KR200314763Y1 - 바이오 열펌프식 건조 및 저온저장장치 - Google Patents
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Abstract
본 고안은 농·수·축산물을 필요에 따라 건조 및 저온으로 저장시킬 수 있도록 된 바이오 열펌프식 건조 및 저온저장장치에 관한 것으로, 이는 태양열과 대기중에 잠재되어 있는 열을 주열원으로 하면서, 하우징(1)의 일측부에 위치되고서 가변용 증발/응축기(3)를 구비하는 흡열부(4)와; 상기 가변용 증발/응축기(3)에 연결되는 압축기(5)와, 가변용 응축/증발기(6), 제어부(7), 저온제습장치(9)를 구비하는 열펌프부(10); 상기 가변용 응축/증발기(6)에 연통되는 건조 및 저온저장체임버(14) 및; 이 건조 및 저온저장체임버(14)내에 구비되어 피건조물 또는 피저온저장물(12)을 보관하도록 된 다수의 다단식 곡물적재다공판(13);으로 이루어져 있는데, 상기 가변용 증발/응축기(3)는 다수의 경사휜(2)을 갖추는 한편, 상기 곡물적재다공판(13)과 상기 건조 및 저온저장체임버(14)의 내부는 방사율이 95%인 원적외선 방사 바이오세라믹이 코팅되어 있다.
Description
본 고안은 예컨대 농·수·축산물을 필요에 따라 건조 및 저온저장시킬 수 있도록 된 건조 및 저온저장장치에 관한 것으로, 특히 대기중의 열과 태양복사열을 주열원으로 이용하여 최소한의 전기에너지에 의해 작동되는 열펌프를 매개로 필요에 따라 농·수·축산물과 같은 피건조물 또는 피저온저장물을 효율적으로 건조 및 저온처리할 수 있으면서 연중 활용도를 극대화시킬 수 있도록 된 바이오 열펌프식 건조 및 저온저장장치에 관한 것이다.
일반적으로, 우리나라의 농·어촌에서는 농·수·축산물을 건조 및 저온으로 저장시키고자 할 때 별도의 저장비가 상당히 소요되고 있는 실정이다. 즉, 현재의 농·수·축산물용 냉동 및 저온저장시스템은 농·어촌에 널리 보급되지 못하고 집단으로 대형화하여 고비용으로 이용되고 있다. 그러나, 신선도 유지가 필요한 농·수·축산물의 출하조절을 위하여 각 농·어촌에서는 소형의 저온저장시스템이 건조시스템 못지 않게 필요한 실정인 바, 국내의 농산물 건조기는 열풍건조기로 석유에너지를 이용한 고온의 열풍을 이용하므로 농·수·축산물의 품질이 손상될 위험이 크고, 과도한 석유에너지가 소요되는 시스템으로 되어 있다. 또한, 건조 전용시스템이기 때문에 활용도가 낮고 건조장치의 구입비용에 비하여 비효율적인 소요가 많을 뿐만 아니라 저온저장시 별도의 저장 전용시스템을 갖추어야 한다.
그러므로, 농·수·축산물을 건조시킬 때, 건조과정에서의 고품질 유지를 위해서는 저온제습건조로 에너지 소모량을 적게 하는 기술개발이 요구된다. 그러나, 건조 전용시스템으로는 단기간만 사용하게 되기 때문에 고비용 및 저효율 시스템이 되었는데, 이를 해결하기 위하여 건조 뿐만 아니라 저온저장을 겸하도록 하여 활용기간을 연장하면서 다목적으로 사용하는 저비용 및 고효율 시스템의 개발이 절실한 실정이다.
이와 같은 실정을 예를 들어 구체적으로 설명하면, 벼를 중심으로 하는 곡물류와, 고추, 약초, 표고버섯 등 고소득 농산물을 수확한 후 고품질 유지에 가장 큰 영향을 미치는 공정이 건조공정이며, 신선도 유지에 가장 큰 영향을 주는 공정은 저온저장이라 할 수 있다.
그리고, 벼의 생산과 생산후 처리에 쓰여지는 총에너지의 45∼55%가 건조공정에 소요되며, 고추는 85%, 표고버섯은 약 90%의 에너지가 건조공정에 소요된다. 따라서, 농업생산과 처리공정 중에서 건조공정이 가장 에너지가 많이 소모되는 공정이므로 건조공정에서의 에너지 절약이 중요한 과제이다. 이러한 건조공정에 소요되는 화석에너지의 절약을 위해서는 저온의 자연에너지를 고온화하여 농산물 건조에 이용할 수 있는 시스템의 개발이 절실하다.
