3.1 실험장치

본 연구에서는 홍고추 건조를 위해 멤브레인과 열펌프를 하이브리드 타입의 건조기를 개발하였으며, 건조를 위한 가온은 열펌프의 응축기가 담당하였고, 가온된 내부 공기는 홍고추의 수분을 증발시키는 역할을 하였다. 또한, 증발된 수분을 포함한 내부공기는 증발기를 통과할 때 제습효과를 가지며, 멤브레인에서도 수분(Water vapor)을 외부로 분리시켜 결과적으로 멤브레인과 증발기가 하이브리드 형식으로 수분을 제거하는 역할을 담당하는 구조로 설계하였다. 이때, 멤브레인의 수분제거 성능은 온도가 높을수록 상승하므로 멤브레인의 위치를 응축기 후단에 배치하는 구조로 설계하였다.⁽⁶⁾

전체적인 구조는 Fig. 2의 개략도와 같으며, 내부공기(Air) 측은 건조공간을 포함하며, 수분의 방출을 제외하고는 밀폐를 유지하도록 구성하였고, 열펌프 측 냉매배관은 응축기와 증발기에서의 열이동을 제외하고는 누설이 없도록 제작하였다. 제작된 멤브레인-열펌프 하이브리드 건조기의 형상은 Fig. 3과 같으며, 건조공간의 내부에는 건조를 위한 채반을 10 cm 간격으로 배치하여 건조물간의 간섭이 없도록 구성하였다. 본 논문에서 이용한 멤브레인-열펌프 건조기의 자세한 사양은 Table 1과 같으며, 건조공간의 온도는 열전대(T-type)를 이용하여 측정하였고, 소비전력은 Y사의 WT1030 모델을 이용하여 측정하였다. 이때 온도의 불확실성은 ±0.33℃이고, 소비전력의 불확실성은 ±1.80 W이다.

Fig. 2 Schematic diagram of membrane-heat pump dryer.

Fig. 3 Membrane-heat pump dryer.

3.2 실험조건

본 연구에서 건조기에 사용된 멤브레인은 Poly ether sulfone 재질의 멤브레인을 이용하였다. 멤브레인의 가용면적은 0.2376 ㎡이고, 시간당 수분플럭스는 1.1 kg/㎡h이며, 시간당 수분제거량은 약 0.8 kg/h이다. 또한, 증발기는 1,000 kcal/h 용량이며, 시간당 수분제거량은 약 0.6 kg/h이다.

일반적으로 고추를 건조하기 위해서 건조공간의 온도는 40~60℃가 필요하며,^(7,8) 온도가 높을수록 건조시간은 단축되지만 소비전력은 증가한다. 하지만 본 연구에서 제안한 건조기는 멤브레인에서 수분제거를 위해 소비되는 전력이 압축기의 소비전력에 비해 낮으며, 수분제거량은 31.7% 높기 때문에 에너지 절감의 효과를 기대할 수 있다. 또한 건조시간을 단축시키는 동시에 소비전력을 줄이기 위하여 하이브리드 타입으로 멤브레인과 열펌프가 교차 가동되는 제어방법을 이용하였으며, 내부온도는 60 ±2℃로 설정하였다.

건조기의 성능평가를 위하여 내부순환을 위한 유량의 변화에 따른 건조성능을 비교하였으며, 제어방법은 진공펌프가 1시간마다 가동과 정지를 하는 경우(Case 1)와 열펌프의 압축기가 가동할 때 진공펌프는 정지하고, 내부 설정온도에 도달하여 압축기가 정지할 때 진공펌프는 가동되는 경우(Case 2)를 비교하였다.

건조품은 홍고추(녹광)를 이용하였고, 건조 전 무게를 측정하여 20 kg 씩 건조를 실시하였다. 채반별 무게는 동일하게 n등분하여 건조를 실시하였으며, 함수율은 KS B 7944:2020(농산물 건조기 시험방법)에 근거한 질량법으로 산출하였다.

