WO2013085253A1 - 에너지 소비가 적은 건조기 - Google Patents

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WO2013085253A1
WO2013085253A1 PCT/KR2012/010434 KR2012010434W WO2013085253A1 WO 2013085253 A1 WO2013085253 A1 WO 2013085253A1 KR 2012010434 W KR2012010434 W KR 2012010434W WO 2013085253 A1 WO2013085253 A1 WO 2013085253A1
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air
drying chamber
cooler
drying
heat
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PCT/KR2012/010434
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Inventor
엄태경
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Eum Tae Gyoung
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    • F26B17/08—Machines or apparatus for drying materials in loose, plastic, or fluidised form, e.g. granules, staple fibres, with progressive movement with movement performed by belts carrying the materials; with movement performed by belts or elements attached to endless belts or chains propelling the materials over stationary surfaces the belts being arranged in a sinuous or zig-zag path
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    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies

Definitions

  • the present invention is a technique for a low energy consumption dryer for drying sludge or other organic solids containing water.
  • Sludge from sewage treatment plant, livestock wastewater treatment plant, wastewater treatment plant, etc. is landfilled or disposed of by ocean dumping, but from 2012, the disposal of sludge is highly dry or carbonized after landfilling or fuel to dispose of sludge. Should be used.
  • the principle of the heat pump is to compress the low-temperature heat energy absorbed by the evaporator to high pressure in the compressor and convert it to high-temperature heat energy in the condenser.
  • the heat energy in the condenser is higher than the low-temperature heat energy absorbed in the evaporator. It is larger than the work (energy) supplied by the compressor.
  • the amount of energy supplied by the compressor must be discharged to the outside, but the energy cannot be used to heat the air supplied to the dryer, and a part of the condenser is installed outside the dryer to provide a cooling fan. Heat energy was discharged while cooling to balance heat energy, but the utilization rate of heat energy was low because the heat energy supplied from the compressor was not used.
  • the problem to be solved by the present invention is to configure a dryer having a structure that can operate in accordance with the physical properties of the water contained in the wet solid evaporation, by using the full amount of energy generated from the heat pump, It is to provide a dryer with low energy consumption and a low energy consumption which is hygienic and safe and solid after drying.
  • a drying apparatus for drying a solid material containing water by using a heat pump composed of a compressor, an evaporator, a condenser, an expansion valve,
  • a drying chamber (10) having a solids inlet (11) for injecting the wet solids and drying and discharging the solids therein;
  • a breathable conveyor (20) installed in the drying chamber for heating and drying the wet solid material introduced into the drying chamber at a low speed;
  • a dry solids conveying device (100) which transfers the dried solids discharged by descending from the breathable conveyor to the lower portion inside the drying chamber to the outside;
  • An air cooler (60) having a built-in evaporator (61) through which a low temperature heat medium circulates and installed outside of the drying chamber to cool down to a low temperature and discharge condensed water while passing some of the air cooled by the excess heat cooler;
  • a condenser (80) in which a high temperature heat medium circulates is installed in the drying chamber (10), and is disposed in the longitudinal direction of the breathable conveyor (20) to provide one cooling air flowing into the drying chamber from the air cooler.
  • a condenser 80 which increases the number of times of contact with the condenser while circulating with the circulation fan 83 and heats it to a high temperature;
  • a suction blower (40) installed between the outlet of the drying chamber and the excess thermal cooler (50) to suck the wet air in the drying chamber and supply it to the excess thermal cooler;
  • the automatic control panel 110 for automatically adjusting the cooling conditions of the surplus heat cooler to maintain a constant temperature of the cooling air, and automatically controls the operation of the suction blower, the compressor, the breathable conveyor. It provides a dryer with low energy consumption, characterized in that included.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a side view of the dryer of the present invention
  • a breathable conveyor 20 is installed inside the drying chamber 10 capable of drying the wet solids for 1 to 3 hours, and an inlet for injecting the wet solids into one end of the drying chamber 10. (11) was installed, and the outlet 12 for discharging the dried solids was installed at the lower end of the breathable conveyor (20).
  • the inner side of the drying chamber 10 is installed to install the condenser 80 to be located on the side of the breathable conveyor 20 to heat the air in the drying chamber (10).
  • a suction blower 40 is installed outside the end of the drying chamber 10 to transfer the hot and humid air in the drying chamber 10 to the excess heat cooler 50 through the air pipe 30.
  • the excess heat cooler 50 allows the conveyed air to be cooled by air in the atmosphere conveyed from the cooling fan 51 while passing through several pipes, and the amount of thermal energy that is removed by cooling in the excess heat cooler 50 is The heat energy supplied from the compressor 70 is obtained by subtracting the heat loss of the apparatus.
