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문제 정의
- 고온 열풍 건조로 인한 건조물의 품질 손상 위험과 과다한 에너지 소모를 해결하고, 건조전용 혹은 저온저장전용 시스템이 연중 짧은 기간만 활용되어 높은 설치비용에 대해 낮은 활용 비율을 갖는 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 건조와 저온저장을 겸할 수 있는 히트펌프를 제작, 실험하였다. 그리고 이를 이용하여 고추의 건조를 행함으로서, 이 시스템의 기계적 특성과 건조 특성을 구명하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 히트펌프를 이용하여 농산물 건조와 저온저장을 겸할 수 있는 다목적시스템을 개발하여 농산물을 건조함으로써 본 시스템의 실제 적용가능성을 모색하고 기초 자료를 제공하고자 하였다.
제안 방법
- 건조 전후 고추 시료의 함수율은 시료 20개를 임의로 추출하여 세절하여 전자저 <(HF-200GD, AND, Japan)로 약 15 g 을 계량한 후 실험용 건조기(WFD600ND, Eyela, Japan)에서 105℃ 로 24시간 건조한 후 중량비를 계산하여 습량기준함수율로 나타내었다.
- 건조실 내에는 건조 대차가 4개 놓이고, 1개의 건조대차에는 10개의 건조상자가 장착된다. 건조상자는 서랍식으로 만들어 탈착이 용이하도록 하여 건조시 농산물의 적재 및 하역이 간편하도록 하였으며, 건조상자의 타공은 10 mmxio mm의 철망으로 구성하여 공기의 흐름이 용이하도록 하였다.
- 건조온도는 50, 55, 60℃ 의 3 수준으로 건조하였으며, 건조온도는 컨트롤러(DCC-4WV. Dae cheong control. Korea)를이용하여 건조 초기부터 건조 최종시까지 유지하였다.
- 에너지 소비량은 전력량계(VIP system, Elcontrol, Italy)를 사용하여 히트펌프의 소비 전력량을 측정하였다. 고추의 색도는 시료 20개를 임의 추출하여 고추의 꼭지, 중간, 끝부분으로 나누어 사방에 대한 L(명도), a(적색도), b(황색도)를 색도계(CR-200, Minolta Co. Japan)로 측정하여 평균값으로 나타내었다.
- 실험하였다. 그리고 이를 이용하여 고추의 건조를 행함으로서, 이 시스템의 기계적 특성과 건조 특성을 구명하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 또한 색의 선명도를 나타내는 채도를 다음 식으로 구하고, 건조 전, 후의 채도차를 비교하였다.
- 본 연구에서는 왕복동식 히트펌프용 압축기를 사용하였으며, 피건조물의 종류는 고주를 기준으로 하고, 초기 함수율은 84.5%(w.b), 최종함수율은 15%(w.b), 건조시간은 36시간으로 하였다. 표본 조사 농가의 1회 평균 고추 생산량(통계청, 2005)과 변동율을 고려하여 1회 건조량은 약 270 kg 수준으로 하였다.
- 함수율비는 약 3 kg의 시료를 전자저울(LC5207, AND, Japan) 에 매달아 중량을 30 분 간격으로 측정하였으며, 측정된 중량을 함수율비로 환산하여 나타내었다. 에너지 소비량은 전력량계(VIP system, Elcontrol, Italy)를 사용하여 히트펌프의 소비 전력량을 측정하였다. 고추의 색도는 시료 20개를 임의 추출하여 고추의 꼭지, 중간, 끝부분으로 나누어 사방에 대한 L(명도), a(적색도), b(황색도)를 색도계(CR-200, Minolta Co.
- 온도분포는 건조실의 온도를 55℃ 로 설정하고 건조실을 응축기로부터 건조실 끝까지 길이 방향으로 전(1.2 m), 중(2.6 m), 후(4.0 m)의 3개 단면으로 나누어 한 단면당 25개소(측점과 측점사이의 거리 0.35 m)의 측점에 열전대를 설치하여 피 건조물이 없는 상태에서 측정하였으며, 풍속분포는 온도분포와 같은 지점, 같은 조건에서 열선풍속계를 이용하여 온도분포와 동시에 즉정하였다. 풍속은 5회를 즉정하여 평균값을 사용하였다.
- 응축기 송풍팬은 6개 안내익으로 되어있기 때문에 예비 실험을 통하여 평균온도와 평균풍속이 되는 지점을 찾아 대표온도와 대표 풍속으로 선택하였다. 응축기 입 .
- 또한 건조기는 피건조물이 생산되는 시기에만 사용되기 때문에 활용기간이 짧아지게 된다. 이를 해결할 수 있는 방안으로 여기에서는 히트펌프를 고려하였다. 히트펌프는 저열 원으로부터 고열원으로 열을 퍼 올리는 장치로 고열 원은 농산물 등의 건조, 감자, 고구마 등과 같은 구근류의 큐어링 (curing), 농업시설의 난방, 급탕 등에, 저열원은 저온저장, 냉방, 일부 화훼의 저온처리 등에 쓰일 수 있다.