또한, 농산물 건조기는 극히 제한된 기간동안에만 사용하게 되므로 경제성이 저하되는 특성을 가지고 있으므로 건조기 겸 저온저장고로도 활용할 수 있는 복합시스템을 개발하여, 신선도 유지를 필요로 하는 농산물을 저온저장고에 저장함으로써 시스템의 활용기간도 늘리고 동시에 출하시기를 조절하므로 농산물 가격의 등락을 완화하여 농업소득을 높일 수 있다. 최근 우리나라에 보급되어 있는 건조기는 1995년 기준으로 곡물건조기가 28,408대이고, 기타 농산물 건조기가 117,875대이며, 이들 건조기에 소요되는 연간 연료소비량은 곡물건조기에 88,775 드럼으로 등유 면세유 가격으로 98억원이며, 기타 곡물건조기에 589,375 드럼으로 등유 면세유 가격으로 648억여원으로 전체 건조비용은 746억원에 이르고 있는 상황이다.
이와 같은 종래 농·어촌의 건조 및 저온저장장치의 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 기술개발이 요구되는 바, 즉 화석에너지를 이용한 고온열풍건조로 인한 농산물 품질손상의 위험과 과다한 에너지 소모를 해결하기 위한 저온제습건조 기술개발과, 건조만을 하는 건조 전용시스템이기 때문에 연중 짧은 기간에만 활용하게 되어 있는 고비용 및 저효율 문제를 해결하기 위한 연중 긴 기간동안 활용가능한 다목적이용 기술개발이 필요한 실정이다.
이에 본 고안은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 대기중에 잠재되어 있는 저온 열에너지를 고온화 할 수 있는 공기-공기형 고성능 열펌프를 개발하여 고온부의 열풍을 건조에 이용하고 저온부의 냉풍을 저온 내지는 냉동에 이용하는 기술을 제공함으로써, 건조와 저온저장을 필요에 따라 선택적으로 활용하여 연중 사용기간을 연장하여 활용도를 높이며, 저온부의 일부를 이용하여 저온제습기술을 개발함으로써 고온의 건조온도를 한 단계 낮추어 중저온 건조로 에너지를 절약하고, 동시에 자연에너지를 이용하는 열펌프의 성능계수(COP)를 2.5∼ 4.5로 높여 60∼70%의 에너지 절약효과를 얻을 수 있는 바이오 열펌프식 건조 및 저온저장장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 고안은 기술집약적이며 에너지 절약형의 건조 및 저온저장장치를 제공함으로써, 최소한의 전기에너지로 대기열과 태양열에너지를 활용하여 화석에너지의 절약과 동시에 농촌의 환경오염을 방지하고, 농산물 가공비용의 절감으로 농산물의 가격경쟁력이 향상되며, 이에 따라 가정의 식생활비 절감은 물론이고, 국민들의 식생활 문화의 고급화 실현도 이루어질 수 있도록 된 바이오 열펌프식 건조 및 저온저장장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
도 1은 본 고안에 따른 건조 및 저온저장장치의 전체 개략도,
도 2는 본 고안의 건조 및 저온저장장치에 적용되는 열펌프의 회로도,
도 3 내지 도 10은 본 고안의 특성실험결과 그래프들을 나타낸 것이다.
1 - 하우징, 2 - 경사휜(FIN),
3 - 가변용 증발/응축기, 4 - 흡열부,
5 - 압축기, 6 - 가변용 응축/증발기,
7 - 제어부, 8 - 제습조,
9 - 저온제습장치, 10 - 열펌프부,
11 - 주공기유도관, 12 - 피건조/피저온저장물,
13 - 곡물적재다공판, 14 - 건조 및 저온저장체임버,
15 - 옆풍유도공, 16 - 순환팬,
17 - 제습안내파이프, 18 - 배출구,
19 - 바퀴, 20 - 열교환기,
21 - 리버싱밸브.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 하우징의 일측부에 위치되고서 가변용 증발/응축기를 구비하는 흡열부와; 상기 가변용 증발/응축기에 연결되는 압축기와, 가변용 응축/증발기, 제어부, 저온제습장치를 구비하는 열펌프부; 상기 가변용 응축/증발기에 연통되는 건조 및 저온저장체임버 및; 이 건조 및 저온저장체임버내에 구비되어 피건조물 또는 피저온저장물을 보관하도록 된 다수의 다단식 곡물적재다공판;으로 이루어진 건조 및 저온저장장치에서, 상기 가변용 증발/응축기는 다수의 경사휜을 갖추는 한편, 상기 곡물적재다공판과 상기 건조 및 저온저장체임버의 내부는 방사율이 95%인 원적외선 방사 바이오세라믹이 코팅되어 이루어져 있다.
이하, 본 고안을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.
도 1은 본 고안에 따른 건조 및 저온저장장치의 전체 개략도이고, 도 2는 도 1에 적용되는 열펌프의 회로도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 고안은, 일정한 크기의 폐쇄공간을 이루는 하우징(1)의 일측부에 대기중의 열과 태양복사열을 흡수하는 다수의 경사휜(2)들을 갖춘 가변용 증발/응축기(3)로 이루어진 흡열부(4)와; 상기 가변용 증발/응축기(3)가 압축기(5)와 가변용 응축/증발기(6) 및, 제어부(7)에 연결되면서 하우징(1)의 외부에 설치되는 제습조(8)에 연결되는 저온제습장치(9)로 이루어진 열펌프부(10); 상기 가변용 응축/증발기(6)에 주공기유도관(11)을 매개로 연통되어 피건조물 또는 피저온저장물(12)을 보관하는 다단식 곡물적재다공판(13)들이 구비된 건조 및 저온저장체임버(14);로 이루어져 있다.