3.3 건조에너지 산출방법

일반적인 건조과정에서는 건조시간이 증가할수록 건조물의 함수율은 감소한다. 이때, 함수율의 감소에 영향을 미치는 인자는 가열을 위해 소비되는 전력과 순환(또는 배습)을 위해 소비되는 전력의 합으로 나타낼 수 있다. 하지만 이 과정에서 소비되는 전력은 모두 함수율 변화(또는 건조과정)에 모두 이용되는 것은 아니며, 외부로 방출되는 열손실과 건조물에서 수분을 추출하기 위한 에너지가 포함되어 있다. 본 논문에서는 Fig. 4와 같이 함수율의 변화를 수분제거율로 변환하였으며, 식(1)과 같이 수분제거율을 나타내었다. 변환과정은 초기 함수율을 기준으로 각 건조시간마다 함수율의 비로 표현하였으며, 도출된 수분제거율은 식(2)와 같이 각 건조시간마다 평균 소비전력의 곱으로 나타내어 건조에너지로 표현하였으며, 건조에너지 이용률은 식(3)과 같이 총 사용된 에너지와의 비로 나타내었다.

여기서 a, b, c, d는 계수[-]이며, 첫 번째 항은 조절구간을 표현하였고, 두 번째 항은 조절구간과 항률건조구간의 중복구간이며, 세 번째 항은 항률건조구간을 표현하였다. 본 논문에서 이용한 홍고추 20 kg의 건조특성은 조절구간이 선형으로 나타냈으며, 항률건조구간은 거듭제곱형태로 나타냈다.

Fig. 4 Conversion methodology of moisture content to moisture removal ratio.

4.1 풍량에 따른 함수율 변화

본 논문에서는 질량법을 이용하여 함수율을 측정하였다. 40시간까지는 10시간 단위로 함수율을 측정하였으며, 40시간 이후부터는 실험경향에 따라 추가적으로 측정을 실시하였다. 변곡점이 상대적으로 느리게 나타난 풍량 49.7 CMH는 40시간 이후부터 5시간 간격으로 함수율을 측정하였고, 변곡점이 빨리 나타난 풍량 91.8 CMH에서는 10시간 간격으로 계속 측정하였으며, 함수율 10% 미만에서 고추가 쉽게 가루형태가 되어 측정의 불확실성이 증가하였기 때문에 함수율이 20%에 도달하였을 때까지만 측정하였다. Fig. 5(a)는 건조기 내부 풍량이 49.7 CMH일 때 시간에 따른 함수율의 변화를 나타내고 있다. 40시간 이상에서부터 변곡점이 발생하는 것을 알 수 있으며, 50시간이후부터 함수율이 급격하게 줄어드는 것을 알 수 있었다.

Fig. 5(b)는 건조기의 내부 풍량이 61.2 CMH일 때 건조시간에 따른 함수율의 변화를 나타낸 그래프이며, 30시간부터 변곡점이 발생하여 40시간 이후부터 함수율이 급격하게 줄어들었다. Fig. 5(c)는 풍량이 91.8 CMH일 때의 건조시간에 따른 함수율의 변화를 나타낸 그래프이고, 20시간이후부터 변곡점이 발생하였으며, 풍량이 49.7 CMH일 때와 61.2 CMH일 때에 비해 함수율의 변화가 빨리 발생함을 알 수 있었다. 특히 55시간일 때 가장 낮은 함수율을 보였다. 전체적으로 건조시간 대비 함수율의 감소율은 풍량이 클 때 급격하게 줄어드는 것을 알 수 있었으며, 결국 풍량이 클수록 고추의 건조가 원활하게 이루어짐을 알 수 있었다.

