Study on the Performance Improvement according to Arrangement Angle of Baffle and Location of Air Duct in the Cold Air Dryer

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(1)한국동력기계공학회지 제21권 제4호 pp. 62-69 2017년 8월 ISSN 1226-7813(Print) ISSN 2384-1354(Online) Journal of the Korean Society for Power System Engineering http://dx.doi.org/10.9726/kspse.2017.21.4.062 Vol. 21, No. 4, pp. 62-69, August 2017. 냉풍 건조 시스템의 배플 배열각도 및 공기공급관 위치 변화에 따른 성능 향상에 관한 연구 Study on the Performance Improvement according to Arrangement Angle of Baffle and Location of Air Duct in the Cold Air Dryer 윤충국*․유기태*․박철*․송희근*․배강열**†․정한식***․정효민*** Chung-Kug Yun*, Ki-Tae Yu*, Chul Park*, Hee-Geun Song*, Kang-Youl Bae**†, Han-Shik Chung*** and Hyo-Min Jeong*** (Received 07 June 2017, Revision received 03 August 2017, Accepted 03 August 2017) Abstract: Because the moist foods like anchovy were appeared lower quality by hot air that occurred the lipid oxidation, the drying system by using the cold air has been used widely. This study has been carried out on the performance improvement according to arrangement angle of baffle and location of air duct in the cold air dryer. The main parameters in this study are the arrangement angles which are without, 0°, 10°, 20°, 30° and 40°, and the locations of air duct are without, front, center and back. For this study we have conducted the numerical analysis method using fluent in order to obtain the optimal condition of the drying performance. As the arrangement angle of baffle is increased, the relative humidity is proportionally decreased, the value at 40° is 42.2% that indicate the reduction of about 4% than without it. After the air duct was installed, the decreased relative humidity is showed within 1%, therefore, the effect of air duct for improving the dry capacity is more large than the arrangement angle of baffle. Finally, we have obtained the optimal conditions that the arrangement angle is 40° with the air duct for a cold air dryer. Key Words：Anchovy, Cold Air Dryer, Drying Performance, Arrangement Angle, Baffle, Air Duct. 1. 서 론. 건조에 많은 시간이 소요되기 때문에 열풍 및 냉 풍을 이용하여 단시간에 건조시키는 방식을 적용. 멸치와 같이 수분을 함유한 식품의 경우 자연. 하고 있다. 열풍건조방식의 경우 냉풍건조에 비하. **†Kang-Youl Bae(corresponding author) : Dae Myung GENT Co., Ltd. E-mail : [email protected], Tel : 051-323-8202 E-mail : [email protected], Tel : 051-323-8202 *윤충국, 유기태, 박철, 송희근 : 경상대학교 대학원 *Chung-Kug Yun, Ki-Tae Park, Chul Park, Hee-Geun Song : ***정한식, 정효민 : 경상대학교 에너지기계공학과, 해양 Graduate School, Gyeongsang National University. 산업연구소 ***Han-Shik Chung, Hyo-Min Jeong : Dept. Energy and Mech. Eng., Institute of Marine Industry, Gyeongsang National University. **†배강열(교신저자) : (주)대명지이엔티. 62 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월.

