열펌프 건조의 응용과 성능평가에 대한 고찰
* 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 장태현(changtae@reseat.re.kr)
* 출처 : Neslihan Colak, Arif Hepbasli, “A review of heat-pump drying(HPD): Part2-Applications and performance assessments”, Energy Conversion and Mnagement, 50, 2009, pp. 2187~2199

- 목 차 -

1. 서론

2. 열펌프 건조시스템의 종류

3. 건조대상 물품과 건조 특징

4. 결론

5. 전문가 제언

1. 서론
건조는 농업, 화학, 목재, 섬유 그리고 제약과 같은 산업에서 사용되고 있다. 건조과정의 주목적은 최저원가로 요구되는 품질의 건조된 생산품을 생산하고 최적 설계와 운전 상태에서 원료 처리량을 극대화하는 것이다. 선진국에서는 건조에 국가에너지의 9~25%를 소비하고 있다. 생산품의 단위 수분당 에너지 소비를 줄이기 위하여 건조장치의 에너지효율을 향상시키는 방법에 대해 검토할 필요가 있다.
엑서지(Exergy) 해석은 현존하는 비능률적인 부분을 줄임으로서 열적시스템을 좀 더 효율적으로 설계하는 것이 가능한지 혹은 아닌지를 나타낸다. 엑서지 해석은 여러 가지 공학적 응용분야에서 성공적으로 적용되었다. 이 연구는 열펌프 건조시스템을 포괄적으로 분류하고 열펌프 건조 응용에 대하여 검토하였다.

2. 열펌프 건조시스템의 종류
가. 공기 열원 열펌프(heat pump, HP) 건조시스템
Xanthopoulos 등은 밀폐 사이클의 HP 실험에서 전체 모양의 단일 층 건조의 수학적 모델을 제공하였다. 열 회수를 향상시키기 위하여 2단 증발기 열펌프 방식의 기계적인 건조시스템 모형을 설계, 제작 그리고 테스트 하였다.

나. 지열 열펌프 건조시스템
열펌프 건조(Heat-Pump Drying, HPD)에 관한 연구가 오랜 기간 동안 행해졌지만 지열 열펌프 건조(Ground Source Heat Punp, GSHPD)시스템에 대한 연구는 제한적이다. 시스템은 주로 세 개의 하부조직으로 구성한다. 지열 열교환기, HP시스템 그리고 건조 쳄버이다. 이 시스템은 지하에 있는 지열 열교환기를 순환하는 부동액을 통하여 열을 흡수한다. 그 열은 증발기 내에 있는 냉매에 전달되고 HP사이클에서 효과가 높아지고 건조 챔버에 공급된다. 열은 건조용 공기에 전달되고 이 가열된 공기는 건조 챔버로 들어간다.

다. 화학 열펌프 건조시스템
화학 열펌프(Chemical Heat Pump, CHP)는 건조에서 효과적인 에너지 이용에 대한 중요한 기술 중의 하나이다. CHP는 건조기 배기열, 태양열 에너지, 지열 등으로부터 폐열을 설계된 반응기에서 흡열반응을 통하여 화학에너지의 형태로 열에너지를 저장할 수 있다.Ogura 등은 칼슘 산화수화물/건조시스템이 온도수준, 안전, 부식 그리고 원가면에서 가장 실현가능한 시스템임을 보고하였다. Rolf 등은 수피와 목재(Bark and Lumber)와 같이 부피가 큰 재료의 건조에 대한 CHP 건조기를 개발하였다.

라. 하이브리드 열펌프 건조시스템
몇 가지 열펌프 건조(HPD)는 태양열, 극초단파, 하이브리드원, 적외선 혹은 전통적인 에너지와 같은 하이브리드 열원을 포함한다. Marshall 등은 전통적인 HP 건조와 함께 무선 주파수를 결합하였다. HPD가 있는 대표적인 RF(Radio Frequency)는 건조과정의 여러 가지 단계에서 건조 재료에 대하여 무선 주파수를 부여하는 RF 발생시스템을 개선한 하나의 증기압축 HP 시스템을 구성하였다.

