KR20030062767A - 피건조물에서 발생되는 증기열과 원적외선을 이용한건조방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

건조 시 사용되는 열을 건조기 외부로 유출시키지 않고 가열에너지는 피건조물에 함유된 수분의 증발에너지로 이용되고, 증발된 수분은 압축펌프의 작용으로 압축되어진 후 응축되면서 응축열이 다시 가열에너지로 사용되어지는 가운데, 이 때 이 가열에너지로 바뀌는 과정에서 일부는 원적외선열로 변환되고 일부는 수증기나 공기의 열전달을 통한 가열되어지는 열로 변환되도록 하여, 피건조물을 건조함에 있어서 진공중에서 건조공정을 행할때는 가열열을 원적외선으로 변환시켜서 진공중에 가열열로 이용되면서 건조공정이 가능하도록 하고, 건조조건이 100°C이상의 온도일 때는 가열열을 원적외선과, 수증기를 열전달매체를 이용한 열전달을 통한 열로 변환시켜서 건조공정이 가능하도록 한다. 건조조건이 40∼60℃이며 공기가 들어있는 대기압과 같은 조건일때는 공기의 압축열과 수증기의 응축열이 원적외선열과 공기의 열전달을 통한 열도 변환되어서 가열열로 이용되도록 하여 건조공정이 가능하도록 한다. 이러한 원리가 가능한 채 작용되면서 경우에 따라 피건조물이 이동되면서 가열되고, 건조되는 공정이 연속으로 진행되는 방법이 가능하도록 한다.

Description

피건조물에서 발생되는 증기열과 원적외선을 이용한 건조방법 및 장치{Dehydration Process by Using the Infra-red and Steam Heat Proceeded from Drying Materials.}

건조기술에 있어서 통상적으로 건조시에 필수적으로 다량의 열이 사용되면서 건조공정이 진행되므로, 건조시에 사용되는 열의 사용량에 있어서 열사용효율에 대한 점은 매우 중요한 문제이다. 다종류의 건조기에 있어서 성적계수(cop)가 1이상이 되는 종류의 건조기는 없다. 또한 건조방법에 있어서 다양한 건조조건에 맞출 수 있는 건조기술은 없으며, 열풍건조기가 진공건조를 행할 수 없으며, 진공건조기가 열풍건조를 행할 수 없다. 특히 피건조물의 종류 중 정수·하수처리장에서 발생되는 슬러지의 건조에 있어서 건조 시 열사용효율은 매우 중요하다. 슬러지는 쓰레기류로서 부가가치가 없으므로 건조처리 비용을 최대한 낮추어야 하는 문제점이 제기된다.

음식물 쓰레기나 정수·하수처리장에서 발생되는 슬러지는, 탈수처리를 하여 1차 수분제거를 해도 약 60∼70%의 수분이 함유되어 있다. 이 음식물 쓰레기나 슬러지를 건조하여 수분을 약 15% 미만을 유지하여야 하는데, 이 때 사용되는 기존 건조기술의 경우 건조 시 사용효율이 60%를 넘지 못한다. 기존 기술의 경우 연료의 연소열을 이용해, 340℃내외의 온도에서 가열하여, 슬러지에 함유한 수분을 증발해 건조하는데, 열사용 효율을 높이기 위해 건조열로 제공되어서 사용된 후 나오는 폐열을, 열교환기를 통해 열교환을 하여 슬러지를 예열시키는 열로서 사용하는 등의 노력을 기울이고 있다. 또한 340℃내외에서 건조를 행함으로서 슬러지에서 발생되는 가연성 가스로 인해, 건조실의 내부 압력이 높아지면 폭발의 위험성이 상존한다. 슬러지에 함유된 유기물이 일부 미생물에 의해 분해되어 가연성 가스가 생성되고, 건조실내에 있는 공기 중에 가연성가스의 함유율이 높아지게 되는데, 폭발 한계치까지 가연성 가스의 함유율이 높아지면 폭발하게 된다. 그러므로 300℃이상에서 건조를 행할 때 건조실내의 압력이 일정압력이하로 유지하면서 건조를 행해야하는 문제점이 있다.

건조 시 사용되는 열을 건조기 외부로 유출시키지 않고 가열에너지는 피건조물에 함유된 수분의 증발에너지로 이용되고, 증발된 수분은 압축펌프의 작용으로 압축되어진 후 응축되면서 응축열이 다시 가열에너지로 사용되어지는 가운데, 이 때 이 가열에너지로 바뀌는 과정에서 일부는 원적외선열로 변환되고 일부는 수증기나 공기의 열전달을 통한 가열되어지는 열로 변환되도록 하여, 피 건조물을 건조함에 있어서 진공중에서 건조공정을 행할때는 가열열을 원적외선으로 변환시켜서 진공중에 가열열로 이용되면서 건조공정이 가능하도록 하고, 건조조건이 100℃이상의 온도일 때는 가열열을 원적외선과, 수증기를 열전달매체를 이용한 열전달을 통한 열로 변환시켜서 건조공정이 가능하도록 한다. 건조조건이 40∼60℃이며 공기가 들어있는 대기압과 같은 조건일때는 공기의 압축열과 수증기의 응축열이 원적외선열과 공기의 열전달을 통한 열도 변환되어서 가열열로 이용되도록 하여 건조공정이 가능하도록 한다. 이러한 원리가 가능한채 작용되면서 경우에 따라 피건조물이 이동되면서 가열되고, 건조되는 공정이 연속으로 진행되는 방법이 가능하도록 한다. 본공정을 활용하여 건조공정을 행할 때 피건조물이 슬러지라고 할 경우 연속으로 건조가 가능한 장치를 추가 설치하여, 습한 슬러지를 주입해 건조하고 건조된 슬러지를 건조실의 외부로 배출시키는 가운데, 연속건조공정이 이루어지는 상황과 본공정의 장치 및 원리와 방법은 다음과 같다.

