[논문]적외선 굴절식 건조기에서 열전달 및 건조 특성 해석

이공훈; 홍용주; 김욱중

[국내논문] 적외선 굴절식 건조기에서 열전달 및 건조 특성 해석
Analysis of Heat Transfer and Drying Characteristics in the Dryer Using the Refraction of Radiation 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.18 no.8, 2006년, pp.678 - 685

이공훈 (한국기계연구원 환경에너지기계연구본부 에너지기계연구센터) , 홍용주 (한국기계연구원 환경에너지기계연구본부 에너지기계연구센터) , 김욱중 (한국기계연구원 환경에너지기계연구본부 에너지기계연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Analysis of drying characteristics has been carried out with one-dimensional model in the dryer using the principle of the refraction of radiation. The dryer is composed of hot water tank, plastic film conveyer belt, drying material, etc. The model considers the con-duction and radiation within the plastic film and drying material. The film is semitransparent to radiation and the drying material is assumed to be semitransparent or opaque to radiation. The results show that the effect of radiative transfer on the drying rate is relatively large when the thickness of drying material is small and the water temperature is high. When the material is thin, the drying rate due to conduction is also enhanced and the drying time can considerably be reduced.

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AI 본문요약
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문제 정의

적외선 굴절식 건조기술은 분무건조, 진공동결 건조 등과 비교하여 피건조물의 건조상태가 유사하거나 우수하고, 수분 이내의 짧은 시간 내에 건조가 이루어지므로 에너지절약 효과가 큰 것으로 알려지고 있다. 본 연구에서는 복사굴절 현상을 이용한 적외선 굴절식 건조기에서의 열전달 및 건조 현상에 대한 해석모델을 설정하고 온수온도, 필름 두께, 열전달계수, 상대습도 및 피건조물 두께의 영향을 분석하였다.
적외선 굴절식 건조기에서의 건조 특성을 파악하기 위한 해석을 수행하였다. 해석결과로부터 피건조물의 상태에 따라 열전달 및 건조에 복사열전 달이 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

가설 설정

피건조물은 전지분유(Skimmed milk)를 가정하였는데, 피건조물이 복사에 반투명한 경우에는 물과 같은 물성치를, 불투명한 경우에는 전지분유의 물성치(대표값을 나타냄)를 사용하였다. 복사에 불투명한 경우에 피건조물 표면은 흑체로 가 정하였다.
피건조물은 전지분유(Skimmed milk)를 가정하였는데, 피건조물이 복사에 반투명한 경우에는 물과 같은 물성치를, 불투명한 경우에는 전지분유의 물성치(대표값을 나타냄)를 사용하였다. 복사에 불투명한 경우에 피건조물 표면은 흑체로 가 정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 피건조물이 복사에 대하여 반 투명 (semitransparent)한 경우와 불투명(opaque)한 경우로 나누어 해석하였다. 건조 초기에 피건조물에 수분이 많을 때에는 Fig.

대상 데이터

해석에 사용한 물성치들은 Table 1에 나타내었는데, Mylar 필름에 대한 수치들은 제조사인DuPont사의 자료에서 인용하였다⑺ 흡수계수는 Mylar 필름의 경우에는 1, 000 cm"1, 물⑻의 경우에는 2, 000cm-1를 사용하였다.
해석 및 결과 분석을 위하여 대표적인 파라미터들로서 피건조물 상부의 열전달계수, 열원인 온수의 온도, 공기의 상대습도, 필름 두께를 선정하였고 Table 2에 나타내었다. 기본값은 굵은 글꼴로 표시하였고 다른 설명이 없으면 이 값을 적용한 것이다.
공기의 온도는 25*0로 고정하였다. 해석을 위한 격자는 다양한 크기의 격자를 시험하여 결과의 정확도를 비교한 후, 필름에 21, 피건조물에 51개의 비균일 격자를 사용하였다.

이론/모형

이 방정식의 해를 구하기 위해서는 적절한 경계 조건을 적용해야 하는데, 상세한 내용은 참고문 헌(4)에 있다. 본 연구에서 복사전달방정식은 S-8 구분종좌법을 이용하여 해를 구하였다.
물의 포화수증기압은 ASHRAE Handbook⑸에 주어진 식을 사용하여 구하였다.

성능/효과

적외선 굴절식 건조기에서의 건조 특성을 파악하기 위한 해석을 수행하였다. 해석결과로부터 피건조물의 상태에 따라 열전달 및 건조에 복사열전 달이 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
피건조물이 복사열전달에 대하여 반투명한 경우에 불투명할 때에 비하여 피건조물의 온도가 최 고 25℃까지 더 상숭하고, 건조속도는 약 2배 증가하였다. 건조공기의 상대습도가 건조에 미치는 영향은 정확하게 파악할 수 없었으나 피건조물 상부의 공기의 대류는 온도 및 건조속도에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 건조기 구성요소 중의 핵심이라 할 수 있는 컨베이어용 필름의 두께는 열전달 및 건조에 큰 영향을 미치지 않아서 건조기 설계단계에서 필름 두께를 비교적 자유롭게 선택할 수 있음을 알 수 있었다.
건조공기의 상대습도가 건조에 미치는 영향은 정확하게 파악할 수 없었으나 피건조물 상부의 공기의 대류는 온도 및 건조속도에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 건조기 구성요소 중의 핵심이라 할 수 있는 컨베이어용 필름의 두께는 열전달 및 건조에 큰 영향을 미치지 않아서 건조기 설계단계에서 필름 두께를 비교적 자유롭게 선택할 수 있음을 알 수 있었다.
피건조물이 복사열전달에 대하여 반투명한 경우에 불투명할 때에 비하여 피건조물의 온도가 최 고 25℃까지 더 상숭하고, 건조속도는 약 2배 증가하였다. 건조공기의 상대습도가 건조에 미치는 영향은 정확하게 파악할 수 없었으나 피건조물 상부의 공기의 대류는 온도 및 건조속도에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (8)

Abonyi, B. I., Feng, H., Tang, J., Edwards, C. G., Chew, B. P., Mattinson, D. S. and Fellman, J. K., 2001, Quality retention in strawberry and carrot purees dried with refractance window system, Journal of Food Science, Vol. 67, No.3, pp. 1051 -1056

상세보기
Choi, B., Lee, K. H. and Kim, M. B., 2005, Drying characteristics of a refractance window dryer, Proc. of the SAREK 2005 Summer Annual Conf., pp. 1113-1118
Lee, K. H., Choi, B. and Hong, Y.- J., 2006, Analysis of drying characteristics in the dryer using the refraction of radiation, Proc. of SAREK 2006 Summer Annual Conf., pp. 1191-1196
Lee, K. H. and Viskanta, R., 1999, Comparison of the diffusion approximation and the discrete ordinates method for heat transfer in glass, Glastechnische Berichte, Vol. 72, pp. 254-265
Parsons, R. A., ed., 1997, ASHRAE Handbook: 1997 Fundamentals, SI ed., ASHRAE, Atlanta
Modest, F. M., 1993, Radiative Heat Transfer, McGraw-Hill, New York
http://www.dupontteijinfilms.com/cntProductsMylarDatashts.html
Hale, G. M. and Querry, M. R., 1973, Optical constants of water in the 200 nm to 200 $\mu$ m wavelength region, Applied Optics, Vol. 12, pp, 555-563

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