  • the air passing through the excess heat cooler 50 is transferred to the air cooler 60 and cooled to 10 to 20 ° C. while being in contact with the evaporator 61 built in the air cooler 60 to perform heat exchange.
  • Water vapor in the air cooled by the air cooler 60 becomes condensed water and is discharged to the outside through the condensate drain 62.
  • a temperature sensor (not shown) is installed at the outlet of the air cooler 60 to transmit an exit temperature signal of the air cooler 60 to the automatic control panel 110, so that the temperature of the cooling air maintains a set value range.
  • the rotation speed of the cooling fan 51 of the cooler 50 is automatically controlled.
  • Air passing through the air cooler 60 is transferred to the interior of the drying chamber 10 at an equal speed while passing through the enlarged portion 13 having a cone-shaped cross section installed at the inlet of the drying chamber 10, and the drying chamber 10. It contacts the outlet side of the condenser 80 installed in the inside, flows gradually to the inlet side (high temperature side) of the condenser 80, and is heated to high temperature.
  • the wet solids loaded on the breathable conveyor 20 and transported at a low speed are heated, and as the moisture in the solids evaporates, a large amount of thermal energy is required, and the condenser 80 continuously supplies heat energy. While maintaining the temperature in the drying chamber (10).
  • the circulation fan 83 installed on the side surface of the condenser 80 (see FIG. 3) circulates the air in the drying chamber 10 in the transverse direction so that the air in the drying chamber 10 effectively exchanges heat with the condenser 80.
  • the drying chamber 10 serves to diffuse thermal energy.
  • the heat medium of the heat pump absorbs thermal energy from the air passing through the excess heat cooler 50 in the evaporator 61 of the air cooler 60 to be 10 to 15 ° C. and is transferred to the compressor 70.
  • the temperature rises while being compressed to high pressure in 70), and is heated to 97-130 ° C depending on the compressor 70 and the heat medium.
  • the heated heat medium is transferred to the condenser 80, cooled to 20-25 ° C. while exchanging heat with the air in the drying chamber 10 in the condenser 80 heated to a high temperature, and then passed through the expansion valve 90 to increase the temperature. It descends and becomes -5-5 degreeC, it is transferred to the evaporator 61, and absorbs heat energy in the evaporator 61.
  • the amount of saturated water vapor in the atmosphere changes with temperature as shown in FIG. 4, and the amount rapidly increases as the temperature increases.
  • drying by applying heat removes water contained in the wet solid by changing to water vapor.
  • the air after drying the wet solid in the dryer contains a large amount of water vapor, the heat of the steam is the heat energy effectively used for drying, the heat of the air corresponding to the temperature of the air is effective for drying It becomes heat energy that is not utilized.
  • the utilization efficiency of heat energy becomes higher as the heat amount of water vapor is higher than the heat amount of air after drying, so the air temperature after drying is increased to 100 ° C. Maintaining and making relative humidity 100% can obtain the highest thermal energy efficiency.
  • the air is heated at a temperature of 55 to 65 ° C. in the condenser 80 and then supplied to the drying chamber 10, and the supplied heated air is moistened while passing through the drying chamber 10.
  • the solids were dried by heating the solids, and the specific heat of the air was small at 0.6 so that the heat content of the air was much smaller than the heat of latent evaporation required when the water vapor in the solids evaporated.
  • the air at the outlet of the drying chamber 10 becomes wet steam having a temperature about 1/2 of the air temperature supplied to the inlet of the drying chamber 10.
  • the amount of saturated steam in the air is 0.0396 kg / Nm3 at 35 ° C, which is rapidly reduced to 25% compared to 0.161kg / Nm3 at 65 ° C. Since the ratio of heat energy which can be used easily is low, the energy use efficiency is low, and in this example, the heat amount of air is 27 kW / Nm3 and the heat amount of steam is 24.3 kW / Nm3, and the heat energy use efficiency is 47%. to be.
  • the temperature of the air supplied to the dryer may be raised to a temperature much higher than 100 ° C.
  • currently available heat pumps may generate 55 to 65 ° C of heating air at a specified COP.
  • the heat energy efficiency is low because the temperature of the air passing through the dryer is reduced to 30 to 40 ° C.
  • the condenser 80 is installed in the drying chamber 10, but the condenser 80 is installed in the longitudinal direction of the drying chamber 10 to supply air to the drying chamber 10. Is continuously heated while moving from the low temperature side of the condenser 80 to the high temperature side, the wet air can be saturated with water vapor at the rear end of the drying chamber 10, and the air temperature can be heated to 65 ° C, and the air of 65 ° C.
  • the amount of saturated water vapor in the water was 0.161 kg / Nm3, the amount of heat contained in the steam was 100.9 kW / Nm3, and the amount of heat in the air was 50.7 kcal / Nm3.
