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문제 정의
- 본 논문에서는 특히 향후 정부에서 대량 양식과 고품질 건조기술에 의하여 수출산업화 대상품목인 양식 및 자연산 해삼을 중심으로 해산물의 건조열 전달특성에 대한 실험적 연구결과를 기술하였다[12,13].
- 저온진공건조의 피건조물인 해삼에 관하여 특히 가열수의 온도와 진공압력이 진공건조의 열적 특성에 미치는 영향에 관하여 실험하였다.
- 본 연구에서는 우리나라 수산물의 고부가가치 제품의 창출과 수출산업화를 위한 저온진공건조기의 건조열전달 특성에 관한 실험적 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 가열계통은 피건조물에 최소한의 열량을 공급하기 위하여 5kW 전기히터 ⑧을 사용 설정온도에서 자동 조절되도록 하였다.
- 또한 가열증발부(heating box)의 표면과 중간단의 공간 중심부에 열전대를 부착하여 건조실험기간 중 연속으로 온도를 계측할 수 있도록 하였다.
- 본 실험장치의 각부 온도측정은 K-Type 열전대(C-A thermocouple)를 사용하였다. 저온진공건조기 본체 내부, 건조판, 피건조물 등의 온도측정을 위하여 설치된 열전대에서 얻어진 측정결과는 데이터 처리장치를 통해 컴퓨터로 저장 및 기록할 수 있도록 하였다. 또한 정확한 온도 측정을 위하여 각각의 열전대에 대해 표준온도계를 이용하여 검정하였다.
- 저온진공건조기 본체 내부, 건조판, 피건조물 등의 온도측정을 위하여 설치된 열전대에서 얻어진 측정결과는 데이터 처리장치를 통해 컴퓨터로 저장 및 기록할 수 있도록 하였다. 또한 정확한 온도 측정을 위하여 각각의 열전대에 대해 표준온도계를 이용하여 검정하였다. 열전대에서 발생하는 기전력은 기준 온도상자, 로터리스위치를 거쳐 데이터로거(data logger)에서 측정하였으며, 용기 내에 설치된 최소눈금 0.
- 또한 정확한 온도 측정을 위하여 각각의 열전대에 대해 표준온도계를 이용하여 검정하였다. 열전대에서 발생하는 기전력은 기준 온도상자, 로터리스위치를 거쳐 데이터로거(data logger)에서 측정하였으며, 용기 내에 설치된 최소눈금 0.01℃의 표준온도계(standard thermometer)의 눈금과 측정된 기전력을 기록하여 최소자승법(least regression)으로 처리하여 검정하였다.
- 건조실험이 시작되면 2시간 간격으로, 건조기를 정지한 후 건조판을 꺼내어 정미의 건해삼 무게변동을 측정하였으며, 한번 측정에 소요되는 시간은 15~20분 정도 소요되며, 이 측정 소요 시간을 제외하고 다음 2시간 후에 2차 측정을 하여, 건조가 완료되는 시간까지 측정을 반복하였다.
- 소요전력량은 기본적으로 건조기의 종합적인 열효율과 1회의 투입량에 따라서 결정된다. 사용 전력량은 매 2시간마다 저온진공건조장치를 일시 정지하여 약 15분 동안 개방하고 필요한 측정을 수행한 후 재가동하는 방법으로 실시하였다. 이들 그림에서 알 수 있는 바와 같이 건조초기에는 피건조물이 갖는 초기의 열에너지와 각 요소장치의 기동 및 활발한 건조로 인하여 최대전력이 4~6kW정도로 최대치를 보이며, 약 4시간이 경과하면 평균적으로 3 kW 전후의 평균 소요동력이 소비됨을 알 수 있다.
- 5 건조판에 가득 채우고 건조하여 얻은 실험 결과를 보여준다. 실험은 건조를 개시한 후 매 2시간마다 무게변동을 측정하고, 마지막 무게와 함수율을 계측한 결과로 부터 역산하여 각 시각에서의 함수율을 계산하였다. 앞 절에서 설명한 함수율 정의의 식(3.
대상 데이터
- Figure 1은 실험장치의 전체 계통도를 나타낸다. 실험장치는 본체(low temperature vacuum drying chamber), 저온진공건조기 본체 내부를 일정한 진공압력으로 유지하기 위한 진공추기계통(vacuum pumping unit), 건조물에 필요한 열량을 공급하기 위한 가열계통(hot-water supplying unit), 증발된 수분을 응축시키기 위한 응축계통(condensing unit) 및 각 부의 온도 계측을 위한 측정계통(on-line measuring unit) 등으로 구성되어 있다. 저온진공건조기 본체①의 크기는 900∅× 1200L× 16t mm의 용기로서 내부용적은 0.