여기서, 상기 건조 및 저온저장체임버(14)는 주공기유도관(11)의 측면방향으로 다수의 옆풍유도공(15)들이 형성되어 있으며, 상기 다단식 곡물적재다공판(13)들을 거치는 열풍과 냉풍의 원활한 순환을 위해서 순환팬(16)이 설치되어 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 가변용 응축/증발기(6)는 상기 건조 및 저온저장체임버(14)의 중심높이보다 낮게 위치되어 있고, 상기 저온제습장치(9)는 상기 중심높이보다 높게 위치되어 있다.
또한, 상기 건조 및 저온저장체임버(14)의 내부, 즉 다단식 곡물적재다공판 (13)들과 공기유통안내벽 및 내벽에는 방사율이 약 95%인 원적외선 방사 바이오세라믹이 코팅되어 있어서 피건조물 또는 피저온저장물에 품질향상이 이루어지는데,이같은 효과는 후술되어진다.
한편, 본 고안에 따른 열펌프부(10)는 상기 건조 및 저온저장체임버(14)내로 열풍과 냉풍을 공급하는 장치로서, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 압축기(5)에 연결된 상기 가변용 응축/증발기(6)는 농·수·축산물 건조를 위한 열풍 및 저온저장을 위한 냉풍을 일정한 속도와 온도로 공급하며, 상기 가변용 증발/응축기(3)에 연장되어 설치된 저온제습장치(9)는 농·수·축산물의 건조시 순환되는 열풍에 내포된 습기를 흡수하고 제습안내파이프(17)를 거쳐 걸려진 습기를 액체화하여 건조 및 저온저장체임버(14)의 외부에 설치된 제습조(8)로 내보내는 역할을 수행한다. 그리고, 상기 가변용 증발/응축기(3)에 설치된 경사휜(2)은 수평선 기준으로 약 45°각도로 넓은 면적을 가진 형태로 제작됨에 따라 태양복사열과 대기중의 열을 이중으로 효율적으로 흡수할 수 있도록 되어 있다.
한편, 상기 가변용 증발/응축기(3)쪽으로 유입된 공기는 하우징(1)의 상부에 설치된 배출구(18)를 통하여 대기쪽으로 빠져나가도록 되어 있다. 그리고, 상기 하우징(1)은 필요에 따라 이의 밑면쪽에 바퀴(19)와 같은 이동수단을 설치하여 원하는 장소로 손쉽게 이동시킬 수도 있으며, 이 하우징(1)의 전체 크기는 원하는 크기로 제작가능함은 물론이다.
도 2에 도시된 본 고안에 따른 열펌프부(10)의 회로도에 대한 보다 자세한 설명은 본 출원인의 대한민국 특허출원 제98-8979호에 기재되어 있으므로 그 설명은 생략하며, 본원 고안을 설명하기 위하여 이들의 기능적 역할만 설명한다.
상기 압축기(5)는 가변용 증발/응축기(3)에서 흡수한 대기중의 열과 태양복사열을 압축하며, 상기 가변용 증발/응축기(3)는 본 고안을 건조기로 이용할 때 증발기 역할을 수행함과 더불어 저온기로 이용할 때에는 응축기 역할을 수행하도록 되어 있다. 그리고, 상기 가변용 응축/증발기(6)는 본 고안을 건조기로 이용할 때 응축기 역할을 수행함과 더불어 저온기로 이용할 때에는 증발기 역할을 수행한다. 한편, 대기의 기온이 4℃ 이하인 경우에 본 고안의 성능제고를 위하여 자동면적변환 열교환기(20)가 설치되어 있으며, 가열 또는 냉각목적으로 상기 열펌프부(10)의 기능을 변환시키는 4방밸브인 리버싱밸브(21)가 설치되어 있다.
이어 본 고안의 작동에 대해 설명한다. 본 고안을 건조기로 이용할 때에는, 우선 전기에너지를 이용하여 열펌프부(10)를 작동시키면 상기 가변용 증발/응축기 (3)는 증발기 역할을 하여 이에 설치된 경사휜(2)들을 매개로 대기중의 열과 태양복사열을 흡수하여 이를 압축기(5)로 보내게 된다. 이 압축기(5)는 도 2의 실선 화살표로 도시된 바와 같이 온매흐름에 따라 열을 가변용 응축/증발기(6)로 보내게 되는데, 이때 이 가변용 응축/증발기(6)는 응축기 역할을 수행하게 되어 가열공기(약 30∼65℃임)를 건조 및 저온저장체임버(14)로 내보내게 된다. 이 가열공기는 도1에 도시된 바와 같이 주공기유도관(11)과 옆풍유도공(15)들을 통하여 화살표 방향으로 다단식 곡물적재다공판(13)들을 거치게 되면서, 이 다단식 곡물적재다공판들(13)에 적재된 피건조물(12)을 건조시키게 된다. 그리고, 건조시 건조 및 저온저장체임버(14)내의 습한공기는 상기 저온제습장치(9)를 통과하면서 제습되어 제습안내파이프(17)를 통해 제습조(8)로 모아지게 된다. 한편, 건조공기는 순환팬(16)에 의해 계속 건조 및 저온저장체임버(14)의 내부를 순환하게 되므로 제습덕트를 별도로 설치하지 않게 되어 제습덕트로 외부공기를 흡수하는 과정에서 손실되는 열에너지의 손실을 줄일 수 있게 될 뿐만 아니라, 종래의 장치에서 요구되는 덕트를 작동시키기 위한 부대설비를 줄일 수 있게 된다. 더욱이, 연속적으로 건조공기를 공급하게 되므로 기존장치보다 낮은 온도에서 건조가 가능하게 되어 에너지 절약이 가능하도록 되어 있다.