4.2 풍량에 따른 수분제거율 변화

본 연구에서는 건조기의 에너지적 측면에서 건조성능을 수치화하기 위해 함수율의 변화를 Fig. 4와 같이 수분제거율로 표현하여 변환하였다. 수분제거율은 식(1)과 같이 건조시간에 따라 변환이 가능하며, 이를 수식화하기 위해 선형 1차식과 거듭제곱식으로 나누어 조절구간과 항률건조구간을 분리하였으며, 조절구간에서 측정된 3개의 포인트를 기준으로 선형화하여 오차가 5%를 벗어나는 구간부터 거듭제곱식을 이용하였다. 이때 조절구간의 식과 항률건조구간의 식이 교차하는 구간을 변곡점으로 표현하였으며, Fig. 6은 풍량의 변화에 따른 수분제거율을 표현함과 동시에 변곡점의 변화도 표현하였다.

Fig. 5 Variations of moisture content according to drying time.

Fig. 6(a)는 건조기 내부의 풍량이 49.7 CMH일 때 수분제거율의 변화를 나타내는 그래프이며, 변곡점은 약 33.9시간에서 발생하였다. Fig. 6(b)는 건조기 내부의 풍량이 61.2 CMH일 때 수분제거율의 변화를 나타내는 그래프이며, 변곡점은 약 28.7시간에서 발생하였다. Fig. 6(c)는 건조기 내부의 풍량이 91.8 CMH일 때 수분제거율의 변화를 나타내는 그래프이며, 변곡점은 가장 빠른 약 13.3시간에서 발생하였다. 풍량의 증가는 변곡점을 빠르게 가져갈 수 있는 요인으로 작용하였으며, 이는 결국 조절구간의 단축으로 이어져서 총 건조시간이 단축되는 효과를 발생함을 알 수 있었다. 고추의 함수율이 10% 미만이면 실질적으로 이용 및 건조가 불필요하기 때문에 본 논문에서는 감률건조구간에 대한 실험 및 변환은 실시하지 않았다.

4.3 풍량에 따른 건조시간동안의 평균온도 및 평균소비전력

에너지 소비 측면의 성능을 파악하기 위하여 개발된 건조기의 소비전력을 측정하였다. 건조에너지 산출 시 소비전력은 시간별 평균값을 이용하였으며, 건조기 내부의 온도가 일정하게 유지되는 가운데, 소비전력의 변화를 관찰하였는데, Fig. 7(a)에서와 같이 나타났다. 시간이 지남에 따라 1.1% 정도 소비전력은 감소하였는데, 이는 항률건조구간에 접어들면서 홍고추의 부피가 조금씩 줄어들었고, 홍고추 자체의 온도가 상승함에 따라 제어간격이 조금씩 줄어들었기 때문에 발생한 현상이다. 또한 풍량이 증가함에 따라 오히려 소비전력은 감소하는 현상을 보였는데, 이는 높은 풍량일수록 설정온도에 도달하는 시간이 감소하여 발생한 현상이다. 온도측정은 건조공간입구의 격자 가운데에서 측정하였으며, Fig. 7(b)과 같이 일정한 온도를 유지함을 알 수 있었다.

Fig. 6 Variations of moisture removal ratio according to drying time.

Fig. 7 Variations of average power consumption and average temperature by air flow rate.

4.4 제어방법에 따른 수분제거율 변화

멤브레인-열펌프 하이브리드 건조기의 설계단계에서는 멤브레인에서 수분 분리를 위한 구동력발생 장치인 진공펌프를 일정한 시간 간격으로 가동되도록 설계하였다. 일반적으로 멤브레인과 열펌프가 계속적으로 가동된다면 에너지 소비가 증가하기 때문에 열펌프의 응축기는 온도상승을 위한 역할을 하였고, 멤브레인은 수분제거를 위한 용도로 이용하였으며, 열펌프의 증발기는 추가적으로 수분을 제거할 목적으로 설계하였다.

