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보고서 상세정보

나선진동교반식 열전도 건조기
Development of Heat Conductive Dryer Applied Spiral Vibration

  • 사업명

    에너지자원이용합리화기술개발

  • 과제명

    나선 진동교반식 열전도 건조기 개발

  • 주관연구기관

    한국기계연구원
    Korea Institute of Machinery and Materials

  • 연구책임자

    나은수

  • 참여연구자

    노규석   권영배   황낙순   백영수  

  • 보고서유형

    최종보고서

  • 발행국가

    대한민국

  • 언어

    한국어

  • 발행년월

    2003-05

  • 과제시작년도

    2002

  • 주관부처

    산업자원부

  • 사업 관리 기관

    한국산업기술평가원

  • 등록번호

    TRKO201000015321

  • 과제고유번호

    1410048449

  • DB 구축일자

    2013-04-18

  • 초록 


    ...


    II. 기술개발 목적 및 중요성
    건조공정에서 제품의 질과 에너지 비용을 포함한 장치 운전비용이 결정되어지고 또한 전체시스템의 최종적인 단계에 해당되므로 단위공정의 신뢰성이 전체공정의 효율성에 직접적으로 영향을 미치게 된다....

    II. 기술개발 목적 및 중요성
    건조공정에서 제품의 질과 에너지 비용을 포함한 장치 운전비용이 결정되어지고 또한 전체시스템의 최종적인 단계에 해당되므로 단위공정의 신뢰성이 전체공정의 효율성에 직접적으로 영향을 미치게 된다.
    건조는 피건조물의 교반과 이동과정에서 열교환을 통하여 이루어지는데 분체나 이에 준하는 미립자의 경우 입자간의 공극이 적고 입자가 성층되는 경우가 많으며 충분한 교반이 이루어지지 않을 경우 과건조 또는 미건조가 발생하여 제품의 균질성을 떨어트리게 된다. 기존의 유동층 건조기는 처리능력이 크고 균일한 교반 등의 장점을 안고 있으나, 건조장치의 규모와 비용, 다량분진 발생 등의 약점을 보완할 수 있고 보다 규격화 할 수 있는 신개념의 분체 및 미립자의 건조에 적합한 기종이 산업현장에서 요구되어지고 있는 실정이다.
    나선진동교반식 열전도 건조기는 가장 효율적인 건조가 가능하도록 최적화된 진동 교반방식으로 피건조물의 입자와 입자간에 충분한 유동현상이 일어나게 함으로써 건조열과 접촉할 수 있는 피건조물 입자의 표면적을 최대로 하였다. 나선형으로 이루어진 전열판은 스팀쟈켓으로 구성되어 있는 간접 가열식이며 하부에 장착된 진동 모터로부터 발생된 최적의 진폭과 주기로 진동하여 교반과 열전달 및 피건조물 이송이 동시 공간에서 이루어지므로 보조기기 수요를 줄일 수 있고 공간과 운전비용, 제작단가면에서 유리한 기종이 될 수 있는 잇점을 보유하게 된다.
    나선형으로 배열한 전열판은 특정한 공간에서 단순하게 배열할 경우보다 약 6배를 배열할 수 있으므로 적은 공간을 차지하게 되고 건조열원의 소모를 최소로 할 수 있어 에너지 효율개선이 가능하다. 또한 장치의 단순화 고효율화 함으로써 기존의 플랜트식 건조기 개념이 아니라 필요한 공정에 자유자재로 설치할 수 있는 편의성이 부여되어질 수 있다.
    화공, 의약품, 식품 등 고부가가치를 지닌 분야에 고품질, 고효율의 진동건조기를 개발하게 되면 공급할 수 있는 시장규모는 매우 크다고 하겠다. 그리고, 외국의 경우 진동건조기 분야에서는 크게 앞서 있지만 본 연구개발 건조기와 다른 방식이므로 기술적 독창성이 확보되어질 수 있다.