건조실내에 핀이 착설된 채 다수개로 조합된 원적외선 방사튜브를 설치하고,방사튜브 사이사이에 슬러지가 담아진 채 한측 방향으로만 이동되는 콘베어밸트를 장치하고, 이 콘베어밸트에 이동식 채반인 스텐철망을 설치한다. 슬러지는 건조실 외부에 장치된 수십kg/㎠ 의 압력으로 밀어내는 압축장치의 작용으로, 건조실로 주입되어서 건조실의 이동식 채반에 약 1∼3cm의 두께로 담겨지고, 이 이동식 채반은 콘베어밸트의 작용으로 인해 연속으로 일정한 속도를 통해 한측 방향으로 이동되어진다. 핀이 착설된 원적외선 방사튜브를 통해 이동되고 있는 슬러지를 가열하게 되고, 슬러지는 가열되어 온도가 상승되면서 슬러지에 함유한 수분의 증발이 이루어진다. 이때 건조실 내부의 압력은 실내의 증기 온도에 따라서 이 온도에 해당되는 압력이 형성되어 진다. 건조실 내부에 원하는 임의의 압력이 형성되면, 압축기를 통해 이 건조실 내부의 수증기를 압축해 원적외선 방사튜브로 유입시킨다. 원적외선 방사튜브에 유입된 압축된 수증기는 핀이 착설된 방사튜브의 내부에서 응축되면서, 방사튜브를 통해 슬러지에 응축열과 압축열을 제공하게 된다. 이 때 슬러지에 제공되는 열은 2가지로 열전달이 이루어지는데, 그것은 원적외선에 의한 열전달과 방사튜브에 착설된 핀(fin)을 통해 건조실 내부에 있는 수증기에 의해서이다. 방사튜브에 착설된 핀에서 방출된 원적외선은 슬러지에 입사되면서 가열되어지고, 핀에 접촉된 증기는 가열되면서 슬러지에 닿아 슬러지를 가열시키는 역할을 한다. 연속으로 이동되는 채반에 담겨져 있는 슬러지는 이동되어지는 동안, 건조가 이루어지고 한측 방향으로 채반의 끝에 다다르면 중력에 의해 밑으로 떨어지게 된다. 밑면으로 배출되는 장치에 의해 외부로 배출되어진다. 원적외선 방사튜브에 유입된 압축 증기는 이곳에서 응축되어 응축수 저장탱크로 유입된다. 건조실의 내부 증기는대부분이 수증기로 형성된다. 내부에 잔류되어 있는 공기는 원적외선 방사튜브에 유입된후 건조실 밖으로 배출됨으로 인해, 건조실 외부에서 소량 유입되는 공기를 제외하고는, 건조실 내부의 공간은 대부분 수증기로 이루어져 있게된다. 이러한 장치 및 공정을 통해 연속으로 슬러지를 건조하며, 건조 조건에 따라 건조 시 열사용효율을 1000%(cop:10) 이상을 시현할 수 있게 된다.

a : 건조실 b : 원적외선 방사튜브 c : 응축수 저장 탱크

d : 압축증기 저장탱크 e : 슬러지 압축장치 f : 전자밸브

g : 압축펌프 h : 증기흡입구 i : 슬러지 투입구

j : 콘베어 밸트 k : 전자밸브 l : 방사튜브 연결관

m : 슬러지 n : 진공펌프

o : 슬러지주입장치(스크류) p : 건조슬러지 배출장치(스크류)

q : 순환펌프 r : 가열장치 s : 건조탱크

t : 스텐철망(이동식채반) u : 열교환기 v : 핀(fin)

w: 받침대

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

일정한 내용적과 일정한 압력 이상의 내구성을 지닌 단열처리된 탱크(s)의 내부와 외부에 다음과 같은 장치들이 설치되어 있다.

건조탱크(s)의 외부 윗측면에 압축펌프(g)가 설치되어 있고, 이 압축펌프의 배출구는 건조 탱크(s)의 내부 윗부분에 위치한 압축증기 저장탱크(d)와 연결되어 있다. 이 압축증기 저장탱크(d)는 핀(fin)이 착설된 원적외선 방사튜브(b)의 연결관(1)과 연결되어져 있다. 원적외선 방사튜브(b)는 다수개가 위와 아래로 일정간격을 두고 겹쳐져 있는데, 이 사이사이에는 일정속도로서 연속으로 이동하는 콘베어밸트(j)가 있으며, 콘베어밸트(j)위에 채반 역할인 스텐철망(t)이 밸트처럼 착설되어져 있다. 이 스텐철망(t)은 콘베어밸트(j)와 같이 일정방향으로 이동하는데, 이 스텐철망 위에 건조시켜야 할 슬러지(m)가 약 1∼3cm 두께로 쌓여 같이 이동하도록 되어 있다. 원적외선 방사튜브(b)의 밑면에는 응축수 저장 탱크(c)가 방사튜브연결관(1)과 연결되어 있으며, 이 응축수 저장 탱크(c)의 내부에는 항상 일정량의 응축수가 채워져 있는데, 이 응축수를 가열하는 가열장치(r)가 들어있다. 건조탱크(s)의 외부 윗측면에는 슬러지를 압축하여 건조탱크(s)의 내부로 밀어 넣어주는 압축장치(e)가 설치되어 있다. 건조탱크(s)의 외부 우측면에는 진공펌프(n)가 설치되어 있다. 건조탱크(s)의 외부 좌측의 밑면에는 건조슬러지 배출장치(p)가 설치되어 있다. 100℃ 이상의 온도에서 건조가능한 음식물 쓰레기와 슬러지를 건조할 때를 기준으로, 건조공정의 방법 및 장치를 설명할 때 각 장치의 기능과 건조 공정 시 역할은 다음과 같다.

