게시판 > 질답게시판 > 공정 중 에너지(스팀) 절감량 계산

장현수 jddast

10-12-14 14:17

제가 정확히 시스템이 이해가 되지 않아서 잘은 모르겠지만 위의 식 자체는 단위가 맞지 않아 문제가 있는 것 같네요.
시스템에 대한 설명이 좀 더 필요한 것 같습니다.

제가 이해한 바로는,
송풍팬이 열교환기를 거친 뜨거운 공기를(위의 식에서 비열이 0.25㎉/㎏℃로 미루어 짐작) 흡입하여 60도인 어떤 물체 또는 공간을 80도로 올리는 공정이라고 판단이 됩니다. 그 때 열교환기에서의 매체는 스팀이며(보일러에서 생산된) 이 스팀으로 공기를 데우고, 그 공기는 Induced Fan에 의해서 흡입되는 것으로 판단이 되네요.

제 이론이 맞다면,
스팀이 준 열량 = 공기가 얻은 열량 = 물체 또는 공간이 데워지는데 사용된 열량 (60->80도)
즉, 1) 스팀의 양을 알고 싶으면 스팀의 조건(온도, 압력)이 필요하며
2) 물체 또는 공간에 대한 정의
가 필요한 것으로 판단이 되네요.

보충설명 또는 제가 잘못알고 있었다면 한 수 가르쳐 주시면 감사하겠습니다.

박승구

10-12-15 07:42

네 님이 생각하는 그 공정 그대로 입니다. 물체가 아니라 공간인걸 제외하고는 정확합니다.
스팀의 압과 온도는 확인해 보겠습니다.

장현수 jddast

10-12-15 09:33

네.. 아래 스테파노님께서 자세히 말씀해 주셨네요.
스팀의 압과 온도를 알려고 했던것은 아래 스테파노님 계산에서도 보듯이 스팀잠열이 필요한 것으로 판단이 되어 요청했던 사항입니다.

스테파노 Stefano

10-12-14 15:05

(1) 가열시간을 줄이는 것은 필요한 가열 소요열량을 줄이지는 못합니다.
따라서 스팀 소요량은 동일합니다. 다만 열손실 시간이 줄어들어 손실되는 열량이 줄고, 송풍기 가동시간을 줄여 전력량이 줄어들기 때문에 생산성이 늘고, 동시에 운전자의 인건비가 줄어드는 부수적인 효과가 있습니다.

(2) 가열시간을 줄여도 제품 건조에 문제가 없다고 하면 당연히 가열시간을 줄여야 하겠지요. 이런 경우에 품질관리와 에너지 절약의 방법은 가열시간에 따른 제품의 수분함량 데이터를 수집하여 그래프로 그려보는 것입니다.

많은 데이터를 얻어서 가열시간과 건조도의 그래프가 얻어지면 "필요한 최소한의 여유시간"만 더 주고 가열시간을 줄이는 것입니다. 여기서의 "필요한 최소한의 여유시간"은 수집된 제품 수분함량데이터로부터 통계처리하여 얻어지는데 결과적으로는 품질만족확률(신뢰도)과 제품의 건조도(품질)과의 통계적 수치로 결정짓게 됩니다. 귀사의 품질관리 담당자와 협의하도록 하세요.

(3) 건조소요 열량 계산방법
열풍량으로 계산방법
7시간 가열시: Q1 = (풍량 2200m3/분)*[단위환산 60분/h]*{공기비열 0.25 kcal/kg/℃*[공기밀도 1.295 kg/m3]}*(승온온도 20℃)*(가열시간, 7h) = 854,700 kcal .....7시간동안 공기를 60도에서 80도로 가열해서 공급할 때의 가열부하

4시간 가열시: Q2 = 488,400kcal .....4시간동안 공기를 60도에서 80도로 가열해서 공급할 때의 가열부하
단 4시간만 가열해도 완전히 건조 된다면 그리하면 되지요. 줄어드는 열량차를 스팀잠열로 나누면 필요한 스팀의 양이 계산됩니다. 가열기의 효율이 있다면 그 효율로 나눠야 공급해야 할 스팀의 양이 계산되지요.

