Development of Heat Exchanger for Fermentation Heat Utilization from Waste Woody Biomass

목질계 폐바이오메스의 발효열이용 열교환기의 개발

It is urgently required to develop the production of fermentation-heat energy from the waste agricultural and forest biomass and its effective heat exchanging system for the supply of warm water to rural households and greenhouses. In this study 3 helical-type and 1 plate-type heat exchangers using 3 different waste biomasses [e.g. hardwood (HW) sawdust (100%), softwood (SW) sawdust : HW sawdust (50 : 50) and HW sawdust : grass (90 : 10)] were applied in order to find out the best heat recovery system. The heat exchanger was basically considered to improve the overall heat recovery efficiency, to minimize heat loss and to simplify manufacturing, assembling and breaking up the fermenting beds. The helical-type heat exchanger (HX-H3) installed in fermenting bed of HW sawdust : grass (90 : 10) showed relatively higher temperature profiles, in particular mid- and upper-parts than lower and surface parts during 45-day fermentation process. The maximum temperature was ranged from $40^{\circ}C$ to $65^{\circ}C$ with average $60^{\circ}C$. The water temperature of tank outlet was ranged to $33{\sim}48^{\circ}C$ during whole measuring periods. By the way plate-type one (HX-P) installed in same biomass compositional fermenting bed showed $64.5{\sim}76.5^{\circ}C$ at center part, and $43{\sim}56^{\circ}C$ and $42{\sim}58^{\circ}C$, water tank and tank outlet temperatures, respectively, during 100 day measurement. It could be concluded that the plate-type heat exchanger (HX-P) provides not only the effective heating for the rural households and greenhouses, but also having the best heat recovery performance, easy manufacturing, assembling and breaking up the systems.

본 연구는 폐바이오매스로서 활엽수(hardwood, HW)톱밥, 침엽수(softwood, SW)톱밥, 산야초류(grass) 등 3종의 발효재료를 이용, 3종의 나선형 열교환기와 1종의 평판형 열교환기를 제작하여 발효과정에서 생산되는 발효열을 가장 효율적으로 회수할 수 있는 발효열 교환장치 개발을 위하여 실시하였다. 본 연구에서는 다양한 바이오매스재료의 적절한 원료 배합을 통한 발열 및 열교환 특성을 조사하고 실제 농가에 설치 및 해체가 용이한 열교환기를 개발하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다. 나선형 열교환기를 사용한 발효열 실험에서 활엽수톱밥 및 침엽수 : 활엽수톱밥(50 : 50) 처리보다는 활엽수톱밥 : 산야초(90 : 10)의 발효가 약 3개월간의 긴 발열기간을 나타냈으며, 발효상을 통과한 물의 온도를 100일간 측정한 결과, 중앙부가 $64.5{\sim}76.5^{\circ}C$로 매우 높았고, 물탱크 온도는 $33{\sim}48^{\circ}C$ 범위였으며, 출구의 수온은 $33{\sim}44^{\circ}C$로서 4~5인 기준의 가정용 온수공급이 가능함이 확인되었다. 수행한 4종의 열교환기 실험 결과, 나선형 열교환기 HX-H1은 수온이 $35{\sim}36^{\circ}C$범위로서 더 이상의 온도상승이 없었고, HX-H2는 수온이 $40{\sim}45^{\circ}C$로서 실험기간 중 일정한 온도분포를 보였다. 한편 HX-H3는 최고온도 $68{\sim}70^{\circ}C$, 최저온도 $30^{\circ}C$, 평균온도 $50^{\circ}C$였고, 출구의 온수온도는 $33{\sim}44^{\circ}C$ 범위로서 45일간 공급 가능하였다. 평판형 열교환기 HX-P는 수온이 $42{\sim}58^{\circ}C$로서 3개월 이상 온수공급이 가능하였으므로 4~5인 기준의 가정용 난방 및 온수공급에 문제가 없는 것으로 확인되었다. 그러므로 평판형 열교환기 HX-P는 나선형 열교환기 HX-H에 비해 발효상 내부에 열교환용 파이프가 빈틈없이 배치되어 발효상 전면적을 통해 발효열을 최대로 회수할 수 있었으며, $42{\sim}58^{\circ}C$의 발효열을 최대 3개월정도 이용 가능하였고, 장시간 운용에도 온도가 급강하 하는 등의 문제가 발생되지 않았다. 따라서 발효열교환기는 나선형 시스템보다는 발효열의 회수 효율이 매우 높으면서도, 열교환장치의 제작, 설치, 해체가 용이한 평판형 시스템이 유리한 것으로 나타났다.