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스마트 열풍 하이브리드 건조기 개발

글쓴이 : Riushop 날짜 : 2015-04-09 (목) 17:54 조회 : 10576

- 세지테크(주) 기술연구소 이현구 소장

 

스마트 열풍 하이브리드 건조기 개발 추진 필요성

최근 IT, NT, ET, BT 산업의 급성장으로 고부가가치 신소재 제품의 첨단건조기 시장수요 급증으로 건조기술의 고성능화, 복합화 및 친환경 분야에 대한 기술개발이 요구되고 있다.
열풍건조기는 산업분야에서 가장 많이 사용되는 건조기이나 그 효율이 30∼50%로서 상당량의 에너지가 활용되지 못하고 버려지고 있으므로 이를 회수하여 에너지 이용효율을 높일 수 있는 스마트 열풍 하이브리드 건조기의 개발이 시급하다.
전자재료, 세라믹, 반도체, 의약품 및 정밀화학산업 등의 미세입자들은 기존의 입자 건조기술로는 건조가 어려우며, 새로운 융ㆍ복합 대안기술이 필요한 상황이다.
특히 미세입자 및 첨단 소재의 경우 균일 가열에 의한 고품질화, 건조시간의 단축을 통한 생산성 향상 및 정밀 열제어를 통한 열 민감성 물질의 건조에 효과적인 MW(Microwave)가열설비의 성능향상과 열풍 하이브리드 건조 시스템의 적용기술 개발이 필요하다.
고출력 마이크로 웨이브 가열 기술은 국내에 적용 사례가 거의 없으며 대부분 외국(미국,일본,독일)의 기술 의존도가 크며 피건조물에 따른 출력제어 기술이 반드시 필요하다.
고품질 건조를 위한 고효율 열풍 하이브리드 건조기와 MW 건조시스템 성능향상 기술, 중대형 마그네트론(20KW급)을 이용한 건조설비 개발, 열풍 하이브리드 건조 시스템 설계 및 최적화 기술이다.

 

기대효과

·첨단 산업용 하이브리드 건조기의 독자 고유모델의 개발로 국산화 기술 확보 및 시장 경쟁력 확보에 기여
·출력 가변형 중대형MW(20KW급) 건조기 및 열풍 하이브리드 건조기 국산화 기술의 신뢰도 및 국제 경쟁력 확보
·고효율 건조, 낮은 건조비용, 건조품질 향상 및 안전한 조업환경 조성 등을 통한 시장 경쟁력 확보
·열 민감성 물질의 건조가 가능함에 따라 산업분야 파급효과가 매우 큼
·수입대체 효과 및 수출 상품화에 기여
- 수입대체 효과 연간 약 100억, 신규 고용 창출 효과 약 30명 (2018년 기준)
- 동남아 및 중국 등 신흥 공업국가의 수출 상품화 : 연간 100억(2018년 기준)
·건조효율 증가에 따른 에너지절약 및 온실가스저감에 기여
- 에너지절감 효과(기술개발 제품 단위당) : 900,000kWh

 

건조기 개념

건조(drying)는 피건조물에 열, 공기유동, 전자기파 등을 이용하여 수분 또는 유기용제 등을 제거하는 단위조작으로서 최종제품, 중간가공, 후처리 및 이송 과정 등 전 산업공정에서 거의 필수적으로 사용되는 에너지 다소비 공통기술이다.
건조기(dryer)는 다량의 에너지를 사용하여 물체가 함유하고 있는 수분 또는 용제를 제거하는 장치로서 피건조물의 종류에 따라 식품, 화공, 섬유, 제지·목재, 요업, 금속, 전자부품 및 폐기물에 이르기까지 적용분야가 매우 다양하다.
건조기는 다종, 다양한 형식의 건조기가 개발되어 사용되고 있으며, 열전달 방식에 따라 건조기를 분류하면, 대류식 건조기(상자식, 밴드식, 터널식 등의 통기식 건조기와 기류식, 회전식, 분무식, 유동층식 등의 입자유동식 건조기), 전도식 건조기(디스크식, 스크류식, 패들식, 교반식 건조기 등), 복사파 건조기(적외선, 고주파, 초단파, 마이크로파 건조기 등) 등으로 분류할 수 있다.
일반적으로 복합건조 기술(hybrid drying technology)은 동일하거나 서로 다른 형태의 건조기들을 2개이상 복합하는 방식이외에도 서로 다른 열전달 방식을 복합하여 사용하는 것을 의미한다<그림 1>

 

