KR20030088106A - 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치 - Google Patents

히트펌프 시스템을 이용한 건조장치 Download PDF

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KR20030088106A
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임관호
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핀튜브텍(주)
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Abstract

본 발명은 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제습기 이후에 압력강하를 최소화 하도록 망을 구비한 물방울 제거기를 설치하고, 공기 가열기의 온도를 조절하기 위해 제어가 용이하고 구조가 간단한 공기냉각을 이용하는 온도조절기를 구비하며, 히트펌프의 증발기에서 흡수한 열을 공기 가열에 사용하여 에너지를 절감하도록 하는 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프를 이용한 건조장치는 순환하는 냉매에 대하여 압축기능, 응축기능 및 증발기능을 수행하는 히트 펌프 시스템을 포함하는 건조장치에 있어서, 공기가 순환하는 폐경로를 이루는 내부공간에 상기 증발기능을 수행하는 구성, 상기 공기의 진행경로상에 수직한 벽면을 갖는 응결부가 형성된 물방울 제거기, 상기 응축기능을 수행하는 구성 및 건조대상물을 수용하는 건조실이 순차적으로 설치되며 송풍기를 구비한 공기 순환부; 상기 압축기능을 수행하는 압축기; 상기 압축기에 연결되고 상기 공기 순환부의 내부에 설치되며 상기 응축기능을 수행하여 상기 공기를 가열하는 공기 가열기; 상기 공기 가열기에 연결되어 상기 냉매를 냉각하는 팽창밸브; 및 상기 팽창밸브에 연결되고 상기 공기 순환부의 내부에 설치되며 상기 증발기능을 수행하여 상기 공기를 냉각시키는 제습기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

히트펌프 시스템을 이용한 건조장치{DRYING MACHINE USING HEAT PUMP SYSTEM}
본 발명은 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건조를 위한 열원을 히트펌프 시스템을 사용하여 공급하고 특히 압축기를 통해 생성된 열 이외에 히트펌프의 증발기로부터 흡수한 열을 공기 가열기에 사용함으로써 에너지 효율을 크게 향상시키고 동시에 공기냉각을 이용하여 간단한 구조로 충실하게 건조온도를 조정할 수 있도록 하는 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치에 관한 것이다.
건조는 여러가지 방법에 의해 이루어져 크게 배치식과 연속식으로 나눌 수 있으며, 건조열원의 유무에 따라 열풍 및 자연건조로 나뉘고, 열원으로는 화석연료 또는 전기를 이용한 초음파 및 원적외선 방식이 있으며, 특수한 목적으로 진공건조 방법 등을 사용하기도 한다.
열풍에 의한 건조의 원리는 열원에 의해 가열된 공기를 건조물과 접촉시켜 열교환을 일으키고 에너지를 얻은 수분은 증발을 통해 건조물을 이탈하여 공기로 혼합되는 것이다. 그 결과, 공기 중의 증기의 분압은 증가하고, 증기의 분압이 포화증기압에 달할때까지 증발은 계속된다.
따라서, 증발율을 정하는 동력원(driving force)은 건조물 표면에서 포화 증기압과 공기 중의 증기의 분압의 차에 해당한다. 그러므로 공기 중의 분압이 증가하면 포화증기압과 증기의 분압의 차이가 감소하여 증발율이 감소한다. 이런 이유 때문에 계속적인 증발로 인해 증기의 분압이 커진 더운 공기를 계속 순환시키면서 사용할 수는 없다.
현재 사용되는 열풍건조의 방법은 증기의 분압이 커진 공기의 일부를 배출시키고, 이를 대체하여 배출된 양만큼 신선한 공기를 건조기로 넣어주는 것이다.