- 본 실험장치의 각부 온도측정은 K-Type 열전대(C-A thermocouple)를 사용하였다. 저온진공건조기 본체 내부, 건조판, 피건조물 등의 온도측정을 위하여 설치된 열전대에서 얻어진 측정결과는 데이터 처리장치를 통해 컴퓨터로 저장 및 기록할 수 있도록 하였다.
- 이와 같이 저온진공건조실험이 시작되는 시점을 t = 0hr로 하였다. 실험은 평균적인 건조특성을 나타내는 중간부분의 No.5 건조판을 이용하여 실행하였다.
성능/효과
- 4×10-3×P-2/3(g/cm2 min mmHg) 정도임을 제시하였다. 또한 대기압 하에서의 건조특성과 비교하여 진공건조가 고품질 건조에 최적임을 확인하고 있다. 우리나라에서 식품건조는 주로 김경근 교수의 연구실에서 저온진공건조기의 개발과 관련하여 연구되어 왔다[6].
- 이들 그림에서 알 수 있는 바와 같이 건조초기에는 피건조물이 갖는 초기의 열에너지와 각 요소장치의 기동 및 활발한 건조로 인하여 최대전력이 4~6kW정도로 최대치를 보이며, 약 4시간이 경과하면 평균적으로 3 kW 전후의 평균 소요동력이 소비됨을 알 수 있다.
- 다음으로 최적의 장기보관 또는 식품이 최고 상태의 맛을 보존하기 위한 최적의 함수율 ωST를 갖는 최적의 건조시간이 존재한다. 실험결과의 데이터 처리에 있어서는 수차례의 검토를 통하여, Figure 3에서 보는 바와 같이 시간의 경과에 비례하여 선형적으로 해삼의 무게가 감소하는 소위 항율 건조기간과 시간의 경과에 대하여 무게 감소율이 완만하여지는 감율 건조기간이 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 이 그림에서 보는 바와 같이, 건조개시 후 약 10시간 정도의 항율 건조기간에는 피건조물 전체가 함수율이 매우 높으므로 표면 근처의 수분이 활발히 증발함으로써 시간이 경과함에 따라 거의 직선적으로 무게가 감소함을 알 수 있으며, 이 시간이 지나 감율 건조기간에 돌입하면 내부의 수분이 피건조물 표면으로 이동되는 시간이 점차 지연되므로 지수적으로 무게가 감소하여 완전 건조상태에 도달함을 알 수 있었다. 실험을 통하여 진공도가 낮을수록 가열수의 온도가 높을수록 항율 건조시간과 감율 건조시간이 짧아짐을 확인할 수 있었으며, 항율 건조시간은 9~13시간 정도, 그리고 감율건조 시간은 약 10시간이 소요됨을 알 수 있었다.
- 이 그림에서 보는 바와 같이, 건조개시 후 약 10시간 정도의 항율 건조기간에는 피건조물 전체가 함수율이 매우 높으므로 표면 근처의 수분이 활발히 증발함으로써 시간이 경과함에 따라 거의 직선적으로 무게가 감소함을 알 수 있으며, 이 시간이 지나 감율 건조기간에 돌입하면 내부의 수분이 피건조물 표면으로 이동되는 시간이 점차 지연되므로 지수적으로 무게가 감소하여 완전 건조상태에 도달함을 알 수 있었다. 실험을 통하여 진공도가 낮을수록 가열수의 온도가 높을수록 항율 건조시간과 감율 건조시간이 짧아짐을 확인할 수 있었으며, 항율 건조시간은 9~13시간 정도, 그리고 감율건조 시간은 약 10시간이 소요됨을 알 수 있었다.
- 본 실험에서는 장기보관 및 식품의 상태 보존을 위한 최적 함수율 약 5% 전후로 실험을 수행하였으며, 건조 종료시의 함수율은 수율 등에도 밀접히 관계되므로 건조에 있어서 건조종료시점의 함수율은 매우 중요하다고 할 수 있다.
- 식 (8)에서 보는 바와 같이 항율 건조기간에는 수분의 증발율이 일정하므로 ΔW/Δt가 일정한 값이 되며, 감율 건조기간에는 식 (9)와 같이 기본적으로는 무게의 변동을 나타내는 식과 같다. 무게 감소율의 그래프에서는 항율 건조기간과 감율 건조기간이 보다 명확하여짐을 우선 알 수 있으며, 실 험치와 상관식은 전 영역에 걸쳐서 매우 잘 일치하고 있음을 확인할 수 있었다.
