[논문]의류건조기의 열적 특성에 관한 실험

김준호; 장석필; 최철진; 황교식; 이호재

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.8.629

문제 정의

따라서 본 연구에서는 Fig. 1 과 같이 가정에서 쓰이는 일반적인 배기식 의류 건조기의 적산전력 및 건조시간에 영향을 미치는 공학적 인자를 이론적으로 파악하고자 한다. 또한 건조기 내부에서 의류 건조가 진행되는 동안 드럼 내부 온도(Temperature)와 건조기 출구 상대습도(Relative humidity), 옷감에서의 수분 증발율(Evaporation rate), 옷감과 가열된 공기의 물질 전달 계수(Mass transfer coefficient), 잔류 수분량(Remaining moisture content) 등 5 가지로 구분되는 의류 건조기의 특성 곡선을 실험적으로 찾고 그 결과를 바탕으로 건조 특성을 분석하고자 한다.
또한 건조기 내부에서 의류 건조가 진행되는 동안 드럼 내부 온도(Temperature)와 건조기 출구 상대습도(Relative humidity), 옷감에서의 수분 증발율(Evaporation rate), 옷감과 가열된 공기의 물질 전달 계수(Mass transfer coefficient), 잔류 수분량(Remaining moisture content) 등 5 가지로 구분되는 의류 건조기의 특성 곡선을 실험적으로 찾고 그 결과를 바탕으로 건조 특성을 분석하고자 한다. 또한 이론적으로 파악된 공학적 인자가 적산전력 및 건조시간에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고 그 결과를 바탕으로 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 건조 메커니즘을 분석하여 공급 열량과 유량이 건조에 중요한 인자임을 파악하였다. 그리고 온도(Temperature), 상대습도(Relative Humidity), 수분 증발율(Evaporation Rate), h_m(Mass transfer coefficient), 잔류 수분량(Remaining Moisture Content) 등 총 5 가지의 특성 곡선을 분석하였고 그 결과를 바탕으로 가정용 의류 건조기의 건조특성을 건조 초기, 중기 및 말기로 분류하였다.
본 연구에서는 이론적으로 의류 건조기의 드럼 내에서의 Reynolds 수에 따른 건조 메커니즘을 분석하고 그 결과를 바탕으로 의류 건조기에 영향을 미치는 공학적 인자를 파악하고자 한다. 젖은 옷감으로부터 건조가 일어나는 동안 드럼 내에서는 물질 전달이 일어나며 원통형 좌표계에서 물질 전달 방정식은 식 (1)과 같이 표현한다.
실험결과를 바탕으로 건조기 내에서의 열손실을 분석하여 건조기의 적산전력 소모량을 줄일 수 있는 방안을 분석해 보았다. 건조기 내부에서 열손실이 일어나는 부분은 크게 5 가지, Q₁~Q₅ 로 구분 된다.

