대류형 원판 건조기의 CFD 해석

김영진, 이환석, 윤도영, 박형석*

광운대학교 화학공학과, (주)기돈시스템*

A CFD Analysis of Circular Plate Convection Dryer

Y.-J. Kim, H.-S. Lee, D.-Y. Yoon & H.-S. Park*

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University, Seoul 139-701

*Kidon System, Corp., Ltd, Seoul 137-061

서론

건조공정은 피 건조물을 공급하여 피 건조물로부터 수분을 증발시키는 열과 물질이 동시에 전달되는 공정이다. 또한 건조공정은 식품공업, 정밀화학, 환경분야, 생물공학분야, 제약분야 등 고체 인자의 액체함량 조절에 의한 품질향상과 건조에 필요한 에너지 절감은 위한 공정 비용 저하 등 산업적으로 중요한 역할을 하고 있다. 그러나, 건조기의 중요성에도 불구하고 국내 건조기의 생산 자급도는 약 70%에 지나지 않으며 또한, 에너지의 효율적인 활용 및 절약방안에 대한 시도가 기술 집약적인 방법이 아닌 현장경험에 의존하고 있는 실정이다. 따라서 이러한 기술적인 난점은 극복하기 위하여 건조에 관한 기초적인 연구들과 함께 건조기내의 열 유동의 해석이 필수적일 것이다.  외국에서는 에너지 절약형 기술 및 성능의 고도화를 위하여 다각적으로 기술 개발을 추진하고 있다. 우리 나라의 기술 수준은 일본의 약 1/3수준이며 건조 효율 역시 일본제품의 약 70∼80%수준으로 평가되고 있다. 외국의 경우 건조기 내의 열 유동의 해석에 의하여 건조기의 설계 및 운영조건의 변경에 관한 인자들을 체계적으로 도출하고 있음을 주목하여야 한다. 또한, 에너지 과소비형 건조장치의 에너지 효율 개선을 위해 다각적으로 기술개발을 추진하고 있으며, 성능향상기술, 공정자동화기술, 환경문제 해소 등에 관련된 기술에 중점을 두고 기술개발을 추진하고 있다 . 이러한 배경 하에 본 연구에서는 막강한 적응능력을 가지고 있는 상업용 코드인 Fluent(ver.5.01)를 이용하여, 판형 건조기내의 열 유동을 해석하고자 한다.

대류형 원판 건조기

대류형 원판 건조기는 가열되는 원판 또는 하부에서 주입되어 상부로 이동되는 열풍에 의한 가열된 판으로부터 판위에 피건조물이 건조되어지는 장치를 말한다.  Fig. 1에 나타나 있는 이 건조기는 미세한 분말보다는 비교적 큰 입자덩어리의 건조에 적합하며, 함수율이 높은 슬러지의 건조에 많이 쓰이는 장치이다.  따라서 정밀 제어사항은 비교적 낮게 요구되어지는 것이 일반적이지만, 장치의 내구성 내지는 연속동작에 의한 다량처리에 적합한 장치라고 말할 수 있다.  외국의 경우 SEGHER사의 sludge dryer & pelletizer 와 유사한 형태를 가지고 있고, 국내에서도 한국웨스텍 및 기돈시스템에서 고유한 특허로 이 장치의 설계 및 제작에 대한 기술을 보유하고 있다.  그러나 국내기술의 경우에는 제작기술은 뛰어나지만, 건조에 대한 기술적 근거가 취약하고 역시 scale-up 또는 건조대상물에 대한 적응력이 낮아서 건조 site 별로 건조조건 및 건조장치에 대한 설계가 필요한 문제점들이 있다.  이 장치는 최고 시간당 3톤까지 연속적으로 처리할 수 있는 강점이 있어, 그 효율적인 측면만 보완된다면 슬러지 건조에 매우 적합하게 적용될 수 있을 것으로 보인다.   판형 건조기는 열풍건조기와 같은 배기가스를 지닌 건조기와는 다르게 판과 슬러지의 직접적인 열 접촉으로 열효율이 높고, 판의 회전으로 인한 피 건조물의 간접 교반으로 건조물을 생산하며, 기술적으로는 건조기내에서 슬러지의 이동 경로를 크게 하기 위해 각 판의 형태를 달리하여 판의 외각과 중심을 각각 통과시키고 있다.  피건조물은 판의 회전을 통해 반경방향으로 내부에서 외부 또는 외부에서 내부로의 극대화된 이동 경로를 통과하면서 건조가 이루어진다.  이 판형 건조기는 열풍건조의  배기가스가 가지고  나가는 열량 손실이 적어 열효율이 70 ~ 80% 정도로 상당히 높은 수준이며, 본 연구에서는 피 건조물로써 많이 함유한 탄산칼슘(CaCO3)을 피 건조물로써 설정하였다.

모델링 및 전산모사

건조기 내부에서의 열유동의 해석은 대표적인 상업용 CFD 코드인 Fluent(ver5.01)를 이용하여 모사하였다. Fluent는 유한 체적법(Finite Volume Method)에 기초하며,GUI(Graphical User Interface)방식으로 열 유체의 이동현상을 해석하는데 있어서 널리 사용된다. 본 전도형 건조기에 대한 건조공정의 해석에 적용되는 가정은 다음과 같다.

(1)건조기의 형태는 3차원의 판형 건조기의 형태를 지닌다.

(2)피 건조물은 축 방향으로 이동하며, 각 판의 회전과 함께 이동하며, Eulerian-Lagrangian 근사에 의하여 해석되어 진다.

(3)본 건조기에서 주요역할을 하는 것은 가열매체인 고온의 판이며, 정상상태 하에서 건조가 이루어진다.