  • the condenser 80 is installed in the drying chamber 10 in the longitudinal direction of the drying chamber 10 in order to configure the dryer to match the characteristics of the water vapor and the heat pump included in the atmosphere.
  • the heat energy of the water vapor is much larger than the heat energy of the air to increase the heat energy utilization efficiency.
  • the thermal medium temperature of the condenser 80 is 120-130 ° C. by using carbon dioxide gas, the latest development thermal medium, or a method in which the thermal medium is compressed in two stages.
  • the temperature of wet air in a state where steam is saturated at the rear end of the drying chamber 10 may be heated to 95 ° C. or higher.
  • the amount of heat of steam is 321.6 kV / N
  • the heat content of m3 and air is 74.1 kW / Nm3, and the heat energy utilization efficiency is higher than 81.3%.
  • the heat energy utilization efficiency indicated above is an efficiency determined by the water vapor characteristics, and multiplying the heat energy utilization efficiency by the COP (usually 4 to 5) of the heat pump becomes the heat energy utilization efficiency of the dryer.
  • FIG. 2 illustrates an embodiment in which the air heater 85 is installed outside the drying chamber 10.
  • the efficiency of using heat energy is lower than that of the method in which the condenser 80 is installed inside the drying chamber 10. Since only the surplus heat energy in the air is cooled by the surplus heat cooler 50 installed outside the drying chamber 10 after drying, the heat energy supplied from the heat pump can be effectively used for drying the solids, and thus, a conventional condenser ( Compared with the dryer for cooling part of 80) in the air, the heat utilization efficiency is 25% or more, and the maintenance is easy.
  • the excess thermal cooler 50 cools the excess thermal energy while transferring the air in the atmosphere to the cooling fan 51. It is possible to use a method of cooling by transferring to (not shown).
  • the cooling water in the atmosphere used to cool excess heat in the air after drying in the excess heat cooler 50 has a temperature of 40 to 50 ° C.
  • the cooling water is reused as hot water, and the air after cooling has a high atmospheric temperature.
  • the building In summer, the building is discharged into the atmosphere outside the building, and when the heating is required, the building is supplied into the building and used for heating, thereby further increasing the efficiency of using the heat energy of the entire dryer.
  • the dryer having low energy consumption according to the present invention has a closed circuit and does not discharge air to the outside. Therefore, no odor is generated and the solid is dried in the solid during drying because it is dried at 95 ° C. for at least 1 hour. All bacteria, viruses, and other hygienically harmful protozoa are killed, and the solid after drying is hygienically safe.
  • the present invention utilizes the physical properties of evaporated water in the dried solids, rational structure, operation method, and the use of a heat pump with a large COP, thereby maximizing the utilization of thermal energy, and the heat energy required for drying the wet solids. Minimize the consumption of water, and recycle the warm air or hot water generated from the excess heat cooler, not only save energy, but also significantly reduce the amount of carbon emissions, and because the drying device is configured in a closed circuit, dry air is not discharged to the outside, There is no odor inherent in origin and it is hygienic and safe because it is dried at a high temperature.

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Abstract

본 발명은 슬러지, 음식물의 반죽, 반제품, 농산물 등 함수율이 높은 습윤한 고형물을 건조하여 함수율을 10∼60％로 낮추는 에너지소비가 적은 건조기에 관 한 기술이다. 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 건조기의 주조와 가열방식을 합리적으로 구성하여 건조에 필요한 에너지 소비를 최소화하고, 냄새발생을 방지하고 위생적으로 안전한 에너지 소비가 적은 건조기를 제공하는 것이다. 과제 해결의 수단은 히트펌프의 원리를 이용하되, 응축기를 길이 방향으로 길게 설치하여 내장한 건조실, 통기성 컨베이어, 흡입 송풍기, 잉여 열 냉각기, 공기 냉각기, 자동제어반을 포함하고, 냉각 공기가 건조실의 응축기의 저온 측으로 유입하여 고온 측으로 이동하면서 열 에너지를 흡수함과 동시에 습윤한 고형물과 열교환을 하면서 건조하게 하고, 건조 후에 공기의 온도를 고온으로 유지하게 하여, 열 에너지 이용효율을 높게 하고, 잉여 열 냉각기에서 회수한 온풍 또는 온수를 재이용하여 열 에너지의 이용효율을 높게 한 에너지 소비가 적은 건조기를 구성한다. 본 발명의 효과는 건조에 필요한 열 에너지의 소비를 최소화하고, 잉여 열 냉각기에서 발생한 온풍 또는 온수를 재활용하여, 에너지 절감은 물론 탄소배출량을 획기적으로 감소시키고, 냄새가 발생하지 않고, 건조 후의 고형물이 위생적으로 안전한 효과가 있다.

