KR100381219B1 - 기압차를 이용한 상대습도의 변화에 따른 진공제습식건조장치와 건조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기압차를 이용한 상대습도의 변화에 따른 진공제습식 건조장치와 건조방법에 관한 것으로서, 목재 또는 각종 농수산물 등을 건조할 때 건조시간을 최소화하여 에너지 절감효과를 최대화하고, 특히 목재를 건조할 시 건조결합이 없는 고품질의 목재를 얻을 수 있도록 한 것이다.

즉, 본 발명은 목재(2)를 투입하는 건조로(3)에 건조로(3)와 연통되고 가열수단(4)과 송풍기(6)가 장치된 제습가열로(5)를 마련하여 건조로(3)의 온도와 습도를 조절할 수 있도록 하고, 제습가열로(5)에는 응축수집수조(7)를 형성하고, 응축수집수조(7)에는 통상의 냉각장치(8)와 열교환기(9)로 연결되는 제습장치(10)를 경유토록 장치하여 건조로(3) 내의 목재(2)의 건조 시 발생하는 수분을 응축할 수 있도록 하며, 응축수집수조(7)에는 중도에 배수밸브(11)가 장치된 응축수배출관(12)을 배관하여 응축수를 배출할 수 있도록 하며, 건조로(3)에는 진공펌프(13)와 관체(15)로 연결하여 건조로(3) 내부의 압력을 감압토록 한 건조장치(12)의 건조로(3) 내에 목재(2)를 투입한 상태에서 건조로(3) 내의 온도를 약 60 ~ 90℃로 상승시킨 후 내부 압력을 300 ~ 350mbar로 감압하고, 목재수종에 따라서 건조로(3)내의 온도를 약 50 ~ 95℃로 약 5시간 정도 유지하여 목재(2) 내부의 자유수를 증발, 제습하여 목재(2)의 상대습도가 섬유포화점인 25 ∼ 30%가 되도록 하고, 건조로(3) 내의 압력을 단계적으로 감압(300mbar⇒230mbar⇒‥‥‥⇒118mbar⇒50mbar)하여 목재(2) 상의 결합수를 증발, 제습함으로서 함수율이 10%이하가 되도록 함으로서 목재(2)를 빠른 시간 내에 건조하면서도 건조결함이 없도록 하고 또한 에너지 절감효과도 득할 수 있도록 함에 요지가 있다.

Description

기압차를 이용한 상대습도의 변화에 따른 진공제습식 건조장치와 건조방법{Drying apparatus and its vacuum dehumidifying method in accordance with the pressure difference of relative humidity}

본 발명은 기압차를 이용한 상대습도의 변화에 따른 진공제습식 건조장치와 건조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 목재 또는 각종 농수산물과 같은 건조대상물을 건조할 때 건조시간을 최소화하여 에너지 절감효과를 최대화하고, 특히 목재를 건조할 시 건조결합이 없는 고품질의 목재를 얻을 수 있는 건조장치와 건조방법을 제공코자 한 것이다.

일반적으로 건조전의 목재 및 농수산물은 많은 수분과 수지를 함유하고 있으며, 특히 목재는 수분에 의해 무거울 뿐만 아니라, 목재의 찌그러짐 및 할렬과 변색 등의 건조결함이 나타나므로 이를 방지하기 위해 예로부터 자연건조법과 여러 종류의 인공건조법이 이용되어 왔다.

상기한 자연건조법은 목재 등을 건조할 경우 건조시간이 오래 걸리므로, 경제성을 고려하여 인공건조법이 많이 사용되고 있으나 이 또한 건조시간이 장시간을 요하는 과정이며, 에너지를 많이 소비되는 문제점이 있었다.

즉, 종래의 인공건조법은 밀폐로를 대기압 상태에서 일정 온도로 가열하는 제습식으로 밀폐로 내에는 냉각설비를 장치하여 건조과정에서 발생하는 수분을 제거할 수 있도록 한 것이나, 이러한 구성의 건조장치를 사용할 경우 목재 등에 포함되어 있는 수분 중 자유수를 건조하는데는 어느 정도 효과가 있으나, 결합수를 제거하기까지는 상당한 시간이 걸리게 되는 등의 문제점이 있는 바, 건조시간을 단축하면서도 건조대상물의 건조결함을 최소화 할 수 있는 신규한 건조장치 등의 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다.

