KR101328486B1 - 다목적 곡물 건조기 운영 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다목적 곡물 건조기 운영 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 건조 효율을 갖도록 다목적 건조기의 건조 요인인 송풍량, 송풍온도, 순환속도를 산출하는 방안에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명의 다목적 곡물건조기의 운영 조건 산출 방법은 건조시간(t), 상대습도(RH), 유입된 공기의 온도(T)에 따른 곡물의 함수율비(MR)를 산출하는 단계, 산출된 상기 함수율비를 이용하여 곡물 건조기의 건조온도, 송풍량, 곡물 낙하 속도를 산출하는 단계를 포함한다.
이를 위해 본 발명의 다목적 곡물건조기의 운영 조건 산출 방법은 건조시간(t), 상대습도(RH), 유입된 공기의 온도(T)에 따른 곡물의 함수율비(MR)를 산출하는 단계, 산출된 상기 함수율비를 이용하여 곡물 건조기의 건조온도, 송풍량, 곡물 낙하 속도를 산출하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 다목적 곡물 건조기 운영 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 건조 효율을 갖도록 다목적 건조기의 건조 요인인 송풍량, 건조온도, 순환속도를 산출하는 방안에 관한 것이다.
곡물은 수확 후 품질의 변화 없이 저장, 가공 등을 위하여 적절한 방법으로 목표 수분까지 건조하여야 한다.
일반적으로 곡물은 온도와 상대습도가 일정한 공기 중에 장시간 노출되면 수분을 흡수하거나 방출하지 않는 함수율 평형상태에 도달하게 된다. 이때, 함수율을 주어진 온도와 상대습도의 평형함수율이라고 한다. 수분이 높은 곡물은 평형함수율 조건을 유지하기 위해 표면에서 수분 증발이 이루어지고 내부에서는 표면으로 수분확산이 동시에 일어나게 되는데 이러한 현상이 반복되는 것을 건조과정이라 한다.
이 때 확산속도가 건조속도보다 늦으면 곡립의 내외부에 함수율 차이가 발생하고 응력이 증가하게 된다. 즉, 건조가 진행되면서 응력의 차이가 크게 발생되며 곡물의 품질저하의 원인인 동할이 발생하게 된다. 이러한 건조과정에서 발생하는 낟알 내외부의 함수율 차이를 줄이기 위해 일정 시간 동안 건조를 중지하고 곡물을 방치하는 것을 템퍼링(tempering)이라 하며, 템퍼링동안 벼 낟알 내부의 수분이 표면으로 확산되어 건조 중에 발생한 함수율 차이가 줄어들게 되므로 동할 발생이 억제된다.
일반적으로 곡물의 수분증발은 자유수의 증발보다 에너지가 많이 소요되며, 표면증발을 위해서는 증발잠열이 필요하다. 표면에서 증발된 수분은 대류 또는 송풍 공기에 의해 제거된다. 표면증발에 의한 수분제거 속도보다 내부 수분확산 속도가 크면 건조속도가 일정한 항률건조가 이루어지고, 반대로 내부 확산속도가 표면 증발속도보다 작으면 건조속도가 떨어지는 감률건조가 일어난다.
곡물건조의 기본형식은 벼와 열풍의 흐름방향에 따라 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 곡물과 열풍의 흐름이 동일한 방향인 병류형(concurrent flow type), 반대방향인 향류형(counter flow type), 직각방향인 횡류형(cross flow type)과 이들이 혼합된 혼합류형(mixed flow)과 곡물은 정지되어 있고 열풍만 이동하는 고정층형(fixed-bed type)으로 구분된다.
국내에 사용되는 곡물건조기는 열풍건조방식인 순환식건조기와 연속식건조기, 상온통풍건조방식인 평타입사일로, 사각빈 등이 있으며, 일반적으로 순환식건조기는 횡류형, 연속식건조기는 혼합류형 및 상온통풍건조는 고정층형이다. 열풍건조방식인 순환식건조기와 연속식건조기는 동할 발생을 최소화하기 위하여 건조→ 템퍼링→ 건조→ 템퍼링과정을 반복하도록 구성되어 있는데, 순환식건조기는 건조기 내부의 상단 저장부를 템퍼링용으로 사용하고 있으며, 연속식건조기는 건조기 내부에 템퍼링 영역이 없기 때문에 별도의 템퍼링빈이 필요하며, 상온통풍건조는 건조속도가 낮으므로 템퍼링 과정이 필요하지 않다.