진공건조 방식은 건조대상물의 함수율이 높을때 낮은 온도에서 건조할 수 있는 특성상 의약품 및 고품질의 농산물을 건조하는데 많이 쓰이고 있다. 진공건조 방법은 응축기로 수분을 응축시켜 외부로 배출하고 불응축 기체는 진공 펌프로 빼내는 것으로서 진공공간에 증발된 증기의 확산에 의해 분압차가 유지되어 건조가 일어난다. 진공건조 방식은 특히 완전히 밀폐된 공간에서 건조가 진행되므로 건조물에서 독성물질이나 악취 등이 발생하는 경우에 작업자와 환경을 보호할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 열풍건조의 방법은 가열된 공기의 일부를 계속적으로 교체하여야 하므로 외부로 배출되는 공기에 포함되어 외부로 방출되는 열을 계속해서 공급해주어야 하므로 에너지의 소비가 크게 되는 문제점이 있다.
또한, 외부로부터 공기를 계속적으로 공급받아야 하기 때문에 유입된 공기에 섞인 불순물이 건조대상을 오염시키게 되는 문제가 있다.
진공건조방식의 경우 진공도를 유지하기 위한 진공펌프를 필요로 하는 등 건조비용이 크게 되고, 확산에 의해 분압차를 유지하므로 건조속도가 낮은 단점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 건조를 위한 열원을 히트펌프 시스템을 사용하여 공급하고 특히 압축기를 통해 생성된 열 이외에 히트펌프의 증발기로부터 흡수한 열을 공기 가열기에 사용함으로써 에너지 효율을 크게 향상시키고 동시에 공기냉각을 이용하여 간단한 구조로 충실하게 건조온도를 조정할 수 있도록 하는 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적은 순환하는 냉매에 대하여 압축기능, 응축기능 및 증발기능을 수행하는 히트 펌프 시스템을 포함하는 건조장치에 있어서, 공기가 순환하는 폐경로를 이루는 내부공간에 상기 증발기능을 수행하는 구성, 상기 공기의 진행경로상에 수직한 벽면을 갖는 응결부가 형성된 물방울 제거기, 상기 응축기능을 수행하는 구성 및 건조대상물을 수용하는 건조실이 순차적으로 설치되며 송풍기를 구비한 공기 순환부; 상기 압축기능을 수행하는 압축기; 상기 압축기에 연결되고 상기 공기 순환부의 내부에 설치되며 상기 응축기능을 수행하여 상기 공기를 가열하는 공기 가열기; 상기 공기 가열기에 연결되어 상기 냉매를 냉각하는 팽창밸브; 및 상기 팽창밸브에 연결되고 상기 공기 순환부의 내부에 설치되며 상기 증발기능을 수행하여 상기 공기를 냉각시키는 제습기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치에 의해 달성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 상기 압축기와 상기 공기 가열기 사이에는, 원형핀들이 형성된 튜브인 복수의 핀튜브들과 상기 핀튜브들을 향해 설치되고 상기 공기 가열기의 출구온도에 따라 제어되는 송풍기들을 포함하여 구성되는 온도제어기가 더 설치되는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위해, 상기 제습기는, 원형핀들이 형성된 튜브인 복수의 핀튜브들이 나란히 복수의 열들을 이루어 설치되어 구성되고, 일측의 열의 핀튜브들은 냉매가 유입하는 유입다지관에 연결되며, 각 열의 핀튜브들 각각은 대응하는 위치의 다른 열의 핀튜브들 각각과 U자관으로 연결되고, 다측 열의 핀튜브들은 배출다지관에 연결되며, 상기 가열기는, 핀튜브들이 나란히 복수의 열들을 이루어 구성되고, 동일한 열의 상기 핀튜브들 각각은 서로 U자관으로 연결되며, 상기 핀튜브들의 일측에 복수의 유입관들과 복수의 배출관들이 연결되며 상기 각 유입관은 복수의 열들의 핀튜브들을 거쳐서 대응하는 상기 배출관과 소통하는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위해, 상기 물방울 제거기는 상기 공기가 진행하는 채널의 끝에 응결부가 형성되고 상기 공기가 배출되는 배출구를 구비하며, 상기 채널과 배출구 사이에는 상기 공기에 포함된 물방울을 거르기 위해 미세한 구멍이 형성된 망이 설치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 그밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 제습기를 나타낸 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 핀튜브의 단면을 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 공기 가열기를 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 온도 조절기를 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 물방울 제거기의 채널부를 개략적으로 나타낸 일부 단면도이다.
