에너지 절감 연구논문 번역(한국어 원본)I. INTRODUCTION
Drying process은 fuel, 고온의 air, steam, electromagnetic wave 등의 형태로 직접 혹은 간접적인 에너지를 투입하여 drying material에 포함된 수분이나 solvent 등을 제거하는 공정이며. food, chemicals, ceramic, fabrics, metal component 및 쓰레기 등 다양한 산업분야에서 필수적으로 거쳐야 하는 공정이다 [1, 2, 3]. 또한 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, 5].
본 연구에서는 실제 산업현장에서 사용되고 있는 hot-air dryer의 에너지 절감을 위하여 dryer 내부의 온도를 측정하고 이를 활용하여 수치 해석 연구를 수행하였다. 구체적으로, 연구 대상인 dryer의 건조 조건을 정의하고 dryer의 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. II. DRYING SYSTEM
A. Geometry and Components
본 연구의 drying system은 pressure watering이다. 건조 시스템의 건조 공정은 drying material을 투입한 후, 3번의 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 잔여 수분을 제거하기 위한 hot air drying이다. Dryer는 Figure 1과 같이 길이 900mm, 높이 750mm 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 건조가 진행된다. B. Experimental measurements
Dryer 내부 온도 측정을 위하여 Fig. 1에 표시한 상부 air knife의 4개 포인트(N11, N12, N41, N42) 온도 측정 장치를 설치하였다. 또한 electric power meter를 이용하여 공정 중 소모되는 전력량을 측정하였다. 온도 측정과 전력소모량의 동기화와 평균적인 수치를 활용하기 위하여 3일 동안 30분 이상 작업이 진행될 때의 온도분포와 전력 소모량을 측정하였다. 이 과정은 dryer의 기본 공정 상태인 외부 heater가 6개인 경우와 heater의 개수를 하나 줄인 5개인 경우에 대하여 수행되었다. Table 1은 히터가 6개인 초기 상태와 5개인 경우의 평균적인 air knife의 온도분포와 전력 소모량을 설명하고 있다. III. NUMERICAL MODELING
Geometric parameter는 outlet의 높이 (X1 ; 25, 50, 75 mm), air knife와 conveyer line의 거리 (X2 ; 85, 110, 135 mm), air knife와 dryer 상단의 거리 (X3 ; 90, 120, 150 mm)이고 이를 고려하여 총 33가지(3인자, 3수준, C01 ~ C33)의 경우를 산정하였다(Figure 2). Considering that the drying process takes place continuously for a long period of time, the internal flow in the drying system was assumed as a steady state. Geometric shape과 calculation의 효율을 고려하여 2차원 해석을 수행하였다. 상부 4개의 air knife의 total mass flow는 0.0036 kg/s이며 inlet temperature condition으로 N1과 N4는 실험에서 측정된 N11, N12 및 N41, N42의 평균값을 이용하였으며 N2, N3은 이를 interpolated 수치를 활용하였다. 외부 wall은 free convection(10 W/m2∙K, 25℃)를 고려하였으며 outlet은 외부 평균 온도인 80℃를 적용하였다. 유동에 대한 governing equation은equation (1) ~ (3)의 Continuity, momentum and energy equation이다 [6]. Fluid model의 grid system는 ANSYS ICEM CFD를 이용하여 생성하였으며 내부 유동과 온도분포는 ANSYS CFX 를 이용하여 계산하였다 [7, 8]. where ρ, U, p, τ, SM, htot, λ, T, and SE stand for density of fluid, velocity of fluid, pressure of fluid, shear stress by fluid, momentum source term, total enthalpy, thermal conductivity, temperature of fluid, and energy source term, respectively. The symbol ⊗ denotes tensor product of two vectors. The total enthalpy is related to the static enthalpy, hsta, by: IV. ANALYSIS RESULTS