    산업구조가 고도화를 지향하고 있고 국내 건조기의 60 % 이상이 10년 이상 노후되어 교체 수요가 수년이내 증가할 것으로 예측할 수 있는 현시점에서 나선진동교반식 열전도 건조기를 상용화하는 것은 에너지 절감과 생산기업의 부가가치 향상에 필수적 인 기술분야라고 판단되어질 수 있다.
    III. 기술개발 내용 및 범위
    [요소기술]
    물질전달 측면에서 일반적인 건조기에서 채택하는 상부에서 하부 이송방식이 아닌 역방향을 채택하고 별도 이송기 및 교반기가 없으며 또한 60 Hz로 진동하는 나선형 전열판이 이송과 교반작용을 동시에 이루어지도록 하는 기술을 개발하기 위해서 다음과 같은 요소기술을 연구하였다.
    1) 건조대상 분체 또는 이에 준하는 미립자에 대한 Mass Moving을 효과적으로 발생시킬 수 있는 경사이송판의 최적 각도와 주파수를 밝혀내기 위하여 시멘트, 알루미늄 등 6종에 대하여 체거름 방법을 이용한 입도를 측정하고 전자현미경을 이용하여 구조를 살펴 보았다. 전체 대상 피건조물에 대한 함수율 산정은 건량기준(Dry Base)으로 하였고 모든 실험 전 후에 105℃ 오븐과 전자저울을 이용하여 측정하였다.
    이송각도와 주파수를 임의로 조절할 수 있는 진동이송 시험기는 기존의 진동이송기를 응용하여 구성하였고 이송각도는 6°, 8°, 10°로 하였다. 주파수변환은 36 Hz부터 12 Hz 간격으로 최대 60 Hz까지 5개 포인트를 대상으로 하여 실증실험을 한 결과 경사도는 8° ~ 10° 범위가 최적으로 나타났으며 주파수는 48 Hz ~ 60 Hz이었고 이때 평균적인 이송속도는 18 mm/sec ~ 20 mm/sec로 나타났다.
    2) 건조가스 유동해석
    건조기 설계를 위한 수치해석 방법으로는 Patankar의 검사체적에 기초한 유한차분법을 사용하였으며 압력과 속도의 연계의 규명은 SIMPLE 알고리즘을 사용하였다. 그리고, 대류항의 보간을 위하여 Power→law scheme을 사용하였으며 이산화 방정식의 해를 위하여 Line-by-line TDMA를 사용하였다. 난류모델이 필요한 경우에는 전통적인 two-equation k - ε: 난류모델을 사용하였다.
    건조기의 내부 나선형 전열판과 외부 케이싱 공히 원통 입형으로 설계 및 제작되었기 때문에 수치해석에 있어서 2차원 축대칭 원통형 좌표계를 사용하고 시간에 따른 온도가 중요하므로 비정상 상태에서 시간에 따른 변화를 살펴보았다.
    건조기 내부 공기의 온도는 전열판 온도 상승 후 5분 경과시 매우 균일화되며 10분 경과시 전열판에서 전도되는 열적 평형이 이루어지므로 피건조물 공급에 적정한 시기라고 할 수 있다.
    건조시 상단 배기에 의해 내부에 발생되는 진공은 피건조물에서 발생되는 수분을 건조기 외부로 배출하는 역할을 하지만 속도벡터 해석에서 알 수 있듯이 발생된 수분이 상단까지 이동되어야 배풍기의 영향에 의하여 건조기 외부로 배출이 가능하다. 피건조물은 건조기의 최하단부에서 공급되며 전열판은 일정 온도를 유지하므로 피건조물 온도상승에 따른 다량의 수증기 발생량은 건조기의 하단부에서 발생하고 증발된 수증기는 전조기 중단 및 하단부에 집중된다.
    발생된 수분은 다른 단의 피건조물에서 발생된 수분이 함유된 건조가스와 상호 간섭하는 현상이 발생될 경우 피건조물에 대한 가열이나 잠열에 활용되지 않고 오히려 건조 방해현상이 되므로 건조기 케이싱의 중단부와 상단부에서 발생된 배기를 동시에 배출하는 것이 효과적이다.
    [Pilot 건조기 설계 및 제작]
    Full Scale 상용화 건조기의 개발에 앞서서 Pilot Scale을 구성하여 실증적 실험과 성능을 측정함으로써 기술개발 결과에 대한 신뢰성을 증가시킬 수 있도록 하였다.