* 주요 도면 부호의 설명 *
1:제습기10:물방울 제거기
20:공기 가열기30:온도 조절기
40:압축기50:리시버 탱크
60:팽창밸브
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 구성을 나타낸 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치는 제습기(1), 물방울 제거기(10), 공기 가열기(20), 건조실(미도시) 및 송풍기(미도시)가 설치되는 폐경로로 이루어진 내부공간을 갖는 공기 순환부와 공기 순환부와 결합하는 히트펌프 시스템으로 이루어진다.
공기 순환부는 폐경로를 이루도록 내부공간이 마련되고, 그 내부공간에는 공기를 순환시키기 위한 송풍기와 제습기(1), 물방울 제거기(10) 및 공기 가열기(20)가 구비되며, 송풍기 이외의 제습기(1), 물방울 제거기(10) 및 공기 가열기(20)는 이후 상세히 설명된다.
히트펌프 시스템은 냉매의 응축과 증발을 통해 일측으로부터 열을 흡수하여 타측으로 열을 방출하는 것으로서 압축기(40)와 온도 조절기(30), 공기 순환부의 공기 가열기(20), 리시버 탱크(50), 팽창밸브(60) 및 공기 순환부의 제습기(1)가 순차적으로 배치되어 구성되고 각각은 냉매의 순환을 위해 상호간 연결되어 폐경로를 구성한다.
압축기(40)는 일반적으로 펌프를 사용하며, 리시버 탱크(50)는 액체냉매를 통과시키고 기체냉매를 억류하는 수단이며, 냉매순환 경로상에서 제습기(1)의 이전에 냉매를 일부 증발시키기 위한 팽창밸브(60)가 설치된다. 온도 조절기(30), 공기 가열기(20) 및 제습기(1)의 구성에 대해서는 이후 상세히 기술한다.
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 제습기(1)를 나타낸 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 제습기(1)는 열교환기의 일종으로 열교환의 기능을 하는 핀튜브(2)들이 케이스의 내측에 나란히 복수의 열을 이루어 배치된다. 좌측의 열의 핀튜브(2)들은 유입 다지관(4)에 연결되며, 유입 다지관(4)은 팽창밸브(60)에서 이어지는 유로에 연결되는 유입구와 핀튜브(2)들에 연결되는 안내관(6)을 구비한다. 각 열의 핀튜브(2)들은 각각 횡방향으로 대응하는 핀튜브(2)들과 U자관(3)으로 연결되어 있다. 우측의 열의 핀튜브(2)들은 유입 다지관(4)과 동일한 구조의 배출 다지관(7)에 연결된다. 제습기(1)에는 응축된 물을 외부로 배출하기 위해 외부로 노출되는 배출관(미도시)이 설치된다.
도 3은 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 핀튜브의 단면을 나타낸 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 핀튜브(2)는 내관(2a) 및 외측면에 원형의 외부핀(2b)이 복수개 형성되고 내관을 둘러싸는 외관으로 이루어진다. 내관과 외관은 동으로 이루어지고, 외부핀은 알루미늄으로 이루어진다.
본 발명에서 사용된 핀튜브(2)의 외부핀의 형태는 한국등록실용신안 제20-0305376호에 개시된 핀튜브에서 다만 내부핀이 형성되지 않은 것과 유사하다.
도 4는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 공기 가열기를 나타낸 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 공기 가열기(20)는 핀튜브(2)들이 케이스(24)의 내측에 나란히 복수의 열을 지어 배치되고, 냉매가 유입하는 유입구(21)와 배출구(22)는 각각 3개씩 구비되어 있다. 유입구와 배출구의 수는 1개일 수 있으며 3개 이상을 형성하는 것도 가능하다.
제습기(1)와는 다르게 동일한 열의 핀튜브(2)들이 상호간에 각각 U자관(3)으로 연결되어 있다. 다만 복수의 유입관과 배출관을 형성하는 경우에는, 도 4에서는 도시되지 않았지만, 하나의 유입관과 대응하는 유출관이 수직방향으로 소정의 구간에 있는 3개의 열의 핀튜브(2)들과 하나의 유로를 형성하므로 다른 열의 핀튜브(2)들과 연결하기 위해 U자관(3)이 상이한 열의 핀튜브(2)들 사이를 연결하고 있다.