본 연구의 drying process는 기본적인 건조 후 육안 검사를 마친 최종 제품의 잔여 수분을 제거하는 공정이다. 따라서 내부 온도는 100℃ 이상이 유지되어야 하며 특히 drying material이 통과하는 conveyer line의 온도가 100℃ 이상을 유지해야 한다. 따라서 conveyer line의 온도 분포 및 평균온도(Tb)와 내부의 평균 온도(Tc)를 검토하였다. 4개의 air knives중 유입된 고온의 공기가 우선 conveyer line부근을 가열 시킨다. Fig. 3(a)와 같이 outlet에서 가장 가까운 N1 air knife의 경우 일부는 conveyer line을 따라 outlet쪽으로 유입된 공기가 빠져지만 나머지 일부는 N2쪽의 유동으로 인해 dryer 상부로 이동하게 된다. 유사하게 N2, N3, N4에서 유입된 고온의 공기는 conveyer line을 가열 시킨 후 conveyer line을 따라 outlet쪽으로 빠져나가지 못하고 dryer 상부로 이동한 후 dryer wall을 따라가 outlet을 통해 빠져나가게 된다. 따라서 Fig. 3(b)와 같이 conveyer line부근 뿐만 아니라 건조기 전체의 온도를 증가시키게 된다. 또한 Table 1의 실험결과를 반영하여 outlet쪽 air knife(N1)보다 outlet에서 먼쪽의 air knife(N4) 부근의 온도가 더 높은 것을 알 수 있다. heater의 갯수를 1개 줄인 C01 ~ C33의 경우도 C00과 유사한 유동 분포를 나타냈다. 그러나 C00과 비교하여 air knives로 부터 유입되는 외부 공기의 온도가 상대적으로 낮기 때문에 낮은 온도분포를 가지게 된다. Table 2는 heater가 6개인 C00과 heater가 5개인 C01 ~ C33의 shape과 dryer 평균 내부 온도(Tc) 및 conveyer line의 평균온도(Tb)를 설명하고 있다. 기본적으로 모든 경우에서 목표 온도인 100℃ 를 넘어가는 수치를 보여주고 있다. 그 중에서 C23의 경우가 conveyer line부근의 평균 온도가 105℃ 로 가장 높게 나타났다. 또한 Fig. 4는 conveyer line의 outlet에서부터 거리에 따른 온도분포를 설명하는 그림으로, C23의 온도분포가 모두 100℃ 이상을 유지 하는 것을 알 수 있다. C23은 출구의 높이(X1), air knife와 conveyer line의 간격(X2), air knife와 dryer 상단의 거리(X3)를 각각75, 135, 150 mm에서 25, 110, 120 mm로 줄인 경우이다. 줄어든 내부 공간은 불필요한 열량 손실을 막고 줄어든 outlet의 크기로 인해 고온의 외부 공기가 내부에서 더 순환하는 것을 알 수 있다. |
에너지 절감 연구논문 번역(영어 번역본)I. INTRODUCTION
The drying process is a procedure that eliminates moisture or solvent included in the drying material by applying direct or indirect energy such as fuel, hot air, steam, and electromagnetic wave etc. It is a mandatory process in various industrial fields such as food, chemicals, ceramic, fabrics, metal component and waste etc. [1, 2, 3]. The hot-air drying process is a method that uses convective heat transfer by putting the drying material in contact with heated air and vaporizing moisture. It has a fairly large application scope and is widely used, compared to drying methods that use conduction or radiation. However, in general, the process has a disadvantage in that energy loss is huge because the heated air releases most of its remaining heat after increasing the temperature of the drying material and vaporizing moisture. Therefore, to increase efficiency in the drying process and reduce energy consumption required in the process, a comprehensive understanding of the drying process and a reasonable design is greatly necessary[4, 5].