(2) 윤충국 ․ 유기태 ․ 박철 ․ 송희근 ․ 배강열 ․ 정한식 ․ 정효민. 여 시간을 단축시킬 수 있지만, 식품의 변질, 변. 현재의 연구들은 새로운 건조방식에 관한 연구. 색, 지질산화등과 같이 품질저하가 뚜렷하여 식용. 가 주류를 이루고 있으며, 현장에 설치되어 있는. 으로 사용하기 어렵다. 또한 다양한 연구결과를. 냉풍건조기의 성능향상에 대한 연구는 전무한 실. 통하여 냉풍건조방법이 지질의 산화억제에 효과. 정이다.. 적이며, 화학적 및 관능적 검사를 통하여 냉풍건 조방식이 천일건조 및 열풍건조에 비하여 우수함 을 보여주었다.1-2) 현재 산업현장에 사용되고 있는 냉풍건조기는 Fig. 1과 같이 건조실 왼쪽에서 건조실 내부로 건 공기를 공급하는 구조로 이루어져 있다. 전체 크 기는 8.0 m(W)× 3.12 m(H)×10.38 m(L)이며, 건조 물이 차지하는 공간은 8.0 m(W)×2.07 m(H)×8.73 m(L)이다. 왼쪽에 설치된 배플은 건조실 내부로. Fig. 1 Schematic drawing of general dryer. 균일한 공기흐름을 형성하기 위해서 적용하고 있 지만 대부분의 산업현장에서 경험에 의존하여 배. 따라서 본 연구에서는 현장에서 운용되고 있는. 열각도를 적용하고 있다. 또한 왼쪽을 제외하고는. 냉풍건조기 내부의 배플 배열각도 및 추가적인. 추가적인 공기공급이 이루어지지 않고 있기 때문. 공기가 공급될 수 있도록 공기공급관의 설치위치. 에 전체적으로 동일한 건조가 이루어지지 못하고. 에 따른 건조성능 변화에 관한 수치해석적 연구. 있다. 상기의 이유로 인하여 건조현장에서는 건조. 를 진행하고, 건조성능이 가장 높은 조건을 도출. 후 일정시간이 지나게 되면 건조물의 왼쪽, 오른. 하여 산업현장 적용을 위한 기초자료로 활용하고. 쪽의 위치를 교체하여 건조를 진행하고 있다.. 자 한다.. 식품건조 뿐만 아니라 다양한 산업현장에서 건. 2. 수치해석. 조시스템의 성능향상을 위한 다양한 연구가 진행 되고 있다. Kum et al.(1998)은 멸치의 건조 과정 에서 생화학적인 변화 최소화와 건조 시간의 단. 2.1 지배방정식. 축으로 고품질의 마른 멸치를 생산하기 위하여. 본 연구를 위해서 사용된 해석 Code는 Fluent. 마이크로파를 이용한 열풍, 진공을 병행한 새로운. 18.0을 사용하였고, 기존 건조시스템과 상대비교. 건조 방법에 대한 연구를 진행하였다.3). 를 통한 최적의 건조조건을 도출하는 것이기 때. Kum et al.(2006)은 기존 패들형 유동층 혼합기. 문에 해석모델을 2차원으로 가정하여 진행하였다.. 에 건조장치를 개발 장착하여 혼합기의 패들 메. 또한 본 연구를 위해서 사용된 지배방정식은 다. 커니즘(Paddle Mechanism)에 의해 유동층을 형성. 음과 같다.. 하여 피건조물의 손상없이 단시간에 건조가 가능 한 시스템에 대한 연구를 진행하였고4-5), S. Y.. 연속방정식(Continuity Equation). Choe and Kim(2011)은 수산물을 최상의 품질로 고속으로 건조할 수 있는 고성능 저온진공건조기 를 실용화하기 위한 설계 및 기술개발에 대한 연 구를 진행하였다.6) 이외에도 다양한 산업분야에서 건조기 성능 및 에너지효율향상을 위한 실험 및 수치해석적 연구 가 활발하게 진행되고 있다.7-13).         . (1). 운동량방정식(Momentum Equation) X 방향 :. 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월 63.

