오상민
(Sang Min Oh)
1
김영일
(Young Il Kim)
2†
박승태
(Seung Tae Park)
3
-
서울과학기술대학교 주택도시대학원
(Graduate School of Housing and Urban Planning, Seoul National University of Science
& Technology, Seoul 01811, Korea)
-
서울과학기술대학교 건축학부
(Schcool of Architecture, Seoul National University of Science & Technology, Seoul, 01811, Korea)
-
㈜에이티이엔지
(ATENG, Siheung-si, Gyeonggi-do, 15118, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
열풍건조기(Hot air dryer), 공기령(Age of air), 건조 성능(Drying performance), 농도(Concentration), 전산유체(Computational fluid dynamics)
기호설명
A：건조표면적 [m2]
Cp(t)：지점 P의 시간 t에서의 농도 [%]
C∞：정상상태 농도 [%]
KG：물질이동계수 [kg/(s·m2·Pa)]
LMA：국소평균공기연령(local mean age) [s]
Pa：공기 중의 수증기압 [Pa]
Ps：표면수증기압 [Pa]
t：시간 [s]
W：수분량 [kg]
1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
열풍건조는 건조대상의 수분을 목표하는 함수량까지 고온의 공기를 통해 열을 가하여 증발, 배출시키는 건조 방식이다.
(1) 건조대상에 열을 가하면 표면의 수증기분압이 상승하게 되는데, 건조실 내부의 수증기분압이 포화수증기압 미만이고 표면의 수증기분압보다 낮으면 표면의
수분이 증발되어 건조가 진행된다.
(2) 건조실 내부 공기의 습도를 낮추려면 낮은 습도의 공기를 건조실 내부로 유입시켜야 한다. 유입된 공기는 건조대상에서 발생한 수분을 머금고 외부로 배출되어
건조실 내 습기를 제거하게 된다. 이때 제거된 수분의 양이 많을수록 건조성능이 좋아지는데, 건조성능은 단위시간동안 건조대상의 수분 증발량으로 나타낼
수 있다. 건조성능을 개선하기 위한 다양한 연구들이 국내외에서 진행되고 있다.
(3)
건조성능을 높이기 위하여 건조대상 표면의 수분을 빠르게 증발시켜 외부로 배출해야 하는데, 그러기 위해서는 건조한 고온의 공기가 건조대상에 빠르게 도달하는
것이 유리하다. 그러나 공기의 도달시간은 유입되는 위치 및 풍속 그리고 건조대상 위치에 따라 달라지므로 이러한 요인들이 건조성능에 미치는 영향에 대한
연구가 필요하다. 본 연구에서는 공기가 건조대상에 도달하는 시간을 실내 환기효율을 계산할 때 사용하는 공기령 이론을 도입하여 산출하였다. 공기령은
실내의 임의의 위치에 도달하는데 걸리는 시간의 평균값으로 정의된다.
(4)
1 HP 용량 지열원 열펌프식 열풍건조기를 선정하여 건조실 내부 상, 중, 하 위치에 각각 수평으로 5지점씩, 총 15지점을 선정하고, 전산유체해석(Computational
Fluid Dynamics, CFD)을 통하여 각 지점에 대한 공기령을 계산하였다. 수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 동일한 지점에 물 증발량을
측정하여 건조성능을 산출하는 실험을 진행하였다. 측정된 건조성능과 공기령을 비교 분석하여 상관관계를 분석하였다.
1.2 이론적 고찰
1.2.1 열풍건조의 원리
열풍건조는 건조대상의 수분을 증발시키기 위해 공기를 매체로 열을 전달하는 것이다. 전달된 열은 건조대상 표면의 수분을 증발시키면서 건조실과 건조대상
표면에 수증기 분압차를 생성하게 된다. 수증기 분압차로 인하여 건조대상의 수분이 표면에서부터 점차 기화되어 일정 시간이 지나면 건조물이 완성된다.
(5)
열풍건조기의 건조과정은 건조가 시작되기 전 건조조건을 맞추어 주는 예비건조기간, 건조가 가장 많이 이루어지는 항율건조기간, 건조물의 함수량이 낮아져
건조율이 낮아지는 감율건조기간으로 나누어진다.
