건조기 디자인 번역(한국어 원본)1. Introduction
Drying은 fuel, hot air, steam, electricity and electromagnetic wave 등의 직접 또는 간접적인 에너지를 투입하여 dry substance에 함유된 수분이나 solvent 등을 제거하는 단위조작으로서, industry의 final product, manufacture, post-processing 및 transportation 에서 거의 필수적으로 이용되고 있다. Drying process은 food, chemistry, textile, ceramic, paper, wood, metal part 및 waste에 이르기까지 모든 industry의 manufacturing process에서 다양한 dryer가 사용되고 있다.1-3 hot-air drying process는 가열된 공기와 drying material이 접촉하여 수분을 증발시키는 convective heat transfer 방식으로서 conduction이나 radiation 등을 이용하는 건조 방식에 비해 그 사용범위가 상당히 넓으며 널리 사용되는 건조 방식이다. 그러나 일반적으로 hot-air drying process는 가열된 공기가 drying material의 온도상승과 수분증발에 사용한 후 남은 heat 대부분을 방출하기에 에너지 손실이 큰 단점을 지닌다. 따라서 건조공정의 효율증대와 건조과정에서 요구되는 에너지 소비를 절감하기 위해서는 건조 과정에 대한 전반적인 이해와 합리적인 설계가 반드시 요구된다.4-6
CFD(Computational Fluid Dynamics) method를 이용한 dryer 연구의 경우 전산화 기술과 컴퓨터의 성능 발전에 힘입어 활발히 진행되고 있다. 실험연구와의 병행을 통해 CFD method는 conduction이나 convection뿐만 아니라 radiation이 고려된 열전달 특성을 규명하고 음식, 금속, 섬유 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. 일반적으로 dryer의 열 적 특성을 설명할 수 있는 온도분포, 속도분포 등을 주로 연구 대상으로 삼는다.7-10
본 연구에서는 실제 산업현장에서 사용되고 있는 hot-air dryer의 에너지 절감을 위하여 dryer 내부의 온도를 측정하고 이를 활용하여 numerical analysis 연구를 수행하였다. 구체적으로, 연구 대상인 dryer의 건조 조건을 정의하고 dryer의 열원인 heater개수에 따른 전력소비량과 내부 온도를 측정하였다. 또한 건조기의 geometric shape을 검토하여 이에 대한 parametric 연구를 수행하였으며 최종적으로 건조 조건을 만족시키면서 에너지 소비가 가장 적은 dryer 형상을 제안하였다. 2. Drying system
2.1 Drying process and geometry
본 연구의 drying system은 pressure watering이다. 건조 시스템의 건조 공정은 drying material을 투입한 후, 세 번의 washing process, 물기 제거를 위한 sponge와 air cut 과정이 진행된다. 그 후 육안검사 및 잔여 수분 제거를 위한 hot air drying으로 진행된다. 본 연구의 연구 대상은 건조 과정 중 잔여 수분을 제거하기 위한 hot air drying이다. Dryer는 Fig. 1과 같이 길이 900 mm, 높이 750 mm 의 공간 상하에 각각 4개의 air knives가 위치하며 이 곳을 통해 외부의 6개의 heaters로부터 가열된 공기가 유입된다. Dryer의 중앙 부분은 conveyer line이 위치하며 이 곳을 drying material이 통과하여 잔여 수분을 제거하기 위한 건조가 진행된다. 2.2 Experimental measurements
Dryer 내부 온도와 전력소모량 측정은 본 연구진의 선행 연구 결과를 활용하였다.11 Dryer 내부 온도 측정을 위하여 Fig. 1에 표시한 상부 air knife의 4개 포인트(N11, N12, N41, N42) 온도 측정 장치를 설치하였다. Fig. 2는 건조기 내부에 설치된 real-time measurement system을 설명하는 그림이다. 측정된 온도분포는 USN을 통해 M2M device으로 무선 전송되며 HMI system을 통해 저장된다.12 또한 electric power meter를 이용하여 공정 중 소모되는 전력량을 측정하였다. 전력 소모량은 건조기의 전체 전력 소모량 중 유입될 공기를 가열시키는 히터의 소모량을 측정하였다. 온도 측정과 전력소모량의 동기화와 평균적인 수치를 활용하기 위하여 3일 동안 30분 이상 작업이 진행될 때의 온도분포와 전력 소모량을 측정하였다.