제안 방법

건조기 내부에서 의류 건조가 진행되는 건조기의 특성을 살펴보기 위해서 Fig. 3 에서 보듯이 본 연구에서는 5 가지의 건조 특성 곡선인 드럼 내부 온도(Temperature), 건조기 출구 상대습도(Relative humidity), 옷감의 수분 증발율(Evaporation rate), 옷감과 가열된 공기의 물질 전달 계수 (Mass transfer coefficient), 잔류 수분량(Remaining moisture content)을 실험적으로 분석하였다.
또한 실제 히터를 통해 가열되어 드럼으로 들어가는 유량은 히터 앞에 피토 튜브를 설치하고 마노메터를 이용하여 측정하였다. 건조기 내의 온도는 건조기 내부에 열전대를 히터 표면에 2 개, 히터 출구에 2 개, 드럼 입구에 4 개 그리고 드럼 출구에 1 개씩 설치하여 측정하였다. 그 외 적산전력 및 히터의 적산전력을 측정하기 위해 파워메터를 설치하였다.
본 연구에서는 건조 메커니즘을 분석하여 공급 열량과 유량이 건조에 중요한 인자임을 파악하였다. 그리고 온도(Temperature), 상대습도(Relative Humidity), 수분 증발율(Evaporation Rate), h_m(Mass transfer coefficient), 잔류 수분량(Remaining Moisture Content) 등 총 5 가지의 특성 곡선을 분석하였고 그 결과를 바탕으로 가정용 의류 건조기의 건조특성을 건조 초기, 중기 및 말기로 분류하였다. 또한 건조 시간에 대한 공급 열량과 유량의 영향 중 공급 열량의 영향이 중요한 요소임을 확인할 수 있었다.
임을 확인하였다. 따라서 공급 열량 및 유량 변화에 따른 히터주위의 열손실, Q₁ 과 Backduct 의 열손실 Q₂ 를 실험적으로 분석해 보았으며 그 결과는 Fig. 5, Fig. 6 과 같다. Q₁은 공급열량 대비 최대 3.
1 과 같이 가정에서 쓰이는 일반적인 배기식 의류 건조기의 적산전력 및 건조시간에 영향을 미치는 공학적 인자를 이론적으로 파악하고자 한다. 또한 건조기 내부에서 의류 건조가 진행되는 동안 드럼 내부 온도(Temperature)와 건조기 출구 상대습도(Relative humidity), 옷감에서의 수분 증발율(Evaporation rate), 옷감과 가열된 공기의 물질 전달 계수(Mass transfer coefficient), 잔류 수분량(Remaining moisture content) 등 5 가지로 구분되는 의류 건조기의 특성 곡선을 실험적으로 찾고 그 결과를 바탕으로 건조 특성을 분석하고자 한다. 또한 이론적으로 파악된 공학적 인자가 적산전력 및 건조시간에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고 그 결과를 바탕으로 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
유량 변화를 위해 블로워와 인버터를 설치하였다. 또한 실제 히터를 통해 가열되어 드럼으로 들어가는 유량은 히터 앞에 피토 튜브를 설치하고 마노메터를 이용하여 측정하였다. 건조기 내의 온도는 건조기 내부에 열전대를 히터 표면에 2 개, 히터 출구에 2 개, 드럼 입구에 4 개 그리고 드럼 출구에 1 개씩 설치하여 측정하였다.
2 와 같다. 실험에서 외부의 영향을 가급적 줄이고 실제 외부에서 건조기 내부로 들어가는 유량을 측정하기 위해서 폭 810mm, 높이 1010mm, 총 길이 3000mm 인 메인 덕트를 제작하였고 메인 덕트로 들어가는 입구에 유량계를 설치하였다. 히터의 용량인 공급 열량을 가변 시키기 위해 슬라이닥스를 설치하였고 RTD 센서를 이용하여 건습구 온도계를 만들고 이를 메인 덕트 입구와 건조기의 배기구에 설치해서 습도를 측정하였다.
그 외 적산전력 및 히터의 적산전력을 측정하기 위해 파워메터를 설치하였다. 실험은 건조 메커니즘에 영향을 미치는 인자인 유량과 열량을 변화시켜 가면서 옷감의 70% (2.54kg) 초기 수분 함량에서 FMC (Final Moisture Content: 옷감에서 수분이 완전히 제거된 상태 대비 옷감이 지닌 수분량) 3%의 건조 완료 조건까지 실험을 실시하였다. 유량의 변화는 2.
히터의 용량인 공급 열량을 가변 시키기 위해 슬라이닥스를 설치하였고 RTD 센서를 이용하여 건습구 온도계를 만들고 이를 메인 덕트 입구와 건조기의 배기구에 설치해서 습도를 측정하였다. 유량 변화를 위해 블로워와 인버터를 설치하였다. 또한 실제 히터를 통해 가열되어 드럼으로 들어가는 유량은 히터 앞에 피토 튜브를 설치하고 마노메터를 이용하여 측정하였다.
실험에서 외부의 영향을 가급적 줄이고 실제 외부에서 건조기 내부로 들어가는 유량을 측정하기 위해서 폭 810mm, 높이 1010mm, 총 길이 3000mm 인 메인 덕트를 제작하였고 메인 덕트로 들어가는 입구에 유량계를 설치하였다. 히터의 용량인 공급 열량을 가변 시키기 위해 슬라이닥스를 설치하였고 RTD 센서를 이용하여 건습구 온도계를 만들고 이를 메인 덕트 입구와 건조기의 배기구에 설치해서 습도를 측정하였다. 유량 변화를 위해 블로워와 인버터를 설치하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 건조기는 일반적인 배기식 의류 건조기이다. 건조기의 히터 용량은 5400W, 건조기로 유입되는 유량은 2.
54kg) 초기 수분 함량에서 FMC (Final Moisture Content: 옷감에서 수분이 완전히 제거된 상태 대비 옷감이 지닌 수분량) 3%의 건조 완료 조건까지 실험을 실시하였다. 유량의 변화는 2.9CMM, 3.3CMM, 3.6CMM, 열량의 변화는 5000W, 5400W, 5600W 으로 실시하여 총 9 가지의 경우를 실험하였고, 실험 부하는 가로, 세로 80cm 의 KS 포를 이용하여 질량 8lb(3.629kg)이다.⁽⁸⁾