- Figure 5는 항율 건조기간 동안의 무게 감소율을 나타내는 식 (8)과 감율 건조기간 동안의 무게 감소율을 나타내는 식 (9)을 이용하여 실험 데이터로부터 감소율을 구한 결과를 보여준다. 그림으로부터 알 수 있듯이 항율 건조기간에는 건조판 1-판 당 약 0.11kg/hr의 속도로 수분이 증발하며, 항율 건조기간 동안의 값으로부터 건조가 진행됨에 따라 지속적으로 감소하여 최소 0.01kg/hr까지 감소하여 최종적인 건조에 도달함을 알 수 있다.
- 실험범위 전 영역에서 거의 일정한 양상의 온도 특성을 나타내었는데 해삼 내부 및 중심부 공간의 온도차는 생해삼 자체의 두께 차이, 해삼 전처리 과정에 있어서 삶은 해삼의 삶기 정도의 차이에 의한 해삼육의 두께 차이 등으로 인해 약간의 오차는 발생 할 수 있음을 고려해야 한다.
- 로 하여 시간의 경과에 따른 무게 변동을 정리한 것이다. 비교적 진공압력이 높을수록 무게 감소율이 증대함을 알 수 있다. Figure 12는 가열판 단위면적당의 열 프럭스에 대한 진공압력의 영향을 대수그래프로 나타내었다.
- (3) 본 실험의 범위에서 항율 건조기간 동안의 무게 감소율은 건조판 1-판당 0.11kg/hr 정도로 거의 일정한 속도로 수분이 증발하며, 감율 건조기간에는 항율 건조기간의 값으로부터 건조가 진행됨에 따라서 지속적으로 감소하여 최소 0.01kg/hr까지 감소하여 최종적인 건조에 도달함을 알 수 있었다.
- 본 실험의 범위 내에서는 저온진공건조에 있어서 진공압력의 영향은 가열수 온도의 영향보다 건조속도에 미치는 영향이 적음을 정량적으로 확인할 수 있었다. 그림으로부터 알 수 있듯이, 건조속도는 진공도가 클수록 증가하는 것을 알 수 있다.
- (1) 소요전력 및 전력량을 측정한 결과 건조초기에는 피건조물이 갖는 초기의 열에너지와 각 요소 장치의 기동 및 활발한 건조로 인하여 최대전력이 4~6kW였으며, 평균 3kW 전후의 평균동력으로 운전되었는데, 이는 타 건조기에 비해 매우 에너지 절약적임을 확인할 수 있었다.
- (2) 해삼의 저온진공건조의 경우 전형적인 항율 건조기간과 감율 건조기간이 확연히 존재함을 확인할 수 있었으며, 항율건조기간 동안의 무게 변화는 경과시간에 대한 1차식으로, 감율건조기간 동안에 대하여는 경과시간에 대하여 점진적으로 무게가 감소하는 지수형태의 식으로 실험결과를 정리할 수 있었다.
- (4) 건조 개시 후 약 10시간 즉 항율건조기간에서의 건조판 단위 면적당의 전열량은 700kJm2/hr의 열 프럭스를 가짐을 알 수 있었으며, 감율 건조기간 동안에는 수분의 증발율이 점차 감소하므로 열 프럭스도 이에 비례하여 지수적으로 감소함을 확인할 수 있었다.
- (5) 단위면적당의 열 프럭스와 벽면 과열도와의 관계를 정리하여 비등곡선을 나타낼 수 있는데 최 대 열 프럭스는 약 800kJm2/hr정도이며, 벽면 과열도가 10℃ 이하로 되어 열 프럭스가 급격히 감소하면서 감율 건조기간에 돌입함을 알 수 있었다.
- (6) 온도변화 곡선에서는 건조개시 후 약 2시간이 경과하면 온도상승이 완료되며, 활발한 증발이 8~10시간 진행되면 대부분의 수분이 증발되고, 이어서 해삼 내부의 온도가 표면온도와 근접하여 가면서 건조가 완성되어 감을 알 수 있었다.
후속연구
- Figure 10은 건조판 단위면적당의 전열량 즉 열프럭스에 가열수의 온도 영향을 나타낸 것이다. 본 연구에서와 같은 생체의 건조에서는 영양가, 맛, 색깔을 손상시키지 않는 범위 내에서 건조가 이루어져야 한다는 점에 유의할 필요가 있다.
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