건조기 설계-건조에 필요한 열량은 어떻게 계산합니까?

건조에 필요한 열량은 어떻게 계산할까요? 
 
이곳의 내용
・건조 현상의 진행 방법
・건조에 필요한 열량을 구하는 방법
・재료에 유입되는 열량을 구하는 방법
・건조기 용적 및 전열 면적을 구하는 방법
 
이곳의 내용을 읽으면 건조 현상을 이해하고 건조기의 대략적인 설계를 할 수 있습니다.

 

⑴건조기 설계 방법
건조기 설계의 목적은, 건조기의 용적(부피)과 전열 면적을 구하는 것입니다.
용적과 전열 면적은 다음 식에서 구할 수 있습니다.     

Qreq: 건조에 필요한 열량
Qsup : 건조시키고 싶은 재료에 유입되는 열량
 

여기에서는, 건조에 필요한 열량 Qreq 및 건조시키고 싶은 재료에 유입하는 열량 Qsup의 개산 방법(概算方法)을 3종류의 건조기에 대해 설명해 갑니다.

 

⒜Batch식 (뱃치식) 열풍 건조기
⒝연속식 열풍 건조기
⒞ 연속식 전도 전열 건조기

그리고 건조에 필요한 열량 Qreq와 건조시키고 싶은 재료에 유입되는 열량 Qsup을 이용하여 건조기 용적과 전열 면적을 구하는 방법을 설명합니다.
계산을 이해하기 위해, 우선 먼저 건조 현상의 진행 방법의 이미지를 가져 주십시오.

 

⑵건조 현상의 진행 방법 【계산 방법을 알기 전에】

건조현상의진행방법(계산방법을알기전에)

 
건조 현상은 3개의 기간을 거쳐 진행합니다.
☞ 예열 기간
☞ 정율건조기간
☞ 감율 건조 기간
 

☞ 예열기간

예열 기간은 습기 재료를 습구 온도까지 가열하는 기간입니다.
다시 말하면 습한 재료를 수분이 증발하는 온도까지 가열하는 기간입니다.
이 기간 동안 준 열량은 모두 습기 재료의 온도 상승에 사용됩니다.
그래서 이 기간의 함수율은 일정합니다.

 

☞정률 건조기간

정률 건조 기간은 습구 온도에서 물이 증발하는 기간입니다.
이 기간 동안 준 열량은 모두 물 증발에 사용됩니다.
따라서 이 기간 동안 눅눅한 재료의 온도는 일정합니다.
재료 표면의 수분을 증발시키는 이미지입니다.

 

☞감률 건조기간

감률 건조 기간은 습구 온도에서 제품 온도까지 가열하는 기간입니다.
이 기간은 준 열량은 재료의 온도 상승과 물 증발 모두에 사용됩니다.
따라서 재료 온도 및 함수율이 함께 변화합니다.
재료를 온도 상승시키면서 재료 내부의 수분을 증발시키고 있는 이미지입니다.
건조 특성은 재료에 따라 다르기 때문에 건조기의 상세한 설계에는 실험이 필수적입니다.
여기서는 상세 설계가 아닌, 개산 설계(概算設計)하는 방법을 해설합니다.

 
 

⑶건조에 필요한 열량 계산 방법
건조에 필요한 열량은 습구 온도에서 모든 수분이 증발하는 것으로 추정계산합니다.

 

"건조에 필요한 열량" = "재료를 습구 온도까지 가열하는 데 필요한 열량" + ”습구온도에서 물이 증발하는 데 필요한 열량” + “습구온도에서제품온도까지가열하는데필요한열량”

 

즉, 예열 기간, 정률 건조 기간, 감률 건조 기간의 각각의 기간에 필요한 열량을 구해서 더하면 된다는 것입니다.

건조에필요한 열량계산방법

 
"Batch식 열풍 건조기"의 경우 와 “연속식 열풍건조기, 연속식 전도 전열건조기”의 경우 의  열량계산 방법

건조에필요한열량계산방법(Batch식,연속식)

mS: 투입한 재료의 질량[kg-건조 재료]
tD: 전체 건조 시간[s]
FS：건조 재료의 공급 속도［kg-건조 재료/s］
ω1: 건조 개시시의 함수율[kg-물/kg-건조 재료]
ω4: 건조 종료시의 함수율[kg-물/kg-건조 재료]
CS : 건조 재료의 비열 용량 [J/(kg-건조 재료·K)]
CL：물의 비열용량［J/(kg-물・K)］
TW: 습구 온도[K]
(⊿hV)W: 습구 온도에서의 증발 잠열[J/kg]
TM1: 건조 개시시의 재료 온도[K]
TM4: 건조 종료시의 재료 온도[K]

 
 

⑷재료에 유입되는 열량의 계산 방법

☞Batch식 열풍 건조기
   ▶열풍과 재료의 접촉면적이 명확한 경우

    ▶접촉면적이 분명하지 않은 경우

 

        (T-TM) av 은 열풍과 재료의 산술 평균 온도차

 
 

☞ 연속식 열풍 건조기
   ▶열풍과 재료의 접촉면적이 명확한 경우

 

   ▶접촉면적이 분명하지 않은 경우

 

        (T-TM) lm은 열풍과 재료의 산술 평균 온도차

 
 

☞ 연속식 전도 전열 건조기 

 

A: 재료와 열풍의 접촉 면적 [m2]
AK: 전도 전열 면적 [m2]
a: 건조기 단위 용적당 재료 표면적 [m2/m3]
hc: 열전달계수[W/(m2·K)]
hca : 열용량 계수 [W/(m3·K)]
T : 열풍 온도 [K]
TM: 재료 온도 [K]
TK: 열매체온도 [K]
UK: 열전도율 계수 [W/(m2·K)]
VD: 건조기 용적 [m3]

 

⑸건조기 용적 및 전열 면적 계산 방법

구한 건조에 필요한 열량
Qreq와 습재에 유입되는 열량 Qsup이 같도록 건조기의 전 용적 VD나 전열면적 A를 결정할 수 있습니다.
열용량 계수 등이 필요한 경우는, 아래 표가 참고가 될겁니다.

표: 건조기의 능력 개산표

건조기능력개산표

출처：”화학공학편람 개정五판”  p.665.丸善出版(1988)

 

⑹요약

건조 현상의 진행 방법과 건조기의 대략 설계 방법을 설명했습니다.
건조가 어떻게 진행되는지~ 이미지를 가지고 계산하는 것이 중요합니다.
자세한 디자인이 필요한 경우에는 전문서적들로부터 배울 것을 추천합니다.