To reduce the energy consumed in the hot-air dryer used in real industrial environments, the internal temperature of the dryer was measured and a numerical analysis was conducted. Specifically, the drying condition of the dryer was defined and power consumption and internal temperature based on the number of heaters were measured. In addition, a parametric study based on the dryer’s geometric shape was conducted and a dryer system that has minimum energy consumption while satisfying the drying condition was ultimately suggested. II. DRYING SYSTEM
A. Geometry and Components
The drying system used in this research is pressure watering. The drying process of the system is conducted by running a washing process three times after inputting the drying material and a sponge and air cut process to eliminate dampness. Afterwards, visual examination and hot air drying are conducted to remove remaining moisture. The subject of this research is the hot air drying process which eliminates remaining moisture. As shown in Figure 1, the dryer has four air knives respectively in the upper and lower section of a space with width 900mm, height 750mm and it is through these knives that heated air from 6 external heaters flow in. The conveyor line is positioned at the central section of the dryer and drying is conducted as the drying material passes through this area. B. Experimental measurements
To measure the internal temperature of the dryer, thermometers were installed at the 4 points (N11, N12, N41, N42) of the air knives in the upper section as shown in Fig. 1. Also, the amount of power consumed during the process was measured using an electric power meter. To utilize the synchronization of temperature measurement and power consumption and average values, the temperature distribution and power consumption when running for more than 30 minutes were measured for 3 days. This process was conducted when there were six external heaters, which is the default process state of the dryer, and when the number of heaters was reduced to five. Table 1 displays the average temperature distributions and power consumption of air knives when using six heaters initially and when using five heaters. III. NUMERICAL MODELING
The height of the outlet (X1 ; 25, 50, 75 mm), distance between air knife and the conveyor line (X2 ; 85, 110, 135 mm), and distance between air knife and the upper section of the dryer (X3 ; 90, 120, 150 mm) were set as geometric parameters and a total of 33 different cases(3 factors, 3 levels, C01 ~ C33) were assessed based on them(Figure 2). Considering that the drying process takes place continuously for a long period of time, the internal flow in the drying system was assumed as a steady state. A two-dimensional analysis was conducted considering the geometric shape and calculation efficiency. The total mass flow of the four air knife in the upper section was 0.0036 kg/s and for inlet temperature condition, the average value of N11, N12 and N41, N42 measured in the experiment was used for N1 and N4, while an interpolated value was used for N2, N3. Free convection(10 W/m2∙K, 25℃) was considered for the exterior wall and an average external temperature of 80℃ was applied to the outlet. The governing equations for flow are the continuity, momentum and energy equations in equation (1) ~ (3) [6]. The grid system for the fluid model was produced by using ANSYS ICEM CFD, while internal flow and temperature distribution were computed using ANSYS CFX [7, 8]. where ρ, U, p, τ, SM, htot, λ, T, and SE stand for density of fluid, velocity of fluid, pressure of fluid, shear stress by fluid, momentum source term, total enthalpy, thermal conductivity, temperature of fluid, and energy source term, respectively. The symbol ⊗ denotes tensor product of two vectors. The total enthalpy is related to the static enthalpy, hsta, by: IV. ANALYSIS RESULTS
The drying process of this research eliminates remaining moisture invisible to the naked eye from the final product after it has gone through a basic drying and a visual examination. Therefore, internal temperature must be maintained higher than approximately 100℃ and, especially, the temperature of the conveyor line that the drying material passes must reach over 100℃.’ Consequently, we reviewed the temperature distribution and average temperature(Tb) of the conveyor line and the average internal temperature(Tc). The hot air flown in through the four air knives initially heat up the surrounding of the conveyor line. As shown in Fig. 3(a), in the case of N1 air knife which is the closest to the outlet, part of the air moves along the conveyor line and exits through the outlet, but the rest move to the upper section of the dryer to the influx coming from N2. Similarly, hot air entering from N2, N3, N4 heats up the conveyor line but it does not move along the conveyor line and exit through outlet. Instead, it flows to the upper section of the dryer and then moves along the dryer wall to eventually exit through the outlet. Therefore, this increases not only the temperature around the conveyor line, but also that of the entire dryer as shown in Fig. 3(b). Also, based on the experiment result in Table 1, the temperature around air knife(n4), which is far from the outlet, is higher than that of air knife(N1), which is close to the outlet. C01 ~ C33, which have one less heater, displayed a flow distribution similar to C00. However, compared to C00, a lower temperature distribution is observed because the temperature of the external air flown in from air knives is relatively low. Table 2 explains the shapes of C00, which has six heaters, and C01 ~ C33, which have five heaters, as well as the average internal temperature of the dryer(Tc) and the average temperature of conveyor line(Tb). Basically, a value above the goal temperature 100℃ is observed in all cases. C23 had the highest average temperature around the conveyor line with 105℃. Also, Fig. 4, which displays the temperature distribution based on the distance from the outlet of the conveyor line, shows that the temperature distribution of C23 maintains a value above 100℃ entirely. C23 is the case in which the height of the exit(X1), the distance between air knife and the conveyor line(X2), and the distance between air knife and the upper section of the dryer (X3) were respectively reduced from 75, 135, 150 mm to 25, 110, 120 mm. The reduced internal space prevents unnecessary heat loss, and the reduced outlet size enables the hot external air to circulate more in the interior. |