반면, 본 고안을 저온기로 이용할 때에는 상기 열펌프부(10)의 냉매흐름이 리버싱밸브(21)에 의해 건조의 경우와 반대방향으로 바뀌게 됨으로써 냉각기로 작용하게 되는 바, 즉 상기 가변용 응축/증발기(6)가 증발기 역할을 수행함에 따라 건조 및 저온저장체임버(14)의 내부열을 흡수하여 압축기(5)로 보내게 되면, 이 압축기(5)에서는 상기 가변용 증발/응축기(3)로 열을 보내게 되는데, 이 가변용 증발 /응축기(3)는 응축기 역할을 수행하게 되어 건조 및 저온저장체임버(14)의 내부열을 방열하게 된다(도 2에서 점선 화살표 참조).
이와 같이 냉각목적으로 열펌프부(10)를 이용할 때에는 자동면적변환 열교환기(20)를 이용하지 않으며, 상기 건조 및 저온저장체임버(14)의 온도조절은 공지의 제어부(7)에서 원하는 온도조절에 의해 이루어지는데, 저온저장물의 특성에 따라 대략 4℃∼-15℃정도로 설정되어 유지될 수 있도록 되어 있다. 한편, 본 고안을 저온기로 이용할 때에는 상기 저온제습장치(9)는 활용되지 않는다.
본 고안에 따른 바이오 열펌프식 건조 및 저온저장장치의 성능을 알아보기 위하여 각종 실험을 실시하였으며, 그 결과를 설명하면 다음과 같다.
도 3은 본 고안을 건조기로 사용할 때의 건조공간내에 설정한 가열온도변화와 저온저장고로 사용할 때의 저온저장공간내에 설정한 냉각온도변화에 대한 실험결과를 보여주는 그래프이다.
이 그래프에서 보는 바와 같이 건조를 위한 가열온도를 45℃와 50℃로 설정하고서 열펌프를 가열목적의 회로로 작동시켜 온도변화를 실험한 결과, 제어부에서 45℃로 설정한 경우, 건조실 온도는 43∼50℃ 범위로 유지되면서 열펌프의 압축기 (5)가 자동온도조절기에 의해 온(on)-오프(off)로 작동하였고, 설정온도를 50℃로 한 경우, 실제 건조실 온도는 50∼55℃ 범위로 유지되면서 열펌프의 압축기(5)가 온-오프로 작동하였다.
그리고, 저온저장을 위한 냉각목적으로 열펌프를 작동시키고 냉각온도를 4℃, 0℃, -5℃, -10℃, -15℃로 설정하여 실험한 결과 설정온도가 4℃인 경우에는 실제로 저온저장실 온도는 3.5∼5℃ 범위에서 약간의 진폭을 보였고, 설정온도를 0℃로 한 경우 실제 저온저장실 온도는 -1∼1℃의 진폭을 가지며, -5℃의 설정온도에서는 저온저장실 온도가 -5℃를 유지하고 있음을 보여 주었다. 그리고, -10℃의 설정온도에서는 50분 작동된 후에 실제 온도가 -9℃에 도달한 것으로 보아 실제 저온저장실 온도를 -10℃로 하기 위해서는 설정온도를 -11∼-12℃로 하여야 할 것으로 판단되었다. 또한, 설정온도가 -15℃인 경우에는 80분후에 실제 온도가 -14℃로 되었다. 이 경우에도 역시 -15℃의 실제 온도를 얻기 위해서는 -17∼-18℃로 설정온도를 낮게 하여야 할 것으로 판단되었다.
도 4는 본 고안을 건조기로 이용할 때 건조열을 공급하는 열펌프의 성능을 개방회로와 폐쇄회로에서 실험분석한 결과를 나타낸 그래프이다.
ⅰ) 개방계의 열펌프 성능계수 분석
농수산물의 건조는 주로 가을에 하기 때문에 우리나라의 가을기온인 10∼23℃를 열펌프의 열원온도로 열펌프 작동조건을 조정하였다. 도 4의 그래프에서 보는 바와 같이 건조실 공기를 개방한 상태에서 가열하는 경우의 열펌프 성능계수(COP)는 열원인 대기온도가 10∼15℃에서는 성능계수가 3.2∼4.5로 나타났으며 대기온도가 15∼23℃에서는 성능계수가 3.1∼4.0으로 약간 낮게 나타났으나 대기온도에 따른 성능계수의 차는 크지 않았다.