도 5는 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 온도 조절기를 나타낸 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 온도 조절기(30)는 케이스의 내부에 핀튜브(미도시)들이 나란히 복수의 열을 이루어 배치되며 각각의 핀튜브들은 U자관(35)으로 연결되고 일측의 핀튜브에 유입관(31)이 연결되고 타측의 핀튜브에 배출관(32)이 연결된다.
온도 조절기(30)의 케이스에는 6개의 송풍기(37)가 구비되어 있고, 송풍기의 모터는 제어판(미도시)에 연결되고, 제어판은 공기 가열기(20)의 출구에 설치된 온도감지센서(미도시)에 연결된다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 물방울 제거기의 채널부를 개략적으로 나타낸 일부 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 물방울 제거기(10)는 공기가 유입하는 복수의 채널(11)들이 형성되고, 채널의 끝은 공기진행경로와수직한 벽면(13)이 형성되며, 채널들의 사이에는 미세한 구멍을 갖는 망(16)이설치된다. 벽면(13)들의 사이는 배출구가 형성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 구성요소들의 사양은 "표 1"에 나타낸다.
제습기(1) 공기 가열기(20) 온도 조절기(30)
튜브 수 60 120 75
튜브길이(mm) 1,350 1,350 1,250
공기흐름방향피치(mm) 50 50 40
공기흐름수직방향피치(mm) 50 50 38
튜브열 수 3 4 3
각 열당 튜브수 20 30 25
핀튜브(2) 외경 45.88 45.88 37.48
관의 외경 15.88 15.88 15.88
길이25.4mm당 핀의 수 6 6 10
이하에서는 상기한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 작용효과에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
건조실(미도시)에서 증기를 많이 함유한 공기는 제습기(1)로 흘러 들어와 습기가 제거된다. 제습기(1)에서는 냉매가 증발하여 외부로부터 열을 흡수하므로 외부의 공기가 냉각되면서 증기가 핀튜브(2)의 표면에 응축하여 물로되어 외부로 배출된다. 그러나, 응축된 물의 일부는 공기의 흐름에 의한 전단력에 의해 물방울 형태로 되어 다시 공기 속으로 들어간다. 이 물방울들을 제거하기 위하여 공기는 물방울 제거기(10)로 흘러 들어가고 물방울들은 제거된다. 이처럼 수분이 제거된 낮은 온도의 공기는 공기 가열기(20)로 흘러가 가열된다. 가열된 건조한 공기는 건조실로 보내지고 건조물 표면을 스치고 흐르는 과정에서 건조물에 열을 전달하고, 건조물이 건조되는 과정에서 공기는 냉각된다. 이 공기는 많은 양의 수분을 함유한 채, 제습기(1)로 다시 돌아가는 순환을 계속한다.
습기의 제거와 가열은 히트펌프 시스템을 이용한다. 제습기(1)로 유입하는 공기중의 증기가 응축할 때 잠열을 제습기(1)에서 흡수하고, 공기 가열기(20)에서 공기를 가열하는 열은 제습기(1)가 흡수한 열과 압축기(40)로 공급된 에너지를 합산한 값에 해당한다. 이와 같이 제습기(1)가 흡수한 열을 이용하기 때문에 에너지 소비를 최소화 할 수 있다.
동작 원리는 기체 냉매가 압축기(40)에서 압축된 후, 온도 조절기(30)에서 기체 냉매의 일부가 응축되면서 응축열이 대기중으로 방출된다. 그러나 대부분의 냉매는 공기 가열기(20)에서 응축되어 관 밖을 흐르는 건조한 공기에 열을 전달한다. 액체 냉매는 리시버 탱크를 지나면서 기체냉매의 성분이 걸러지고, 이후 팽창밸브(60)를 거쳐 압력이 강하되면서 냉매의 일부기 증발하여 냉각한다. 냉매는 제습기(1)에서 관 외부를 흐르는 습한 공기로부터 열을 얻어서 모두 증발하고 공기 중의 증기는 응축하므로 공기에서 습기가 제거된다. 기체로 변한 냉매는 압축기(40)로 들어가 압축된다. 이와 같은 순환 과정을 계속하여 건조물을 건조시킨다.
