[논문]보조 외부 증발기를 이용한 히트펌프 건조기 성능 향상에 관한 연구

이영림; 박상준; 황일선

doi:10.6110/kjacr.2012.24.10.711

보조 외부 증발기를 이용한 히트펌프 건조기 성능 향상에 관한 연구
A Study on Performance Improvement of a Heat Pump Dryer with an Extra Evaporator Outside 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.24 no.10, 2012년, pp.711 - 717

이영림 (공주대학교 기계자동차공학부) , 박상준 (공주대학교 대학원 기계공학과) , 황일선 (공주대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A heat pump dryer for the frozen food needs to preheat the air to a certain temperature where condensation can efficiently occur. In this study, an analysis of a heat pump dryer performance with operating conditions, an analysis of supplying heat with internal and external evaporators and a warm-up experiment with the evaporators have been performed. The results showed that the external evaporator can significantly accelerate the warm-up time of the dryer, so that it can reduce power consumption greatly. The use of the external evaporator is more efficient for higher ambient temperature. In addition, it was found that COP decreases and the range of evaporating pressure for the evaporator becomes narrower as the condensing temperature of the condenser increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

건조실 내부 공기온도를 승온할 때 내부 증발기와 외부 증발기가 승온시간에 미치는 영향을 알아보았다. Fig.
따라서 본 연구에서는 건조실 내부 승온을 더욱 가속화하기 위하여 외부 증발기를 장착하고 승온시간 단축이 얼마나 효율적으로 이루어 질 수 있는지에 대하여 알아보았다. 이를 위하여 수치해석과 실험을 통하여 승온시간 및 건조기 성능을 검증하였고 다양한 운전 환경에서의 건조기 특성을 규명하였다.

가설 설정

또한, 응축기에서 전달된 총 열량은 식(2)와 같이 가정하였고 β는 0.5 kW/K로 가정하였다.
여기서 α는 증발기의 유용도 및 증발기를 통과하는 공기의 질량유량, 비열을 각각 곱한 것으로 0.5 kW/K로 가정하였다.
4와 같이 내부 공기온도에 따른 응축수 질량유량을 예측하여 보았다. 이 때, 증발기 열교환량은 4 kW로 가정하였다. 먼저, 건조기 내부온도가 증가하면 응축수량은 비례하여 증가한다.

제안 방법

이는 건조 초기에 내부 증발기를 사용하지 않아 승온시간을 단축시키기 위함이다. 또한, 건조기실 내부의 온도가 설정온도보다 상승하게 되면 외부응축기를 사용하여 과열을 방지하게 하였다. 외부응축기 작동여부는 압축기 토출압력 21 bar를 기준으로 하였다.
또한, 압축기의 과열을 방지하기 위한 CPR의 영향을 알아보기 위하여 CPR의 유무에 따른 사이클 변화를 해석하였다. CPR의 제원은 Table 2에 나타내었다.
점선은 건조실 내부를 의미하며 내⋅외부 증발기와 내⋅외부 응축기의 전환은 수동으로 전환할 수 있게 하였다. 본 시스템은 건조 초기의 승온과정에는 외부증발기를 사용하고 승온과정 이후에는 내부 증발기를 사용하게 된다. 이는 건조 초기에 내부 증발기를 사용하지 않아 승온시간을 단축시키기 위함이다.
본 연구는 히트펌프 건조기의 운전조건에 따른 건조기 성능변화 해석, 내·외부 증발기 사용시 공급 열량 해석, 내·외부 증발기 사용 승온실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
증발기 전면 공기온도가 40～60℃ 일때 응축이 발생하기 위해서는 상대습도가 적어도 약 72% 보다 커야함을 알 수 있다. 본 연구에서는 COP 값을 2 이상 유지함과 동시에 최대 건조 성능을 확보하기 위해 건조기 내부 온도를 60℃로 결정하였다.
외부 증발기 사용시 외기온도 변화에 따른 히트펌프 건조기의 성능 변화를 알아보기 위하여 응축기 전면 공기온도를 60℃로 고정시키고 사이클 해석을 수행하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 건조실 내부 승온을 더욱 가속화하기 위하여 외부 증발기를 장착하고 승온시간 단축이 얼마나 효율적으로 이루어 질 수 있는지에 대하여 알아보았다. 이를 위하여 수치해석과 실험을 통하여 승온시간 및 건조기 성능을 검증하였고 다양한 운전 환경에서의 건조기 특성을 규명하였다.
증발기 통과풍의 온도 변화에 따라 시스템이 과열될 수 있어 CPR 장착 여부에 따른 히트펌프 사이클의 특성을 알아보았다. Fig.
한편, 냉동고추 건조를 위한 건조기 내부 온도를 설정하기 위해 Fig. 4와 같이 내부 공기온도에 따른 응축수 질량유량을 예측하여 보았다. 이 때, 증발기 열교환량은 4 kW로 가정하였다.

대상 데이터

3. 해석방법 및 조건

건조기 히트펌프 사이클 성능 해석을 위하여 상공학 프로그램인 EES⁽¹¹⁾와 내장 열물성 자료를 이용하였다. Table 1은 해석에 사용한 조건을 보여준다.
실험에 사용된 냉매는 R134a이며 건조실 제원은 2.5×1.6×0.9 m, 송풍기 날개 지름은 0.18 m, 풍량은 1,300 m3/h, 응축기와 증발기는 0.5×0.47×0.14 m이며 압축기는 Copeland사의 ZB21 모델이다.