먼저 응축수 저장탱크(c)의 내부에 있는 가열장치(r)를 통해 응축수를 가열한다.

가열장치는 보일러의 열을 열교환기로 열교환하여 사용하거나 전기히터를 이용하면 된다. 응축수 저장 탱크(c)에는 항상 일정량의 응축수가 남아 있게 되는데, 이 남아 있는 응축수는 가열되어 증발하게 되고, 증발온도는 원하는 압력 범위에서 100℃이상 유지시키는 것이 바람직하다. 100℃ 이상되어야 1kg/㎠ 이상의 일정한 압력이 방사튜브 내부에서 이루어지게 되고 방사튜브에 균일한 온도가 유지되게 된다. 방사튜브의 내부압력이 1kg/㎠ 이하가 되면 수증기가 방사튜브 내부에서 균일하게 부위별로 응축이 이루어지지 않아 방사튜브의 부위별로 균일한 온도가 형성되지 않게 되는 것이다. 증발되는 증기의 온도를 133℃로 유지한다고 할 경우 약 3kg/㎠ 압력 이상으로 증발되며, 이 압력으로 증발된 증기는 원적외선 방사튜브(b)의 내부에 들어가서 방사튜브를 가열시킨다. 방사튜브(b)는 133℃ 내외로 가열되어 건조탱크(s) 내부에 설치된 콘베어밸트(j)나 콘베어밸트(j)에 착설된 스텐철망(t)등을 가열한다. 이 때 가열되는 가열방법은 원적외선과 건조실(a)에 있는 공기에의해서 이다. 내부온도가 원하는 일정온도가 되면, 진공펌프(n)를 작동시켜 공기를 탱크(s) 내부에서 제거한다. 진공펌프가 작동되어 약 10분이 경과되면 진공펌프(n)의 작동을 중지시키고, 슬러지 압축장치(e)를 작동해 슬러지를 건조실 내부의 윗부분에 위치한 콘베어밸트(j)위에 착설된 스텐철망(t)의 위에 슬러지 주입구(o)를 통해 주입시킨다. 이 때 슬러지 압축장치(e)의 압축압력은 수십kg/㎠이며 슬러지(m)는 이 압력에 의해 슬러지 주입구(o)를 통해 스텐철망(t)위에 떨어지게 된다. 동시에 콘베어밸트(j)를 동작시키면 슬러지(m)는 스텐철망(t)위에 떨어지며 이동되어 지는데, 도면에 보이는 바처럼 윗부분의 콘베어밸트(j)는 좌측방향으로 이동되어 진다. 이동되면서 원적외선 방사튜브(b)의 작용에 의해 가열이 진행되면서 수분의 증발이 진행된다. 윗부분에 위치한 콘베어밸트(j)의 좌측 끝면에 다다르면, 중력에 의해 낙하하면서 밑부분에 위치한 콘베어밸트(j)에 착설된 스텐철망(t)에 떨어지면서 우측으로 이동되어진다. 슬러지(m)는 스텐철망(t)에 떨어지는 동안 받침대(w)에 닿으며 외부로 떨어지지 않고 안전하게 스텐철망(t)위로 떨어지게 된다. 우측의 끝단에 다다르면 그 밑부분에 위치한 콘베어밸트(t)의 위에 떨어지면서 좌측으로 이동되어 진다.

이처럼 이동되어 지는 동안 슬러지(m)는 슬러지 투입구(i)를 통하여 지속적으로 건조실내로 주입되어지며, 이동되면서 가열되어 수분의 증발이 진행된다. 시간이 흐르면 실내의 수증기의 압력은 높아지게 된다. 원적외선 방사튜브(b)의 온도는 원하는 임의의 온도를 유지할 수 있는데 원하는 온도가 133℃라고 할 때, 원적외선 방사튜브(b)의 온도인 약 133℃로 수증기의 온도가 상승되면 수증기 압력은3kg/㎠의 압력이 된다.

이 때 압축펌프(g)를 작동해 흡입구(h)를 통해 건조실의 증기를 흡입한 후, 압축하여 압축증기 저장 탱크(d)로 보낸다. 저장 탱크의 내부 압력은 원하는 임의의 일정압력을 유지할 수 있으며, 그 압력을 8kg/㎠으로 유지시킨다고 할 경우, 저장탱크(d)의 내부압력이 약 8kg/㎠가 될 때까지 압축펌프(g)를 작동시킨다.