여기서, Case 1인 시간제어의 경우, 열펌프는 건조기 내부의 온도가 설정온도에 도달할 때까지 가동하다가 온도차 2℃에서 정지하고, 다시 가동되는 구조로 제어하였으며, 멤브레인의 진공펌프는 1시간 간격으로 가동과 정지를 반복하도록 설정하였다. 또한 Case 2의 경우는 상대적으로 외부와의 온도차가 클 경우 압축기와 진공펌프가 동시에 가동되는 구간이 증가하기 때문에 소비전력의 증가 우려가 있으므로 열펌프의 압축기가 가동되는 경우에는 증발기에서 수분을 제거하고, 설정온도에 도달하여 압축기가 정지하는 구간에서는 멤브레인이 수분을 제거하도록 진공펌프를 가동시키는 로직으로 구성하였다.

Fig. 8은 Case 1과 Case 2의 수분제거율을 비교한 그래프이다. 열펌프의 압축기와 멤브레인의 진공펌프가 교차로 가동되는 경우인 Case 2 방법이 약 28.1시간부터 수분제거율이 급격하게 증가함을 알 수 있으며, 결국 Case 2가 감률건조구간에도 빠르게 도달할 것으로 예측되었다.

4.5 제어방법에 따른 건조시간동안의 평균온도 및 평균소비전력

Fig. 9(a)는 멤브레인-열펌프 하이브리드 건조기의 제어방법에 따른 평균 소비전력변화를 나타낸 그래프이다. 그림에서와 같이 건조시간에 따라 소비전력은 일정하게 유지됨을 알 수 있었으며, 일정한 시간 간격으로 제어한 Case 1에 비해 열펌프의 압축기와 멤브레인의 진공펌프가 교차로 가동한 Case 2의 경우가 평균 4.0%의 소비전력이 절감되었음을 알 수 있었다. Fig. 9(b)는 이때의 건조공간 온도를 나타낸 그래프이며, 온도변화는 0.5%이내에서 일정하게 유지됨을 알 수 있었다.

Fig. 8 Variations of moisture removal ratio according to control methods.

4.6 건조에너지 이용률

시간별 수분제거율의 수식을 이용하여 평균소비전력과의 곱으로 건조에너지를 표현하였으며, 건조기 가동 시 소비되는 전력의 합계의 비로 건조에너지 이용률을 표현하였다. Fig. 10(a)은 풍량변화에 따른 건조에너지 이용률을 나타내고 있으며, 50시간 이후부터 풍량이 증가할수록 건조에너지 이용률도 증가함을 알 수 있다. 반면, 40시간이전의 경우, 풍량이 61.2 CMH일 때가 49.7 CMH일 때에 비해 건조에너지 이용률은 적게 나타났는데, 이는 49.7 CMH의 풍량에서는 수분제거가 50시간 이후부터 활발하게 이루어졌으며, 40시간 이전은 조절구간이기 때문이며, 결국 건조를 위해 더 많은 에너지를 불필요하게 이용하였기 때문에 발생한 현상이다. 반면, Fig. 6에서 명시된 바와 같이 50시간 이후에는 모두 조절구간을 벗어난 구간이며, 이 구간에서는 건조를 위해 더 많은 에너지를 이용할수록 건조시간이 단축된다는 결과를 얻을 수 있었다.

또한, Fig. 10(b)은 제어방법의 변경을 통한 건조시간에 따른 건조에너지 이용률 변화를 표현한 그래프이다. 건조공간의 풍량은 61.2 CMH로 동일하게 설정하였으며, 건조공간의 평균온도도 0.5%이내의 오차범위에서 균일하게 설정하였다. 결과에서와 같이 40시간 이전에서는 유사한 건조에너지 이용률이 도출되었지만 50시간부터는 열펌프의 압축기와 멤브레인의 진공펌프가 교차로 가동된 Case 2의 건조에너지 이용률이 3.8% 증가하였으며, 총에너지 소비량 대비 건조에 더 많은 에너지를 소비함을 알 수 있었다.

Fig. 9 Variations of average power consumption and average temperature by control method.

Fig. 10 Variations of drying energy utilization rate according to air flow rate and control method.