(3) 냉풍 건조 시스템의 배플 배열각도 및 공기공급관 위치 변화에 따른 성능 향상에 관한 연구. 루어지고 있기 때문에 입구에서 공급되는 공기의.                           . 경우 상대습도 20%일 때 절대습도 0.00392 g/g을 포함한 유동이 공급되는 유속조건을 적용하였다.. Y 방향 :                           . (2). 여기에서 는 유체의 밀도, 는 동점성계수이 며,   는 각각.   방향의 속도 성분이다. 지. 배방정식의 해법을 위해서 ANSYS-FLUENT에서 제공하는 공간차분은. Fig. 2 Schematic drawing of modified dryer for analyzing CFD. 2차 정확도의 상류도식 Table 1 Boundary conditions and main parameters. (Second order upwind)을 사용하였다. 난류모델은 Standard K-ε을 사용하였고, 건조조. Parameter. Value. Unit. 건에 따른 습도분포(Humidity Distribution)의 영향. Anchovy absolute humidity. 0.0147. g/g. 을 고려하기 위하여 화학종 이송 모델(Species. Air absolute humidity. 0.00392. g/g. Transport Model)을 적용하였으며, 수렴판정 조건. Ambient temperature. 298.15. K. 은 운동량 및 연속방정식의 잔차(Residual)가 10-3 이하일 때로 지정하였다. 본 연구에서 건조성능평가를 위하여 식 (3)과 같이 상대습도(Relative Humidity)를 계산하여 각 해석모델들을 비교하였다..     . (3). Inlet Velocity. 10 m/s Baffle arrangement angle without, 0, 10, 20, ° 30, 40 without, Front, Air duct location Center, Back Outlet Outflow 건조물의 경우 멸치가 위치하는 영역의 벽면에 서 상대습도 100%를 고려하여 절대습도 0.0147. 여기에서  는 상대습도(%),  는 각 Node에 서 공기속의 수증기 압력(Pa),  는 각 Node에서. g/g를 적용하였다. 실제현장에서 건조를 위해서 7.5마력의 팬(Fan). 298.15K에 대한 포화수증기 압력(Pa)이며, 건조실. 8개(건조실 폭 8 m)를 적용하고 있으며, 팬 풍량. 내부의 평균상대습도는 동일한 격자간격을 적용. 10 m3/s, 팬 크기 1 m×1 m을 고려하여 입구유속. 하였기 때문에 산술평균을 이용하여 구하였다.. 은 10 m/s로 설정하였다. 배플은 40° 이상의 배열 각도를 적용할 경우 건조실 내부를 변경해야 하. 2.2 해석모델 및 경계조건. 기 때문에 최대 40°까지 적용하였다.. Fig. 2는 수치해석을 위한 모델을 나타내고 있 으며, 공기공급관(직경 425 mm)은 3곳(전방, 중앙, 후방)에 바닥에서 중심까지 2,270 mm, 유동장입구. 3. 수치해석 결과. 에서 공기공급관의 입구까지 전방 1,387.75 mm,. Fig. 3과 4는 공기공급관이 없는 경우 배플 배. 중앙 3,725.5 mm, 후방 6,066.25 mm 위치에 적용. 열각도에 따른 속도 및 상대습도 분포를 나타낸. 하였다. 배플은 수직을 0°로 기준으로 배열각도를. 것이다. 배플이 설치되지 않은 경우에는 오른쪽. 변경하여 수치해석에 적용하였다.. 상부에 설치된 곡관의 영향으로 인하여 건조실. Table 1은 수치해석의 경계조건 및 주요변수를. 중앙에서 상부까지 큰 와류가 형성되어 하부에만. 나타내고 있다. 냉풍건조는 298.15K(25℃)에서 이. 유동장이 존재하고 상부에는 유동장이 거의 형성. 64 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월.

(4) 윤충국 ․ 유기태 ․ 박철 ․ 송희근 ․ 배강열 ․ 정한식 ․ 정효민. (a) without baffle. (a) without baffle. (b) 0°. (b) 0°. (c) 10°. (c) 10°. (d) 20°. (d) 20°. (e) 30°. (e) 30°. (f) 40°. (f) 40°. Fig. 3 Velocity contours according to baffle angle without air duct. Fig. 4 Relative. humidity. contours. according. to. baffle angle without air duct. 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월 65.

(5) 냉풍 건조 시스템의 배플 배열각도 및 공기공급관 위치 변화에 따른 성능 향상에 관한 연구. (a) without air duct. (a) without air duct. (b) front. (b) front. (c) center. (c) center. (d) back. (d) back. Fig. 5 Velocity contours according to position of air duct at a baffle angle of 40°. Fig. 6 Relative. humidity. contours. according. to. position of air duct at a baffle angle of 40°. 되지 않고 있다. 배플의 배열각도가 증가함으로써. 지 않고 있지만, 공기공급관이 설치되면서 상부. 배플의 간섭으로 인하여 와류의 크기가 점점 작. 2~3열에도 유동장이 형성됨을 확인할 수 있다. 공. 아져 건조실의 상부까지 유동장이 형성되고 있다.. 기공급관의. 위치에. 따른. 변화는. 중앙부분에. 상대습도는 배플의 배열각도가 증가함으로써. 설치한 경우가 다른 경우보다 상대적으로 낮은. 유동장의 영향으로 인하여 건조실의 상부영역에. 상대습도분포를 보여주고 있는데, 이러한 이유는. 서도 배플이 없는 경우보다 낮은 분포를 보여주. 해석 상 중앙에 위치한 경우가 건조채반 사이에. 고 있다. 이러한 결과로 배플의 설치 및 배열각도. 공기가 공급되어 유동장이 2~3열 사이에 형성되. 가 증가함에 따라 상대적으로 건조성능이 높아. 기 때문이다.. 질것으로 예상된다. Fig. 5와 6은 배플 배열각도 40°일 경우 공기공. Table 2는 공기공급관의 유무 및 설치위치에 따 른 배플측과 공기공급관측의 유량비율(%)을 나타. 급관의 위치변화에 따른 속도 및 상대습도 분포를. 내며, 공기공급관이 설치되면서 약 40%의 유량이. 나타낸 것이다. 공기공급관이 설치되지 않은 경우. 건조가 어려운 상부 2~3열 사이로 공급된다.. 건조실 상부에서 2~3열에는 유동장이 거의 형성되. Fig. 7은 공기공급관이 없는 경우 배플 배열각. 66 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월.