ⅱ) 폐쇄계에서의 성능계수 분석
건조실을 밀폐한 후 건조실내 공기를 가열하는 경우에 열펌프 성능을 분석한 결과, 열원인 대기온도가 9∼14℃범위에 있을 때 열펌프 성능계수는 2.1∼3.1로 나타났으며, 개방계보다 성능계수가 1.0 정도 낮게 분석되었다.
도 5는 우리나라의 건조시간에 따른 고추건조 표준온도곡선 그래프이고, 도 6은 본 고안에 따른 건조 및 저온저장장치를 이용하여 고추를 실제로 건조한 온도곡선을 나타낸 그래프로서, 기온이 0∼11℃인 기상조건에서 열펌프식 건조기로 고추를 실제로 건조한 온도곡선을 나타내고 있다.
도 6의 그래프에서 보는 바와 같이 열펌프식 건조기의 건조온도를 도 5의 그래프에서 보여주고 있는 고추건조 표준온도곡선에 접근시켜 건조할 수 있음을 보여주고 있다.
온도측정에 따라 약간의 차이는 있어도 건조 초기의 5시간 동안은 60∼65℃를 유지하였으며, 1시간 배습한 후 다시 55∼57℃을 유지하면서 건조시킨 다음, 약간의 제습기간을 거친 후에 50∼60℃를 유지하면서 건조가 끝날 때까지 가열과정을 계속하였다. 고추건조 표준온도곡선에서는 건조 전과정 시간을 33시간으로 잡고 있으나, 열펌프에 의한 실제 고추건조 전과정 시간은 43시간으로 표준건조의 경우보다 10시간 정도 더 많은 시간이 소요되었다.
도 7은 고추의 화석/유류식 열풍건조와 본 고안에 따른 건조를 비교한 그래프로서, 도 7의 그래프에서 보여주고 있는 종래 열풍건조기의 고추건조 특성곡선은 도 5의 그래프에 주어진 고추건조 표준온도곡선에 의하여 이루어졌으며, 본 고안의 열펌프식 건조기의 고추건조 특성곡선은 도 6의 그래프에 주어진 열펌프식 고추건조 온도곡선에 의하여 이루어졌다.
도 7에서 보는 바와 같이 고추건조 초기의 5시간 후에는 본 고안의 열펌프식 건조기에서 3시간 늦게 건조되었고, 건조 10시간 후에는 종래 열풍건조기보다 본 고안의 열펌프식 건조기에서 5시간 늦었으며, 건조 15시간 후에는 종래 열풍건조기보다 본 고안의 열펌프식 건조기가 16시간 늦게 되었고, 건조 33시간 후에는 종래 열풍건조기보다 본 고안의 열펌프식 건조기가 역시 16시간 늦게 건조되는 현상을 보였다.
이와 같이 본 고안의 열펌프식 건조가 종래 열풍건조보다 건조시간이 48∼ 50% 더 늦게 건조됨을 보여준 것은 열충격을 방지하기 위하여 건조온도를 10∼5℃ 낮게 하는데 기인한 것으로 사료된다.
건조시간은 이와 같이 종래 열풍건조보다 오래 걸렸으나 에너지 소모량은 오히려 적게 소모되었으며, 긴 시간동안 건조함으로서 열충격이 완화되어 품질면에서본 고안의 열펌프식 건조가 종래의 열풍건조보다 우수하게 나타났다.
그리고, 도 8의 그래프에서 보는 바와 같이 자연상태에서 태양복사열에 의하여 건조된 고추의 명도는 40.63, 붉은색도는 15.05, 그리고 황색도는 3.82이었으며, 본 고안에 따라 바이오 처리된 열펌프식 건조기에서 건조된 고추는 명도가 39.80, 붉은색도는 13.17, 그리고 황색도가 4.0 이었고, 바이오 처리되지 않은 열펌프식 건조기에서 건조된 고추는 명도가 39.35, 붉은색도는 11.29, 그리고 황색도는 2.27이었으며, 화석연료인 석유를 사용하는 열풍건조기에서 건조된 고추의 명도는 39.25, 붉은색도는 9.1, 그리고 황색도는 2.65를 보였다.
이상과 같은 결과로 보아 태양건조의 경우가 가장 색도가 좋고, 그 다음으로 본 고안에 따른 바이오 처리된 열펌프식 건조기로 건조된 고추의 색깔이 붉으면서도 투명해 보였으며, 다음으로 바이오로 처리되지 않은 열펌프식 건조기에서 건조된 고추의 색깔이 좋았으며, 석유를 이용한 열풍건조기에서 건조된 고추의 색깔이 비교적 불투명 적색으로 나타난 것으로 보아 열충격에 의하여 품질이 많이 손상되었음을 알 수 있다.