기존 국내에서 가장 많이 사용되는 횡류형 형태의 순환식건조기는 구조적으로 곡물의 크기에 따라 타공망에 막힘 현상이 발생하여 주로 단일곡종(벼, 보리)에만 제한적으로 사용된다.
다목적 건조기는 벼를 포함한 유채종자, 보리, 옥수수 및 콩 등의 다목적으로 건조가 가능하도록 내부에 타공망이 없는 구조이며, 병류형 형식을 채택하여, 즉 열풍의 흐름과 곡물의 흐름이 동일한 병류흐름으로 모든 곡물이 동일조건의 열풍에 노출되며, 초기에는 고온에 노출되지만 배출시에는 저온에 노출된다. 따라서, 다목적 건조기는 고온의 열풍(100 ~ 120℃)으로 초고속 건조하면서 동할의 발생을 억제하고 에너지를 절감할 수 있는 건조기이다.
곡물 순환식 병류형 곡물 건조기는 특허가 등록되어 있으며, 특허명은 ‘순환식 병류형 곡물 건조기(RICE CIRCULATING CONCURRENT-FLOW DRYER), 10-0968966’이다. 그러나 순환식 병류형 곡물 건조기 특허는 건조기 장치 및 구조와 관련되어 있으며, 건조기의 운영 방법, 건조 곡물의 종류 및 건조 조건(송풍량, 송풍온도, 곡물 순환 속도)에 대한 내용은 개시되어 있지 않다. 일반적으로 곡물건조기의 성능에 영향을 주는 중요 요인은 송풍량, 송풍온도, 순환속도이며, 이러한 요인들은 건조속도, 건조곡물의 품질 및 건조 소요에너지에 영향을 주게 된다.
본 발명이 해결하려는 과제는 최적의 건조 조건을 갖는 건조기의 송풍량, 송풍온도, 순환속도를 산출하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 곡물의 종류에 따라 최적의 건조 조건을 갖는 건조기의 송풍량, 송풍온도, 순환속도를 산출하는 방안을 제안함에 있다.
본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는 곡물의 종류에 따라 상이한 수학식을 적용하여 최적의 건조 조건을 산출하는 방안을 제안함에 있다.
이를 위해 본 발명의 다목적 곡물건조기의 운영 조건 산출 방법은 건조시간(t), 상대습도(RH), 유입된 공기의 온도(T)에 따른 곡물의 함수율비(MR)를 산출하는 단계, 산출된 상기 함수율비를 이용하여 곡물 건조기의 건조온도, 송풍량, 곡물 낙하 속도를 산출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 다목적 곡물 건조기는 건조 과정을 수학적 방법으로 해석하여 다목적 곡물건조기에서 벼, 유채종자, 보리, 옥수수, 콩 등을 건조할 때 품질변화를 최소화하는 동시에 최소의 건조소요에너지, 최대의 건조속도를 가진다는 이점이 있다. 즉, 곡물의 물성에 따른 적합한 수학식을 적용하여 효율적인 건조가 이루어지는 다목적 곡물건조기를 구현할 수 있게 된다.
도 1은 곡물 건조기의 다양한 건조 방식을 도시하고 있으며,
도 2는 본 발명에 따른 다목적 건조기를 도시하고 있으며,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 고정형 건조 모델을 도시하고 있으며,
도 4는 평행모델을 도시하고 있으며,
도 5는 송풍량 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 6은 유하속도의 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 7은 열풍온도의 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 8은 송풍량 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 9는 유하속도의 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 10은 열풍온도의 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있다.
도 2는 본 발명에 따른 다목적 건조기를 도시하고 있으며,
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 고정형 건조 모델을 도시하고 있으며,
도 4는 평행모델을 도시하고 있으며,
도 5는 송풍량 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 6은 유하속도의 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 7은 열풍온도의 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 8은 송풍량 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 9는 유하속도의 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있으며,
도 10은 열풍온도의 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있다.
전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명의 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 다목적 건조기를 도시하고 있다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 건조공기는 곡물층을 통과하는 동안 곡물로부터 수분을 흡수하여 습도는 높아지고 온도는 하강하는 반면 곡물은 수분을 잃고 곡온은 상승하게 된다. 이와 같이 건조-순환-템퍼링 과정을 반복하면서 목표로 하는 함수율에 도달하게 된다.