성능/효과

0%(3,167Twh)가 증가되었다.⁽¹⁾ 전력 에너지 소비의 증가는 화학에너지 소비의 증가로 이어지며 이는 지구 온난화를 일으키는 CO₂ 및 여러 온실가스 증가의 원인이다. 또한 기후변화협약인 교토의정서에 따르면 EU 회원국, 미국, 일본 및 캐나다 등 38 개국은 2012 년까지 각국의 온실가스 배출총량을 1990 년 대비 평균 5.
그리고 물을 사용하는 전기기기(Wet appliance) 평가 기준인 SEC 등급은 현재 대부분의 의류 건조기가 B 등급 이하지만 2016 년까지 A 등급을 요구하고 있다.⁽³⁾ 이러한 일련의 과정들에 근거해 보면 의류 건조기는 소비 에너지 증가와 환경문제 때문에 필수적으로 고효율을 요구하게 될 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위해서 Bassily et al^(4,5)은 2600W 의 공급 열량, 65m³/h 의 팬풍량 및 2.
8%이다. 17.8%의 열손실 중 14%를 줄일 수 있다면 건조시간은 동일하고 공급열량이 줄어들어서 전체적인 적산전력은 약 13% 인 362.7Wh 가 감소할 수 있음을 확인하였다.
Q₃를 제외한 4 가지의 열손실 중에서 건조기 시스템 구조 특성을 고려하여 열손실을 제어할 수 있는 부분은 히터주위의 열손실 Q₁ 과 Backduct 의 열손실 Q₂ 임을 확인하였다. 따라서 공급 열량 및 유량 변화에 따른 히터주위의 열손실, Q₁ 과 Backduct 의 열손실 Q₂ 를 실험적으로 분석해 보았으며 그 결과는 Fig.
35% 감소함을 확인할 수 있었다. 그 결과 적산전력 측면에서 유량 변화와 공급 열량 변화가 미치는 영향이 비슷함을 알 수 있었다. 그러나 유량 및 열량 변화에 따른 건조기의 중요한 인자 중에 하나인 건조 종료 시간에 대한 영향을 분석한 Table 2 를 보면 다음과 같다.
또한 건조 시간에 대한 공급 열량과 유량의 영향 중 공급 열량의 영향이 중요한 요소임을 확인할 수 있었다. 그리고 건조기 내부의 열적 현상을 분석함으로써 히터와 Backduct 의 열손실을 감소시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 현 시스템인 5400W, 2.
다섯 번째로 잔류 수분량 곡선은 건조가 진행되는 동안 의류 내에 남아 있는 잔류 수분량을 나타낸 것으로, 건조 초기에는 잔류 수분 감소량이 서서히 증가하다가 건조 중기를 기점으로 건조 말기에는 잔류 수분 감소량이 서서히 감소한다.
유량 및 공급 열량 변화에 따른 FMC 3%조건에서의 적산전력은 Table 1 과 같다. 동일한 히터공급 열량에서 유량을 2.9CMM 에서 3.6CMM 으로 24.1% 증가시키면 적산전력은 0.67% 감소하고 동일 유량조건에서 열량을 5000W 에서 5600W 으로 12% 증가시키면 적산전력이 0.35% 감소함을 확인할 수 있었다. 그 결과 적산전력 측면에서 유량 변화와 공급 열량 변화가 미치는 영향이 비슷함을 알 수 있었다.
그러나 유량 및 열량 변화에 따른 건조기의 중요한 인자 중에 하나인 건조 종료 시간에 대한 영향을 분석한 Table 2 를 보면 다음과 같다. 동일한 히터공급 열량에서 유량을 2.9CMM에서 3.6CMM 으로 24.1%증가시키면 건조 종료 시간은 단지 3.4% 감소하지만 동일 유량에서 열량을 5000W 에서 5600W 으로 12%가 증가시키면 건조 종료 시간이 10% 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 적산전력 측면에서는 유량을 변화시키는 것이나 공급열량을 변화시키는 것이 비슷하나 건조 종료 시간 측면에서 보면 공급열량을 변화시키면서 적산전력을 감소시키는 것이 효과적임을 확인할 수 있다.
두 번째로 건조기 출구 상대습도의 변화를 살펴보면 건조 초기는 높은 상대습도를 유지한다. 그후 상대 습도는 건조 중기에서는 거의 일정하다가 서서히 감소하지만 건조 말기에는 급격히 감소하는 특성을 보인다.
4% 감소하지만 동일 유량에서 열량을 5000W 에서 5600W 으로 12%가 증가시키면 건조 종료 시간이 10% 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 적산전력 측면에서는 유량을 변화시키는 것이나 공급열량을 변화시키는 것이 비슷하나 건조 종료 시간 측면에서 보면 공급열량을 변화시키면서 적산전력을 감소시키는 것이 효과적임을 확인할 수 있다.
그리고 온도(Temperature), 상대습도(Relative Humidity), 수분 증발율(Evaporation Rate), h_m(Mass transfer coefficient), 잔류 수분량(Remaining Moisture Content) 등 총 5 가지의 특성 곡선을 분석하였고 그 결과를 바탕으로 가정용 의류 건조기의 건조특성을 건조 초기, 중기 및 말기로 분류하였다. 또한 건조 시간에 대한 공급 열량과 유량의 영향 중 공급 열량의 영향이 중요한 요소임을 확인할 수 있었다. 그리고 건조기 내부의 열적 현상을 분석함으로써 히터와 Backduct 의 열손실을 감소시킬 수 있는 가능성을 확인하였다.
세 번째로 물질 전달 계수 h_m 에 관한 곡선으로 건조 초기에는 감소하다가 건조 중기와 건조 말기에는 거의 일정 해지는 것을 알 수 있다. 이는 건조 초기에는 많은 양의 수분이 공기로 전달되다가 시간이 지나면 그 양이 일정해지기 때문이다.
첫 번째로 드럼 내부의 온도 변화를 살펴보면 건조 초기에는 급격한 상승을 보이고 건조 중기에서는 거의 일정하다가 건조 말기에는 수분 증발은 감소하고, 히터 발열량은 동일하여 온도가 다시 상승한다.
그리고 건조기 내부의 열적 현상을 분석함으로써 히터와 Backduct 의 열손실을 감소시킬 수 있는 가능성을 확인하였다. 현 시스템인 5400W, 2.9CMM 에서 이 두 부분의 열손실은 공급 열량 대비 17.8%였고, 이 중 14%의 열손실을 감소시킨다면 적산전력은 약 13% 감소효과를 얻을 수 있었으며 이는 362.7Wh 에 해당함을 알 수 있었다.