성능/효과

(1) 냉동고추와 같은 농산물 건조를 위하여 응축 온도를 높게 설정할수록 COP는 줄어들며 사용 증발압력 범위도 좁아지게 된다.
(2) 목재 건조에 사용되는 초기 히트펌프 건조기의 경우 석탄과 가스를 이용하는 건조기에 비해 42∼45% 정도 에너지 절감 효과가 있었으나 일반적으로 기존 열풍식 건조기에 비해 에너지 효율이 약 80% 이상 좋은 것으로 알려져 있다.
(2) 외부 증발기 사용시 외기온도가 낮아지면 그에 따라 냉매 유량, 응축기 방열량 및 COP 감소하므로 외부 증발기 사용은 외기 온도가 높을수록 유리하다.
(3) CPR을 사용하게 되면 건조기 효율은 하강하나 압축기 입구 압력을 안정적으로 유지할 수 있어 압축기 내구성에는 유리하다.
(4) 건조 초기에 외부 증발기 사용은 내부 증발기사용 대비 상당한 승온시간 단축이 가능하다. 따라서 냉동고추와 같은 농산물을 해빙하고 응축수가 본격적으로 발생하는 온도까지 승온시킬 때 내부증발기 대신 외부 증발기를 사용하고 그 이후에 내부 증발기를 가동하여 응축수를 배출하는 것이 효과적임을 알 수 있다.
8의 해석결과에서는 실험결과보다 훨씬 빠른 승온이 예측되었으나 해석에서는 건조기 내부 공기가 저온일 때를 고려하여 외부 증발기 효과가 극대화되었고 CPR 또한 고려하지 않았기 때문이다. 결과적으로 외부 증발기를 사용하여 전체 건조과정에서 수분 응축이 본격적으로 일어나는 약 40℃까지 초기 승온시간을 단축한다면 획기적인 에너지 저감이 가능하다.
(4) 건조 초기에 외부 증발기 사용은 내부 증발기사용 대비 상당한 승온시간 단축이 가능하다. 따라서 냉동고추와 같은 농산물을 해빙하고 응축수가 본격적으로 발생하는 온도까지 승온시킬 때 내부증발기 대신 외부 증발기를 사용하고 그 이후에 내부 증발기를 가동하여 응축수를 배출하는 것이 효과적임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건조공정은 어떤 에너지가 필요한가?	식품 및 가공분야에서 건조공정은 최종공정으로 많은 열에너지가 필요하다.(1) 히트 펌프(heat pump) 방식의 건조기는 1단 압축 사이클을 보편적으로 널리 사용하고 있다.
	히트펌프 건조기의 에너지 효율을 높이기 위한 연구에는 무엇이 있었는가?	Cho et al.(5)은 추가 팽창기를 적용하여 기본사이클에 비하여 약 25% 정도 효율이 증가하는 것을 수치해석을 통해 예측하였으며, Lee(6)는 두 개의 증발기를 가진 냉동 사이클에서 수동 팽창밸브와 증발압력조절기의 개도 변화를 통해 최적의 운전상태를 도출하였다. Bivens et al.(7)은 내부 열교환기를 적용함에 따라 시스템 성능이 약 6∼7% 정도 향상됨을 증명하였고, 건조기의 효율을 높이기 위해 태양에너지를 곡물 건조기에 적용하는 방법에 관한 연구 등(8, 9)도 이루어지고 있다. Yoon et al.(10)등은 건조방법이 고추의 품질에 미치는 영향을 알아보기 위한 실험을 실시한 결과 60℃에서 건조할시 건조시간 대비 적절한 수분함량을 보였다.
	건조공정이란?	(1) 히트 펌프(heat pump) 방식의 건조기는 1단 압축 사이클을 보편적으로 널리 사용하고 있다. 건조공정은 건조물보다 건조기 내부 공기의 습도를 낮게 유지하여 건조물로부터 증발을 유도하는 방식이다. 건조물보다 낮은 습도를 얻기 위해서는 건조실 내부에 증발기와 응축기를 설치하여 냉매의 증발과 응축의 반복적인 과정을 통하여 수증기의 응축으로 얻어진 수분을 외부로 배출시켜 건조실 내부 습도를 낮게 유지하여 건조물을 건조한다.

참고문헌 (11)

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Bannister, P., Chen. G., Grey, A., Carrington, C. G., and Sun, Z. F., 1997, Economic Reduction of Greenhouse Gas Emission Through Enhanced Dehumidifier Timber Drying, Proc. of 19th Int. Congress of Refrigeration, pp. 241- 249.
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Cho, H. H., Baek, C. H., Ryu, C. G., and Kim, Y. C., 2007, Simulation Study on the Performance Characteristics of a $CO_{2}$ Cooling System with an Expander, Korean Journal of Airconditioning and refrigeration Engineering, pp. 630-639.
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Bivens, D. B., Allgood, C. C., Shiflett, M. B., Patron, D. M., Chisolm, T. C., Shely, G. S., Yokozeki, A., Wells, W. D., and Geiger, K. A., 1994, HCFC-22 alternative for air conditioners and heat pumps, ASHRAE Transactions, Vol. 100, No. 2, pp. 566-572.

상세보기
Hall, C. W., 1980, Drying and Storage of Agricultural Crops, AVIP Pushlishing Co., Inc.
Buelow, F. H., 1958, Drying Grain with Solar Energy, Michigan State University, Agri. Exp. Stn, Q. Bull, Vol. 41.
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EES, 2012, F-chart Software LLC., V9.100-3D.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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