(4)건조기 내부에서의 물질의 밀도는 압력 및 온도가 이상기체 방정식에 따른다는 가정하여 계산한다.

(5)위의 조건하에서 건조기 내부의 열, 물질, 운동량 등을 해석하기 위해 지배 방정식들이 사용된다.

이로부터 일반적인 연속방정식, 운동량 방정식, 열 수지식과 물질 수지식이 좌표계에 도입된다.

본 연구에서는 피 건조물인 탄산칼슘(CaCO3)이 반응기 안에서 일정한 속도로 유입되어 고온의 판에 접촉되면서 건조되는 것을 바탕으로 전산 모사를 실시하였다. 이와 같은 건조기에서는 피 건조물인 탄산칼슘의 체류시간이 규칙적으로 분포되며 작은 입자들은 본질적으로 유동화 된 기체의 출구 온도까지 가열된다.  본 연구에서 사용된 건조기는 Fig. 1에 잘 나타나 있다. 건조기의 크기는 높이 120cm 폭 60cm 크기의 실제 판형 건조기의 모형을 따랐다. 또한 본 연구에서의 건조기 모사는 3D를 사용하였다.  한편 피건조물은 탄산칼슘에 수분이 함유된 형태로써 수분 함유율을 60%로 선정하였다.  본 연구에서는 피 건조물의 유입속도를 2 m/s 로 하고, 유입되는 슬러지의 온도는 293.15K으로 하였다. 또한 반응기내의 판의 온도를 523.15K 으로 하여 정상상태에서 계산하였다. Fluent는 유한 체적법(Finite Volume Method)에 기초한 GUI방식을 이용하여 열 유체의 이동현상을 해석하는 프로그램으로서 복잡한 형상에서의 2, 3차원 유동해석, 층류 및 난류의 유동해석, 대류나 복사 등의 열 전달 문제 해석, 그리고 점성 및 비점성 유동을 모델링 할 수 있으며 주요 적용분야는 다음과 같다.  열 및 물질전달 공정, 여과, 증류, 혼합, 분리공정 반응, 고분자 중합, 건조 성형, 대기확산 등에 사용된다. 모델링의 과정에 대해서 알아보면 Fluent는 pre-processor인 Gambit와 main-processor인 Fluent 5.01 그리고 post-processor로 구성되어있다. 그 각각의 기능은 첫 번째 과정인 Gambit에서는 모사하고자하는 대상물의 기하구조를 모사하고 계산하는 과정을 수행할 수 있도록 도형을 분할하게 되며, 두 번째 과정에서는 Gambit으로부터 분할되어진 대상물을 바탕으로 초기조건 및 경계조건을 설정하고 본격적인 계산과정을 수행하며 마지막으로 post-processor에서 Fluent에서 계산되어진 결과값 및 그래프들을 얻어내는 과정을 수행하였다.

결과 및 검토

원통의 건조기 내부에서 외경이 서로 다른 5개의 회전원판이 있으며, 판위의 슬러지들은 전술한 바와같이 반경의 +/-방향으로 회전하면서 이동되어진다.  이는 Fig.1에서 보이는 내부 판의 배열과 회전에 의하여 슬러지의 이동방향과 판별 체류시간이 각각 정해지게 된다.  이때 열풍의 방향도 Fig. 2에 나타나 있듯이 각판별로 통과영역이 넓은 내부 또는 외부방향으로 각각 이동하면서 반대방향으로 이송되는 판위의 슬러지와 접촉하게 된다.  이때 건조기 내부에서 계산된 온도분포가 Fig. 3에 나타나 있다.  그림에서는 비교적 온도분포가 고르게 보여지는데 이는 공급된 열풍의 이송속도가 건조에 필요한 잠열수지에 비하여 빠르게 주어지기 때문이다.  이는 건조기내 공간에서의 온도가 판또는 벽면에 비하여 낮게 계산되는 원인이 되기도 한다.  이와같은 조건은 본 연구에서 고려하고 있는 대류형 건조기의 조업조건에 필수적인 내용이 되며, 가열되어 있는 판으로부터 슬러지에 열이 전달되어지므로 상단부에서는 열풍에 의한 표면건조과정이 그리고 하부에 이를수록 가열된 판으로부터의 열전달에 의한 내부건조과정이 진행되어진다.  본 공정에서 계산된 피건조물 즉, 탄산칼슘의 함수율관계가 Fig. 4 에 나타나 있다.  그림에서 제시하고 있는 탄산칼슘의 밀도를 환산하면, 필요한 함수율이 계산되어진다.  이제까지 Fluent를 이용한 연속식 건조기내의 열유체의 이동현상의 전산기법을 체계적으로 설명하였다.  본 연구에서 수행한 전산모사는 실험적으로 수행되는 건조기의 설계를 실제제작에 앞서 정확도 및 효율을 측정할 수 있는 매우 효과적일 것이다.

참고문헌

1. McCabe, W.L., Smith, J.C. and Harriot, P.: "Unit Operations of            Chemical Engineering," 5th Ed, McGraw-Hill, 1993.

2. Master, K.: "Deposit free spray drying: a dream or a reality," Proc.        10th IDS Cracovie, pp. 52-60, 1990.

3. 김명배:□국내 산업용 건조기의 기술현황 및 전망,□ 화학공업과 기술, 15,      298, 1997.

4. Berger, D. and Pe, D.C.T.: Int. J. Heat Mass Transfer, 16. 293, 1957.

5. 일본분체공학회:□최신분체기술핸드북,□ pp. 515-559, 1990.

실질적인 건조공정이 비롯되어진다.

Fig. 1 Schematic diagram.               Fig. 2 Velocity profile.

Fig. 3 Temperature profile.              Fig. 4 Density profile.