고온용 히트펌프 건조기 설계 기술개발에 관한 연구

Abstract

우리나라 에너지 소비량의 55% 이상을 차지하는 산업부문의 히트펌프 보급은 몇 개 업체에 적용한 수준이다. 반면 유럽, 미국, 일본 등 선진국에서는 정부의 적극적인 지원하에 96년말에 33,000여대 보급하여 상당한 성과를 거두고 있어 우리나라에서도 고온․ 고효율 히트펌프 개발 보급이 시급한 실정이다. 산업체 히트펌프 보급은 설비별 에너지사용량이 크고 연간 가동시간이 길고 계절별 외기온도에 대한 영향이 적으므로 에너지절약효과가 크고 대량으로 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 투자경제성이 매우 양호하여 기술개발시 파급효과가 매우 클 것으로 판단된다. 산업체에서 이용 가능한 열원으로는 배출공기, 폐수, 냉각수, 배증기, 폐가스 등 다양하고 잠재하고 있는 보유열량이 많아 히트펌프에 좋은 열원으로 활용 될 수 있다. 산업체 히트펌프 적용가능 분야를 보면 저온공정을 보유하고 있는 식품, 섬유, 목재, 제지, 화공 및 전자업종 등에 건조기, 온수생산 공급, 공조기 등 공급대상이 다양하다. 산업용 건조기 중에 열풍을 열원으로 사용하는 건조기는 90% 이상이고, 통기 건조기는 열풍건조기의 대표적인 형태로서 그 비율이 68.7%로 아주 높으나 대부분의 건조기의 효율이 30～50%로 막대한 열에너지가 배기열로 손실되는 수준이다. 실제 투입 열량의 66% 또는 생성된 열풍의 78% 정도가 배기열로 손실되므로 배기열로 손실되는 열에너지를 회수하여 열풍 생성에 다시 활용을 한다면 막대한 에너지 절감 및 건조 장치의 고효율화가 가능하다. 또한, 히트펌프의 장점을 충분히 활용하여 배기열의 대부분을 회수하고 이를 열풍에 공급하므로 에너지 효율의 향상과 에너지 절감을 기대할 수 있다. 건조공정은 국내 산업부문 에너지 소비량의 7% (6,356 천TOE) 이상을 점하는 다량의 에너지를 소비하고 있으며, 실제 건조설비 사용업체의 연료사용 비중 중에서 건조기의 연료사용 비중이 30%를 초과하고 있어 이에 대한 최적화된 기술개발이 국내 에너지 절약의 중요 변수이므로 히트펌프 건조기의 건조공정은 고온의 열풍을 건조부로 불어넣어 피건조물에 함유된 습기를 제거하고, 피건조물을 통과한 고온의 습공기를 히트펌프의 증발기에서 습공기가 가진 에너지를 회수하고, 이 과정에서 응축, 제습되어 건조된 공기를 재순환하여 이용하므로 배열회수 및 제습공기의 재활용에 따른 에너지 절약 효과는 매우 크다. 기존의 열풍건조기의 효율은 약 30%～50% 수준으로 운전되고 있는 반면, 최적 설계된 열풍-히트펌프 건조기 효율은 약 60%～80% 수준까지 상승하므로 에너지 효율향상과 에너지 절약을 이룰 수 있다. 또한, 히트펌프에서 생성 가능한 열풍 온도 (80℃ 이하) 이상의 온도에 대하여는 보조열원을 사용하여 더 높은 온도의 열풍을 사용하므로 히트펌프 건조기는 기존 건조기에 비해 최대 약 5배 정도까지 큰 SMER(Specific Moisture Extraction Ratio)을 가지고, 건조기가 히트펌프 사이클에 결합되어 -20℃～120℃에 이르는 넓은 범위의 건조조건에서, 건조 품질의 안정/향상이 요구되는 식품, 세라믹 및 바이오물질의 건조에 적용될 수 있으며, 건조부로부터 배출되는 열풍에 잔존하는 배열은 히트펌프의 증발기에서 제습과정을 통하여 응축수의 형태로 회수되어 건조에 사용되는 에너지 소비량을 크게 줄일 수 있는데, 외국의 여러 사례에 따르면, 기존의 단순 열풍건조기에 비해서 약 60%～80%의 에너지를 절약할 수 있으며, 밀폐형 순환방법을 사용하므로 건조공기에 포함될 수 있는 환경오염물질의 외부로의 유출을 최소화 할 수 있어 기존의 건조기에 비해서 환경문제에 적극적으로 대응할 수 있을 것을 판단된다. 따라서 본 연구에서는 식품, 섬유, 목재, 화공 업종이 보유하고 있는 에너지 소비량이 큰 건조기에 적합한 히트펌프를 개발 보급하므로 건조기의 효율향상으로 대량의 에너지 절감을 이룩할 수 있을 것이다.