Description

에너지 소비가 적은 건조기
본 발명은 수분을 포함하고 있는 슬러지 또는 기타 유기 고형물을 건조하는 에너지 소비가 적은 건조기에 대한 기술이다.
하수처리장이나 축산폐수처리장, 폐수처리장 등으로부터 발생하는 슬러지는 매립하거나 해양투기로 처분하였으나 2012년부터는 해양투기가 전면금지됨에 따라 슬러지를 처분하기 위해서는 고도로 건조하거나 탄화하여 수분을 제거한 후 매립하거나 연료로 사용하여야 한다.
또한 산업적으로도 농산물을 말리거나, 음식물 반죽을 말리거나 하는 용도가 많이 있으나 포함된 수분 1㎏을 증발시키는데 통상 640 ㎉ 라는 많은 열에너지가 필요하며, 석유류나 도시가스 등의 열 에너지 공급원의 가격이 계속 상승하고 있어 경제적으로 아주 큰 부담이 되고 있다.
최근 COP(투입된 에너지와 방출되는 에너지의 비)가 4∼5 정도로 큰 히트 펌가 실용화되어 이를 이용한 건조기가 사용되고 있으나 구성이 불합리하여 에너지를 효율적으로 이용하지 못하고 있다.
예를 들면 "등록 발명특허 제10-0925985호(2009.11.02) 슬러지 건조기"가 있는데 상기 발명에서는 건조기의 공기를 증발기에서 냉각하고, 응축기에서 냉각된 공기를 재가열하고 응축기의 일부를 건조기 외부에 설치하여 냉각 팬으로 냉각하고 있다.
히트 펌프의 원리는 증발기에서 흡수한 저온 상태의 열 에너지를 압축기에서 고압으로 압축하여 응축기에서 고온 상태의 열에너지로 바꾸는 것으로서 응축기에서 발생하는 고온 상태의 열 에너지는 증발기에서 흡수한 저온 상태의 열 에너지보다 압축기가 공급한 일(에너지)만큼 더 크다.
따라서 증발기와 응축기로 구성한 냉동기(히트 펌프)를 사용하여 열 에너지의 폐쇄회로를 구성하여 건조기를 운전하는 경우 압축기가 공급한 열 에너지만큼이 남아서 열 에너지 회로 내에 축적되므로 연속적인 운전이 불가능해진다.
이를 방지하기 위하여 압축기가 공급한 크기 만큼의 에너지를 외부로 배출하여야 하지만, 상기 발명에서는 그 에너지를 건조기로 공급되는 공기를 가열하는데 다 사용하지 못하고, 응축기의 일부를 건조기 외부에 설치하여 냉각 팬으로 냉각하면서 열 에너지를 배출하여 열 에너지의 균형을 이루었으나, 압축기에서 공급된 열 에너지를 이용하지 못하고 버리기 때문에 열 에너지 이용률이 낮았다.
또한 건조실의 온도가 낮아서, 건조한 후에 발생하는 건조 슬러지가 위생적으로 안전하지 못한 문제가 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 습윤한 고형물 중에 포함된 물이 증발할 때 가지는 물리적 특성에 부합하게 작동할 수 있는 구조를 가진 건조기를 구성하여, 히트 펌프에서 발생하는 에너지를 전량 유효하게 이용하여, 에너지 소비가 적고 건조된 후의 고형물이 위생적으로 안전하고 악취가 발생하지 않는 에너지 소비가 적은 건조기를 제공하는 것이다.