(6) 윤충국 ․ 유기태 ․ 박철 ․ 송희근 ․ 배강열 ․ 정한식 ․ 정효민. Table 2 Flow rate(%) at air duct and baffle side according to location of air duct Air Duct Location Without Front Center Back. Flow Rate(%) Air Duct Baffle Side Side 0 100 41.32 58.68 42 58 41.16 58.84. Fig. 8 u-velocity profile at outlet section according to position of air duct at a baffle angle of 40° 열에 있는 건조물에 대한 건조성능이 낮음을 알 수 있고, 공기공급관이 있는 경우에는 거의 동 일한 유속분포를 보여주고 있다. Fig. 9와 Table 3은 배플 배열각도 및 공기공급 관의 위치변화에 따른 건조실 내부 평균 상대습 도를 나타내고 있다. 공기공급관이 없는 경우에는 Fig. 7 u-velocity profile at outlet section according to baffle angle without air duct. 배플 배열각도에 따른 상대습도는 배플이 없는 경우보다 40°에서 약 4% 이상 감소하였지만, 공 기공급관 설치 후 배플 배열각도에 따른 상대습. 도에 따른 건조실 출구단면에서 수평방향 속도분. 도 감소비율 약 1% 이내로 매우 적게 나타났다.. 포를 나타낸 것이며, 마이너스(-) 부호의 의미는. 이상의 결과로부터 건조성능의 변화는 배플의. 건조실 외부로 유동이 빠져나가는 것을 의미한다.. 배열각도보다 공기공급관의 설치유무에 더욱더. 건조물을 동일하게 건조하기 위해서는 건조실 의 높이에 따른 균일한 유동장 형성이 매우 중요 하다. 그림에서 배플이 없는 경우는 하부영역에서 높은 속도분포를 보여주고 상부영역에서는 낮은 속도분포를 보여주고 있다. 배플이 설치되고 배열각도가 증가할수록 높이 에 따른 속도차이가 점점 감소하여 배열각도 40° 에서 가장 균일한 속도분포를 보여주고 있다. Fig. 8은 배플 배열각도 40°일 경우 공기공급관 의 위치변화에 따른 건조실 출구단면에서 수평방 향 속도분포를 나타낸 것이며, 마이너스(-) 부호의 의미는 건조실 외부로 유동이 빠져나가는 것을 의미한다. 공기공급관이 없는 경우에는 건조실상부의 속. Fig. 9 Comparison of average relative humidity in chamber. 도분포가 있는 경우보다 낮기 때문에 상부의 2~3. 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월 67.