(6) 건조가 가장 많이 이루어지는 항율건조기간은
식(1)의 항율건조속도에 따라 결정되는데, 건조대상의 표면 수증기압과 공기 중의 수증기압의 분압차가 커질수록 항율건조속도는 빨라진다.
1.2.2 공기령의 정의 및 추적가스 방법
Fig. 1은 공기령의 개념도를 나타내는데 Supply를 통해 주입된 공기는 임의의 점 P까지 여러 경로를 통하여 도달한다. 공기령은 공기가 P지점에 도달하는
시간들을 평균한 값으로 나타낸다. Supply에서 공급된 공기가 임의의 지점 P에 도달하기까지 소요되는 시간이 짧을수록 공기는 신선하며, 환기효율이
높다고 정의한다.
(7)
실험에서는 추적가스를 주입하여 농도변화를 관측하는 방법으로 공기령을 구한다. 추적가스를 주입하는 방법에는 펄스(pulse), 체승(step-up),
체강(step-down)의 3가지 방법이 있는데
(8) 본 연구에서는 체승 방법을 선택하였다. 체승 방법은 P점의 추적가스 농도가 정상상태에 도달할 때까지의 시간에 따른 농도 변화를 측정하여, 그 값을
식(2)에 대입하여 계산한다.
2. 공기령 계산
2.1 해석 대상 건조기
본 연구에서 사용한 건조기는 1 HP 지열원 열펌프 열풍건조기
(9)로 2실 2도어로 구성되어 있다. 1개의 건조실은 가로, 세로, 높이가 각각 0.5 m, 0.6 m, 1.2 m이다. 내부는 10개 층으로 구성되며
층마다 1개의 채반이 위치한다. 공기는 상부에 설치된 댐퍼를 통해 유입되어 급기팬에 의해 건조실로 공급된다. 이때 건조실로 공급되는 공기는 양쪽 벽면의
풍로를 따라 이동하면서 각 층 급기구를 통하여 유입된다. 유입된 공기는 건조실을 거쳐 상단 팬으로 올라간다. 건조기의 외형 및 내부 건조실, 건조실
내부 공기유동은 Fig. 2와 같다.
Fig. 2. Geothermal source heat pump type hot air dryer.
Fig. 2
2.2 공기령 전산유체해석(CFD)
2.2.1 전산유체해석(CFD) 개요
CFD 해석에 사용한 프로그램은 Siemens 사의 NX 11이다. NX 11은 산업분야에서 널리 사용되고 있는 CFD 프로그램으로, 구조, 소음,
열 유체 해석 등에 다양하게 사용되고 있다. 수치해석 계산 시 사용된 지배방정식은 유한체적법으로 k-epsilon 모델을 사용하여 비정상상태로 해석을
수행하였다.
전산유체해석을 위해 1 HP 지열원 열펌프 열풍건조기 도면을 참조하여
Fig. 3과 같이 모델링 하였다. 전산유체해석을 위한 격자는
Fig. 4와 같이 3D tetrahedral mesh로 구성하였으며, 총 64만 개의 격자가 사용되었다.
건조실로 공급되는 공기는 건조기 상단 양측에 위치한 급기구(0.43 m × 0.123 m)를 통하여 급기된다. 건조실 내 채반은 상, 중, 하단 총
3개로 각 채반의 중앙 1개와 가장자리 4개의 지점 총 15개 지점에 번호를 부여 하였고 각 지점의 시간에 따른 농도 변화를 수치적으로 해석하였다.
농도변화를 해석함에 있어 온도에 따른 물성변화와 확산특성의 변화를 반영하기 위하여 초기온도를 55℃로 설정하였고, 확산특성 또한 55℃를 기준으로
설정하였다.
2.2.2 CFD 해석조건 및 결과
공기령 해석을 위하여 사용한 추적가스는 공기령 해석에 많이 사용되는 CO
2(이산화탄소)이며, 주입은 체승 방법을 선정하였다. 추적가스 농도의 최대 값을 10,000 ppm으로 설정하고, 공기와 CO
2를 99:1의 비율로 하여 10초 동안 주입하였다. 기타 CFD 해석에 사용된 조건은
Table 1과 같다.