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관련 기술은 고출력 MW 건조 시스템의 성능향상기술 개발을 통하여 열풍과 MW를 조합한 건조기술 개발과 열풍건조 개발 및 이를 이용한 건조기술을 통하여 열풍건조기의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 열풍ㆍ마이크로웨이브 하이브리드 건조 시스템을 개발과 관련이 있다<그림 2>

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MW 건조는 열풍 건조공정에 추가적인 현열 가열을 제공하여 건조스케줄에 따른 출력가변 시스템을 적용하여 건조시간을 대폭 감소시킬 수 있는데, 피건조물의 내부에 존재하는 수분을 빠르게 건조시킴으로 일반적인 피건조물의 초기 건조 또는 입자형 재료의 건조에 유리하다.
일반적으로 가열건조의 목적인 마이크로웨이브 오븐의 주파수(진동수)는 915㎒ ~ 2450㎒ 이고 그것은 전기장이 역류하여 2초마다 원래 방향까지 9,150,000,000(=915×107) ~ 24,500,000,000(=2450×107)번을 되돌아가는 것을 의미한다.
이 원리를 이용하여 공업 및 가정에서 마이크로파 가열 건조로 쓸 수 있는 마이크로파 파장은 <표 1>과 같다.
<표 1>에서 보는 바와 같이 L, S대보다 더 높은 C, K대 주파수 영역은 출력효율, 초기투자비 등의 문제로 상용화되지 못하고 있으며, L(915㎒), S(2450㎒) 대의 주파수는 공업용·과학용·의학용으로 보통 사용되고 있다.

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S(2450㎒)대의 주파수는 가정용 전자레인지에 주로 사용하고 있으며, 불꽃방전을 이용하면 거의 모든 파장의 마이크로파를 발생시킬 수 있으나 출력이 약하고 불안정하여 특별한 전자관인 마그네트론 등을 사용하고 있다.

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또한 파장별 용도는 <표 2>에 나타내었으며, 무선통신용 외에 산업용으로는 ISM (Industrial, Scientific and Medical Use)주파수인 L파 915㎒와 S파 2.45㎓가 주로 사용되고 있다.

<표 3>에서 여러 가지 가열법이 비교하고 있는데, 마이크로파 가열은 효율이 좋고 가열속도가 빠르기 때문에, 최적 조건에서 이용하면 가공시간이 70~80% 단축 되고, 또 장치의 바닥 면적을 1/5 ~ 1/10로 축소할 수 있다.

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정책 부합성 및 정부지원 필요성

최신 열에 민감한 원료(예 polyquta)등의 건조에 저온 열풍을 사용한다. 하지만 생산성이 떨어지고 장시간 건조에 따른 에너지 비용도 많이 소모되고 있는 상황이다.
따라서 이런 분야에 고출력 MW를 이용한 가열장치를 사용하여 건조하는 복합건조 기술개발이 필요하다.
최근 유망한 나노소재, 고집적 디바이스(반도체, TFT) 공정소재, 에너지(솔라셀, 배터리, 커패스트) 소재, 바이오/신약 등의 신물질 및 첨단원료 등의 원천적 건조기술 확보가 필요하며, 여러 열원을 이용한 복합가열 시스템, 다단계 건조 시스템 및 융복합 공정가열시스템 등 복합첨단기능 가열장치의 신산업분야 수요증가로 복합건조 기술 확보 필요하다.
IT, NT, ET, BT 등 첨단산업 분야에서 건조기술은 단순히 수분이나 유기용제를 증발시키는 것 이외에도 분자간 가교반응이 일어나게 하거나, 화학적인 변화가 전혀 발생하지 않아야 하는 등 피건조물의 물질적 변화를 엄격하게 제어해야 하는 가열장치 수요증가가 전망된다.


고출력MW(20KW급) 가열 기술은 국내에 적용사례가 거의 없으며 대부분 외국(미국, 일본) 기술의존도가 크며, 피건조물에 따른 출력제어 기술이 반드시 필요하다.
최적설계가 이루어지지 않은 열풍ㆍ마이크로파 복합건조기는 건조 효율의 저하, 낮은 생산성, 높은 운전비용으로 이어지고, 열풍가스 누출, 가동 초기의 주요 부품 손상 등에 기인한 낮은 시스템 신뢰성으로 상당한 유지비용 증가를 가져온다.