저장탱크(d)의 내부압력이 8kg/㎠가 되면 압축펌프(g)는 도면에 도시되지는 않았으나 자동으로 멈추도록 하는 압력센서의 기능을 통해 제어시킨다. 압축증기가 저장탱크(d)에 유입되는 동안 전자 밸브(k)는 닫혀있게 되며, 전자밸브(f)는 열려 있게 된다. 저장탱크(d)에 8kg/㎠의 압력이 되면 압축펌프(g)의 작동은 멈추어 지며, 전자밸브(f)는 닫히며 전자밸브(k)는 열리게 된다. 압축펌프(g)에서 건조실 내부에 있는 증기를 흡입해 압축할 때 동시에 원적외선 방사튜브(b)로 유입시킬 경우 문제점이 발생된다. 방사튜브(b)에 압축증기가 유입되면 방사튜브(b)는 가열되어 온도상승이 되는데, 이 열이 슬러지의 가열열로 이용되기 전에 수증기만을 가열하게 되어지고, 이렇게 되면 수증기는 건증기가 되는데 이 건증기를 압축펌프(g)로 흡입시키는 결과가 되어짐으로 인하여, 압축된 증기의 압축열과 응축열이 실제 슬러지(m)의 건조에 이용되지 못하고, 압축펌프(g)에 흡입되어지게 되므로 압축펌프(g)의 소모적인 작동만을 하게 되어 비효율적인 열사용이 되는 현상이 발생하는 것이다. 때문에 압축증기 저장탱크(d)를 통해 압축증기를 저장탱크(d)에 저장해 놓고, 압축펌프(g)의 작용이 멈추어지면 저장탱크(d)에서 방사튜브(b)로 압축증기를 유입시킴으로서, 슬러지(m)에 열을 모두 전달하게 되어 효율적인 건조공정을 수행할 수 있게 된다.

이 때 압축 증기는 저장탱크(d)에서 원적외선 방사튜브(b)와 연결된 연결관(1)을 지나 방사튜브(b)로 유입된다. 압축증기가 방사튜브(b)로 유입되면 응축수 저장탱크(c)에 있는 가열장치(r)의 가열작용은 중지된다. 이 가열장치(r)의 역할은 건조공정의 초기에 건조실내를 예열하며, 슬러지(m)에서 증발된 증기가 3kg/㎠의 압력이 될 때까지만 가열작용을 하게 된다. 원적외선 방사튜브(b)에 유입된 8kg/㎠의 수증기의 온도는 약 170℃가 되는데, 방사튜브(b)에 착설된 핀(fin)을 통해 원적외선이 방사되면서 이동되는 슬러지(m)를 가열시키고, 또한 주변에 있는 수증기는 핀(v)과 닿아 열을 빼앗아 슬러지(m)에 전달시켜주게 된다.

건조 공정 중 건조실 내부의 압력은 임의의 원하는 압력을 유지할 수 있다. 건조실내의 압력유지는 건조열 사용효율과 관계된다. 건조실(a)의 압력이 낮으면 수증기의 밀도가 낮아 같은 질량의 수증기를 압축시킨다고 할 때, 압축펌프(g)의 흡입량이 많아지게 되어 압축펌프(g)의 크기가 커져야 된다. 건조열 사용효율은 압축펌프(g)의 구동에너지와 직접관계 되는 요인이므로, 압축펌프(g)의 구동에너지를 적게 유지하려면 건조 공정 시 건조실(a)의 증기압력은 높을수록 유리하다. 슬러지(m)에 열전달되는 조건도 좋아지게 되는데, 열전달 매체인 수증기가 많으므로 단위시간당 열전달량은 늘어나게 된다. 내부의 유지되는 압력을 2kg/㎠에서 3kg/㎠까지 유지시킨다고 할 때, 압축펌프(g)의 작동은 건조실내부의 수증기 압력이 3kg/㎠에서 작동해, 압축펌프(g)에 의해 흡입되어 건조실(a)의 수증기량이 줄면 압력이 낮아지게 되는데, 2kg/㎠의 압력으로 낮아지게 되면 압축펌프의 작동을 멈추면 된다. 이 때 이동중인 슬러지(m)의 온도도 변화하게 되는데, 건조실 내부의 압력이 3kg/㎠일 때 수증기와 슬러지(m)의 온도는 134℃가 되며, 2kg/㎠으로 줄게되면 수증기와 슬러지(m)의 온도를 120℃가 된다.

수증기의 압력이 3kg/㎠에서 2kg/㎠로 낮아지면, 슬러지의 온도는 134℃인 상태에서 내부 수증기 압력이 불포화 증기압의 조건이 되므로, 수분의 증발이 이루어지게 되면서 슬러지의 온도는 낮아지게 되며, 포화 증기 압력이 2kg/㎠에 해당되는 120℃가 되게 되는 것이다.

압축펌프(g)의 작동은 건조실(a)의 압력과 슬러지(m)의 온도에 따라 작동과 정지를 반복하게 된다. 건조탱크(s)의 내부 압력을 2kg/㎠과 3kg/㎠을 유지한다고 하면, 2kg/㎠의 압력이 되면 압축펌프(g)의 작동을 멈추고, 내부압력이 3kg/㎠이 되면 압축펌프(g)를 작동시키는데, 이 때, 3kg/㎠의 압력이 건증기가 될 경우가 있으므로, 포화수증기 압력이 될 때 작동을 시켜야 된다. 그렇지 않을 경우 압축펌프의 사용효율이 낮아질 수 있게 된다. 방사튜브(b)에서 열전달을 받은 수증기는 슬러지(m)에 열전달을 시키지 않고, 건증기가 되어 압축펌프(g)로 들어가게 되면 건조가 이루어지는 속도가 떨어지게 되어, 시간 손실과 열의 손실을 야기시키게 되는 것이다.

응축수 저장탱크(c)에 유입된 응축수의 온도는 건조 조건에 따라 달라지지만, 건조실(a)의 증기압력이 2∼3kg/㎠일 경우 약 120℃에서 133℃가 되는데, 이 열은 슬러지를 건조탱크(s)의 내부에 유입되기 전에 상태에서 있을 때 예열시키는 열로 사용되어지게 됨으로서, 불필요한 열의 손실을 방지할 수 있게 된다. 순환펌프(q)는 응축수를 열교환기(u)로 보내고, 응축수의 열은 외부에서 이동중인 슬러지(m)와 열교환기(u)를 통해, 열교환을 하면서 슬러지(m)를 가열시켜 예열시키게 되는 것이다. 이 때 슬러지(m)가 건조탱크(s)의 내부에 주입될 때 온도는 약 100℃ 내외가 된다. 응축수 저장탱크(c)의 압력이 2kg/㎠이상되면 순환펌프가 없어도 자체 압력으로 응축수는 밖으로 배출되어진다.