    피건조물의 공급량은 모래와 금속분말을 기준으로 하여 함수율 20 %에서 0.2 %까지 건조 시키는 것을 목표로 하였고 전열판에 공급되는 수증기는 5 kgf/cm2를 최대로 하였으며 제품 및 배기 온도는 일반적인 열전도 건조기의 동일물성 실험결과치를 적용하였다.
    진동발생장치는 0.75 Kw 진동모터 2대를 180° 위상을 주어 배열하였고 강제 코일 스프링을 이용하여 진동흡수가 될 수 있도록 하였다.
    설계결과 전열면적 5 m2인 나선형 전열판은 STS 304 재질로 하고 표면거칠기를 주기 위해 Sand Blast 하였다. 하부는 250 x 20 mm인 쟈켓을 전체 전열판에 구성하였고 스팀은 하부에서 상부로 흐르게 하여 피건조물의 재료예열기간에 가장 많은 열량이 필요한 지점에 최대열량이 공급될 수 있도록 하였다.
    건조기에 공급되고 유출되는 열량을 실시간으로 측정하여 기록하였고 배풍기와 건조기 내부의 압력변화는 마노메터를 이용하여 측정하였다.
    Pilot 건조기 실험장치를 구성하여 대상 피건조물을 실험한 결과 공급량, 즉 건조기 내의 체류시간에 비례하여 제품의 함수율은 낮아지며 처리능력은 그 반대가 되는 것으로 나타났다. 모래의 경우 20 Hz시에는 건조후 함수율이 0.11 %였지만 60 Hz시에는 0.6 %를 나타났다. 그러나, 수산화 알루미늄의 경우 25 Hz에서 0.01 % 이하를 나타내어 목표 최저함수율은 체류시간의 조절에 의해서 충분히 도달할 수 있음을 입증하였다.
    [Full Scale 건조기 개발 및 적용]
    Pilot 건조기의 설계 및 제작, 실험결과를 바탕으로 기 유도된 설계관계식과 프로그램을 적용하여 설계함에 있어서 대상물성의 건조기 공급전 함수율은 10% 미만이므로 10 %를 기준으로 처리능력 600 kg/hr인 건조기를 개발하였다.
    기초실험은 증기압력 3 kgf/cm2, 5 kgf/cm2으로 공급하였고 이송 및 교반을 위한 진동 주파수는 40 Hz부터 60 Hz까지 10 Hz간격으로 향상시키면서 수산화알루미늄, 산화마그네슘 등을 포함한 4종의 건조실험을 하였다. 그 결과 목표치인 함수율 0.2 % 까지 건조할 수 있었으며 처리능력면에서도 비중이 낮은 수산화알루미늄은 600 kg/hr 였지만 비중이 약 2배에 달하는 모래의 경우 1000 kg/hr에 달했다. 수산화 알루미늄의 경우 50 Hz일때 피건조물의 건조기내 체류시간은 14분이고 건조 후 함수율은 0.0062 %로 나타내었다.
    다면배기기술을 접목한 시작품은 M시에 소재하는 H주식회사의 수산화알루미늄 생산공정에 3개월간 투입하여 운전하였다. 최초 적용한 상부 단일 배기시의 처리능력은 800 kg/hr 수준이었으나 다면배기기술을 적용한 결과 1000 kg/hr 도달할 수 있었다.
    시작품 건조기의 열정산 결과 53%로 나타나 일반적인 열전도 건조기 수준으로 볼 수 있지만 동일처리능력을 기준으로 장치의 크기는 H사에 설치된 유동층건조기의 30% 수준으로 당초에 지향한 목표에 도달하였다고 판단되어진다. 열효율은 처리능력에 우선을 두어 다면 배기기술에 의한 빠른 배열과 제품의 에너지를 활용할 열교환 기술을 접목하지 않았는데 엔지니어링시 접목한다면 10% 이상의 열효율개선을 구현할 수 있다고 판단되어 진다.
    일일 평균 10시간 이상 운전한 결과 2개월후 3번과 4번 사이의 전열판에 균열이 생겨 그 지점에 집중적인 응력이 발생된다고 판단되어 해당부위 전체를 재용접 및 강화시켜 나머지 기간동안 생산공정에 투입하여 장치에 대한 성능과 신뢰성을 확보할 수 있었다.