(7) 냉풍 건조 시스템의 배플 배열각도 및 공기공급관 위치 변화에 따른 성능 향상에 관한 연구. Table 3 Value of Average relative humidity in chamber Baffle without angle Without 46.31 duct Front duct 42.05 Center 41.97 duct Back duct 42.91. 이 논문은 2015년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구 사. 0°. 10°. 20°. 30°. 40°. 업입니다(No. 2015R1D1A1A01058030).. 45.39 44.08 42.94 42.39 42.20. References. 41.62 41.60 41.53 41.42 41.33 41.57 41.51 41.46 41.41 41.25. 1. I. S. Kim, T. G. Lee, D. M. Yeum, M. L. Cho,. 42.51 42.29 43.76 41.81 41.61. H. W. Park, T. J. cho, M. S. H and J. S. Kim, 2000, "Food Component Characteristics of cold. 지배적으로 영향을 받는 것을 확인할 수 있었으. Air Dried Anchovies", J. Korean Soc. Food Sci.. 며, 공기공급관이 설치되고 배플 배열각도 40°에. Nutr., Vol. 29, No. 6, pp. 973-980.. 서 상대습도 41.25%로서 약 5% 감소하였기 때문. 2. Y. J. Cho, K. B. Shim, T. J. Kim, S. T. Kang,. 에 건조 성능 향상을 위한 최적의 조건임을 확인. H. S. Lee and Y. J. Choi, 2000, "Effects of. 할 수 있었다.. Drying Conditions on Lipid Oxidation and Fatty. 5. 결 론 본 연구에서는 냉풍 건조 시스템의 배플 배열 각도 및 공기공급관 위치 변화에 따른 성능 향상 에 관한 연구를 진행하였으며, 다음과 같은 결론 을 도출할 수 있었다. 1) 배플의 배열각도가 증가할수록 상대습도가 감소하였으며, 40°에서 42.2%로 배플이 없는 경우 보다 약 4% 이상 감소하였다. 2) 공기공급관이 없는 경우에는 건조실 상부 2~3열의 건조물에 유동장이 거의 형성되지 않지 만, 공기공급관이 있는 경우에는 추가적인 유동장 형성으로 인하여 더욱더 낮은 상대습도를 보여주 고 있기 때문에 건조 성능이 향상되었다. 3) 공기공급관 설치 후 배플 배열각도에 따른 상대습도 감소비율은 약 1% 이내로 매우 적게 나 타났으며, 배플 배열각도보다 공기공급관의 설치 유무가 성능변화에 더욱더 지배적인 인자임을 확 인 하였다. 4) 최종적으로 공기공급관이 설치되고 배플 배 열각도 40°에서 상대습도 41.25%로서 약 5% 감소 하여 건조성능이 가장 높은 최적의 조건을 도출 할 수 있었다.. acid. Compositions. of. Large. Anchovy",. J.. Korean Fish. Soc., Vol. 33, No. 3, pp. 192-197. 3. J. S. Kum, K. J. Park, C. H. Lee and J. S. Im, 1998,. "Physicochemical. Anchovy. Subjected. to. Properties Microwave. of. Dried. Drying",. Korean J. Food Sci. Technol., Vol. 30, No. 1, pp. 103-109. 4. S. M. Kum, K. C. Lee, M. S. Kong, B. H. Yoo, H. G. Lee and C. E. Lee, 2006, "A Study on the Development and Performance Test of the Paddle-type Fluidized Dryer", Transactions of the KSME A, Vol. 30, No. 6, pp. 734-740. 5. S. M. Kum, 2008, "Development of the Dryer Designed for Mixture and Drying", Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng, Vol. 20, No. 5, pp. 327-333. 6. S. Y. Choe and M. S. Kim, 2011, "A Study on the Thermal Characteristics of Aquatic Products by Low Temperature Vacuum Drying-Especially on the Sea Cucumber", Journal of the Korea Society for Power System Engineering, Vol. 15, No. 3, pp. 46-51. 7. K. H. Lee, O. J. Kim and S. R. Lee, 2009, "Analysis on the Drying performance with the Flow Rate of Circulation Air in a heat Pump. 후 기. 68 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월. Dryer", Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng, Vol. 21, No. 1, pp. 1-8..

(8) 윤충국 ․ 유기태 ․ 박철 ․ 송희근 ․ 배강열 ․ 정한식 ․ 정효민. 8. M. S. Shin, H. S. Kim, B. G. Kim, M. J.. 11. J. R. Choi, N. K. Hur, D. C. Kim and H. S.. Hwang, D. S. Jang and T. I. Ohm, 2010, "A. Kim,. Numerical. for. Improvement of the Performance of a Vehicle. Fry-Drying of Various Sludge", Korean Society. Paint Drying Process", Korean J. Air-Cond.. of Environmental Engineers, Vol. 32, No. 4, pp.. Refrig. Eng, Vol. 24, No. 12, pp. 867-874.. and. Experimental. Study. 341-348.. "A. Numerical. Study. on. the. 12. B. S. Kim, C. N. Kang and J. H. Jeong, 2014,. 9. S. J. Park and Y. L. Lee, 2011, "Optimal flow Design. 2012,. of. High-Efficiency,. Cold-Flow,. and. "A Study on a High Efficiency Dryer for Food Waste", Journal of the Korea Society for Power. Large-Size Heat Pump Dryer", Korean Society. System Engineering, Vol. 18, No. 6, pp. 153-158.. of Manufacturing Technology Engineers, Vol.. 13. K. J. Bae, D. A. Cha and O. K. Kwon, 2016,. 20, No. 5, pp. 547-552.. "Analysis and Verification of High Temperature. 10. S. J. Park, I. S. Hwang and Y. L. Lee, 2012,. Heat Pump Dryer using Waste Heat Recovery. "A Study on Cycle and Flow Analysis for. Type for R245fa Refrigerant", Journal of the. Improvement of Energy Efficiency of a Heat. Korea Society for Power System Engineering,. Pump Dryer with Hot Bypass Gas and Air. Vol. 20, No. 2, pp. 46-51.. Dampers during Warm-up Stage", Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 9, pp. 3827-3834.. 한국동력기계공학회지 제21권 제4호, 2017년 8월 69.

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