에너지 절감과 건조 성능을 검토하기 위하여, dryer 내부에 유입되는 공기를 가열하는 히터의 개수를 줄여나가면서 유입되는 공기의 온도와 전력 소모량을 측정하였다. Dryer의 기본 공정 상태인 외부 heater가 6개인 경우에서 출발하여 유입되는 공기를 가열하는 heater의 개수를 각각 하나와 두 개를 줄인 경우에 대하여 실험을 하였다. 연구 대상인 dryer는 잔여 수분 제거를 위한 공정에 활용되며 이에 건조기의 온도 중 특히 피 건조물이 통과하는 컨베이어 라인의 온도가 100℃에 도달해야 한다.즉 heater의 개수가 4개 미만인 경우 유입되는 공기의 온도가 100℃ 미만으로 떨어져 건조성능을 제대로 발휘 하지 못할 것이라 판단하였으며 이에 히터의 개수가 6개, 5개, 4개인 경우에 대한 실험을 수행하였다. Table 1은 히터가 6개인 초기 상태와 5개 및 4개인 경우의 평균적인 air knife의 온도분포와 전력 소모량을 설명하고 있다. |
건조기 디자인 번역(영어 번역본)1. Introduction
Drying is the process of employing direct or indirect energy such as fuel, hot air, steam, electricity, and electromagnetic wave to remove water or solvent from the dry substance. It is an indispensable tool in the industry for final product , manufacture, post-processing, and transportation. Various dryers are used in manufacturing process of a wide array of industries including food, chemistry, textile, ceramic, paper, wood, metal, and waste. [1-3] Hot-air drying process is a convective heat transfer method in which heated air contacts the drying material to vaporize moisture. It is much more widely employed compared to other drying methods using conduction or radiation. However, energy loss is a significant problem as the heated air releases most of energy left over after increasing the temperature of the drying material and vaporizing moisture. In order to maximize efficiency of the drying process and to reduce energy consumption, thorough understanding of the process and rational design are mandatory. [4-6]
Research on dryer using computational fluid dynamics (CFD) method is actively underway, thanks to advances in computational technology and computer performance. In parallel with experimental studies, CFD method is used to identify heat transfer characteristics by taking into account conduction and convection as well as radiation. It is popular in various industries such as the food, metal, and fiber industry. Temperature distribution and speed distribution are generally studied since they can explain thermal properties of the dryer . [7-10]
In this study, we measured inside of the dryer actually used in an industrial site and conducted numerical analysis to reduce energy consumption of hot-air dryers. We defined drying condition of the dryer and measured power consumption and internal temperature of the dryer for different numbers of heaters, which serve as the heat sources of the dryer. Also, geometric shape of the dryer was evaluated through a parametric study. In the end, we propose a dryer shape that satisfies the drying condition while minimizing energy consumption. 2. Drying system
2.1 Drying process and geometry
The drying system investigated was pressure watering system. Drying process involves inserting the drying material, repeating washing process three times, removing water with sponge, and performing air cut process. Next, visual inspection is conducted, followed by hot air drying to remove residual moisture. The specific drying process researched in this study was the hot air drying process . On the dryer, four air knives are each located both above and beneath the space that is 900 mm long and 750 mm tall , and hot air that has been heated from six heaters outside flows in through these knifes (Fig. 1). Conveyer line is located at the center of the dryer, through which drying material passes through to remove residual moisture. 2.2 Experimental measurements
Measurements of temperature inside the dryer and power consumption were conducted as done previously.[11] For measurement of temperature inside the dryer, thermometer was installed at four upper air knives (N11, N12, N41, N42) as in Fig. 1. Fig. 2 shows real-time measurement system installed inside the dryer. Temperature distribution that has been measured is transmitted via wireless to a M2M device and stored using the HMI system.[12] Power consumed during drying was measured using electric power meter. Of the total power consumption of the dryer, the amount consumed by the heater to heat the air was measured. In order to synchronize temperature measurement and power consumption and to utilize their average values, temperature distribution and power consumption were measured over three days when the drying process was 30 minutes or longer.
Energy reduction and drying performances were evaluated by measuring the temperature of inflowing air and power consumption as the number of heaters was gradually reduced. Starting with six external heaters, which is the default state of the dryer, measurements were made after removing one or two heaters. The number of heaters to be removed was determined as follows. The dryer is used for removing residual moisture and the temperature of the conveyer line through which the drying material passes through must reach 100℃. It was hypothesized that the dryer would lose its drying capability if it had less than four heaters as the air temperature would decrease below 100℃. Therefore, measurements were made with six, five, and four heaters. Table 1 shows the average temperature distribution and power consumption of the air knives for the initial condition of six heaters and for five and four heaters. |
