[논문]곡물 건조용 원적외선 방사체의 특성

이호필; 김유호; 한충수; 연광석; 조성찬; 이재석; 조영길; 최태섭

곡물 건조용 원적외선 방사체의 특성
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이호필 (충북대학교 농과대학 농업기계공학과) , 김유호 (농촌진흥청 농업기계화연구소) , 한충수 (충북대학교 농과대학 농업기계공학과) , 연광석 (충북대학교 농과대학 농업기계공학과) , 조성찬 (충북대학교 농과대학 농업기계공학과) , 이재석 (충북대학교 농과대학 농업기계공학과) , 조영길 (농촌진흥청 농업기계화연구소) , 최태섭 (한국원적외선혐회)

쌀 소비량은 생활 수준 향상과 외식 및 식품 산업의 발달로 감소하고, 고품질 쌀을 요구하는 성향이 높아지고 있다. 현재, 고품질 쌀을 생산할 수 있는 기술과 제반 요건은 구비되어 있으나, 수확 후 건조·저장 중에 쌀의 품질이 저하된다. 특히 건조 중 품질 저하는 고온건조에 의한 동할 발생 및 과건조가 주요 원인이다. 이를 해결하기 위해 원적외선 건조 시스템에 관한 연구가 진행 중이다. 본 연구에서는 방사율이 높고, 접착성 및 내열성 등이 강한 곡물 건조기용 방사체 코팅원료를 개발하고, 이 원료를 원적외선 방사체에 코팅한 후 방사체의 형태와 크기에 따라 표면 온도 분포 및 연료 소비량 등을 측정 분석하여 방사체의 특성과 적정 조건을 규명하고자 하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. (1) 세라믹 코팅 원료의 배합비는 세라믹분말 40%와 결합재 60%가 접착력과 가열경화 후 표면이 양호한 것으로 나타났다. (2) 노즐의 유량 및 분무각에 따른 버너의 화염길이 및 폭은 노즐유량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. (3) 방사체 위치별 표면온도편차는 방사체 길이가 1350mm인 것이 작은 것으로 나타났고, 열풍유동관 직경이 Rounding type의 경우 76.3mm, Right angle type의 경우 89.1mm일 때 표면 온도편차가 적었다. (4) 연료소비량은 열 풍유동관 직경이 클수록, 방사체 길이가 길수록 증가하는 경향을 나타내었고, Right angle type이 Rounding type에 비하여 연료소비량이 약간 높은 것으로 나타났다.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 방사율이 높고 내열성, 내충격성, 접착성 등이 강한 원적외선 방사 세라믹 코팅원료를 개발하고, 가격이 저렴하고 효율이 높으며 가열 면적이 넓은 곡물 건조용 원적외선 방사체의 특성을 규명하고자 한다.
본 연구에서는 방사율이 높고, 접착성 및 내열성 등이 강한 곡물 건조기용 방사체 코팅원료를 개발하고, 이 원료를 원적외선 방사체에 코팅한 후 방사체의 형태와 크기에 따라 표면 온도분포 및 연료 소비량 등을 측정 분석하여 방사체의 특성과 적정 조건을 규명하고자 하였다. 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