한편 슬러지(m)는 윗부분의 콘베어밸트(t)에 쌓여 이동되고, 그 밑부분에 위치한 다음 칸 콘베어밸트(t)에 낙하되어 이송되면서 건조 공정이 진행되는데, 가장 밑부분에 위치한 콘베어밸트(t)를 통과하면서 건조가 이루어 진 후, 건조슬러지 배출장치(p)로 이동되면서 건조탱크(s)의 외부로 배출되어 진다. 슬러지(m)는 슬러지 투입구(i)를 통해 계속 주입되고 건조되면서 배출되는 과정이 진행되게 된다.

피건조물이 가열되어서 피건조물에 함유한 수분이 증발하여 발생된 증기를, 압축펌프(g)를 통해 압축하여 방사튜브(b)로 주입 시킨다음 방사튜브를 통해, 압축펌프(g)의 압축열과 압축된 증기의 응축열을 다시 피건조물의 가열열로 재이용되면서, 발생되는 수증기를 제거하는 건조방법은 본 장치를 이용한 건조공정을 설명하기 위한 증발온도와 압력인 가열 및 증발온도 120℃내외의 온도와, 2∼3kg/㎠의 수증기 압력의 조건에서 건조공정이 가능하지만, 가열 및 증발온도를 120℃ 이상의 온도에서도 그 이하의 온도에서도 건조공정이 가능하며, 건조실의 내부압력은 2∼3kg/㎠ 압력이 아닌 그 이상의 압력이거나 그 이하의 압력에서도 건조공정이 가능하다. 건조온도가 높고 건조실의 압력이 높을수록 건조공정시 열사용 효율이 증가하는데, 그것은 압축펌프를 사용함에 있어 단위 용적당 수증기의 밀도가 높아 수증기의 질량이 많으므로, 압축펌프가 흡입을 할 때 흡입되는 증기량이 많기 때문에 압축되는 증기량이 많게되고, 그러할 경우 증기의 응축량과 응축시 발생되는 응축열량이 많아지게 되며, 단위시간당 피건조물에 함유한 수분의 증발량이 많아지게 된다. 때문에 건조조건이 고온 고압일 때 열사용 효율이 증가하게 된다.

건조실(a)의 내부가 진공건조 조건이거나 또는 건조실(a)의 내부가 공기가 들어있는 대기압의 조건이어도 위의 건조공정방식은 적용 가능한데 그에 대한 설명은 다음과 같다.

건조온도가 40∼60℃에서 건조하는 대기압의 공기가 있는 상태에서의 건조를 행할 경우, 건조실(a)의 유지되는 온도와 유지시키고자하는 방사튜브(b)의 일정압력과 일정온도를 설정하고, 건조실(a)의 유지되는 습도를 설정해 일정습도가 되면, 압축펌프(g)를 작동해 건조실의 일정한 수분이 함유한 공기를 흡입한 후, 압축해 방사튜브(b)에 주입하고 방사튜브(b)내의 유지되는 일정 압력이 되면, 압축펌프(g)을 멈추고 시간이 경과한 후 방사튜브(b)의 온도가 일정온도로 낮아 지면 방사튜브 내부에 있는 냉각된 공기를 배출시키고 다시 압축펌프를 가동하며, 건조실(a)의 습도가 일정습도로 낮아지면 압축펌프(g)의 가동을 멈추는 등의 공정을 수행함으로서 건조를 할 수 있다. 피건조물을 건조시킴에 있어서 피건조물이 장시간의 건조시간을 요하는 종류가 있으므로, 채반을 이동식이 아닌 고정식으로 하여 피건조물이 채반에 담겨진채 이동되지 않고, 멈추어진 상태에서 건조공정을 할 수 있다. 물론 저진공압력에 서의 건조도 가능하다. 저진공압력에서 건조공정을 행할때는 압축펌프(g)의 흡입구 앞단에 roots 펌프등을 부착해 압축펌프(g)와 같이 동작시키면, 저압력의 증기로 형성된 수분을 제거가 가능하므로 피건조물을 가열하는 공정이 가능하며 건조공정 방식은 위의 조건과 비슷하다.

본 장치를 이용해 저진공압력의 조건에서 건조를 행할 경우, 건조공정이 위의 대기압의 공기가 있는 열풍건조 조건에서 행할 때와 건조공정은 유사하다. 도면에 표기되지 않았으나 압축펌프(g)의 흡입구 앞단에 roots 펌프를 부착해 압축펌프(g)와 같이 동작시키면 저압력의 증기로 형성된 수분의 제거가 가능하며, 이 때의 진공상태에서의 열전달은 방사튜브에서 발생하는 원적외선에 의해서이다. 진공조건에서 건조공정시에 수증기의 응축열을 가열열로 이용하되, 가열열을 원적외선으로 변환시켜 제공하게되므로, 본 장치에 있어서 진공건조가 가능하게 된다.

·건조 공정 중 발생되는 수증기를 압축펌프(g)로 압축해, 수증기의 압축열과 응축열을 핀이 착설된 원적외선 방사튜브(b)를 통해 방출되도록 하여, 건조 중 수분 제거 및 건조열 제공이 가능하도록 하며, 압축펌프의 구동에너지 이외에 추가적인 열사용이 되지 않는다.