(4) 어떤 분의 계산... "2,200㎥/분 × 60분 ×0.25㎉/㎏℃×(80-60)℃×(7-4)시간×0.7)/9,500㎉/㎥ x 90%" 이 계산으로 얻어지는 단위를 알아보세요. 단위도 맞지 않는 계산이라서 의미를 이해할 수 없습니다.

0.25㎉/㎏℃...이 값은 공기의 비열로 보이는데 공기부피 유량에다 밀도를 더 곱해줘야 kg/h 단위 유량으로 환산할 수 있습니다.
9,500㎉/㎥....이 값은 제품 1m3당 필요한 열량이라는 뜻인지?, 1m3 공기를 가열하는데 필요한 열량이라는 것인지?
90%로 나눈 열량으로 가열해도 부족할 터인데 90%를 곱하고 있으니 뭘하자는 것인지 알 수 없는 계산입니다.
60분...이것은 단위환산하겠다는 수식인데 이렇게 쓰면 안됩니다. 반드시 [60분/h]를 곱해야 환산이 됩니다 .

(1) 가열시간을 줄이는 것은 필요한 가열 소요열량을 줄이지는 못합니다.  
따라서 스팀 소요량은 동일합니다.  다만 열손실 시간이 줄어들어 손실되는 열량이 줄고,  송풍기 가동시간을 줄여 전력량이 줄어들기 때문에 생산성이 늘고,  동시에 운전자의 인건비가 줄어드는 부수적인 효과가 있습니다.

(2) 가열시간을 줄여도 제품 건조에 문제가 없다고 하면 당연히 가열시간을 줄여야 하겠지요.  이런 경우에 품질관리와 에너지 절약의 방법은 가열시간에 따른 제품의 수분함량 데이터를 수집하여 그래프로 그려보는 것입니다.

많은 데이터를 얻어서 가열시간과 건조도의 그래프가 얻어지면 "필요한 최소한의 여유시간"만 더 주고 가열시간을 줄이는 것입니다.  여기서의 "필요한 최소한의 여유시간"은  수집된 제품 수분함량데이터로부터 통계처리하여 얻어지는데 결과적으로는 품질만족확률(신뢰도)과 제품의 건조도(품질)과의 통계적 수치로 결정짓게 됩니다.    귀사의 품질관리 담당자와  협의하도록 하세요.

(3) 건조소요 열량 계산방법
열풍량으로 계산방법
7시간 가열시:   Q1 = (풍량 2200m3/분)*[단위환산 60분/h]*{공기비열 0.25 kcal/kg/℃*[공기밀도 1.295 kg/m3]}*(승온온도 20℃)*(가열시간, 7h) = 854,700 kcal  .....7시간동안 공기를 60도에서 80도로 가열해서 공급할 때의 가열부하

4시간 가열시:   Q2 = 488,400kcal  .....4시간동안 공기를 60도에서 80도로 가열해서 공급할 때의 가열부하  
단 4시간만 가열해도 완전히 건조 된다면 그리하면 되지요.  줄어드는 열량차를 스팀잠열로 나누면 필요한 스팀의 양이 계산됩니다.   가열기의 효율이 있다면 그 효율로 나눠야 공급해야 할 스팀의 양이 계산되지요.

(4) 어떤 분의 계산... "2,200㎥/분 × 60분 ×0.25㎉/㎏℃×(80-60)℃×(7-4)시간×0.7)/9,500㎉/㎥ x 90%"  이 계산으로 얻어지는 단위를 알아보세요. 단위도 맞지 않는 계산이라서 의미를 이해할 수 없습니다.