곳을 각각 II지점과 m지점으로 정하였다.(그림 1 참조) 표면온도 측정은 열전대 (T-type)와 다점온도기록계(DA-100, YOKOGAWA, Japan)를 사용하여 10분 동안 측정하였고, 버너의 제어온도는 200℃이며 버너 설정온도 제어용 열전대는 II지점에 설치하였다.
방사체 표면온도 측정은 버너 장착부로 부터 100mm 되는 곳을 I 지점으로 하고 버너 장착부 반대쪽으로 부터 100mm 되는 곳을 IV지점으로 정하였으며, I 지점과 IV지점을 3 둥분하는 곳을 각각 II지점과 m지점으로 정하였다.(그림 1 참조) 표면온도 측정은 열전대 (T-type)와 다점온도기록계(DA-100, YOKOGAWA, Japan)를 사용하여 10분 동안 측정하였고, 버너의 제어온도는 200℃이며 버너 설정온도 제어용 열전대는 II지점에 설치하였다.
방사체의 가열은 곡물 건조기용 버너(G8S, 신흥, Korea)를 사용하였으며, 설정온도를 제어할 수 있도록 컨트롤러를 장착하였다.
버너의 화염특성 분석은 노즐(Hollow Type, Hago, USA)별 화염길이 및 폭을 측정하였으며, 노즐 유량은 0.5, 0.65, 0.85, 1.0USgal/h인 것을 사용하였고, 분무각은 각각 45°, 60° 로 하여 실험하였다. 화염길이 및 폭은 3CCD 디지털 비디오 카메라(DCR-VX 1000, SONY, Japan)로 촬영하여 컴퓨터에 저장하였다.
원적외선 방사체의 연 소관 직경은 200mm로 고정하였고, 길이는 1100, 1200, 1350mm로 가변 되도록 제작하였다. 원적외선 방사체(Far Infrared Heater ; 이후 FI heater로 표기함)의 열풍유동관은 형태에 따라 Rounding type과 Right angle type으로 하였고, 열풍유동관의 직경은 60.5, 76.3, 80.1, 101.6mm로 제작하였으며 방사체 연소관의 길이변화에 따라 가변 되도록 제작하였다. 제작된 원적외선 방사체는 샌딩 후 코팅하고 가열경화처리 하였다.
그림 1과 2는 실험에 사용된 방사체의 개략도를 나타낸 것이다. 원적외선 방사체의 연 소관 직경은 200mm로 고정하였고, 길이는 1100, 1200, 1350mm로 가변 되도록 제작하였다. 원적외선 방사체(Far Infrared Heater ; 이후 FI heater로 표기함)의 열풍유동관은 형태에 따라 Rounding type과 Right angle type으로 하였고, 열풍유동관의 직경은 60.
6mm로 제작하였으며 방사체 연소관의 길이변화에 따라 가변 되도록 제작하였다. 제작된 원적외선 방사체는 샌딩 후 코팅하고 가열경화처리 하였다.
코팅된 시편은 가열경화 후 기포발생 유무와 부착성 등을 평가하여 배합비를 선정하였다.
0USgal/h인 것을 사용하였고, 분무각은 각각 45°, 60° 로 하여 실험하였다. 화염길이 및 폭은 3CCD 디지털 비디오 카메라(DCR-VX 1000, SONY, Japan)로 촬영하여 컴퓨터에 저장하였다. 화염 길이와 폭은 각 조건당 20개의 영상을 선정하여 픽셀 값을 mm로 환산한 후 그 평균값으로 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 세라믹 재료는 전이원소산화물인 FeaOs, MnO₂ 및 CuO를 소결하여 분쇄한 후 사용하였고, 결합재를 적정 배합비로 혼합하여 코팅원료로 사용하였다. 한편 코팅 시편은 SUS 304(100X100 X 2mm)로 만들어 샌딩처리 하였다.
후 사용하였고, 결합재를 적정 배합비로 혼합하여 코팅원료로 사용하였다. 한편 코팅 시편은 SUS 304(100X100 X 2mm)로 만들어 샌딩처리 하였다.

데이터처리

화염길이 및 폭은 3CCD 디지털 비디오 카메라(DCR-VX 1000, SONY, Japan)로 촬영하여 컴퓨터에 저장하였다. 화염 길이와 폭은 각 조건당 20개의 영상을 선정하여 픽셀 값을 mm로 환산한 후 그 평균값으로 나타내었다.

성능/효과

(1) 세라믹 코팅원료의 배합비는 세라믹분말 40%와 결합재 60%가 접착력과 가열경화 후표면이 양호한 것으로 나타났다.
(2) 노즐의 유량 및 분무각에 따른 버너의 화염길이 및 폭은 노즐유량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다.
(3) 방사체 위치별 표면온도편차는 방사체 길이가 1350mm인 것이 작은 것으로 나타났고, 열풍유동관 직경이 Rounding type의 경우 76.3mm, Right angle type의 경우 89.1mm일 때 표면 온도편차가 적었다.
85 l.OUSgal/h, 방사체 길이 1100, 1200, 1350mm, 열풍유동관 직경 60.5, 76.3, 89.1, 101.6mm의 총 조합 수 96가지의 실험 결과 중 표면 온도차가 비교적 작은 것을 선정하여 나타내었다.
가열 훈 설정온도 200℃까지 도달 시간은 방사체 길이가 1200, 1350mm 일 때 각각 207, 220초로 나타났고, 가열 5분경과 후 위치별 표면온도편차는 방사체 길이 1200mm가 30.3~ 38SC로 나타났으며, 1350mm가 25.2~336C로 나타나 방사체 위치별 표면온도편차는 Rounding type에서와 마찬가지로 방사체 길이가 1350mm인 것이 작은 것으로 나타났다.
그림에 나타낸 바와 같이 노즐유량이 증가함에 따라 화염길이는 증가하는 경향을 나타내었으며, 분무 각 45°의 경우 노즐유량이 증가함에 따라 버너 화염길이는 169mm에서 297mm로 증가하여 75.7% 증가하였다. 분무각 60°의 경우도 노즐유량이 증가함에 따라 화염길이는 172mm 에서 283mm로 증가하여 64.
65USgal/h, 60° 일 때 열풍유동관 직경별 연료소비량을 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 연료소비량은 열풍 유동관 직경이 클수록, 방사체 길이가 길수록 높게 나타났다. Right angle type과 마찬가지로 방사체길이가 1100mm일 때 연료소비량이 약간 낮게 나타났다.

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