Table 1. Simulation condition
|
Parameter
|
Value
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|
Diffusion coefficient
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0.192 cm2/s
|
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Total air flow
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960 m3/h
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Inlet velocity
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2.5 m/s
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Outlet
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Open
|
|
Wall function
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Smooth-with friction
|
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Screen flow area ratio
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0.3334
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Initial temperature
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55℃
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Total time
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10 s
|
|
Time step
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0.02 s
|
CFD 결과 내부 CO
2 농도가 균일하게 10,000 ppm에 도달하는데 걸린 시간은 약 5 s이었다. Fig. 4는 추적가스의 농도변화를 나타낸 것이다. 파란색 부분은
CO
2농도가 0 ppm(Air 0%, CO
2 0%)이며, 색이 짙어지기 시작하여 빨간색이 되면 추적가스 농도가 최대인 상태로 CO
2농도가 10,000 ppm(Air 99.99%, CO
2 0.01%)인 상태를 나타낸다.
Fig. 4에서 Time = 0 s는 추적가스가 주입되지 않은 초기 상태를 나타낸다. Time = 0.2 s는 추적가스가 주입되어 건조실 양측 풍로의 농도가
변화하였는데 상단 급기팬이 있는 지점부터 빨간색으로 10,000 ppm에 도달하였다. Time = 0.5 s에는 건조실로 유입되는 추적가스를 뚜렷하게
확인할 수 있으며, 하단 부분이 중 상단에 비하여 농도가 짙은 것을 알 수 있었다. Time = 1 s가 지난 후 건조실 전반으로 추적가스가 유입된
것을 확인할 수 있는데, 하단이 약 7,500 ppm으로 중단 약 5,000 ppm과 상단 약 2,500 ppm에 비하여 농도가 짙게 나타났다. Time
= 2 s가 지난 후 하단은 약 9,000 ppm, 중단 약 8,500 ppm, 상단 약 7,500 ppm으로 나타났으며, Time = 5 s에서는
건조실 전체가 최종 농도인 10,000 ppm이 되는 것을 확인하였다. 결과적으로 초기에는 건조실 측면의 급기구로부터 추적가스가 유입되기 시작하여
하 중 상단 순으로 최종 농도에 도달하는 것을 알 수 있었다.
2.2.3 공기령 계산 결과
먼저 건조실 채반의 15개 지점 각각에 대하여 추적가스 농도변화에 따른 수치를 CFD 프로그램으로 도출한 후
식(2)에 대입하여 공기령을 계산하였으며 그 결과는
Fig. 5와 같다. 먼저 하단 채반의 1, 2, 4, 5번의 공기령은 0.731~0.752 s, 가운데 3번은 상대적으로 느린 0.952 s이었으며 평균 공기령은
0.783 s으로 나타났다. 중단 채반의 경우 6, 7, 9, 10번의 공기령은 0.977~1.055 s, 가운데 8번은 상대적으로 느린 1.273
s이었으며 평균 공기령은 1.064 s으로 나타났다. 상단 채반의 11, 12, 14, 15번 공기령은 1.412~1.450 s이며, 가운데 13번은
상대적으로 느린 1.620 s로 나타났으며 평균 공기령은 1.468 s이다. 상 중 하단의 모든 채반 가운데 지점의 공기령이 동일 채반의 다른 지점보다
약 0.15~0.31 s 느리게 나타났다. 평균 공기령을 비교해 보면 공기령이 가장 빠른 채반은 하단이며, 다음이 중단 상단 순이었다. 결과적으로
외기가 가장 먼저 도달하는 채반은 하단이며 중단을 거쳐 상단으로 이동하는 것을 알 수 있다.
Fig. 5. Transient CO2concentration.
2.3 건조성능 실험
2.3.1 건조성능 실험 개요
건조성능을 측정하기 위하여 CFD에서 선정한 15개의 지점과 동일한 위치에 40 g의 물이 담긴 샬레를 올려놓고 1시간 건조를 실시한 후 건조 전과
후의 물의 질량을 비교하였다. 먼저 샬레 15개를 준비한 후 저울을 이용하여 샬레를 영점조정한 후 40 g의 물을 담았다. 그리고
Fig. 7과 같이 건조실 상, 중, 하 채반에 물이 담긴 샬레를 위치시킨 후 55℃에서 1시간 건조를 하였으며, 반복성을 확인하기 위하여 총 2회 실시 하였다.