- 일반 열풍건조는 상용 열풍 건조기 (COPP-1 OS, Shinheung, Korea)를 이용하였으며, 건조초기 5시간 동안은 건조온도를 65℃를 유지하고 1시간 배습한 후 60℃로 7시간 동안 건조하고 1시간 환기 후 건조온도를 55℃로 유지하여 건조하였다.
- 풍속은 5회를 즉정하여 평균값을 사용하였다. 즉정된 온도는 데이터 수집 장치(DA 100, Yokokawa, Japan)를 통하여 실시간으로 PC에 기록하였으며, Winsurf 프로그램을 이용하여 풍속 및 온도분포를 나타내었다.
- 순간 전력은 전력량계 (VIP system, Elcontrol, Italy)를 사용하여 측정하였으며 응축기 입.출구 공기 온도 풍량, 순간 전력을 이용하여 난방성능계수를 구하였다.
- 응축기 입 .출구 공기 온도는 건조실 온도를 55 ℃ 로 설정하고 피건조물이 없는 상태에서 대표온도를 나타내는 지점에 열전대(K-type)를 설치하여즉정하였으며, 응죽기 줄구의 풍량은 열선풍속계(Velociplus, TA instrument, USA)로 측정하였다. 순간 전력은 전력량계 (VIP system, Elcontrol, Italy)를 사용하여 측정하였으며 응축기 입.
- 건조속도는 함수율비로 표시하였다. 함수율비는 약 3 kg의 시료를 전자저울(LC5207, AND, Japan) 에 매달아 중량을 30 분 간격으로 측정하였으며, 측정된 중량을 함수율비로 환산하여 나타내었다. 에너지 소비량은 전력량계(VIP system, Elcontrol, Italy)를 사용하여 히트펌프의 소비 전력량을 측정하였다.
대상 데이터
- 건조실험에 사용한 고추는 경남 진주시 문산에서 생산된 녹 광을 사용하였으며, 시료의 초기 함수율은 약 84%(w.b)이었고 약 14%(w.b)까지 건조하였다.
- 히트펌프 건조기의 피건조물량에 따른 압축기 소요 동력과 건조 소요 열량을 분석하기 위하여 상용 열풍건조기(COPP- 5S/10DS, Shinheung, Korea)> 이용한 실제 건조실험 자료를 이용하였으며, 건조 소요 열량 %은 고추의 경우 0.041 kW/kg이며, 표고버섯은 0.094 kW/kg이었다
데이터처리
- 고추의 색도 측정값들을 windows용 SAS 통계 프로그램의 일원 배치 분산분석(one-way ANOVA)방법을 이용하여, 유의수준 0.05 에서 각 건조 조건간 유의성을 분석하였다
- 35 m)의 측점에 열전대를 설치하여 피 건조물이 없는 상태에서 측정하였으며, 풍속분포는 온도분포와 같은 지점, 같은 조건에서 열선풍속계를 이용하여 온도분포와 동시에 즉정하였다. 풍속은 5회를 즉정하여 평균값을 사용하였다. 즉정된 온도는 데이터 수집 장치(DA 100, Yokokawa, Japan)를 통하여 실시간으로 PC에 기록하였으며, Winsurf 프로그램을 이용하여 풍속 및 온도분포를 나타내었다.
성능/효과
- 1. 히트펌프를 이용한 건조시스템에 의한 고추 건조의 경우 평균 건조 물량은 약 1.12 kg/kWh로 분석되었다. 또한, 표고버섯의 평균 건조물량은 약 1.
- 2. 외기온도 13℃~23℃범위에서 성능계수는 1.8~2.2 수준이었다 건조실내 공기온도를 55℃로 설정한 경우, 개방형에서는 외기온도 9~ 14℃범위에서 성능계수가 1.9~ 2.0, 밀폐형에서는 외기온도 8~ 11℃ 범위에서 성능계수가 1.2 ~ 1.9 수준이었다.
- 3. A-A단면은 응축기에서 고온 공기가 배출되는 중앙 하단의 공기온도가 다른 곳에 비해 높았으며, 우측 상단 면의 온도가 비교적 낮은 것으로 나타났으나, 비교적 온도분포가 일정한 것으로 나타났다.
- 4. 풍속은 건조실의 뒤쪽 단면(C-C)이 앞쪽 단면(A-A, B-B) 에 비해 고른 분포를 보였으며, A-A단면의 최고풍속은 3.7 m/s이었으며, B-B 단면은 2.4 m/s, C-C단면은 약 1.4 m/s 수준이었다.
- 5. 고추를 히트펌프 건조하는 경우, 함수율비 0.02에 도달하는 시간은 건조 온도 60℃는 21시간이었으며, 55C는 26시간, 50℃ 가 31시간으로 나타나 건조온도가 높을수록 건조소요시간이 단축되었다.
- 5. 고추의 명도값 변화는 50℃, 55℃, 60℃로 히트펌프 건조의 경우, 각각 0.16, 1.93, 2.55 감소하여 건조온도 5(广C 가 가장 낮은 명도값 감소를 보였다. 반면, 일반 열풍 건조는 약 3.