곡물의 건조속도를 나타내는 건조 모델은 박층건조모델과 후층건조모델로 구분할 수 있으며, 박층건조모델은 얇은 두께의 곡물층의 건조 과정을 나타내며, 후층건조모델은 복수의 박층으로 이루어진 건조 과정을 나타낸다. 즉, 곡물의 함수율(M), 곡온(θ), 공기의 온도(T)와 절대습도(H)는 곡물층의 위치와 시간의 함수이다. 후층에서 곡물의 함수율과 곡온, 공기의 온도와 절대습도의 변화를 묘사하는 수학식을 후층건조모델(deep bed drying model)이라 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 고정형 건조 모델을 도시하고 있다. 이하 도 3을 이용하여 본 발명의 일실시 예에 따른 고정형 건조 모델에 대해 알아보기로 한다.
고정 곡물층의 임의의 깊이 x에서 미소체적 AΔx내의 곡물과 이를 통과하는 건조공기에 대한 수분 및 에너지 평형을 고려함으로써 필요한 방정식을 유도할 수 있다. 미지변수는 곡물의 함수율과 곡온, 곡물층 통과 공기의 온도와 절대습도이다.
M(x,t) = 곡물 함수율(dec., d.b.)
θ(x,t) = 곡온(℃)
H(x,t) = 공기의 절대습도(kg-water/kg-dry air)
T(x,t) = 공기의 건구온도(℃)
이하에서는 질량 및 에너지 평형에 기초하여 4가지 미지변수를 포함하는 4개의 미분방정식을 유도하기로 한다.
(1) 미소체적 내의 곡물에 대한 수분평형
미소체적 AΔx내의 곡물에 대한 수분평형을 고려하기 위하여 다음의 기호를 정의한다.
A = 곡물층의 단면적(m2)
ε = 곡물층의 공극율(dec.)
ρ = 건조곡물의 진밀도(kg/m3)
미소체적내의 곡물에 대하여,
수분유입률 = 0
질량평형방정식에 대입하면,
평균치정리를 적용하면,
수학식 2는 곡물의 박층건조방정식을 미분하여 얻을 수 있는 건조속도를 나타내는 방정식이다. 이는 곡물의 함수율(M), 곡물의 온도(θ), 열풍의 온도(T) 및 건조공기의 절대습도(H)의 함수로 표시된다. 즉,
(2) 미소체적 내의 공기중의 수분평형
미소체적 AΔx내의 공기중의 수분평형을 고려하기 위하여 다음의 기호를 정의한다.
제어체적은 미소곡물층내의 공극이 되며, 이에 대한 수증기 평형을 고려하면,
질량평형방정식에 대입하면,
평균치정리를 적용하면,
공극내 공기중 수분의 시간변화율을 나타내는 우변항은 가정에서와 같이 매우 작은 값을 가지므로 무시하면,
(3) 미소체적 내의 공기에 대한 에너지 평형
미소체적내의 공기에 대한 에너지 평형을 고려하기 위하여 다음의 용어를 정의한다.
a = 곡물층의 비표면적(= 곡물층 단위체적당 곡물표면적, m2/m3)
에너지평형방정식에 대입하여 평균치정리를 적용하면,
미분하여 전개하면,
수학식 5에 를 곱하여 정리하면,
수학식 8- 수학식 9를 연산하면,
비열은 다음과 같이 정의된다.
따라서,
이상을 수학식 10에 대입하여 정리하면,
수학식 11의 공극 내의 공기 에너지 변화율을 나타내는 우변항은 가정에서와 같이 매우 작은 값이므로 생략할 수 있다.
(4) 미소체적내의 곡물에 대한 에너지평형
에너지평형방정식에 대입하여 평균치정리를 적용하면,
비열은 다음과 같이 정의된다.
따라서
이를 수학식 13에 대입하면,
여기서, 는 곡립에서 증발된 수분(수증기)의 엔탈피와 곡립내의 수분(물)의 엔탈피의 차이다. 이는 곡립내의 수분을 증발시키는데 필요한 에너지와 증발된 수분을 공기의 온도까지 상승시키는데 요구되는 에너지의 합이다. 즉,
수학식 15를 수학식 14에 대입하면,
이상에서 유도한 수학식 3, 수학식 6, 수학식 12, 수학식 16을 정리하면,
수학식 16
이상의 4개의 미분방정식이 고정층 건조과정의 수학모델을 구성한다. 이 미분방정식의 해석해(엄밀해)는 구할 수 없으며, 수치해법을 이용하여 근사해를 구한다. 경계 및 초기조건은 다음과 같다.