Fig. 7. Location of chalet.
2.3.2 실험결과
Fig. 8은 40 g의 물이 담긴 샬레를 건조시킨 후 남은 물의 질량과 증발된 물의 질량을 나타낸 것이다. 2번의 실험 결과가 하단 채반에서 일부 상이한데
이는 하단 채반의 풍량, 풍속이 다른 채반과 비교하여 가장 크고, 변화 또한 가장 많기 때문이다. 따라서 오차를 줄이기 위하여 2회 실험을 진행하여
평균값을 사용하였다.
Fig. 8. Water evaporation.
하단 채반 1, 2, 4, 5번의 증발량은 14.78~18.36 g, 가운데 3번의 증발량은 상대적으로 적은 12.34 g이며 평균 증발량은 15.75
g로 나타났다. 중단 채반의 경우 6, 7, 9, 10번 증발량은 14.67~16.93 g, 가운데 8번 증발량은 10.40 g이며 평균 증발량은
14.58 g으로 나타났다. 상단 채반의 11, 12, 13, 14, 15번 증발량은 9.63~10.50 g 으로 비교적 균일하였으며 평균 증발량은
9.99 g로 나타났다.
중 하단의 가운데 3, 8번은 각 채반의 다른 지점보다 3.41~4.18 g 증발량이 적었다. 반면에 상단 13번은 다른 지점보다 약 0.51 g
증발량이 많았다. 이는 상부 팬의 후단에 가장 가까운 지점이기 때문이라고 사료된다.
팬의 후단 지점은 부압이 가장 큰 지점으로 흡입력이 가장 크다. 따라서 풍속이 가장 빠르므로, 증발된 수분이 같은 채반의 다른 지점보다 빠르게 배출되어
상단 채반의 중앙 지점인 13번 지점은 같은 채반의 다른 지점들보다 증발량이 크다고 사료된다.
평균 증발량을 비교해 보면 하단이 가장 많았으며, 중단 상단 순으로 나타났다. 결과적으로 건조성능이 가장 좋은 채반은 하단, 가장 좋지 않은 채반은
상단이다. 특히 중단과 하단 채반의 가운데 부분은 동일 채반의 다른 지점에 비하여 증발량이 적어 건조성능이 떨어지는 것을 알 수 있었다.
2.4 공기령과 건조성능 비교
Fig. 9는 공기령과 건조성능을 비교한 결과이다.
Fig. 9에서 하단 채반은 1~5번, 중단 채반 6~10번, 상단 채반 11~15번을 나타낸다. 하단 채반은 공기령이 0.73~0.95 s일 때 물의 증발량은
12.34~8.36 g, 중단 채반은 공기령이 0.97~1.27 s일 때 물의 증발량은 10.40~16.93 g, 상단 채반은 공기령이 1.41~1.62
s일 때 물의 증발량은 9.63~10.50 g으로 나타났다. 특히 중단과 하단의 3, 8번 지점은 그룹 내 다른 지점에 비해 공기령이 약 0.17~
0.31 s 느리고 물의 증발량도 약 2.44～6.53 g 적었다. 이는 외기가 채반 측면의 급기구로 공급되어 최종적으로 가운데 지점은 도달하기 때문으로
판단된다. 결과적으로 외기가 가강 먼저 도착하는 채반 순서는 하단, 중단, 상단으로 나타났다. 또한 각 채반 내에서는 측면 급기구로부터 외기가 유입되어
채반 가운데로 모이는 것을 알 수 있었다.
Fig. 9. Age of air and water evaporation.
3. 결 론
본 연구에서는 1 HP 지열원 열펌프 열풍건조기를 대상으로 건조기의 건조성능과 공기령의 상관관계에 대해 연구하였다. 전산유체해석(CFD)을 통하여
건조실의 상, 중, 하 채반 15개 지점의 시간에 따른 추적가스의 농도변화 값을 계산하고, 이를 이용하여 급기된 공기가 그 지점에 도달하는 평균 시간인
공기령을 계산 하였다. 그리고 건조성능을 확인하기 위한 샬레를 이용한 물 건조 실험을 진행하였으며 그 결과를 공기령과 비교 분석하였다. 연구 결과를
요약하면 다음과 같다.