·슬러지 건조에 있어서 연속 공정이 가능하다.

·건조온도가 200℃ 미만이므로 발생되는 가연성 가스로 인한 폭발의 위험이 없다.

·핀(v)이 착설된 원적외선 방사튜브(b)를 이용하여 열을 슬러지에 전달하게 함으로서 ,슬러지의 내부에까지 원적외선이 침투하여 가열시키는 기능이 있으며, 이로 인해 이동되는 슬러지의 쌓여있는 두께를 3cm이상을 유지해도 건조가 원활히이루어진다. 핀(v)의 주변에 있는 증기는 열전달 매체역할을 하여, 방사튜브(b)에 착설된 핀(v)에서 슬러지에 열을 전달해주는 기능이 있으므로, 열전달 매체에 의한 열전달과 원적외선 전자파에 의한 열전달인 이중의 열전달 효과가 있음으로 인해, 열전달 양이 원적외선 방사가 되지 않는 핀이 착설된 방사튜브를 사용하는 것과 비교할 때 25%가 많아지게 되어 열전달 하는데 있어서 시간이 약 15% 이상 단축된다.

·건조 공정 중 건조실 내부의 증기 압력이 높을수록, 사용되는 압축기의 구동에너지는 작아지게 되어 건조열 사용효율은 증가하는데, 건조실 내부의 압력이 압축펌프(g)의 작동 시 압력과 정지 시 압력이 3kg/㎠과 2kg/㎠일 때, 성능 8kg/㎠300ℓ/min·3HP의 압축펌프를 사용하며 1시간에 25kg의 수분을 제거한다고 할 때, 이론적인 건조열 사용량과 본 장치의 열 사용량의 차이는 다음과 같다.

〈참고내용〉

°건조 탱크 내부를 예열시키는데 사용되는 열은 초기에만 사용되고 연속으로 운전하기 때문에 계산에서 제외함.

°수분 70%의 슬러지를 10% 수분을 유지하고 건조할 경우

- 총슬러지량 : 39.3kg,

- 건조 후 슬러지량 : (39.3kg - 25kg=14.3kg)

- 증발된 수분량 : 25kg

- 슬러지 비열이 1g에 0.8cal이라 하고 계산한다.

°3HP의 압축펌프를 1시간동안 가동하면 압축열이 포함되어 그 열량에 해당되는 만큼 건조실(a)의 온도가 상승되나 주변으로 손실되는 열량을 감안해 계산에서 제외함.

《이론적 건조열 사용열량》

-20℃의 슬러지를 133℃로 올리는데 필요한 열량 : 113℃×0.8×39.3kg →3552.7kcal

-127℃에서 증발되는 25kg의 증발열량 : 25kg×520kcal → 13000kcal

(평균 흡입 압력이 2.5kg/㎠이므로 이 압력에 해당되는 온도는 127℃이므로증발 온도를 127℃로 계산함)

-이론 사용열량

(113℃ 상승 시 사용열 + 127℃에서 증발열) :3552.7kcal + 13000kcal →16552.7kcal

《본 장치의 사용열량》

-127℃에서 1시간동안 8kg/㎠,300ℓ/min·3HP의 압축기가 흡입할 수증기량 : 18㎥

-수증기 비용적 : 0.72㎥/kg임(127℃온도조건의 포화수증기일때)

-분당 416.666g의 수증기를 흡입함(127℃에서 416.666g은 0.3㎤임)

416.666g×60분→24.99kg

즉 1시간에 3HP의 동력이 소요되며, 전력을 열량으로 환산할 경우 2.2kw×860kcal→1892kcal이 된다.

《건조 시 열사용 열효율》

(이론 사용 열량÷본 장치 사용 열량×100)

(16552.7kcal÷1892kcal)×100→874%

그러므로 건조 시 열사용 효율은 874%가 되며 cop개념으로 설명하면 cop가 8.7이 된다.

내부압력을 3kg/㎠에서 압축펌프를 정지시키고 4.5kg/㎠에서 작동한다고 할 때 건조열 사용 효율은 다음과 같다.(3kg/㎠에서 온도는 134℃이며 4.5kg/㎠에서 온도는 154℃이다)

《이론 사용 열량》

-20℃의 슬러지 39.3kg을 154℃로 올리는데 필요한 열량

: 0.8×39.3kg×134℃ → 4213kcal

-평균 증발 온도 150℃에서 증발열 : 505kcal×25kg→12625kcal

-이론 사용 열량 : 4213kcal + 12625kcal → 16838kcal

《본 장치 사용열량》

-1분에 8kg/㎠,300ℓ/min·3HP 압축펌프가 평균흡입압력 3.8kg/㎠의 수증기를 압축할 양

(0.395㎥/kg의 비용적임) 759.5g의 수증기량

-3HP 사용시간 : 25kg÷759.9g→33이므로 25kg의 수증기를 3.8kg/㎠에서 33분동안 압축펌프를 작동시키면, 압축하여 제거 시킬 수 있음.

-사용된 전력의 환산열량 : 2.2kw×473kcal(860kcal의 55%열량)→1040.6kcal

즉 압축펌프 작동 시 압력이 4.5kg/㎠이고 압축펌프가 정지되어 멈추는 압력이 3kg/㎠일 때 이론 사용열량은 16838kcal 이고 본 장치의 사용열량은 1040.6kcal이 된다.

《건조열 사용효율》

(이론 사용 열량÷본 장치 사용 열량×100)

(16838kcal÷1040.6kcal)×100→1618%

그러므로 건조열 사용 효율은 약 1600%가 되며 cop가 16이 되는 것이다.