본 발명의 건조장치는 제습기(1)를 통해 폐경로를 순환하는 공기중의 증기를 응축을 통해 계속적으로 제거하여 증기의 분압이 높아지지 않도록 하는 원리를 사용하며, 공기 순환부는 송풍기를 구비하여 공기의 유량을 크게 하므로 진공건조 방식에 비해 훨씬 건조속도가 빠르다.
제습기(1)의 구체적인 작용은 다음과 같다.
냉매는 유입 다지관(4)으로 유입하여 뒤쪽 열에 있는 핀튜브(2)들을 고르게흐르며 U자 관에 의하여 다음의 열들의 핀튜브(2)들을 거쳐 증발한다. 이 때 한 개의 열에 있는 핀튜브(2) 수는 건조물의 량에 따라 조정할 수 있다. 또한, 표면 온도가 낮을수록 공기중의 수분을 많이 제거할 수 있으므로 핀 튜브의 표면 온도는 응축된 물이 결빙되지 않는 최저의 온도인 1℃에 가장 가깝도록 한다. 그러나 응용에 따라 더 낮거나 더 높을 수 있다.
표면적이 클수록 많은 양의 수분이 제거되므로 본 발명에서는 표면적을 높이기 위하여 핀튜브(2)를 사용하였다.
공기 가열기(20)의 구체적인 작용은 다음과 같다.
공기 가열기(20)에서는 같은열의 핀튜브(2)들을 상호간 U자관(3)으로 연결하고 유입구의 수를 제습기(1)에 비해 적게 하였는데, 그 이유는 압축기(40)를 지나온 냉매의 압력이 높고 또 응축하는 과정에서 냉매가 액체로되어 냉매의 밀도가 커지므로 압력 손실이 매우 작기 때문에 유입구를 작게해도 압력손실이 크지 않다. 따라서 유입구의 수를 적게 하여 냉매의 유속을 크게함으로써 열전달계수가 최대로 된다.
온도 조절기(30)의 구체적인 작용은 다음과 같다.
건조물의 온도를 일정하게 유지한 상태에서 건조시키기 위해서는 온도 제어 기능이 필요하다. 온도 조절기(30)는 공기 냉각에 의한 냉매 응축기를 이용하며, 송풍기를 여러개 구비하여 제어할 온도량에 따라 각각 구동할 수 있다. 즉, 송풍기를 모두 운전하면 공기 가열기(20)의 출구 온도가 가장 낮아지고 반면에 모두 끄면 출구 온도가 가장 높아진다.
이 온도 조절기(30)의 새로운 점은 압축기(40)에서 흘러나오는 냉매의 전체를 온도 조절기(30)로 보내어 일부가 응축되고, 이후 냉매는 가열기로 보내져서 완전히 응축되어 냉매가 과냉된다. 냉매가 과냉될수록 히트 펌프 사이클의 효율은 더욱 높아진다.
한편, 본 발명과는 반대로 냉매 흐름의 가지(branch)를 만들어 온도 조절용인 냉매 응축기 및 공기 가열기(20)로 연결하고 유량조절밸브를 설치하는 경우를 보면, 압축기(40)에서 나오는 기체 냉매의 압력은 20bar를 넘기 때문에 쉽게 누출이 일어나고 유량조절밸브에서 압력 손실이 크며, 가장 중요하게는 온도의 조절이 정확하지 않은 것이다. 그러므로 본 발명의 온도 조절기(30)는 마치 열 교환기를 여러 개 달고 필요에 따라 선택하는 것과 같이 온도조절이 정확하게 되는 조절 방법이다.
물방울 제거기(10)의 구체적인 작용은 다음과 같다.