  • 목차(Contents) 

    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...2
    3. 요약문 ...3
    4. 목차 ...9
    5. 그림 목차 ...11
    6. 표 목차 ...15
    7. 제1장 서 론 ...17
    8. 제1절 기술개발의 필요성 ...17
    9. 제2절 기술개발의 내용 및 범위 ...20
    10. 제2장 건조특성 이론...
    1. 표지 ...1
    2. 제출문 ...2
    3. 요약문 ...3
    4. 목차 ...9
    5. 그림 목차 ...11
    6. 표 목차 ...15
    7. 제1장 서 론 ...17
    8. 제1절 기술개발의 필요성 ...17
    9. 제2절 기술개발의 내용 및 범위 ...20
    10. 제2장 건조특성 이론 ...22
    11. 제1절 건조특성 모델링 ...22
    12. 1. 함수율과 제품의 온도 관계 ...22
    13. 2. 건조 속도 ...23
    14. 제2절 피건조물 이송 메카니즘 ...26
    15. 제3절 물질수지 균형 ...30
    16. 1. 연속식 ...30
    17. 2. 회분식 ...31
    18. 3. 엔탈피 ...33
    19. 제4절 건조기 현황 실태조사 ...38
    20. 1. 관련기술의 국내.외 현황 ...38
    21. 2. 건조기의 종류 및 적용범위 ...39
    22. 제3장 Pilot Scale 건조기 ...43
    23. 제1절 피건조 물성실험 ...43
    24. 1. 함수율 ...43
    25. 2. 입 도 ...44
    26. 제2절 진동이송 기초실험 ...47
    27. 1. 진동이송 실험장치 ...47
    28. 2. 진동이송 실험결과 ...48
    29. 제3절 설계 및 제작 ...64
    30. 1. 설계 조건 ...65
    31. 2. 대상 피건조물의 열 및 물질수지 ...66
    32. 3. Pilot Scale 제작 ...70
    33. 제4절 건조실험 및 분석 ...76
    34. 1. Pilot 건조기 실험 ...76
    35. 제5절 건조가스 유동해석 ...86
    36. 1. 수치해석적 방법 ...86
    37. 2. 결과 및 고찰 ...93
    38. 3. 결 론 ...97
    39. 제4장 Full Scale 건조기 ...99
    40. 제1절 설계 및 제작 ...99
    41. 1. 설계관계식 ...99
    42. 2. 건조기의 열 및 물질수지 ...102
    43. 3. 나선진동교반식 열전도 건조기 제작 ...104
    44. 제2절 Full Scale 건조기 성능 실험 ...109
    45. 1. 실험장치 구성 ...109
    46. 2. 현장적용에 의한 진동의 안정성 및 지속성 확보 ...115
    47. 3. 건조 성능 실험 ...117
    48. 제3절 건조 열효율 ...134
    49. 제5장 결 론 ...139
    50. 참 고 문 헌 ...142
    51. Appendix ...143
    52. Appendix A. Pilot Scale 나선진동 건조기 설비 사진 ...144
    53. Appendix B. Full Scale 나선진동 건조기 설계도면 ...145
    54. Appendix C. Full Scale 나선진동 건조기 실험 사진 ...152
  • 참고문헌

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