압축펌프를 사용함에 있어서 압축하는 압력을 위에서 설명한 계산에서는 8kg/㎠ 의 압력으로 압축하여 응축열을 이용했을때에 대한 열사용 효율계산이며 ,압축펌프로 흡입증기를 2.75kg/㎠으로 압축하여 사용하면 열사용 효율은 크게 증가한다. 이를테면 흡입압력이 2.5kg/㎠ 이라면 압축펌프로

2.75kg/㎠ 으로 압력을가해 압축하면, 배출되는 증기 압력은 5.25kg/㎠으로 이 압력에서의 온도는 153℃이며, 이 온도의 압축증기를 방사튜브로 넣은다음 응축열로 이용할 경우, 압축펌프의 사용 에너지는 50%로 줄어들게되며 열사용효율은 2배로 증가하게된다. 다만 원적외선 방사튜브(b)와 저장탱크(d)의 크기가커져야된다.

·건조실의 내부가 진공조건이거나 또는 건조실(a)의 내부가 공기가 들어 있는 대기압의 조건이어도 위의 건조 공정 방식은 적용가능하다. 일반적으로 사용되는 열풍건조기의 성능과 비교하면 차이점이 뚜렷하며 그 차이점은 다음과 같다.

-건조 시간이 동일 온도 조건일 때 30∼50% 이상 단축된다.

-열풍건조기의 경우 건조실의 부위별로 건조되는 속도가 다르나 본 건조방법은 부위별로 균일 건조가 가능하다.

건조조건이 40∼60℃온도이며 건조실에 대기압의 공기가 들어있는 상태에서 본장치를 사용해 열풍건조를 행하면, 피건조물의 건조에 있어서 건조채반 부위별로 균일한 건조가 가능하다. 일반적인 열풍건조기에 있어서는 열풍이 초기에 닿는 밑부분이 빨리 건조되고, 건조실의 윗부분은 건조속도가 늦게 되는데 그것은 다음과 같은 이유이다.

외부에서 가열되어서 건조실로 들어오게 되므로 초기에 열풍과 부딪치게 되는 밑부분에 적층된 피건조물에 열전달량이 많아져 빨리 건조되게 되고, 윗부분에 적층된 피건조물에 닿게 되는 열풍은 건조실의 내부를 통과해오면서 피건조물에 열을 전달해 냉각이 되기 때문에, 열전달량이 적게되어 건조속도가 늦어지게 되는 것이며, 열풍건조는 적층된 피건조물의 부위별로 건조속도가 다르게된다.

본 장치에 있어서는 건조실에 적층된 피건조물의 부위별로 열전달이 균일하게 되는데, 원적외선 방사튜브를 통해 부위별로 균일한 열량을 전달받아 건조되므로 채반에 적층된 피건조물의 각 부위별로 건조되는 속도가 같게 된다. 일반적인 열풍건조기는 건조실의 외부에서 열을 전달받지만 본 장치에 있어서는 건조실에서 직접 열을 전달 받음으로 균일한 건조가 가능하게 된다.

-건조 공정 시 피건조물의 건조온도는 열풍건조기는 낮은 온도를 유지할 경우 50∼60℃를 통상적으로 유지하나, 본 건조공정 방식에 있어서 40℃이내에서도 가능하다. 그것은 열풍건조기의 경우에는, 건조실에 있는 수증기를 외부 대기로 유출시키는 방법으로 수증기의 제거를 하여, 건조실의 습도를 낮추면서 건조를 하게 되는데 외부대기와 온도차이가 적을 경우, 외부대기중의 습도가 높으면 건조실에있는 수증기가 외부대기로 나가지 않게된다. 그렇게 되면 건조시의 습도가 낮아지질 않게되고 피건조물에서 수분의 증발은 이루어지질 않게 된다.

때문에 40℃의 온도에서 열풍건조기를 이용해 피건조물을 건조할 때 쉽게 건조가 이루어지지 않는 것이다. 그러나 본 건조방법에 있어서 40℃ 이내에서도 쉽게 건조가 이루어지는 것은, 건조실의 수증기를 압축펌프(g)로 제거함으로 건조실의 습도가 낮아서 피건조물에서 수분의 증발이 쉽게 이루어 지기 때문이다.

본 건조장치외 건조방법은 진공조건에서 활용이 가능한데, 건조공정시에 건조열 제공은 원적외선을 이용하고, 발생되는 수증기는 roots펌프로 흡입해 다소의 가압을 한 뒤, 압축펌프(g)로 압축해 원적외선 방사튜브(b)의 내부에 주입시켜, 이곳에서 응축시키고 이 응축열은 원적외선열로 변환되면서, 피건조물을 진공상태에서 원적외선으로 가열을 시키는 등의 공정으로 건조가 이루어진다.