마. 건조기의 형태
신선한 공기나 분무 건조기처럼 많은 양의 건조공기를 사용하는 건조기들은 HP 운전에 적합하지 못하다. 배치(Batch) 선반, 접시 건조기 또는 노(Kiln) 등이 HP와 결합한 건조기로 주로 사용하지만 최근 적용하고 있는 배치 건조기, 컨베이어 건조기 및 유동층 건조기에 대해 아래에 설명한다.

바. 배치 건조기
배치 운전하는 건조는 아주 낮은 공기 누설율을 가지고 전체적으로 재순환을 허용하기 때문이고 높은 열효율을 제공한다. Rahman 등은 이 시스템을 탈착열과 완두콩의 HP 공기건조 반응속도를 계측하고 모델링하기 위하여 사용하였다. Braun 등은 HP 사이클을 적용한 텀블러 의류 건조기(Tumbler Clother Dryer)를 연구하였으며 이는 전기 건조기보다 에너지 효율을 40% 이상 향상시켰다.

사. 컨베이어 건조기
연속적인 층 건조는 믿을 수 있는 결과를 나타내었고 특별한 작물에 대해 보다 좋은 선택성이 있다. Jolly 등은 HPD의 연속운전에 대한 모델을 개발하였고 그 HPD는 시스템에서 증발기, 응축기 그리고 외부 폐열시스템의 열전달율, HPD의 성능계수 그리고 도달할 수 있는 최고 효율을 예측하였다.
Clement 등은 축축한 고무 발포를 연속적인 층 건조기에 사용하였고 건조기 출구에서 공기의 상대습도가 32%로부터 80%로 증가할 때 건조기의 비 습분 추출율(Specific Moisture Extraction Rate, SMER)을 1.25로부터 2.5kW/h로 두 배 증대시켰다.

Chou 등은 건조기 성능과 설계인자로써 접촉계수를 사용하여 접근하였다. 사례 연구로서 병행류 연속터널 건조기에서 농산물을 건조하였다. 에너지 흐름과 온도는 일정하고 재료가 더욱 균일하며 흐름은 일정한 율로 통과하기 때문이다. 연속식 건조시스템의 건설은 높은 공학적 모델링이 필요하기 때문에 설계단가, 이익은 에너지 효율보다는 원가 면에서 평가하는 것이 필요하다.

아. 유동층 건조기
유동층 건조(Fludized Bed Drying, FBD)는 식품, 세라믹, 제약과 농산업에서 알갱이 같은 고형물의 건조에 많이 사용한다.유동층 건조는 간단히 만들 수 있고 HP 시스템과 결합되고 식품산업과 제약산업에서 경쟁적이다. Strommen 등은 HP를 가진 저온 건조기에 관하여 연구하였다. 그 건조기는 건조 매질로서 공기 혹은 불활성가스를 사용하는 유동층 원리에 기초를 두었다.

3. 건조대상 물품과 건조특징
HPDs는 과일, 야채, 고기, 종이, 나무, 목재, 의류, 세라믹, 화학약품과 생물학적인 물질과 같은 생산품의 건조에 사용된다. 중요한 연구는 HP를 사용하는 건조된 농산물의 색깔과 향기, 질이 전통적인 따뜻한 공기건조기를 사용하는 생산품보다 좋은 결과를 나타냈다.

가. 과일의 건조
Prasertsan 등은 바나나 건조에서 HPD 수행으로 유지비의 44%를 절약하였다. Chua 등은 2단 HPD에서 바나나 조각의 건조에 대하여 연구하였고, 바나나 조각 건조의 배치에서 시간변화 건조온도는 건조된 생산품의 색깔과 마찬가지로 건조속도에 대한 효과를 보였다. Ranjan 등은 테스트 된 하나의 모델을 제공하였고 연속적인 배치건조기와 마찬가지로 HPD를 사용하는 바나나 건조에 대한 다른 열원에서 실험적 데이터로부터 증명되었다. Ceylan 등은 키위, 아보카도와 바나나의 건조에 대한 PID로 제어하는 HPD를 설계하였다. Sosle 등은 소비자의 선호도에서 사과 조각을 건조하는 HP의 최종 품질이 완전하다는 것을 발견하였다. Perera는 사과 조각을 건조하는데 수정된 대기압하의 HP가 우수한 색깔과 비타민C를 유지하고 있음을 알았다. 사과 조각의 건조에 대한 성능평가는 엑서지 해석 방법을 사용하였다. Stawczyk 등은 대기압 냉동건조를 사용하는 HP를 설계하고 건설하였다. 사과 입방체의 질에 대한 건조효과를 대류와 진공식 냉동건조과정과 비교하여 연구하였다. Vazuez 등은 밀폐회로를 구성하는 테스트 케이스 크기 공장을 설명하였고 그것은 뜨거운 공기의 대류 챔버가 있는 HP를 가지고 포도의 건조속도를 결정하였다.