압축기, 증발기, 응축기, 팽창 밸브로 구성한 히트펌프를 사용하여, 수분을 포함한 고형물질을 건조하는 건조장치에 있어서,
습윤한 고형물을 투입하기 위한 고형물 투입구(11)를 구비하고 그 내부에서 고형물을 건조하고 배출하는 건조실(10);
상기 건조실 내에 설치하여 건조실에 투입된 습윤한 고형물을 저속으로 이송하면서 가열, 건조하기 위한 통기성 컨베이어(20);
상기 통기성 컨베이어로부터 건조실 내측 하부로 하강하여 배출되는 건조된 고형물을 외부로 이송하는 건조 고형물 이송장치(100);
상기 건조실의 외부에 설치하여, 냉각관에 상기 건조실에서 배출되는 습 공기를 통과시키면서, 대기 중의 공기 또는 냉각수를 이용하여, 상기 건조실에서 배출되는 습 공기 중에서 잉여 열 에너지를 냉각하고 응축수를 배출하는 잉여 열 냉각기(50);
저온의 열 매체가 순환하는 증발기(61)를 내장하고 상기 건조실의 외부에 설치하여, 상기 잉여 열 냉각기에서 일부 냉각된 공기를 통과시키면서, 낮은 온도로 냉각하고 응축수를 배출하는 공기 냉각기(60);
고온의 열 매체가 순환하는 응축기(80)를 상기 건조실(10)의 내부에 설치하되, 상기 통기성 컨베이어(20)의 길이 방향으로 배치하여, 상기 공기 냉각기로부터 상기 건조실에 유입하는 냉각공기를 1개 이상의 순환 팬(83)으로 순환시키면서 응축기와 접촉횟수를 증가하여, 고온으로 가열하는 응축기(80);
상기 건조실의 출구와 상기 잉여 열 냉각기(50)의 사이에 설치하여, 건조실 내의 습윤한 공기를 흡인하여 잉여 열 냉각기로 공급하는 흡인 송풍기(40);
잉여 열 냉각기에서 회수된 온풍 또는 온수를 재이용하는 부대장치; 및
상기 냉각공기의 온도를 측정하여, 냉각공기의 온도가 일정하게 유지되도록 상기 잉여 열 냉각기의 냉각조건을 자동 조절하고, 상기 흡입 송풍기, 압축기, 통기성 컨베이어의 운전을 자동 조절하는 자동제어반(110)을 포함한 것을 특징으로 하는 에너지 소비가 적은 건조기를 제공한다.
제1도는 본 발명의 일 실시 예를 나타낸 구성도
제2도는 본 발명의 다른 실시 예를 나타낸 구성도
제3도는 본 발명의 건조기 측면도
제4도는 대기온도에 대한 포화증기량 표
제5도는 건조기의 열 에너지 흐름도
본 발명의 건조기는 습윤한 고형물을 1∼3시간 동안에 건조할 수 있는 건조실(10)의 내부에 통기성 컨베이어(20)를 설치하고, 건조실(10)의 한쪽 끝 상부에 습윤한 고형물을 투입하는 투입구(11)를 설치하고, 통기성 컨베이어(20) 끝 하부에는 건조된 고형물을 배출할 수 있는 배출구(12)를 설치하였다.
건조실(10)의 내부 측면에는 통기성 컨베이어(20)의 측면에 위치하도록 응축기(80)를 내장하여 설치하여 건조실(10) 내의 공기를 가열하게 하였다.
건조실(10)의 끝쪽 외부에 흡인 송풍기(40)를 설치하여, 공기배관(30)을 통하여 건조실(10) 내의 고온이고 습윤한 공기를 잉여 열 냉각기(50)로 이송한다.
잉여 열 냉각기(50)는 이송된 공기가 여러 개의 관을 통과하면서, 냉각 팬(51)에서 이송된 대기 중의 공기에 의하여 냉각 되도록 하였으며, 잉여 열 냉각기(50)에서 냉각하여 제거되는 열 에너지의 양은 압축기(70)에서 공급한 열 에너지에서 장치의 열 손실량을 뺀 값으로 한다.
잉여 열 냉각기(50)에서 냉각된 공기 중에 포함되었던 수증기의 일부는 응축수가 되어서 응축수 드레인(52)을 통하여 외부로 배출한다.
잉여 열 냉각기(50)를 통과한 공기는 공기 냉각기(60)로 이송되고 공기 냉각기(60)의 내부에 내장된 증발기(61)와 접촉하여 열교환을 하면서 10∼20℃로 냉각된다.
공기 냉각기(60)에서 냉각된 공기 중의 수증기는 응축수가 되어 응축수 드레인(62)을 통하여 외부로 배출된다.
공기 냉각기(60)의 출구에는 온도센서(도시하지 않음)를 설치하여, 공기 냉각기(60)의 출구 온도신호를 자동제어반(110)으로 전송하여, 냉각 공기의 온도가 설정치범위를 유지하도록 잉여 열 냉각기(50)의 냉각 팬(51)의 회전속도를 자동 제어한다.
공기 냉각기(60)를 통과한 공기는 건조실(10) 입구에 설치되는 콘 형상의 단면을 가진 확대부(13)를 통과하면서 균등한 속도로 건조실(10)의 내부로 이송되고, 건조실(10)의 내부에 설치한 응축기(80)의 출구 쪽에 접촉하고, 응축기(80)의 입구 쪽(고온 측)으로 흐르면서 점차 가열되어 고온으로 가열된다.
공기가 고온으로 가열되면서, 통기성 컨베이어(20)에 실려 저속으로 이송하는 습윤한 고형물을 가열하여, 고형물 중의 수분이 증발하면서, 많은 열 에너지를 필요로 하는데, 응축기(80)에서 계속 열 에너지를 공급하면서 건조실(10) 내의 온도를 유지한다.