이하에서는 후층 건조 모델에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 4는 평형모델의 개념도를 도시하고 있다. 이하 도 4를 이용하여 평형모델의 개념도에 대해 상세하게 알아보기로 한다.
도 4는 후층을 N개의 박층으로 나누고 I번째 박층에서 일어나는 변화를 나타낸 것이다. I층에 유입되는 공기의 온도를 To, 절대습도를 Ho, 곡물의 함수율을 Mo, 곡온을 Go라 하면, 시간 건조 후에 곡물에서 의 수분이 증발하여 배출공기에 첨가되므로 곡물의 함수율은 만큼 감소된 가 되며, 배출공기의 습도는 만큼 증가하여 가 된다. 또한 곡온은 만큼 상승하여 가 되며 배출공기의 온도는 곡온상승 및 수분증발에 의한 냉각효과에 기인하여 만큼 하강하여 가 된다. I층에서 배출된 온도 와 절대습도 의 공기는 I+1층의 유입공기가 된다. 이러한 과정을 전체 박층에 걸쳐서 연속적으로 계산하면 후층건조를 해석할 수 있다.
또한 각 곡물 및 유채종자의 박층건조 모델은 다음과 같다.
벼
보리
유채종자
콩
옥수수
MR: 함수율비
RH: 상대습도
T: 유입된 공기의 온도
상술한 수학식들을 이용하여 건조기의 제원, 건조할 곡물이 조건, 외기공기의 조건 및 건조공기의 조건을 입력하여 순환횟수, 템퍼링 시간, 건조공기 노출시간, 건조함수율, 건조속도, 곡물온도, 완전미수율 및 소요에너지가 산출된다. 건조기의 제원은 건조실의 주요 제원으로 하며, 건조할 곡물의 조건은 초기 투입중량, 초기함수율, 최종함수율 및 유하속도로 하였으며, 외기 공기의 조건은 외기온도 및 상대습도, 건조공기의 조건은 건조 온도 및 송풍량을 입력한다.
수학식에 의한 모델을 검증하기 위하여 유채종자를 대상으로 건조온도 110℃, 초기곡온은 20.0℃, 평균 외기온도는 25.4℃, 외기습도는 71.6%, 순환속도는 4.5m/h, 송풍량은 8.1cmm/㎥ 조건에서 건조실험을 실시하여 건조시간, 최종함수율, 건조속도, 발아율, 소요에너지를 측정하였고, 이를 수학모델의 결과치와 비교한 결과는 다음의 표 1과 같다.
구분 | 실험에 의한 결과 | 수학모델에 의한 결과 |
건조시간(h) | 4.25 | 4.25 |
최종함수율(%,d.b.) | 11.4 | 10.8 |
건조속도(%,d.b./h) | 2.80 | 2.95 |
발아율(%) | 94.7 | 96.5 |
소요에너지(kJ/kg-water) | 4831 | 4417 |
벼, 유채종자, 보리, 옥수수 및 콩의 건조시 건조속도 최대화, 소요에너지 최소화 및 품질변화최소화가 되는 건조조건을 결정하기 위하여 다양한 건조조건(송풍량 송풍온도 곡물 순환 속도)에서 최적의 조건(높은 건조속도, 우수한 품질, 작은 소요에너지)을 검출하였다. 도 5는 송풍량 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있으며, 도 6은 유하속도의 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있으며, 도 7은 열풍온도의 변화에 따른 유채종자의 건조특성을 도시하고 있다.
또한, 도 8은 송풍량 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있으며, 도 9는 유하속도의 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있으며, 도 10은 열풍온도의 변화에 따른 보리의 건조특성을 도시하고 있다.
하기 표 2는 다목적 곡물건조기의 건조과정을 수학적으로 해석하여 다목적 곡물건조기에서 벼, 유채종자, 보리, 옥수수를 건조할 때 품질변화 최소화, 건조소요에너지 최소화, 건조속도 최대화가 되도록 최적 운영조건을 나타내고 있다.
벼 | 유채종자 | 보리 | 옥수수 | 콩 | |
건조온도 (℃) |
110 | 110 | 110 | 120 | 105 |
송풍량 (cmm/㎡) |
35.0 | 30.0 | 26.0 | 25.0 | 25.0 |
곡물유하속도 (m/h) |
3.0 | 5.5 | 5.5 | 3.5 | 5.0 |
본 발명은 도면에 도시된 일실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
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