(1) CFD에서 추적가스인 이산화탄소를 Step-up 방법으로 주입한 결과 초기 0.2 s에는 건조실 채반 상단, 중단, 하단의 순서로 유입되었으나
1 s 이후 추적가스의 유입량이 하단, 중단, 상단 순으로 많아져 약 5 s에는 최종 농도 10,000 ppm에 도달하였다.
(2) 추적가스 농도변화에 따른 각 채반별 5개 지점에 대한 공기령 평균을 계산한 결과 상단 1.430 s, 중단 1.070 s, 하단 0.780
s으로 나타났다. 특히 각 채반의 가운데 지점은 약 0.15~0.31 s 더 느리게 나타났는데, 건조실 측면에서 공급되는 공기가 마지막으로 가운데
지점에 도달하기 때문인 것으로 판단된다. 외기는 공기령이 가장 빠른 하단에 도달한 후 중단을 거쳐 상단으로 이동되는 것으로 나타났다.
(3) 건조성능 실험결과 각 채반 5개 지점의 평균 증발량은 상단 9.99 g, 중단 14.58 g, 하단 15.75 g으로 나타났다. 특히 중,
하단 채반의 가운데 지점은 각 채반의 다른 지점보다 3.41~4.18 g 증발량이 적었으나, 상단의 경우 약 0.51 g 증발량이 많았다. 건조성능이
가장 좋은 채반은 하단, 그리고 중단 상단 순이며, 중단과 하단 채반의 가운데 지점은 상대적으로 건조성능이 좋지 않았다. 이는 공기가 가운데 지점에
도달하는 과정에서 채반의 다른 지점의 습기를 포함하여 도달하기 때문에 증발량이 적어지는 것으로 판단된다.
(4) 공기령과 건조성능을 비교한 결과 상단 채반보다 중단 채반의 공기령이 0.40 s 빨랐으며, 이때 물의 증발량 또한 0.77~6.13 g 많았다.
또한 중단 채반보다 하단 채반의 공기령이 0.23~0.32 s 빨랐으며, 이때 물의 증발량은 1.43~1.94 많았다. 그러나 중단과 하단의 가운데
지점은 각 채반의 다른 지점에 비해 공기령이 약 0.17~0.31 s 느리고 물의 증발량도 약 2.44~6.53 g 적었다. 공기령이 가장 빠른 하단
채반의 물의 증발량 가장 많았으며, 공기령이 가장 느린 상단 채반의 물의 증발량은 가장 적었다. 동일 채반 내에서는 외기가 유입되는 측면의 공기령이
빠르고 물의 증발량도 많고, 가운데 지점의 공기령이 가장 느리고 물의 증발량도 적었다.
(5) 본 연구를 통하여 공기령이 빠를수록 건조성능이 좋아지며, 공기령이 느릴수록 건조성능이 나빠지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 채반 가운데 지점은
각 채반의 다른 지점에 비해 공기령이 느리고 건조성능이 좋지 않았다. 이는 측면으로 유입되는 외기가 가운데 지점에 도달하기까지 다른 지점의 습기를
머금고 도달하였기 때문에 발생하는 현상으로 판단된다. 본 연구를 통하여 건조실 내부는 급기된 공기가 모든 피건조물에 빠르고 균일하게 도달하도록 설계하는
것이 중요함을 알 수 있었다. 실제 건조기는 공기를 가열하여 내부에서 순환시키며 습한 공기를 일부 배출시키고 외부 건조한 공기를 유입시켜 내부의 수분이
외부로 배출되면서 건조 하는 방식이다. 본 연구에서는 공기가 유입구로부터 건조대상물까지 도달하는데 소요되는 평균시간을 분석하여 이 시간과 건조효율과의
상관관계를 찾고자 하였다. 공기령 수치해석에서는 유입 공기가 건조물에 도달하는 평균시간으로 산출되므로 실험결과와 정확히 일치하지 않는다. 그러나 건조성능과
공기령의 정성적인 상관관계의 연관성을 찾을 수 있었다. 추후 증발과 수분의 이동을 고려한 공기령 및 건조성능의 비교 연구가 필요하다.
후 기
본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다 (No. 20163030111210).
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