응축기(80)의 측면(제3도 참조)에 설치한 순환 팬(83)은 건조실(10) 내의 공기를 횡방향으로 순환시켜서, 건조실(10) 내의 공기가 응축기(80)와 효과적으로 열교환을 하고, 건조실(10) 내에 열에너지를 확산하는 작용을 한다.
한편 히트펌프의 열 매체는 공기 냉각기(60)의 증발기(61)에서, 잉여 열 냉각기(50)를 통과한 공기 중에서 열에너지를 흡수하여 10∼15℃가 되어 압축기(70)로 이송되고, 압축기(70)에서 고압으로 압축되면서 온도가 상승하여, 압축기(70) 및 열 매체에 따라 97∼130℃로 가열된다.
가열된 열 매체는 응축기(80)로 이송되고, 고온으로 가열된 응축기(80)에서 건조실(10) 내의 공기와 열교환을 하면서 20∼25℃로 냉각된 다음 팽창 밸브(90)를 통과하면서 온도가 강하하여 -5 ∼ 5℃가 되어 증발기(61)로 이송되어서, 증발기(61)에서 열 에너지를 흡수한다.
대기중의 포화 수증기의 양은 제4도와 같이 온도에 따라 변화하며, 온도가 높아질수록 그 양이 급격히 증가한다.
함수율이 높은 습윤한 고형물을 대기압조건에서 건조하는 건조기에서, 열을 가하여 건조하는 것은 습윤한 고형물 내에 포함된 물을 수증기로 변화하여 제거하는 것이다.
건조기에서 습윤한 고형물을 건조하고 난 후의 공기에는 다량의 수증기가 포함되어 있고, 상기 수증기가 가진 열량은 건조에 유효하게 이용된 열 에너지이고, 공기의 온도에 해당하는 공기가 가진 열량은 건조에 유효하게 이용되지 못하는 열 에너지가 된다.
그러므로 건조 후 공기의 온도를 높게 유지하고 수증기의 습도를 높여서, 건조 후 공기가 가진 열량 중 수증기가 가진 열량이 공기가 가진 열량보다 클수록 열에너지의 이용효율이 높게 되므로, 건조 후의 공기 온도를 100℃로 유지하고, 상대습도를 100％로 하면 최고의 열에너지 효율을 얻을 수 있다.
그러나 종래의 공기조화기를 이용한 건조기에서는 응축기(80)에서 55∼65℃의 온도로 공기를 가열한 다음에 건조실(10)에 공급하고, 공급된 가열된 공기가 건조실(10)을 통과하면서 습윤한 고형물을 가열해서 고형물을 건조하였는데, 공기의 비열은 0.6으로 작아서 공기가 가진 열량은 고형물 중의 수증기가 증발할 때 필요한 증발잠열의 열량보다 훨씬 작기 때문에 공기의 온도는 건조가 진행할수록, 고형물에서 증발하는 수증기의 잠열에 의하여 낮아져서, 건조실(10) 출구의 공기는 건조실(10) 입구에 공급된 공기온도의 1/2 정도의 낮은 온도를 가진 습 증기가 된다.
제4도에서 보는 바와 같이 공기 온도가 35℃로 낮아졌을 때 공기 중의 포화증기의 양은 35℃에서는 0.0396㎏/N㎥로서, 65℃에서 0.161㎏/N㎥에 비하여 25％로 급격히 감소하여, 유효하게 이용할 수 있는 열 에너지의 비율이 낮아서 에너지 이용 효율이 낮아지고, 상기 예에서 공기가 가진 열량은 27 ㎉/N㎥, 수증기가 가진 열량은 24.3 ㎉/N㎥로서, 열 에너지 이용 효율은 47％이다.
열 에너지 이용효율을 높이기 위해서는 건조기로 공급하는 공기의 온도를 100℃보다 훨씬 높은 온도로 높이면 되지만, 현재 시중에서 유통되는 히트펌프는 규정된 COP에서 일반적으로 55∼65℃의 가열 공기를 발생할 수 있으므로, 건조기를 통과한 공기의 온도는 30∼40℃로 낮아지기 때문에 열 에너지 효율이 낮은 것이다.
반면 동일한 공조기를 히트펌프로 이용한 경우에, 건조실(10) 내부에 응축기(80)를 설치하되, 응축기(80)를 건조실(10)의 길이 방향으로 길게 설치하여, 건조실(10)에 공급하는 공기가 응축기(80)의 저온 측에서 고온 측으로 이동하면서 계속 가열되게 한 경우에는, 건조실(10) 후단에서 습 공기를 수증기로 포화 되게 하고, 공기온도를 65℃로 가열할 수 있으며, 65℃의 공기 중의 포화 수증기의 양은 0.161㎏/N㎥이고, 수증기가 가진 열량은 100.9㎉/N㎥, 공기가 가진 열량은 50.7㎉/N㎥로서 열 에너지 이용효율은 67％로 높아진다.
