Optimal Design of a Coil for Improved Heating Efficiency of Electric Induction Boiler

전기유도보일러의 발열효율개선을 위한 권선최적설계

Abstract

Regulatory protocols such as the Convention on Climate Change and the regulation of greenhouse gas emissions act as catalysts for the development of high-efficiency energy equipment and the efficient use of energy. Among the fields where energy consumption is high, the electric heating equipment is not efficient. The electric boiler mainly uses a method of circulating water by contacting the heater. When the existing electric boiler is used, the water minerals are contacted with the high-temperature heater to be carbonized and adsorbed, thereby promoting the corrosion of the heater and lowering the efficiency of the heater. For this reason, an electric induction boiler, which has high energy efficiency and is applied to an induction heating system that can uniformly heat the object to be heated rather than conduction or convection heating, is in the limelight. This method induces a boiler pipe And it is recognized as an alternative that can solve the problem that occurs when heating is performed by direct heating. Despite the fact that research on induction heating has been conducted for a relatively long period of time, there have been few studies on the electrothermal technology using induction heating. Therefore, in this paper, to improve the heat efficiency of electric induction boiler, the influence of the cross sectional area, number of windings and winding layers is analyzed by finite element method through parametric study method. The method of finding the design point which maximizes the total loss is proposed by the alternating winding design method which can maximize the heat generation by analyzing copper and iron losses.

본 기후변화협약, 온실가스배출규제와 같은 규제적 규약들은 고효율 에너지 기자재 개발과 에너지의 효율적 이용을 촉진하는 촉매로 작용하고 있다. 에너지소비가 큰 분야 중 전열기기가 효율이 좋지 못한 편이다. 전기보일러는 히터에 물을 접촉시켜 순환시키는 방식을 주로 사용하고 있다. 기존 전기보일러를 활용할 경우 물의 미네랄이 고온의 히터와 접촉하여 탄화되어 흡착되는 과정에서 히터의 부식을 촉진시키고 히터의 효율을 저하시킨다. 이러한 이유로 에너지 효율이 높고, 전도나 대류가열보다 피가열물을 균일하게 가열시킬 수 있는 유도가열방식을 보일러에 적용시킨 전기유도보일러가 각광을 받고 있는데, 이 방식은 물이 담겨 있는 보일러 관로를 유도가열방식으로 가열하여 직접가열시 발생하는 문제를 해결시킬 수 있는 대안으로 인정받고 있다. 비교적 오랜 기간 유도가열에 대한 연구가 이루어졌음에도 불구하고 유도가열을 이용한 전열기술에 대한 연구결과는 그리 많지 않은 실정이다. 따라서 본 논문에서는 전기유도보일러의 발열효율을 개선하기 위하여 매개변수연구방법을 통하여 권선의 단면적, 권선의 수 및 권선의 겹수에 의한 영향을 유한요소법을 이용하여 해석하고 발열의 요소가 되고 있는 동손과 철손을 분석하여 발열을 극대화시킬 수 있는 권선설계방법으로 총손실이 최대가 되는 설계점을 찾는 방법을 제시하였다.

Fig. 1. Structure of Induction Boiler

Fig. 2. FEA of a conventional model (a) FEM modeling (b) Flux Line (c) Total Loss Distribution

Fig. 3. Placement of Coil cross-section

Fig. 4. Loss comparison by a Coil Cross-Section

Fig. 5. Coil layers

Fig. 6. Loss comparison by Coil Turns

Fig. 7. Loss comparison by the number of coil layers

Table 1. Specification

Table 2. Materials

Table 3. Resistance of primary coil

Table 4. Coil cross-sectional design variables and Loss Analysis by Coil Cross Section

Table 5. Coil turns per layer

Table 6. Loss Analysis by Coil Cross Section

Table 7. Coil layers

Table 8. Loss Analysis by the number of coil layers

Table 9. Optimal design of a coil