Claims (4)

1. 일정한 내용적과 일정한 압력 이상의 내구성을 지닌 단열처리된 건조탱크(s)의 외부 윗측면에 압축펌프(g)가 설치되어 있고, 이 압축펌프의 배출구는 건조 탱크(s)의 내부 윗부분에 위치한 압축증기 저장탱크(d)와 연결되어 있으며, 이 압축증기 저장탱크(d)는 핀(fin)이 착설된 원적외선 방사튜브(b)의 연결관(1)과 연결되어져 있다. 원적외선 방사튜브(b)는 다수개가 조합된 채 위와 아래로 일정간격을 두고 겹쳐져 있는데, 이 사이사이에는 일정속도로서 연속으로 콘베어밸트(j)가 설치되어 있다. 이동하는 콘베어밸트(j)위에 채반 역할인 스텐철망(t)이 트(j)가 설치되어 있다. 이동하는 콘베어밸트(j)위에 채반 역할인 스텐철망(t)이 밸트처럼 착설되어져 있다. 이 스텐철망(t)은 콘베어밸트(j)와 같이 일정방향으로 이동하는데, 이 스텐철망 위에 건조시켜야 할 슬러지(m)가 약 1∼3cm 두께로 쌓여 스텐철망과 같이 이동하도록 되어 있으며, 원적외선 방사튜브(b)의 밑면에는 응축수 저장 탱크(c)가 방사튜브연결관(l)과 연결되어 있으며, 이 응축수 저장 탱크(c)의 내부에는 항상 일정량의 응축수가 채워져 있는데, 이 응축수를 가열하는 가열장치(r)가 들어있으며, 건조탱크(s)의 외부 윗측면에는 슬러지를 압축하여 건조탱크(s)의 내부로 밀어 넣어주는 압축장치(e)가 설치되어 있으며, 건조탱크(s)의 외부 우측면에는 진공펌프(n)가 설치되어 있으며, 건조탱크(s)의 외부 좌측의 밑면에는 건조슬러지 배출장치(p)가 설치되어 있음을 특징으로하는 피건조물에서 발생되는 증기열과 원적외선을 이용한 건조방법 및 장치
2. 건조공정 시에 건조실(a)의 내부에 있는 수증기의 압력을 임의의 원하는 일정압력을 유지하는 가운데, 압축펌프(g)를 통해 건조실(a)의 증기를 흡입해 임의의 원하는 일정압력으로 압축하여, 압축된 증기는 압축증기 저장탱크(d)를 경유하여 핀(fin)이 착설된 원적외선 방사튜브(b)의 내부에 유입된 후, 압축된 증기는 방사튜브(b)의 내부에서 응축되는 가운데, 압축열과 응축열을 방사튜브(b)를 통해 일부는 원적외선으로 방사하고, 일부는 건조실에 있는 일정압력을 형성한 수증기에 열전달 되면서, 피건조물을 가열하는데 사용되게 하여 피건조물에 함유한 수분을 증발시키는데 필요한 열로 제공되게 함으로서, 다른 가열에너지가 필요 없이 압축펌프(g)만을 사용해 피건조물에 함유한 수분을 증발시키거나, 증발된 수분을 제거시키는 원리를 특징으로 하는 피건조물에서 발생되는 증기열과 원적외선을 이용한 건조방법 및 장치
3. 청구2항에 있어서 "건조실(a)에 있는 수증기의 압력을 임의의 원하는 일정압력을 유지하는 가운데, 압축펌프(g)를 통해 건조실(a)의 증기를 흡입해 임의의 원하는 일정압력으로 압축하여, 압축된 증기는 압축증기 저장탱크(d)를 경유하여"에 대하여, 건조실(a)에 압력을 유지함에 있어서, 원하는 임의의 일정한 압력과 그 압력보다 다소 높은 압력을 설정하여, 이 설정된 압력에 따라 압축펌프(g)를 다소 높은 압력에서 작동하여, 건조실(a)에 있는 증기를 흡입해 압축하고, 건조실(a)의 압력이 임의의 일정한 다소 낮은 압력으로 낮아지게 되면, 압축펌프(g)가 작동을 중지해 흡입을 멈추게 하는 건조공정 방법과

   압축펌프(g)가 작동을 중지 해 건조실(a)에 있는 증기의 흡입을 멈추게 하는 상황에서, 이 때 동시에 압축증기 저장탱크(d)에 들어있는 압축된 증기는 전자밸브(k)가 열리며, 원적외선 방사튜브(b)로 유입되도록 하여 압축펌프(g)가 작동되는 동안 압축증기가 방사튜브(b)의 내부로 유입되지 않고, 압축펌프(g)의 작동이 정지되었을 때 압축증기가 방사튜브(b)로 유입되도록 하는, 건조공정 방식을 특징으로 하는 피건조물에서 발생되는 증기열과 원적외선을 이용한 건조방법 및 장치
4. 건조 공정시에 농수산물 등의 일반적인 피건조물을 건조함에 있어서, 건조실(a)의 내부에 공기가 들어있는 대기 압력의 상태이거나 또는 공기가 없는 진공상태에서, 피건조물의 건조 온도를 40∼55℃의 온도를 유지하는 가운데, 건조실(a)에 있는 공기와 수증기를 함께 압축펌프(g)로 압축하고, 진공중에는 저진공압력으로 형성되어 있는 수증기를 roots펌프로 흡입해서, 다소의 압력으로 가하여 압축펌프(g)로 보낸다음 압축펌프(g)로 압축하여, 압축증기 저장탱크(d)를 경유하여 핀(v)이 착설된 원적외선 방사튜브(b)의 내부에 유입시켜, 대기압력의 조건에서 건조할 때는 공기의 압축열과 수증기의 압축열과 응축열을 이용하고, 진공의 조건에서 건조할 때에는 수증기의 압축열과 응축열을 이용하여 원적외선 방사튜브(b)를 통해 피건조물을 가열하게 됨으로서 피건조물에 함유한 수분을 증발 시키게 되며, 이 때 증발된 증기와 건조실에 있는 공기를 다시 압축펌프(g)로 압축시키는 작용을 연속 공정으로 할 수 있음으로 해서, 건조실(a)에 공기가 있는 대기압력 조건이거나 또는 건조실(a)이 진공조건일 때 위의 기능으로 건조가 가능함을 특징으로 하는, 피건조물에서 발생되는 증기열과 원적외선을 이용한 건조방법 및 장치