a)에 나타내었다. 돌기가 클수록 CO발생량이 증가하고 돌기로의 열전달이 증가하였다. 그리고 돌기가 노즐팁에 가까이 위치할수록 CO발생량이 증가하였다. 즉, 돌기로의 열전달량을 복사판의 복사열 증대분으로 가정하면, 복사열 증대와 CO배출 특성은 trade-off관계를 보이며, 시스템 설계할 때 최적화 작업이 필요하다고 판단된다.

Fig. 12.

Effect of (a) bump size and (b) bump position on CO emission and heat flux characteristics.

끝으로, 돌기 위치에 따른 CO배출 특성 및 Heat flux 측정결과를 Fig. 12(b)에 나타내었다.

돌기가 작은 경우(H=3 mm) 노즐팁 근처로 위치할수록 CO배출 및 돌기로의 열전달이 증가하는 경향을 나타내는 반면에, 돌기가 큰 경우(H=9 mm) 돌기로의 열전달은 증가하지만 CO는 거의 일정한 것을 발견할 수 있다.

아울러, 3 mm 돌기를 노즐팁 근처(X1)에 위치시킨 조건과 9 mm 돌기를 노즐팁으로부터 27 mm(X4)에 위치시킨 조건을 비교해보면, 돌기로의 열 전달은 거의 동일(=16 kW/m²)하지만 CO는 작은 돌기 조건에서 큰 돌기대비 약 1,000 ppm 감소하는 것을 확인하였다.

이상의 결과로부터 돌기의 크기, 위치를 최적화함으로써 CO배출 규제를 만족시키면서 복사량을 최대한 증가시킬 수 있는 방안을 찾는 기초자료를 확보할 수 있었다.

4. 결 론

본 연구에서는 복사판 내 돌기의 존재로 인해 화염이 눌러져 굽어지게 되는 곡률효과 가설을 토대로, 다양한 과잉공기비와 유량조건에서 복사판 내 돌기 유무에 따른 CO 배출특성과 돌기에서의 열유속 측정을 통해 열손실 특성과 CO 배출에 대한 상세 인자를 파악하여 친환경, 고효율 가스 브로일 버너를 개발하는데 기초 자료를 제시하고자 하였다.

1) 과잉공기비가 증가함에 따라 돌기의 영향으로 인해 돌기로의 열전달량은 거의 변화가 없으나 CO가 감소하는 경향이 나타난다. 특히, 1차 화염의 끝이 물체에 의해 곡면 효과가 커지는 과잉공기비 0.7의 조건에서 가장 CO증가 정도가 큼을 확인할 수 있었다.

2) 돌기 유무에 따라 평균속도가 0.1~0.2 m/s(약 20%) 늦어지고, 특히 속도의 수직성분을 살펴볼 때 돌기 주변에서 음의 속도(그림 아래쪽 방향)를 가지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 돌기의 영향으로 곡면효과가 커져 화염속도가 점차 감소하다가 결국 음의 값이 존재하는 구간이 발생함을 확인하였다.

3) 돌기가 클수록 돌기로의 열전달량이 증가하였으나, CO 배출 또한 증가하는 경향을 보였다. 돌기 위치가 노즐 팁에 가까워질수록 CO는 증가하였으나, 돌기로의 열전달 특성은 돌기 크기에 따라 다른 특성을 확인하였다.

4) 복사판의 각도, 돌기의 크기 및 위치에 따른 복사열전달 및 CO배출 특성을 파악하였으며, 브로일 버너의 성능확보를 위해서는 인자간 최적화 작업이 필요할 것으로 판단된다.