본 발명은 상기에서 설명한 것과 같이 대기 중에 포함된 수증기의 특성 및 히트 펌프의 특성이 부합되도록 건조기를 구성하기 위하여, 건조실(10)의 내부에 건조실(10)의 길이 방향으로 응축기(80)를 설치하고, 응축기(80)의 출구 쪽(저온 측=건조실 공기 유입구)에서 공기 냉각기(60)를 통과한 저온의 공기가 유입되게 하고, 저온의 공기가 응축기(80)의 입구 쪽(고온 측)으로 이동하면서 응축기(80)와 계속 접촉하면서 점차 가열되어, 통기성 컨베이어(20)에 실려 저속으로 이송하고 있는 습윤한 고형물과 접촉, 열교환을 하면서 수증기를 발생하고, 응축기(80)로부터 계속 열 에너지를 공급받아서 건조실(10) 후단에서 최고 온도가 되도록 하였다.
상기와 같이 건조기를 구성함으로써, 수증기가 가진 열 에너지가 공기가 가진 열에너지보다 훨씬 크게 하여 열에너지 이용효율을 높게 하였다.
또한 본 발명에서, 열 매체를 탄산가스나 최신 개발 열 매체를 이용하거나 열 매체를 압축하는 사이클을 2단으로 구성하는 방법 등을 이용하여, 응축기(80)의 열 매체 온도를 120∼130℃로 가열하는 히트펌프를 적용하는 경우에는 건조실(10) 후단에서 수증기가 포화 된 상태의 습 공기의 온도를 95℃ 이상으로 가열할 수 있으며, 상기와 같이 적용한 경우, 수증기가 가진 열량은 321.6㎉/N㎥, 공기가 가진 열량은 74.1㎉/N㎥로서 열 에너지 이용효율은 81.3％이상으로 높아진다.
상기에서 표시한 열 에너지 이용효율은 수증기 특성에 의하여 정해지는 효율이고, 상기 열 에너지 이용효율에 히트펌프의 COP( 통상적으로 4∼5)를 곱하면 건조기의 열 에너지 이용효율이 된다.
그러므로, 본 발명에 COP 4의 일반 공기조화기를 히트펌프로 구성하여 건조기를 구성하는 경우 건조기의 열에너지 이용효율은 67×4=282％이고, COP가 5인 고온형 히트펌프로 건조기를 구성한 경우 열에너지 이용효율은 81.3×5=406.5％로 높아지므로, 열역학의 이론대로 물 1㎏을 증발하는데 640㎉의 열에너지를 가해야 하는 것은 동일하나, 외부에서 공급하는 열 에너지는 640÷406.6/100=157.5㎉에 해당하는 전력을 공급하면 되므로, 종래의 경유를 이용한 건조기에서 물 1㎏을 증발하는데 필요한 열량 800∼1,000㎉에 비하여, 에너지 소비를 대폭 절감할 수 있는 것이다.
제2도는 공기 가열기(85)를 건조실(10)의 외부에 설치한 실시 예로서 상기에서 설명한 바와 같이 응축기(80)를 건조실(10) 내부에 설치하는 방법에 비하여 열 에너지 이용효율은 낮아지지만, 건조 후 공기에서 잉여 열 에너지만을 건조실(10) 외부에 설치한 잉여 열 냉각기(50)에서 냉각하는 방법이므로, 히트 펌프에서 공급한 열 에너지를 고형물의 건조에 유효하게 이용할 수 있어서, 종래의 응축기(80)의 일부를 대기 중에서 냉각하는 건조기에 비하여 열 이용효율이 25％이상 높고, 유지관리가 용이한 이점이 있다.
잉여 열 냉각기(50)는 제1도에 표시한 것과 같이 냉각 팬(51)으로 대기중의 공기를 이송하면서 잉여 열 에너지를 냉각하는 방법 외에, 10∼30℃의 냉각수를 잉여 열 냉각기(50)에 이송하여, 냉각하는 방법을 사용할 수 있다.(도시 하지 않음)
잉여 열 냉각기(50)에서 건조 후의 공기에서 잉여 열을 냉각하는데 사용한 대기중의 공기나 냉각수는 40∼50℃의 온도를 가지므로, 냉각수는 온수로 재이용하고, 냉각 후의 공기는, 대기 온도가 높은 여름철에는 건축물 외부의 대기중으로 배출하고, 난방이 필요한 계절에는 건축물 내로 공급하여 난방에 이용함으로써, 건조기전체의 열 에너지 이용효율을 더욱 높일 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 에너지 소비가 적은 건조기는 폐쇄회로로 구성하여 외부로 공기가 배출되지 않으므로, 악취발생이 없고, 고형물 건조를 95℃에서 1시간 이상 건조하기 때문에 건조 과정에서 고형물 내에 존재할 수도 있는 세균, 바이러스, 기타 위생상 해로운 원생동물 등이 전부 사멸하여, 건조 후의 고형물은 위생적으로도 안전하다.