이에 본 발명에서는 상기한 바와 같은 종래의 인공건조법이 가지는 제반 문제점을 해결하고자 안출한 것으로서, 건조로 내의 압력을 줄일 수 있는 진공장치를 마련하여 건조로의 압력을 조절할 수 있도록 하고, 건조로에서 발생하는 수분(수증기)을 제습할 수 있는 히트파이프 구성으로 되는 제습장치를 장치함으로서, 건조실 내의 압력을 감압시켜 각종 건조대상물을 빠른 시간 내에 건조할 수 있도록 하여 에너지 절감효과를 득할 수 있도록 하고, 특히 목재를 건조할 때 열변형 등이 없도록 하여 고품질의 제품을 제공할 수 있도록 한 건조장치와 건조방법을 제공함에 본 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 개략적인 구성도

도 2는 본 발명에 의한 목재의 자유수 이동을 나타낸 확대도

도 3은 본 발명에 의한 목재의 결합수 이동을 나타낸 확대도

도 4는 본 발명과 열기전조시의 목재내의 수분이동속도와 표면의 증발속도를 보이기 위한 개략도

도 5는 본 발명 건조장치의 감압변화를 개략적으로 나타낸 그래프

도 6은 본 발명에 의한 온도변화에 따른 수분 확산속도 그래프

도 7은 본 발명에 의한 기압변화에 따른 수분 확산속도 그래프

도 8은 본 발명에 의한 기압변화에 따른 물의 끓는점을 비교한 그래프

■도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명■

1 : 건조장치 2 : 목재

3 : 건조로 4 : 가열수단

5 : 제습가열로 6 : 송풍기

7 : 응축수집수조 8 : 냉각장치

9 : 열교환기 10 : 제습장치

10a : 히트파이프 11 : 배수밸브

12 : 응축수배출관 13 : 진공펌프

14 : 진공탱크 15 : 관체

16 : 순간진공밸브

도 1은 본 발명의 개략적인 구성도를 도시한 것으로서, 이하에서 건조대상물을 목재로 하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 목재(2)에 포함되어 있는 수분 중 1차로 건조로(3) 내의 압력을 감압하여 자유수를 제습 처리하고, 목재(2)에 포함되어 있는 결합수는 기압차를 이용하여 2차 처리할 수 있도록 한 것으로, 본 발명의 건조장치(1)는 목재(2)를 투입하는 건조로(3)와 연통되고 전기히터 등으로 구성되는 가열수단(4)과 건조로(3)와 제습가열로(5)의 공기를 강제 순환시키는 송풍기(6)가 장치된 제습가열로(5)를 마련하여 건조로(3)의 온도 및 습도를 조절할 수 있도록 한다.

상기 제습가열로(5)에는 응축수집수조(7)를 형성하고, 응축수집수조(7)에는 통상의 냉각장치(8)와 열교환기(9)로 연결되는 제습장치(10)를 경유토록 장치하여 건조로(3) 내의 목재(2)를 건조 시 발생하는 수분을 응축할 수 있도록 하고, 응축수집수조(7)에는 중도에 배수밸브(11)가 장치된 응축수배출관(12)을 배관하여 응축수를 외부로 배출할 수 있도록 한다. 그리고 건조로(3)에도 응축수배출관(12)을 연결하여 제습되는 응축수를 외부로 배출할 수 있도록 한다.

상기 제습장치(10)는 고온에서는 증기화되고 저온에서는 응축되는 유체가 내입되고 증발부와 응축부가 분리 구성되는 히트파이프(10a)를 사용하여 건조로(3)와제습가열로(5) 내의 습기가 히트파이프(10a)와 접하면서 결로 현상에 의해 제습이 이루어 질 수 있도록 한다.

상기 제습장치(10)의 작동유체로는 여러 형태가 사용될 수 있으나, 본 발명에서는 환경친화성이 있는 R134a를 사용하였다.

한편 상기 건조로(3)에는 진공펌프(13)와 관체(15)로 연결하여 건조로(3) 내부의 압력을 조절할 수 있도록 한다. 그리고 건조로(3)에 연결되는 관체(15) 상에는 진공탱크(14)와 순간진공밸브(16)를 장치하여 건조로(3)를 순간적으로 감압 할 수 있도록 하여 건조로(3)의 감압이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.

도면중 미설명 부호 17은 외기흡입밸브를 도시한 것이고, 18은 진공펌프(13)용 방열모터를 도시한 것이다.

본 발명의 건조장치(1)를 이용하여 목재(2)를 선택하여 제습하는 방법을 설명한다.

각종 목재(2)에서 일어나는 수분의 이동은 자유수(free water)와 결합수(bound water)로 구분할 수 있으며, 목재(2)에 포함되어 있는 자유수의 건조방법을 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이 목재(2) 내외간에 형성되는 절대압력 차에 의해서 고온을 작용하지 않고서도 내외 수분의 이동속도를 증가시킬 수 있도록 한 것이다.

즉, 건조로(3) 내에 목재(2)를 투입한 상태에서 건조로(3) 내부 온도를 약 60 ~ 90℃로 가열하고 난 다음 건조로(3) 내부 압력을 약 350 ∼ 300mbar로 감압한다.