나. 농산물의 건조
Sunthonvit 등은 캐비닛과 터널 건조기를 따라 조각으로 된 건조한 과일에서 HPD는 휘발성 혼합물을 보존하기 위한 가장 좋은 시스템임을 나타내었다. 감자는 대표적인 감열물질이다. 감자를 건조하는 HP에 대한 색깔 변화에서 백분율의 저하는 87%임을 알았다. Ho 등은 2단 HPD에서 감열상품으로서 감자조각의 건조에 대한 최적 구성을 제공하였다. Sun 등은 감자의 건조에서 전도와 복사열을 연속적으로 적용하는 장치를 설계하였다. Hawlader 등은
불활성의 환경상태 하인 HPD에서 감자, 사과 그리고 반석류(Guava)의 건조 분야에서 색깔과 표면다공도 그리고 원상회복 능력을 연구하였다. Rahman 등은 식품을 구성하는 모델로서 직사각형 감자와 사과조각을 배치형의 HPD에 의해 건조하였다. Rossi 등은 HPD를 사용하여 전통적인 건조기와 비교하여 양파의 건조에 대해 좋은 생산품 질을 가진 30%의 에너지를 절약하였다. Wood는 HPD에서 건조된 생강 맛의 질을 시험하였고, HP 연구의 결과
는 휘발성 구성물을 냉동건조보다 높은 농도로 보존되었다.

다. 곡물 및 약재 건조
Adapa 등은 곡물 건조기를 갖춘 HP의 간략화 된 수학적 모델을 개발하여 성능을 연구하고 실험결과로 그것의 정확도를 검증하였다. Adapa 등은 재순환 HP의 연속적인 층 건조시스템에서 인삼, 약용식품 그리고 에키나세아(Echinacea)와 같은 특별한 작물을 건조하였다.그들은 붉은 고추를 건조하는 대기압 HP에 대한 실험을 발표하였다. Fatouh 등은 건조기의 생산성을 증가시키고 에너지 소비를 줄이기 위하여 HP를 갖춘 건조기를 사용하여 여러 가지 약초들의 건조 특성을 연구하였다. Hancioglu 등은 두개의 다른 온도에서 월계수잎을 건조하는 GSHPD의 성능해석을 평가하였다. Newbert는 가스엔진 HP와 결합된 맥아의 건조에 대한 에너지 소비를 40%까지 줄일 수 있음을 알았다.

라. 해산물 건조
Namsanguan 등은 작은 새우를 건조하는데 있어서 HP에 의해 발생하는 건조된 과열증기(SSD:Superheated Steam Dried)는 단일 새우 가공품보다 낮은 감소수준, 높은 정도의 수화물, 보다 좋은 색깔, 낮은 탄력성과 부드러움 그리고 더 많은 다공성을 가진다는 것을 보였다. Nathakarankule 등은 닭고기에 대하여 결합된 과열증기 건조기술을 연구하였다. HP 제습기에서 건조되는 다랑어(Horse Mackerel)의 건조 특성은 Shi 등에 의해서 연구되었다. Cardona 등은 냉동건조에 대한 스타터컬처(Starter Culture)에 대한 라텍스산 박테리아의 탈수에 관한 대체 방법으로서 HPDs에 대하여 연구하였다.