- 50℃ 히트펌프 건조의 a, b 변화값은 각각 5.08, 0.89, 55℃ 히트펌프 건조는 각각 13.78, 5.68, 60℃ 히트펌프 건조는 각각 13.88, 6.07, 열풍 건조는 각각 15.01, 5.69로 감소하는 경향을 나타내었으며, 건조 조건이 a와 b값 감소에 미치는 영향은 모두 유의성이 인정되었다.
- 6. 고추의 히트펌프 건조에서 건조 소요 에너지 당 제거된 수분 양은 건조온도 50℃ 는 L095 kgwater/kWh, 55℃ 7} 1.017 kgwater/kWh이었으며, 60℃에서는 1.094 kgwater/kWh 로 나타났다
- 6. 히트펌프 건조에서 건조온도별 고추의 a, b 변화값을 측정한 결과, 50℃에서는 각각 5.08, 0.89, 55℃는 각각 13.78, 5.68, 60℃ 는 각각 13.88, 6.07 감소한 반면, 일반열풍 건조는 각각 15.01, 5.69 감소하여 히트펌프 건조가 일반 열풍 건조에 비해 a, b값의 변화가 낮은 것으로 나타났다.
- 7. 고추의 채도값 변화는 50℃, 55℃, 60℃로 히트펌프 건조의 경우 각각 5.01, 14.91, 15.15, 일반열풍건조는 15.99 감소하여 건조온도 50℃ 히트펌프 건조의 채도값 변화가 다른 건조조건에 비해 낮은 것으로 나타났다.
- 37이었다. 건조 전 후 채도값의 차이는 50℃, 55℃, 60℃ 에서 히트펌프 건조의 경우, 각각 5.01, 14.91, 15.15, 열풍건조는 15.99 감소하여 건조온도 50℃ 히트펌프 건조의 채도값 변화가 다른 건조 조건에 비해 낮게 나타났다.
- 6 m 떨어진 B-B 단면의 경우 A-A단면에 비해 풍속차가 줄어드는 경향을 나타내었다. 그리고 응축기에서 4.0 m 떨어진 C-C 단면은 중앙 부분의 풍속이 빠르게 나타났으며 특히, 상층부로 길게 형성되어 상층과 하층의 풍속은 비교적 고른 분포를 보였다.
- 71 kW로 증가하였다. 또한 히트펌프 동력에 따른 단위 시간당 평균 건조 물량은 약 1.36㎏/kWh로 분석되었다.
- 그림 10은 히트펌프 건조와 열풍 건조 전후의 명도차를 나타낸 것이다. 시료의 초기 L값은 각각 37.04, 35.95, 37.29, 열풍 건조는 37.27이었으며, 건조후의 L값은 각각 36.88, 34.02, 34.74, 34.26이었다 건조 전, 후의 명도값 변화는 50℃, 55℃, 60℃ 로 히트펌프 건조의 경우, 각각 0.16, 1.93, 2.55, 열풍 건조는 3.01 감소하여 건조온도 50℃ 히트펌프 건조의 명도 값 변화가 다른 건조조건에 비해 낮았으며, 히트펌프 건조가 열풍 건조보다 건조 시료의 밝기가 양호한 것으로 나타났다. 또한 건조조건이 L값의 감소에 미치는 영향은 검정 통계량 P값이 0.
- 4 m/s 정도였으며, 건조실 뒤쪽 방향으로 진행하면서 최고 풍속이 느려지는 것으로 나타났다. 이에 반해 건조실의 상층부로 갈수록 각 단면의 풍속은 느린 것으로 나타났으며, A-A단면의 최저 풍속은 0.45 m/s, B-B 단면은 0.4 m/s, 그리고 C-C단면은 0.35 m/s로 단면별 최저풍속은 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서 하층부의 최고풍속은 농산물을 건조하는데 충분함을 알 수 있으나 상층부의 풍속은 건조에는 미흡한 것으로 판단된다.
- 히트펌프 건조 시스템을 이용하여 건조온도 50℃, 55℃, 60℃로 건조하는 경우, 에너지 소비량은 각각 94.00 kWh, 93.15 kWh, 87.64 kWh이었으며, 이때 피건조물로부터 배출된 수분의 양은 각각 102.65 kg, 94.71 kg, 95.89 kg이었다 그러므로 건조 소요 에너지당 제거되는 수분의 양은 건조온도 50℃ 히트펌프 배풍건조가 1.095 kgwater/kWh, 55℃는 1.027 kgwater/kWh, 60 ℃ 는 1.094 kgwater/kWhS 나타났다.
- 71 kW로 증가하는 것으로 분석되었다. 히트펌프 동력에 따른 단위 시간당 건조 물량은 평균 1.12 ㎏/kWh로 분석되었다 또한 피건조물량 281.34 kg일 때 히트펌프 건조기의 압축기 동력은 7.35 kW로 분석되었으며, 이 피건조물량은 한 농가가 1회 생산하는 고추의 최대 수확량 270 kg과 거의 같은 수준이다. 표고버섯의 경우, 피건조물 중량이 약 11.
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