다음으로 상기한 건조로(3)의 온도를 목재(2)의 수종에 따라서 약 50 ~ 95℃까지 상승시켜 도 5에서와 같이 약 5시간 정도 감압과 가열을 주기적으로 행하여 목재(2)상의 자유수가 건조로(3) 내에 과포화 되도록 하고, 상기 건조로(3) 내의 과포화 된 수분을 제습장치(10)로 제습하여 외부로 배출함으로서 상대습도가 섬유포화점인 25∼30%가 되도록 한다.

그리고 상기한 방법으로 건조되는 목재(2)에서의 결합수 건조방법을 살펴보면, 이는 도 4에 도시된 바와 같이 목재(2) 내부온도를 일정하게 유지시킨 상태에서 건조로(3) 내의 기압을 점차적으로 감압하여 수분의 확산속도를 증가시키도록 한 원리를 이용한 것이다.

즉, 건조로(3) 내의 압력을 도 5에 도시된 바와 같이 단계적으로 감압(예를 들면 300mbar⇒230mbar⇒‥‥‥⇒118mbar⇒50mbar)하여 목재(2)의 내부 온도를 올려 결합수의 확산을 증대시킴으로서, 목재(2)상의 결합수를 증발시켜 상기한 바와 같은 방법으로 수분을 제습하여 외부로 배출하는 방법을 통하여 함수율이 설정치 이하(10%)가 되도록 함으로서 목재(2)를 건조하게 되는 것이다.

실험예로 이상과 같이 구성되는 건조장치(1)와 건조방법을 이용하여 생재를 건조로(3)에 넣고 건조하는 과정에서 온도변화에 따른 목재수분 확산속도와, 기압변화에 따른 목재수분 확산속도 및 기압변화에 따른 물의 끓는점을 관찰하였다.

그 결과 온도변화에 따른 목재(2)의 수분 확산속도는 도 6에 도시된 바와 같이 온도가 상승함에 따라 수분확산속도가 빨라지는 것을 확인할 수 있었고, 기압변화에 따른 목재(2)의 수분 확산속도는 도 7에 도시된 바와 같이 기압이 낮을 수록 수분 확산속도가 증가됨을 확인할 수 있었으며, 기압변화에 따른 물의 끓는점은 도 8에 도시된 바와 같이 물은 기압 760mmHg, 온도 100℃에서 끓는점이 형성되어 수증기로 변화하며, 건조로(3) 내의 압력이 포화수증기압력보다 낮아지게 되면 목재(2) 내의 수분은 끓기 시작하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 목재(2) 표면의 끓는점이 목재내부온도보다 낮아지므로 이 영역에서 수분의 증발이 이루어지게 되어 낮은 기압일 때는 저온에서 끓는점이 형성되고 있음을 확인할 수 있었다.

이상과 같이 구성되는 본 발명은 주로 목재(2)나 각종 농수산물 등을 건조하는 용도로 사용될 수 있는 것으로서, 본 발명에 의하면 목재(2)를 건조로(3)에 투입한 상태에서 가열수단(4)과 송풍기(6)를 가동하여 내부온도를 약 60 ~ 90℃로 올린 다음(건조로(3) 내의 온도는 열 전달 매체인 공기가 희박함으로 열 전달과 확산이 잘 이루어지지 않기 때문 임.) 진공펌프(13)를 이용하여 건조로(3) 내부 압력을 약 350 ∼ 300mbar로 감압하고, 다음으로 건조로(3)와 제습가열로(5)의 온도를 약 50 ~ 95℃까지 상승시켜 자유수를 증발시키게 되므로 도 6,7에 도시된 바와 같이 낮은 압력과 고온이 유지되는 본 발명의 건조로 내에서의 건조효율을 증대시킬 수 있게 되는 것이다.

그리고 증발되는 수분(수증기)은 제습장치(10)와의 접촉에 의해 결로현상이 생겨 응축수집수조(7)로 집수되어 응축수배출관(12)을 통하여 외부로 배출되며, 본발명에서는 제습장치(10)로 통상의 냉각장치(8)와 열교환기(9)로 연결 구성되는 자연순환식 히트파이프(10a)를 사용함으로서, 수분의 제습효과를 극대화하였으며, 냉각장치(8)의 가동은 외기의 온도가 상대적으로 낮은 동절기 등에는 사용하지 않아도 되므로 가동비를 절감할 수 있는 효과를 득할 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명은 상기한 바와 같이 목재(2)에 포함되어 있는 수분(자유수)를 1차로 증발시키고 난 다음 목재(2)에 잔존하는 결합수를 건조시켜 함수율을 10%이하가 되게 하는 바, 본 발명에서는 상기한 감압 조건하에서 진공펌프를 사용하거나 진공펌프(13)와 연결된 관체(15)상에 설치된 진공탱크(14)와 순간진공밸브(16)를 이용하여 건조로(3)에 압력을 순간적으로 여러 단계 감압하여 건조로(3) 내의 압력을 더욱 낮추어 저온상태에서 목재(2)을 최종 건조하게 되는바, 목재(2)의 열변형 없이 안정된 상태로 건조가 이루어 질 수 있게 되는 것이다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이 열기 건조의 경우일 때는 대기압 하에서 목재(2)에 포함되어 있는 수분은 높은 곳에서 낮은 곳으로 확산에 의해 이동하지만, 본 발명의 건조장치(1)로 건조할 경우는 목재(2) 내부에 형성되는 압력경사가 수분이동의 주체가 되므로 내부수분이 표면으로 이동하는 속도(W)와 표면 증발속도 (E)가 거의 같은 속도가 되므로 건조시간을 최소화할 수 있게 되어 빠른 시간 내에 목재(2)를 건조할 수 있게 되는 것이다.