한편, 본 고안에서는 하우징(1)의 건조 및 저온저장체임버(14)의 내부를 바이오세라믹으로 처리하였는 바, 이에 대한 실험결과특성을 설명하기에 앞서, 먼저 상기 건조 및 저온저장체임버(14)의 내부에 전술한 바와 같이 원적외선을 방사하는 바이오세라믹으로 약 2mm 정도의 두께로 표면처리한 열펌프식 건조기를 바이오 열펌프식 건조기라 하였으며, 이때 사용한 바이오세라믹의 원적외선 방사율은 94∼ 96%로서 높은 방사율을 갖는 것으로 표면처리하였고, 이렇게 함으로써 건조실 내부에 원적외선 분위기가 조성되도록 하였다.
도 7의 그래프에서 보는 바와 같이 건조실내를 바이오 처리하지 않은 열펌프식 건조기의 경우보다 건조실을 바이오세라믹으로 처리한 바이오 열펌프식 건조기의 경우가 13∼15% 더 빠르게 건조되었다. 이와 같은 결과는 장파인 원적외선 열이 일반적인 열보다 생체 내부를 깊이 침투하기 때문에 고추의 내부에 있는 수분을 표피 밖으로 빨리 탈수시키기 때문인 것으로 판단된다.
이 결과 원적외선의 특징인 장파에 의하여 표면과 내부가 거의 동시에 건조되기 때문에 열에 의한 생체내 영양소 파괴가 감소될 것으로 예측되며 이에 대한 결과는 바이오세라믹으로 처리된 건조실에서 건조된 피건조물과 바이오 처리를 하지 않은 건조실에서 건조된 피건조물의 캡사이신(capsaicin) 함량분석 결과에서 밝혀졌다(표 1, 도 9 참고).
표 1과 도 9의 그래프는 고추의 건조방법을 달리하여 매운 맛을 내는 캡사이신의 함량을 3번 반복실험하여 분석한 결과이다. 이 결과에서 보는 바와 같이 태양건조에서 캡사이신 함량이 고추 100g당 57.3mg으로 가장 많은 것으로 나타났으며, 그 다음이 본 고안인 바이오 열펌프식 건조에서 캡사이신 함량이 17.6mg/100g, 바이오로 처리하지 않은 열펌프식 건조기에서 건조한 경우 캡사이신 함량이 16.7mg/ 100g이었으며, 열풍건조에서 건조한 경우 캡사이신 함량이 15.8mg/100g으로 가장 낮게 나타났다.
이와 같은 결과는 도 8의 그래프에서 보여주고 있는 건조방법에 따른 색도분석 결과와도 잘 일치하는 것으로 자연상태에서 태양복사열에 의한 건조가 가장 좋은 결과를 보였으며, 석유를 사용한 열풍건조가 가장 나쁜 결과를 보여주고 있고, 본 고안에 따른 건조방법인 바이오 열펌프식 건조가 태양건조에 버금가는 좋은 결과를 나타내고 있는 것은 본 고안의 기대에 접근하는 결과였다.
[표 1]건조방법에 따른 고추의 매운 맛을 내는 캡사이신 함량비교(㎎/100g)
| ＼반복횟수건조방법 | 1 | 2 | 3 | 합계 | 평균 |
| 태양건조 | 63.1 | 51.7 | 57.1 | 171.9 | 57.3 |
| 바이오 열펌프 건조 | 16.9 | 17.4 | 18.4 | 52.7 | 17.6 |
| 열펌프 건조 | 16.9 | 16.8 | 16.4 | 50.1 | 16.7 |
| 열풍건조(경유연소) | 15.6 | 16.0 | 15.7 | 47.3 | 15.8 |
| y=3.22 | Y=1.073 |
이어 본 고안에 따른 건조 및 저온저장장치와 종래 건조장치의 에너지 경제분석결과를 설명하면 다음과 같다(일예로 고추건조의 경제적 분석).
ⅰ) 종래 열풍건조기의 에너지차원 경제분석
생고추 140.4㎏을 열풍건조기로 51시간동안 건조하였으며, 이때 소모된 전기에너지는 1.029㎾ × 51hr = 52.48(㎾h) = 45,132㎉이었으며, 열풍발생을 위하여 소모된 석유는 85ℓ의 열량으로 환산하여, 85(ℓ)×8,674(㎉/ℓ)×0.88 = 648,815㎉이었다. 그러므로 140.4㎏의 고추를 건조하는데 소요된 전체에너지는 45,132 + 648,815 = 693,947㎉이었고, 고추 1㎏을 건조하는데 소요된 열량은 (693,947㎉/ 140.4㎏) = 4,943㎉/㎏이었다.
ⅱ) 종래 열풍건조기의 에너지비용 분석
열풍건조기의 고추 건조비용은 전기에너지비용과 석유에너지비용을 합한 것으로 계산되며 다음과 같다. 여기서, 전기요금은 농촌전기요금을 기준으로 했으며, 석유에너지 가격은 1998년 4월 1일을 기준으로 하였다.