제습기(1)에서 응축한 물은 중력에 의해서 아래로 흘러내려 제습기(1) 밖으로 나온다. 그러나 일부는 공기의 흐름 때문에 생기는 전단 응력에 의하여 표면을 떠나 공기와 혼합된다. 이 물방울들이 공기 가열기(20)에 도달하기 전에 공기로부터 분리시켜야 한다. 만약 물방울이 공기 가열기(20)에 도달할 경우 다시 증발하여 기체 상태가 되면 공기중의 증기의 분압이 증가하게 되어 건조의 효율이 떨어지게 된다.
본 발명의 건조장치의 물방울 제거기(10)의 기본 원리는 물방울은 공기의 분자보다 매우 큰 관성을 갖기 때문에 유체의 흐름 방향이 바뀔 때 공기 분자처럼 방향을 쉽게 바꿀 수 없는 것을 이용하여 물방울을 분리하는 것이다.
물방울 제거기(10)의 채널로 유입된 공기는 벽면(13)을 만나면 물방울은 그 관성에 의하여 벽면(13)에 부딪히고, 중력에 의하여 벽을 따라 아래로 흘러내린다. 어떤 물방울들은 공기를 따라 망(16)이 달린 옆으로 공기와 함께 흐를 수 있으나, 망(16)의 구멍이 공기만을 통과시키고 물방울은 통과시키지 않아서 물방울이 망(16)의 아래로 흘러내리게 된다.
물방울 제거기(10)의 망(16)은 공기에 대해서는 거의 압력손실을 일으키지 않으므로 공기 순환부의 송풍기의 동력을 절감할 수 있다.
채널을 형성하여 유로를 좁혔기 때문에 공기 속도는 더욱 커지게 되고, 공기 속도가 커지면 물방울의 관성은 더욱 커져 물방울의 분리 효과가 더욱 높다.
이러한 본 발명에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치의 실시한 결과는 이하와 같다.
건조물의 온도 분위기를 40℃로 유지하면서 매시간 수분 50 kg을 제거할 수 있는 용량을 가진 건조장치를 예로 든다. 수분을 50 kg/h율로 제거하기 위해서는 제습기(1)에서 4,500 kcal/h로 열을 흡수할 수 있도록 각 구성 기기를 설정해야 한다.냉매로는 R-22를 사용한다. 이때 압축기(40)의 동력은 14.71 kW의 발열 양은 60,257 kcal/h다.
이 사이클 다이어그램에서 특기할 사항은 성능 계수가 4.8로 대단히 높다. 또 물 50 kg/h에 기화열을 곱하면 31 kW(26,673 kcal/h)가 되는데 이 값은 14.71 kW의 동력으로 200%가 넘는 양의 수분을 제거할 수 있음이다. 현재 상용되는 건조기에서는 100%보다 낮다.
이러한 성능 향상의 이유는 수분을 건조물에서 증발시킬 때 사용된 에너지 즉 기화열을 제습기(1)에서 냉매로 모두 흡수시키고 이것을 압축기(40) 동력(에너지 공급)과 합하여 공기 가열기(20)로 전달하였기 때문이다.
제습기(1)의 순환 공기의 유량은 6 kg/s 이고 60%의 상대 습도를 가진 공기의 온도는 건조기 분위기 온도인 40℃로 제습기(1)로 들어와서 36.8℃로 냉각되고 49.4 kg/h로 수분이 공기로부터 분리된다. 이때 공기의 압력 손실은 7.23 mmH2O이며 두 유체의 평균 온도차는 15.9℃가 된다. 또한 공기로 전달된 총열량은 51.4 kW다.
물방울 제습기(1)는 그 제거 효율이 99%로 거의 모든 물방울들을 제거하며, 약 1.5 mmH2O의 공기 압력 손실이 일어난다.
공기 가열기(20)에는 물방울 제거 기에서 흘러나오는 공기의 온도 36.8℃를 45 ℃로 가열해준다. 이때 온도 조절기(30)를 사용하지 않았으면 48.5℃가 된다. 그러나 건조기 분위기 온도를 40℃로 유지하기 위하여 냉매의 일부를 온도 조절기(30)에서 증발시켰다. 온도 조절기(30)에는 6개의 송풍기가 있는데 3개만 사용하여 약 40%의 냉매를 응축시켰다.