열풍 건조기술의 최적화를 위해서는 건조 대상물에 따른 건조 물성/특성에 대한 정보를 확보하고, 건조부하에 적절히 대응할 수 있는 제어 기술을 확보하여 최적의 건조 스케줄을 확립하는 것이 중요하고, 건조물의 건조부하에 따른 온도 및 습도를 자동으로 제어 할 수 있는 기술이 요구된다.
이를 위해 피건조물들의 건조특성에 대한 데이터베이스를 구축하여 이를 설계에 활용할 필요가 있고, 또한 건조부하에 따라서 운전조건을 최적화할 수 있는 제어기술 개발이 필요하다.


국가적인 현안인 온실가스 감축목표를 달성하기 위해서는 건조기와 같이 에너지 소비율이 높은 산업용 다소비 기기에 대한 효율 향상이 시급하며, 대용량 마이크로웨이브 건조기에 적용하는 것은 건조기의 에너지 효율을 크게 향상시킬 수 있어서 국가적인 온실가스 감축 목표 달성에 큰 기여를 할 수 있어서 이를 보급하기 위한 정책적 지원이 필요하다.

 

국내외 현황분석

 

해외 시장현황 및 전망

선진 외국에서는 기존의 열풍건조기, MW 건조기의 기술개발을 완료하여 상품화하였으며, 최근에는 MW건조기의 고출력화, 복합화, 대형화 및 친환경 건조기술 분야에 기술개발을 집중하고 있다.
열풍건조기에 소형(3KW이하)마이크로웨이브 건조기를 복합하여 효율을 높이는 건조기는 지난 1990년대부터 목재와 몰드, Sheet 건조 분야를 중심으로 사용되기 시작하여 1990년대와 2000년대에 외국에서 많이 보급되었고 다년간의 설계/개발 경험으로 건조 기술이 향상되고 있으나 중대용량 마이크로파 건조기는 국내에 적용사례가 거의 없다.
또한 가열/건조설비의 산업분야 수요가 다양해지면서 미국, 일본 및 EU 국가 등에서는 MW를 이용한 가열 /건조기 상업화에 집중하고 있다.


일본과 독일을 중심으로 유기계 고분자, 식품, 의약품, 미세입자 및 첨단산업 분야(IT, 솔라셀, 전지,인쇄 디바이스) 신소재 등에 중대용량의 MW건조기의 상업적 적용이 활발해지고 있다.
초정밀/청정 조건을 만족하는 가열수단으로 출력가변형 MW의 적용기술과 함께 구간별, 위치별 정밀한 온도제어 하이브리드 건조기의 상업화가 추진 중에 있다.


고출력 MW 가열 기술의 상용화로 식품산업분야, 화학공정분야의 미세입자 가열공정의 범주까지 적용되는 추세로서 기술이 급속도로 발전하고 있다.
산업용 건조기의 해외시장은 <표 4>와 같이 전망할 수 있다.

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국내 시장현황 및 전망

국내에서 사용 중인 기존 건조기들은 대부분 화석연료 버너식 및 전기 가열식으로 에너지의 합리적인 이용 측면에서는 비효율적이며 이러한 방식은 건조물의 품질도 저하시킬 수 있다.

최근에 히트펌프 건조기 등 배기열을 회수할 수 있는 시스템을 구비한 건조기가 부분적으로 도입되기 시작하였으나, 기술도입과 관련한 짧은 경험으로 최적 설계 및 제어운전이 이루어지지 않아 본래의 에너지 절감효과를 제대로 활용하지 못하고 있는 실정이며, 선진국과 약 20%이상의 에너지 소비효율 격차를 보이고 있다.
국내 MW 건조기는 3KW이하의 제품을 여러 개 장착하여 사용하는데 이는 서로 간섭영역이 많아져 효율을 저하시키고 있다.


3KW이하의 마그네트론은 안정성이 취약하여 생산성이 높지 않으며 안전장치를 장착 시 장비의 가격이 매우 높아져 설비 투자비가 높아진다 .
산업용 MW건조기 생산기업은 대부분 영세중소기업으로 선진국에 비해 기술격차가 크며, 수입의존도가 높으며 대부분 3KW급 이하를 사용하여 산업분야에 적용함으로써 고출력 및 고성능화에는 한계가 있다.
신소재 및 나노기술의 진보로 인하여 미세입자 건조기술이 불가피하나 이를 대체 할 대량 건조기술이 미흡하며, 최근 급성장하고 있는 IT, BT, ET, NT 등 첨단산업분야에 적용하기 위한 고성능 MW 건조기의 수요가 크게 증가하는 추세이다.
반도체/디스플레이 분야의 공정용 MW 건조기/열처리, 광학필름, 솔라셀, 2차전지 등 첨단 분야의 수요가 증가하고 있고, 식품산업에 새로운 산업분야로 부각되고 있어 고성능 MW건조기 필요성이 커진다.


