2.1 해석 대상 건조기

본 연구에서 사용한 건조기는 1 HP 지열원 열펌프 열풍건조기⁽⁴⁾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 공급 되는 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. 1과 같다. 건조기의 양쪽 급기구는 약 10 mm의 구멍으로 상단 부분부터 하단 부분으로 갈수록 구멍의 개수가 많아진다. 이는 각 채반별로 균일한 풍량을 보내기 위함이다. 또한 Fig. 1과 같이 공기 유입구의 뚫려있는 위치가 상이하다.

2.2 건조성능 실험

2.2.1 열풍건조의 원리

열풍건조기의 건조과정은 건조가 시작되기 전 건조조건을 맞추어 주는 예비건조기간, 건조가 가장 많이 이루어지는 항율건조기간, 건조물의 함수량이 낮아져 건조율이 낮아지는 감율건조기간으로 나누어진다.⁽⁵⁾ 건조가 가장 많이 이루어지는 항율건조기간은 식(1)의 항율건조속도에 따라 결정되는데, 건조대상의 표면수증기압과 공기 중의 수증기압의 분압차가 커질수록 항율건조속도는 빨라진다.⁽⁶⁾

$A$ : 건조표면적 [m2]

$K_{G}$ : 질량전달계수 [kg/(s m$^2$ Pa)]

$P_{s}$ : 표면수증기압 [Pa]

$P_{a}$ : 공기 중의 수증기압 [Pa]

$t$ : 시간 [s]

$W$ : 수분량 [kg]

2.2.2 건조성능 실험방법

건조성능을 측정하기 위하여 CFD에서 선정한 15개의 지점에 건조성능 실험을 하였다. 실험 방법은 샬레 15개를 준비한 후 저울을 이용하여 샬레를 영점조정한 후 30 g의 물을 담았다. 그리고 Fig. 2와 같이 건조실 상, 중, 하 채반에 물이 담긴 샬레를 위치시킨 후 40, 50, 60℃에서 30분 씩 건조를 실시하였다.⁽⁷⁾ 하단채반에는 1～5번, 중단채반은 6～10번, 상단채반은 11~15번 샬레가 위치한다.

2.3 전산유체해석

2.3.1 전산유체해석 개요

CFD 해석에 사용한 프로그램은 Siemens사의 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.

CFD 모델링은 건조성능 실험과 비교를 통하여 신뢰성을 검토하기 위해 열펌프 열풍건조기의 도면을 참조 하여 Fig. 3과 같이 모델링 하였다. 전산유체해석을 위한 격자는 사면체(tetrahedral)로 구성하였으며, 82만개의 격자가 사용되었다. 격자 생성은 Fig. 4와 같다. 신뢰성 검토를 위해 사용된 모델의 건조실 내 채반은 총 3개로 건조성능실험과 같이 각 채반의 중앙 1개와 가장자리 4개의 지점 총 15개 지점에 번호를 부여하였고 각 지점들의 수분 두께를 계산하여 증발량을 알아보았다.

2.3.2 CFD Cases

각 Case별 CFD 모델 및 내부 공기유로는 Fig. 5와 같다. Case 1의 경우 상단 급기구에서 공기가 유입되어 양쪽 흡입구로 공기가 유입되는 방식이며, Case 2의 경우 왼쪽 흡입구로 공기가 유입되어 오른쪽으로 토출 되는 방식이다. Case 3은 공기가 아래쪽으로만 유입되는 방식이다.

2.3.3 CFD 해석 조건

건조성능 실험과 동일한 조건을 맞춰주기 위하여 건조온도는 50℃, 습도는 40%로 해석을 진행하였다. 증발 해석을 위하여 신뢰성 검토모델은 총 15개 지점, Case 1, Case 2, Case 3 모델은 총 50개 지점에 초기 수분량 30 g를 부여하였다. 풍량은 기 측정된 값을 사용하였다. 해석은 비정상상태로 약 5분간 진행하였으며 세부적인 CFD 해석조건은 Table 1과 같다.

3.1 건조성능 실험 결과

Fig. 6에 40℃, 50℃, 60℃의 실험 결과를 그래프로 나타내었다. 온도가 다른 각각의 실험 결과 각 지점의 증발량은 비슷한 양상을 보였다. 가장 증발량이 적었던 지점은 40℃, 50℃, 60℃ 모두 8번 지점으로 다른 지점보다 약 1~4 g 적었으며, 가장 증발량이 많은 지점은 40℃, 50℃는 7번지점이며, 60℃는 2번 지점이 약 1~4 g 증발량이 많았다. 채반별 평균 증발량을 계산한 결과 중단, 하단, 상단 채반 순으로 증발량이 많음을 알 수 있었다. 중단 채반의 증발량이 가장 많은 것은 양쪽으로 유입되는 공기와 하단에서 상승하는 공기가 합쳐져 건조되기 때문으로 사료된다. 상단채반의 경우 양쪽으로 유입되는 공기와 하단, 중단에서 상승하는 공기가 합쳐서 건조되지만 이미 하단, 중단 채반을 거치며 공기의 습도가 증가하였기 때문에 상대적으로 증발량이 적은 것으로 사료된다.