· 전기에너지비용 : 52.48㎾h×37원/㎾h = 1,942원
· 석유에너지비용 : 85ℓ×590원/ℓ = 50,150원
· 전체에너지비용 : 1,942원 + 50,150원 = 52,092원
· 고추1㎏을 건조하는데 소요된 에너지비용 : 52,092원/140.4㎏ = 371원/㎏
ⅲ) 본 고안에 따른 바이오 열펌프식 건조기의 에너지차원 경제분석
열펌프식 건조기의 건조실과 건조대에 바이오세라믹을 2.0㎜ 두께로 표면처리하고 건조실내 공기를 열펌프로 가열하면 이 바이오세라믹으로부터 방사되는 장파의 원적외선은 건조대상 농산물의 건조속도를 촉진하게 될 뿐만 아니라, 열풍건조의 경우보다 낮은 온도에서도 건조가 가능하게 되어 건조에너지 절약에 크게 기여하게 될 것으로 기대되며, 이를 증명하기 위하여 에너지 절약효과를 분석하였는데, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
건조대상은 생고추 130㎏로 하였으며, 건조시간은 열풍건조보다 13시간 40분 더 긴 64시간 40분이 소요되었으며, 이때 건조온도 변화는 도 6의 그래프와 같다.
열펌프에 의한 열공급 기간은 25시간이었으며, 열공급 없이 더운 공기만 순환시킨 기간은 39시간 40분이었다.
건조 전기간동안 공급된 전기에너지는 17.02㎾×25h + 3.48㎾×39.6h = 425.5㎾h + 137.8㎾h = 563.3㎾h = 484,444㎉로서, 고추 1㎏을 건조하는데 소요되는 에너지는 4.33㎾h/㎏ = 3,726㎉/㎏이었다.
종래의 열풍건조로 고추 1㎏을 건조하는데 소요된 에너지 4,943㎉/㎏에 비하여 본 고안의 건조기에 의하여 1,216㎉/㎏의 에너지를 절약할 수 있었으며, 이를 에너지 절약율로 표시하면 (1,216/4,943)×100 = 24.6%가 된다.
ⅳ) 본 고안에 따른 바이오 열펌프식 건조기에 의한 고추건조 소요에너지비용 분석
농촌전기요금이 37원/㎾h이고, 석유가격이 300원/ℓ에서 800원/ℓ로 변동될 경우, 종래 열풍건조기에서 소요되는 에너지비용에 대한 본 고안의 건조기에 의한 에너지 비용절감율을 분석 및 요약하면 다음과 같다.
· 본 고안에 따른 바이오 열펌프식 건조기로 130㎏의 고추를 건조하는데 소요되는 에너지비용은 앞에서 계산한 소요에너지를 기준으로 하여 {484,444(㎉)/860 (㎉/㎾h)}×37(원/㎾h) = 20,842원이며, 고추 1㎏을 건조하는데 소요되는 에너지비용은 20,842/130 = 160.3원/㎏이다.
· 열풍건조기의 소요에너지는 건조기의 기계적 작동을 위한 전기에너지와 건조 열풍공급을 위한 석유에너지를 소모하게 된다.
140.4㎏의 고추를 건조하기 위한 전기에너지비용은 52.48㎾h×37원/㎾h = 1,942원이며, 고추건조 열풍공급을 위한 석유에너지비용은 85ℓ×x원/ℓ= 85×x원으로, 여기서 x값은 석유가격이며, 이 가격 변동은 x = 300∼900원/ℓ로 하여, 석유에너지의 가격변동에 따른 열풍건조에 소요되는 전체 소요에너지비용을 계산하면 표 2와 같다.
[표 2]석유가격에 따른 종래 열풍건조기의 고추(140.4㎏)건조 소요에너지비용
| 석유가격(원/ℓ) | 열풍건조 소요에너지비용(원) | 열풍건조 전기에너지비용(원) | 열풍건조 전체소요에너지비용(원) | 고추㎏당 소요에너지비용(원/㎏) |
| 300 | 25,500 | 1,942 | 27,442 | 195.5 |
| 400 | 34,000 | 1,942 | 35,942 | 256.0 |
| 500 | 42,500 | 1,942 | 44,442 | 316.5 |
| 600 | 51,000 | 1,942 | 52,942 | 377.1 |
| 700 | 59,500 | 1,942 | 61,442 | 437.6 |
| 800 | 68,000 | 1,942 | 69,942 | 498.2 |
| 900 | 76,500 | 1,942 | 78,442 | 558.7 |
앞에서 분석한 석유에너지의 가격변동에 따른 종래 열풍건조기의 고추건조비용(표 2 참조)과 본 고안의 건조 및 저온저장장치의 고추건조비용을 근거로 바이오 열펌프식 건조기의 고추건조비용 절감율을 분석 및 정리하면 표 3과 도 10의 그래프와 같다.