후속연구

마지막으로 본 연구 결과는 현 건조기 시스템보다 적산전력을 줄이면서 에너지 효율 증대시킬 수 있는 차세대 건조기 설계에 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교토의정서의 내용은 무엇인가?	(1) 전력 에너지 소비의 증가는 화학에너지 소비의 증가로 이어지며 이는 지구 온난화를 일으키는 CO2 및 여러 온실 가스 증가의 원인이다. 또한 기후변화협약인 교토의정서에 따르면 EU 회원국, 미국, 일본 및 캐나다 등 38 개국은 2012 년까지 각국의 온실가스 배출총량을 1990 년 대비 평균 5.2% 감축시켜야 한다. 따라서 위와 같은 환경문제와 더불어 소비 전력의 감축 문제 때문에 에너지 소비가 큰 장치들의 효율 증대가 중요한 문제로 대두되고 있다.
	세계적인 전기에너지 소비 추세는 어떠한가?	세계적으로 전기에너지 소비는 매년 증가 추세에 있으며 적산 전력 소비량은 2000 년에 13,211Twh 에서 2006 년에는 16,378Twh 로 약 24.0%(3,167Twh)가 증가되었다.(1) 전력 에너지 소비의 증가는 화학에너지 소비의 증가로 이어지며 이는 지구 온난화를 일으키는 CO2 및 여러 온실 가스 증가의 원인이다.
	에너지 소비가 큰 장치들의 효율 증대가 문제가 되는 근거는?	(1) 전력 에너지 소비의 증가는 화학에너지 소비의 증가로 이어지며 이는 지구 온난화를 일으키는 CO2 및 여러 온실 가스 증가의 원인이다. 또한 기후변화협약인 교토의정서에 따르면 EU 회원국, 미국, 일본 및 캐나다 등 38 개국은 2012 년까지 각국의 온실가스 배출총량을 1990 년 대비 평균 5.2% 감축시켜야 한다. 따라서 위와 같은 환경문제와 더불어 소비 전력의 감축 문제 때문에 에너지 소비가 큰 장치들의 효율 증대가 중요한 문제로 대두되고 있다.

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