본 발명에서는 이해를 돕기 위하여 건조대상물을 목재(2)로 한정하여 설명하였으며, 각종 농수산물 등을 건조로(3)에 넣어서 건조할 수 있으며, 건조대상물의종류에 따라서 건조로(3)의 온도 및 압력을 조절하여 사용할 수 있음은 당연한 것이다.

이상과 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 건조로(3) 내의 압력을 줄일 수 있는 진공펌프(13)를 마련하여 건조로(3)의 압력을 조절할 수 있도록 하고, 건조로(3)에서 발생하는 수분(수증기)을 제습할 수 있는 히트파이프(10a) 구성으로 되는 제습장치(10)를 장치하는 간단한 구성으로 이루어지는 것으로 하기와 같은 여러 이점을 제공받을 수 있다.

즉, 본 발명을 이용하여 목재(2)를 건조하게 되면 저온에서 고온의 효과를 얻을 수 있으므로 급격한 자유수 이동으로 인한 찌그러짐, 내부할렬 및 변색과 뒤틀림 등의 목제(2) 건조 결합을 줄일 수 있고, 제습장치(10)로 히트파이프(10a)를 적용하여 에너지 절감 효과를 득할 수 있어 유지비를 절감할 수 있는 등의 여러 이점을 득할 수 있다.

그리고 본 발명의 건조장치(1)를 이용하여 각종 농수산물을 건조하게되면 건조로(3) 내의 온도와 압력 등을 적절하게 조절하여 자연건조와 같은 효과를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 각종 건조대상물을 투입하는 건조로(3)와,

   상기 건조로(3)와 연통되고 가열수단(4)과 송풍기(6)가 장치되고 응축수집수조(7)가 형성된 제습가열로(5)와,

   상기 응축수집수조(7)에 배관되고 중도에 배수밸브(11)가 장치된 응축수배출관(12)과,

   통상의 냉각장치(8)와 열교환기(9)로 연결되고 제습가열로(5)의 응축수집수조(7)를 경유하여 건조로(3) 내에 발생하는 수분을 응축하는 제습장치(10)와,

   상기 건조로(3) 내부의 압력을 감압 할 수 있도록 건조로(3)에 관체(15) 연결되는 진공펌프(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기압차를 이용한 상대습도의 변화에 따른 진공제습식 건조장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제습장치(10)는 고온에서는 증기화되고 저온에서는 응축되는 유체가 내입되고, 증발부와 응축부가 분리되는 히트파이프(10a)로 구성됨을 특징으로 하는 기압차를 이용한 상대습도의 변화에 따른 진공제습식 건조장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 건조로(3)와 진공펌프(13)를 연결하는 관체(15)상에는 진공탱크(14)와 순간진공밸브(16)가 장치되어 건조로(3)를 순간적으로 감압 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 기압차를 이용한 상대습도의 변화에 따른 진공제습식 건조장치.
4. 밀폐된 건조로(3) 내에 목재(2)를 투입한 상태에서 가열수단을 건조로(3) 내부온도를 60~90℃로 올리고, 진공펌프로 압력을 300 ~ 350mbar로 감압하는 공정과,

   상기 압력하에서 건조로(3) 내부온도를 약 50~95℃로 약 5시간 정도 유지하여 목재(2) 내부의 자유수를 과포화 시켜 제습장치(10)로 제습하여 목재(2)의 상대습도가 섬유포화점인 25∼30%가 되도록 하는 공정과,

   상기 건조로(3) 내의 압력을 진공펌프(13)로 단계적으로 감압(300mbar⇒230mbar⇒‥‥‥⇒118mbar⇒50mbar)하여 목재(2) 상의 결합수를 증발시키고 제습장치(10)로 제습함으로서 함수율이 10%이하가 되도록 하는 공정으로 건조하는 것을 특징으로 하는 기압차를 이용한 상대습도의 변화에 따른 진공제습식 건조방법.