중단 채반은 하단 채반보다 증발량이 약 0.03~0.2 g 많았고, 상단 채반은 하단, 중단 채반보다 약 2~3 g 정도 증발량이 적었다. 또한 채반을 두 개로 나누어 양쪽을 비교하면 하단채반은 좌측(1번+4번)의 증발량이 우측 (2번+5번)채반보다 약 0.95~1.29 g 많았다. 중단 채반의 경우 우측(7번+10번)채반의 증발량이 좌측(6번+9번)채반 보다 약 0.37~1.38 g 많았다. 상단채반의 경우 좌, 우가 비슷한 증발량을 보였다.

3.2 신뢰성 검토

Fig. 7은 실험과 전산유체해석을 비교한 결과이다. CFD 결과 하단 채반은 필름 두께가 0.318~0.335 mm일 때, 건조성능 실험의 물 증발량은 4.36~4.62 g이었다. 중단 채반은 필름 두께가 0.316~0.340 mm일 때, 물의 증발량은 4.36~7.82 g이었다. 상단 채반은 필름 두께가 0.328~0.336 mm일 때, 물의 증발량은 4.03~4.62 g 이었다. 3번, 8번 지점은 다른 지점들과 비교하여 필름 두께가 0.018~0.023 mm 두꺼웠고, 실험결과 1~2 g 정도 증발량이 적었다. 그러나 하단, 중단 채반과는 다르게 상단 채반의 중간 지점인 13번 지점은 건조성능 실험 결과 같은 채반 내 다른 지점들에 비해 증발량이 많았지만, CFD 결과 필름 두께가 다른 지점들에 비해 두꺼움을 알 수 있었다. 하단채반은 CFD 결과 필름 두께가 약 21% 감소할 때 건조성능실험 증발량은 20% 발생하였으며, 중단 채반은 필름 두께가 약 21% 감소 할 때 증발량은 약 21% 발생하였다. 상단채반은 필름 두께가 약 19% 감소할 때 증발량은 약 14% 발생하였다. Table 2에 1~15번 지점들의 필름두께 감소 백분율(%)과 건조성능실험의 물 증발 백분율(%)을 나타내었다.

3.3 각 Case 별 비교

Fig. 8은 Case별, 각 채반 별 최종 필름 두께이며, Table 3은 각 Case별 필름 평균 감소 두께, 초기 대비 감소 백분율(%), 그리고 표준편차이다. 감소율은 초기대비 건조 후 얼마만큼 수분이 증발했는지 알 수 있는 지표이며, 표준편차는 건조물이 균일하게 건조되었는지를 알 수 있는 지표이다. Fig. 9는 Case 별 필름 두께를 비교한 그림이다. Case 1은 0.063~0.076 mm 범위의 필름 두께를 확인할 수 있고, 육안으로 확인 시 아래로 갈수록 초록색(0.059~0.064) 인 부분이 많음을 알 수 있다. Case 2는 0.044~0.063 mm 범위의 필름 두께이며, 해석 결과에 의하면 채반의 좌측 지점들이 우측 지점보다 증발량이 많다. 건조한 공기가 좌측에서 공급되어 우측으로 배기 되므로 수분압차가 높은 좌측 채반의 건조 성능이 더 높다. Case 3의 경우 0.037~0.076 mm의 필름 두께이며, 1~3번 채반의 증발량이 많고 4번째 채반부터 급격히 필름 두께가 커짐을 알 수 있었다.

분석 결과 평균 감소율은 Case 1, 2, 3이 각각 33.9%, 43.3%, 40.0%였으며, Case 2, 3, 1 순으로 감소율이 높았다. 표준편차는 Case 1, 2, 3이 각각 0.0031, 0.0011, 0.0120 mm이었으며 Case 2, 1, 3 순으로 표준편차가 적었다. Case 2는 Case 1에 비해 약 10% 감소율이 많았으며, Case 3에 비해 약 3% 감소율이 높았다. Case 2은 Case 1에 비해 표준편차가 0.0020 mm 적었으며, Case 3에 비해 0.0089 mm 낮았다. 결론적으로 Case 2의 수분 감소량 및 건조 균일도가 가장 우수하였다.