[표 3]본 고안에 따른 건조기의 고추건조 소요에너지비용의 절약비율
| 석유가격(원/ℓ) | 농촌전기요금(원/㎾h) | 고추㎏당 열풍건조기의 소요에너지비용(원/㎏) | 고추㎏당 바이오열펌프식 건조기의 소요에너지비용(원/㎏) | 열풍건조기에 대한 바이오열펌프식 건조기의 에너지비용 절약율(%) |
| 300 | 37 | 195.5 | 160.3 | 18.2 |
| 400 | 37 | 256.0 | 160.3 | 37.5 |
| 500 | 37 | 316.5 | 160.3 | 49.5 |
| 600 | 37 | 377.1 | 160.3 | 57.6 |
| 700 | 37 | 437.6 | 160.3 | 63.4 |
| 800 | 37 | 498.2 | 160.3 | 67.9 |
| 900 | 37 | 558.7 | 160.3 | 71.4 |
표 3과 도 10의 그래프에서 보는 바와 같이 석유가격이 300원/ℓ에서 900원/ℓ로 상승하는 경우 종래 열풍건조기에 대한 본 고안에 따른 건조기의 에너지 절약비율은 18.2%에서 71.4%로 곡선적으로 증가하고 있음을 보였으며, 석유에너지의 가격이 300원/ℓ인 경우에도 종래 열풍건조기에 대한 본 고안의 바이오 열펌프식 건조기의 에너지 절약비율이 18.2%에 달함을 알 수 있다.
본 고안은 다음과 같은 효과를 갖는다.
1) 농·수·축산물과 공산품의 건조특성에 따라 최적의 건조조건을 제공하기 위하여 바이오 열펌프식 건조기의 건조실 온도를 30℃에서 65℃까지 선택적으로 설정할 수 있다.
2) 건조 및 저온저장체임버(14)와 곡물적재다공판(13)의 모든 표면을 약 2.0㎜ 두께의 바이오세라믹으로 표면처리하여 건조실을 원적외선 방사공간으로 만들었으며, 이와 같은 구조는 건조속도를 빠르게 할 뿐만 아니라 건조대상물이 열충격을 적게 받으면서 건조되도록 하여 건조물의 품질이 향상된다.
3) 열펌프의 증발기를 활용하는 제습장치를 개발하여 건조공기의 순환회로내에 장치하여 건조실을 지나온 공기중의 습기를 제거함으로써 건조속도의 증가와 에너지 절약효과를 얻는다.
4) 비교적 건조조건이 어려운 고추를 건조대상으로 하여 기존의 열풍건조기와 본 고안에 따른 바이오 열펌프식 건조기에서 각각 건조한 결과 열풍건조기에 비하여 바이오 열펌프식 건조기의 에너지비용이 크게 절약된다.
5) 건조된 고추의 색도를 분석한 결과, 본 고안의 바이오 열펌프식 건조기에서 건조된 고추가 기존의 열풍건조기에 의하여 건조된 고추보다 더 맑고 붉게 나타나기 때문에 건조물의 품질향상이 이루어진다.
6) 고추가 매운 맛을 나타내는 캡사이신 함량을 분석한 결과, 바이오 열펌프식 건조기에서 건조된 고추가 열풍건조기에서 건조된 고추보다 더 높은 품질향상이 이루어진다.
7) 열펌프를 냉동목적의 회로로 작동시키면 건조 및 저온저장체임버의 온도가 5℃에서 -15℃까지 냉각되며, 저장할 농·수·축산물의 저장특성에 따라 최적의 저장조건을 제공하기 위하여 저장실 온도를 -15℃∼5℃ 범위로 자유롭게 선택하여 설정할 수 있다.
8) 열펌프를 가열목적의 회로로 작동시키면 건조용으로, 그리고 냉동목적의 회로로 작동시키면 저온저장용으로 사용할 수 있도록 하여, 필요에 따라 2가지 목적으로 사용하는 겸용장치를 제공함으로써, 사용자는 하나의 장치를 구입하여 2가지 용도로 사용할 수 있게 되므로 장치구입에 따른 비용절감은 물론이거니와 연중 활용도를 높일 수 있다.
Claims (1)
- 하우징(1)의 일측부에 위치되고서 가변용 증발/응축기(3)를 구비하는 흡열부 (4)와; 상기 가변용 증발/응축기(3)에 연결되는 압축기(5)와, 가변용 응축/증발기 (6), 제어부(7), 저온제습장치(9)를 구비하는 열펌프부(10); 상기 가변용 응축/증발기(6)에 연통되는 건조 및 저온저장체임버(14); 및 이 건조 및 저온저장체임버 (14)내에 구비되어 피건조물 또는 피저온저장물(12)을 보관하도록 된 다수의 다단식 곡물적재다공판(13);으로 이루어진 건조 및 저온저장장치에 있어서,상기 가변용 증발/응축기(3)는 다수의 경사휜(2)을 갖추며, 상기 가변용 응축/증발기(6)는 건조 및 저온저장체임버(14)의 중심높이보다 낮게 위치되어 있고, 상기 저온제습장치(9)는 상기 중심높이보다 높게 위치되어 있는 한편, 상기 곡물적재다공판(13)과 상기 건조 및 저온저장체임버(14)의 내부는 방사율이 95%인 원적외선 방사 바이오세라믹이 코팅되어 이루어짐으로써, 하나의 시스템으로 건조와 저온저장을 할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 바이오 열펌프식 건조 및 저온저장장치.
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-
2000
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