상기한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치에 따르면, 제습기에서 공기중의 증기가 응축하며 방출한 잠열을 공기 가열기에서 공기를 가열하는데 이용하므로 건조에 소모되는 에너지를 한층 절감할 수 있다.
본 발명의 온도 조절기는 압축기로부터 이어진 경로를 나누지 않고 또한 공기냉각을 위해 핀튜브와 송풍기로 구성되는 간단을 구조를 채택하였기 때문에 저렴한 비용으로 정확한 온도 제어를 할 수 있는 점이 우수하다.
또한, 본 발명의 물방울 제거기는 미세구멍이 형성된 망을 이용하므로 물방울 제거기능을 수행해도 공기의 압력강하가 상당히 작고, 구조가 간단하여 제작비용이 절감된다.
이러한 본 발명의 건조장치는 에너지 사용량을 60%이상 절약할 수 있다.
공기 순환을 폐쇄 회로(closed loop)로 계속 순환시키기 때문에 공기에 의한 건조물 오염이 일어나지 않는다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (4)

  1. 순환하는 냉매에 대하여 압축기(40)능, 응축기능 및 증발기능을 수행하는 히트 펌프 시스템을 포함하는 건조장치에 있어서,
    공기가 순환하는 폐경로를 이루는 내부공간에 상기 증발기능을 수행하는 구성, 상기 공기의 진행경로상에 수직한 벽면(13)이 형성된 물방울 제거기(10), 상기 응축기능을 수행하는 구성 및 건조대상물을 수용하는 건조실이 순차적으로 설치되며 송풍기를 구비한 공기 순환부;
    상기 압축기(40)능을 수행하는 압축기(40);
    상기 압축기(40)에 연결되고 상기 공기 순환부의 내부에 설치되며 상기 응축기능을 수행하여 상기 공기를 가열하는 공기 가열기(20);
    상기 공기 가열기(20)에 연결되어 상기 냉매를 냉각하는 팽창밸브(60); 및
    상기 팽창밸브(60)에 연결되고 상기 공기 순환부의 내부에 설치되며 상기 증발기능을 수행하여 상기 공기를 냉각시키는 제습기(1);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 압축기(40)와 상기 공기 가열기(20) 사이에는,
    원형핀들이 형성된 튜브인 복수의 핀튜브(2)들과 상기 핀튜브(2)들을 향해 설치되고 상기 공기 가열기(20)의 출구온도에 따라 제어되는 송풍기(37)들을 포함하여 구성되는 온도 조절기(30)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제습기(1)는, 원형핀들이 형성된 튜브인 복수의 핀튜브(2)들이 나란히 복수의 열들을 이루어 설치되어 구성되고, 일측의 열의 핀튜브(2)들은 냉매가 유입하는 유입 다지관(4)에 연결되며, 각 열의 핀튜브(2)들 각각은 대응하는 위치의 다른 열의 핀튜브(2)들 각각과 U자관(3)으로 연결되고, 다측 열의 핀튜브(2)들은 배출 다지관(7)에 연결되며,
    상기 공기 가열기(20)는, 핀튜브(2)들이 나란히 복수의 열들을 이루어 구성되고, 동일한 열의 상기 핀튜브(2)들 각각은 서로 U자관(3)으로 연결되며, 상기 핀튜브(2)들의 일측에 복수의 유입관(21)들과 복수의 배출관(22)들이 연결되며 상기 각 유입관(21)은 복수의 열들의 핀튜브(2)들을 거쳐서 대응하는 상기 배출관(22)과 소통하는 것을 특징으로 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 물방울 제거기(10)는 상기 공기가 진행하는 채널(11)의 끝에 벽면(13)이 형성되고 상기 공기가 배출되는 배출구(12)를 구비하며, 상기 채널(11)과 배출구(12) 사이에는 상기 공기에 포함된 물방울을 거르기 위해 미세한 구멍이 형성된 망(16)이 설치되는 것을 특징으로 하는 히트펌프 시스템을 이용한 건조장치.
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