[부호의 설명]
10 건조실 11 투입구 12 배출구 13 확대부
20 통기성 컨베이어 30 공기배관 40 흡인 송풍기
50 잉여 열 냉각기 51 냉각 팬 52 응축수 드레인
60 공기 냉각기 61 증발기 62 응축수 드레인
70 압축기 80 응축기 83 순환 팬
85 공기 가열기 90 팽창 밸브 100 건조 고형물 이송장치
110 자동제어반
본 발명은 건조되는 고형물 중의 물이 증발할 때 가지는 물리적 특성을 이용하여, 합리적인 구조와 운전방법, COP가 큰 히트펌프의 사용으로, 열에너지의 이용률을 최대화하여, 습윤한 고형물의 건조에 필요한 열 에너지의 소비를 최소화하고, 잉여 열 냉각기에서 발생한 온풍 또는 온수를 재활용할 수 있어서, 에너지 절감은 물론 탄소배출량을 획기적으로 감소시키고, 건조장치를 폐쇄회로로 구성하였기 때문에 외부로 건조공기가 배출되지 않아서, 원천적으로 악취가 발생하지 않으며 고온으로 건조하기 때문에 위생적으로 안전한 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 압축기(70), 증발기(61), 응축기(80), 팽창 밸브(90)로 구성한 히트펌프를 사용하여, 수분을 포함한 고형물질을 건조하는 건조장치에 있어서,
    상부에 습윤한 고형물을 투입하기 위한 고형물 투입구(11)를 구비하고, 하부에 내부에서 건조된 고형물을 배출하는 배출구(12)가 구비된 건조실(10);
    상기 건조실(10) 내에 설치하여 건조실(10)에 투입된 습윤한 고형물을 저속으로 이송하면서 가열, 건조하기 위한 통기성 컨베이어(20);
    상기 통기성 컨베이어(20)로부터 건조실(10) 내측 하부로 하강하여 배출되는 건조된 고형물을 외부로 이송하는 건조 고형물 이송장치(100);
    상기 건조실(10)의 외부에 설치하여, 냉각관에 상기 건조실(10)에서 배출되는 습 공기를 통과시키면서, 대기 중의 공기 또는 냉각수를 이용하여, 상기 건조실(10)에서 배출되는 습 공기 중에서 잉여 열 에너지를 냉각하고 응축수를 배출하는 잉여 열 냉각기(50);
    저온의 열 매체가 순환하는 증발기(61)를 내장하고 상기 건조실(10)의 외부에 설치하여, 상기 잉여 열 냉각기(50)에서 일부 냉각된 공기를 통과시키면서, 낮은 온도로 냉각하고 응축수를 배출하는 공기 냉각기(60);
    상기 통기성 컨베이어(20)의 측면에 위치하도록 고온의 열 매체가 순환하는 응축기(80)를 건조실(10)의 내부에 설치하되, 상기 통기성 컨베이어(20)의 길이 방향으로 배치하여, 상기 공기 냉각기(60)로부터 상기 건조실(10)에 유입하는 냉각공기를 응축기(80)의 측면에 설치된 1개 이상의 순환 팬(83)으로 순환시키면서 응축기(80)와 접촉횟수를 증가하여, 고온으로 가열하는 응축기(80);
    상기 건조실(10)의 출구와 상기 잉여 열 냉각기(50)의 사이에 설치하여, 건조실(10) 내의 습윤한 공기를 흡인하여 잉여 열 냉각기(50)로 공급하는 흡인 송풍기(40);
    잉여 열 냉각기(50)에서 회수된 온풍 또는 온수를 재이용하는 부대장치; 및
    상기 공기 냉각기(60)의 출구에 설치된 온도센서로 측정한 냉각공기의 온도신호를 전송받아 검출된 온도신호에 따라 냉각공기의 온도가 일정하게 유지되도록 냉각 팬(51)의 회전 속도를 자동 조절하며, 상기 흡인 송풍기(40), 압축기(70), 통기성 컨베이어(20)의 운전을 자동 조절하는 자동제어반(110); 을 포함하되,
    상기 공기 냉각기(60)를 통과한 공기를 건조실(10) 내부로 이송하기 위하여 건조실(10) 입구에 설치되는 콘 형상의 단면을 가진 확대부(13); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 소비가 적은 건조기.
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