마. 공산품 건조
Alvers 등은 2단 열펌프 건조가 효과적이고 환경 친화적인 기술로 높은 질의 건조된 단백질을 건조하는 동안 특성을 강화하고 단가를 줄임을 제의하였다. 종이를 건조하기 위하여 흡수 HPs의 응용은 Friedel에 의해서 연구되었다. Abrahamsson 등은 종이의 건조과정 중에 유용한 폐열흐름을 식별하였다. 그 과정은 압축과 흡수 HPs 둘 다를 중요시하는 여러 가지 HP시스템을 사용하여 에너지 회수를 위하여 사용되었다. Ogura 등은 산업적 세라믹 건조과정에 대하여 새로운 화학적 HPD 응용의 잠재성을 에너지와 비용절약 관점에서 평가하였다.
Schmidt 등은 두 개의 제습 HP 사이클의 열역학적 거동을 비교하였다. 미 임계상태(Subcritical) R143a 과정과 CO2의 과도임계(Transcritical) 과정이다.

바. 목재 건조
Oktay 등은 젖은 목재의 건조에 대한 기계적인 개방 건조시스템이 있는 HP의 성능을 연구하였다. Ameen 등은 지금까지 의류건조 목적으로 대기로 방출한 가정용 공조기로부터 응축폐열의 사용가능성을 연구하였다. 제습용 HPs는 주로 목재 혹은 다른 열감 재료들에 대하여 사용되었다. 모듈방식의 HP 제습기들은 챔버형태의 목재 건조로에서 사용되었고 제습기가 운전가능성에 대해 요구된 것과 같이 작동을 허용하도록 설계되었다. Fermandez 등에
의해서 전기적으로 구동되는 HP 건조는 침엽수 그리고 경목으로부터 제재목에서 평가하였다. Ceylan 등은 포플러와 소나무 목재의 건조에 대한 에너지와 엑서지 해석을 수행하였다.

4. 결론
지속할 수 있는 에너지의 개발에 대하여 세 개의 중요한 기술변화가 요구되었다. 수요측에 대한 에너지 절약, 에너지 생산에서 효율개선 재생할 수 있는 여러 가지 에너지원에 의한 화석 에너지의 재생이다. HP시스템은 많은 생산품들, 특별히 감열 생산물의 건조에 적합하였고 많은 연구자들은 HPD가 전통적인 건조시스템에 비교하여 효과적인 에너지 사용과 건조 생산품의 품질에 만족함을 알았다.
HPD 시스템의 효율을 결정하기 위하여 광범위하게 사용된 방법은 SMER이다. HPD에 대한 연구는 나날이 증가되고 있고 수정된 대기와 하이브리드 HPD 연구가 최근에 중요하게 대두되고 있다.

5. 전문가 제언
에너지, 엑서지 그리고 원가해석의 관점에서 이 시스템의 성능평가는 성능계수(Coeffiecient of Performance, COP), 비에너지 소비(Specificenergy Consumption, SEC) 그리고 비 습분 추출율(Specific Moisture Extraction Rate, SMER)을 포함한다.

HPD 효율을 결정하기 위하여 사용된 가장 선호하는 방법은 SMER임을 결론지었다. 반면에 최근 엑서지 해석 방법이 광범위하게 사용되고 있다.국내에서 열펌프를 이용한 건조에 대한 연구로는 열펌프 건조의 성능, 상자식 농수산물 건조기의 열풍 균일분배 구조, 히트파이프 건조기의 성능, 히트파이프 적용 회전식 건조기 특성, 하이브리드 냉풍 건조기 2-사이클 열펌프 건조기에서 건조과정 그리고 R407C를 사용한 공기 건조기의 모세관 선정연구 등이 있다.본 내용에서 저자는 열펌프의 시스템 위주로 서술하고 있다. 열펌프 건조의 분류에서 건조시스템 그리고 생산품 형태 등으로 소개되고 있다.생산품 형태에서 과일의 건조, 농산물, 약재, 해산물, 공산품 그리고 목재 등에 적용한 예를 기술하고 있다. 우리나라와 연관되는 부분은 인삼과 약재의 건조 등이 유용할 것으로 생각된다. 그러나 아쉬운 점은 남해안에서 많이 생산되고 있는 굴, 홍합, 다시마와 미역 등의 건조에 대한 자료는 없다. 열펌프와 연결하여 굴, 홍합, 다시마, 미역 등의 건조에 대한 연구는 좋은 연구테마가 될 것으로 생각된다.

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