열민감성 원료에 생산성 향상 및 원료의 안정성을 위한 건조기술 개발이 국내외 적으로 개발 추세인데, 건조시간을 단축하기 위해서는 더욱 고출력화된 MW가 요구되며, 원료의 안정성이 개발되고 있어 열풍-고출력 MW 복합건조기의 수요가 증가하고 있다.
산업용 건조기의 국내시장은 다음 <표 5>와 같이 전망할 수 있다.

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기술황 및 전망

 

해외 기술 현황

미국, 일본 및 EU국가 등은 기존의 열풍건조기, MW건조기 등은 기술개발이 완료되어 상품화하였으며, 최근에는 복합화, 대형화 및 친환경 건조기술 분야에 기술개발을 집중하고 있다.
캐나다의 Mc Gill 대학에서는 진공-마이크로파 건조과정의 건조부하에 따른 실시간 power control 시스템을 개발하였으며, 영국의 Queen's대학에서는 유동층-마이크로파 건조과정의 해석기술에 대한 연구를 추진하였고, Aspen Tech. Co.에서는 다양한 건조공정에 대한 수치해석 계산 및 시뮬레이션 프로그램, 설계기법 및 제어기술에 대한 프로그램을 개발하여 상용화하였다.


특히 미국, 캐나다, 독일, 프랑스 및 영국 등에서는 1.4kW급 및 3kW급의 열풍-전자파 복합건조장치의 상용모델이 개발되어 상용화되었다.
미국의 Richardson Electroinc사는 건조기의 상용화 전문회사 들이지만, 출력이50kW급을 상용화하여 각종 산업용 건조기에 적용하고 있다.

배열활용 히트펌프 건조기에 대한 최초의 특허 등록은 1973에 시작되었으며, 히트펌프 건조와 관련된 최초의 연구는 Hodgett[1976]과 Geeraert[1976]가 수행하여 기존 증기가열식 건조기에 비하여 히트펌프 건조기의 에너지소비량이 적음을 확인 할 수 있다.


Tai 등[1982]은 히트펌프 건조시스템의 장점들을 제시하였으며, Oliver[1982]는 목재건조에 많이 적용되고 있는 제습 히트펌프에 관하여 연구하였고, Zylla 등[1982]은 건조기 배출공기의 상대습도가 상승할수록 SMER도 상승한다는 결론이 도출되었다.
Cunney와 Williams[1984]는 잘 설계된 엔진구동형 히트펌프를 적용할 경우 건조 에너지비용을 약 30~50% 절감할 수 있다고 보고하였고, Newbert[1985]는 가스엔진 히트펌프 건조기를 적용하여 몰트를 건조하면 에너지 소비량을 약 40% 절감할 수 있음을 보여주기도 하였다.
1988년에 유럽의 산업용 히트펌프의 약 7%가 건조에 사용되었고, 히트펌프들의 총 설치용량은 60MW였다[Strommen과 Kramer, 1994].


Meyer와 Greyvenstein[1992]은 곡물건조에 히트펌프를 적용할 경우 전주기 비용을 분석하였고, Soylemez[2006]는 최소의 전주기 비용으로 적용할 수 있는 최적의 운전온도와 시스템 규격을 계산하기도 하였으며, 그의 분석결과 순수 전주기비용은 약 5,500US$로 나타났다.
<그림 3>은 1970년대부터 지금까지 히트펌프 복합건조기 관련 연구의 추세를 보여주는데, 지속적인 증가 추세를 확인할 수 있으며, 특히 2000년대 들어서면서 크게 증가하고 있음을 알 수 있다.

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고온용 히트펌프 건조기는 고온용으로 사용 가능한 냉매의 제한으로 외국에서도 개발사례가 많지 않은데, 1986년에 영국에서 CFC 계열 냉매인 R-114를 이용하여 60°C 이상의 온도에서 건조가 가능한 목재 건조용 히트펌프 건조기를 개발하여 기존의 열풍건조에 비하여 40~60%의 에너지 비용을 절감하였다.
자연냉매인 이산화탄소를 사용하는 히트펌프를 건조기에 활용하는 연구가 이루어지고 있으나 초임계 이상의 고압에서 작동되어야 하는 신뢰성 문제로 상업적 이용은 제한되고 있다.


2007년 캐나다 Hydro-Quebec Co.의 연구소에서 R-236fa를 사용한 히트펌프를 목재건조기에 적용하여 82~93℃의 온도 범위에서 평균 SMER이 목재의 종류에 따라 1.5∼2.35 kg/kWh을 얻었다고 발표했다.

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