0.25㎉/㎏℃...이 값은 공기의 비열로 보이는데 공기부피 유량에다 밀도를 더 곱해줘야 kg/h 단위 유량으로 환산할 수 있습니다. 
9,500㎉/㎥....이 값은 제품 1m3당 필요한 열량이라는 뜻인지?, 1m3 공기를 가열하는데 필요한 열량이라는 것인지?  
90%로 나눈 열량으로 가열해도 부족할 터인데 90%를 곱하고 있으니 뭘하자는 것인지 알 수 없는 계산입니다.  
60분...이것은 단위환산하겠다는 수식인데 이렇게 쓰면 안됩니다.  반드시 [60분/h]를 곱해야 환산이 됩니다 .

박승구

10-12-15 09:12

네 의아했던 부분이 바로 단위였습니다. 전혀 단위가 아닌 듯 한데...맞다고 하고...아는 사람은 없고...그래서 여기에 의뢰했었습니다. 감사합니다. 참...계산해주신 수치대로 해보니 값이 이상해서 보니 7시간을 곱하지 않으셨어요. ^^ 암튼 정말 감사합니다. 덕분에 공부 많이 했습니다. 워낙 접해보지 않은 분야라.

장현수 jddast

10-12-15 10:05

스테파노님 답변 (1)과 답변(3)이 일치하지 않아 궁금증이 생겼습니다.
답변(1)에서는 스팀 소요량이 동일하다라고 하신 반면에, 답변(3)에서 줄어드는 열량차로 계산한 양은 절약되는 스팀의 양으로 스팀의 소요량이 절약된다라고 판단이 됩니다.

위 공정은 연속공정이 아니라 60도로 떨어졌을때 공정을 7시간동안 Batch로 가동하여 80도로 올리는 공정이라 판단됩니다. 그 Batch time을 4시간으로 줄여도 80도로 데우는데는 충분하다는 애기였습니다.

그렇다면 제가 짐작컨데, 스테파노님이 계산하신 열량(3)을 가지고 애기하자면, Q2(488,400kcal)만으로도 충분히 데우는데 이상이 없었지만, 기존에는 Q1(854,700kcal)로 필요이상의 열을 공급했다고 판단이 됩니다. 그렇다면 Batch cycle이 일정하다는 가정하에는(한번 작동하고 다음번 작동까지의 시간) 4시간만 열교환기를 작동하면 되므로 스팀소요량도 그에 따라 (Q1-Q2)/스팀잠열/효율 하면 줄어드는 스팀의 양이 나온다고 생각됩니다.

제가 무엇을 잘못 이해하고 있는지 가르쳐 주시면 감사하겠습니다.

스테파노 Stefano

10-12-15 17:26

(0) 답변부터 언급하자면..답변(1)과 답변(2)는 고려하는 계산 기준이 다릅니다. 혼동스럽게 해서 다시 보충설명을 하도록 하지요.

(1) 건조는 피건조물질을 단순히 가열만 했다고 해서 가열되는 것은 아닙니다.
예를 들어 60도 되는 피건조 물질을 건조기에 넣고 열풍을 가하여 80도가 될 때 까지 가열한다고 해서 건조가 모두 되는 것은 아닙니다. 80도에 도달한 상태에서도 수분이 계속증발해서 모두 날라갈 때까지 80도를 유지할 수도 있기 때문입니다.

건조기에서 필요한 열량은 Net 열량 (전달된 열량)을 기준으로 계산하면

i) 가열하는데 소요되는 열량: Q1 = M*Cp*(Δt)...............(1) M = 피가열물체 질량, kg, Cp=피가열물체 비열, kcal/kg-℃, Δt =승온온도,℃
ii) 수분을 증발시키는데 필요한 열량 Q2= m*λ ................(2) m = 증발되는수분의 양, kg

필요한 Net 열량 Q net = Q1+ Q2 ................................(3)
건조기의 가열 효율 = η
필요한 열량, Q gross = Q net /η ..................................(4)

===>답변(1)은 위의 (4)식에 시간개념은 들어있지 않다는 것을 언급한 것입니다.

(2) 열풍공급시간이 다른 경우..
단순히 건조에 필요한 열량을 공기를 덥혀 공급하는 경우라고 하면 공기의 유량과 비열 가열시간 승온온도 및 승온시간으로부터 소요 열량이 계산됩니다. 피건조물의 건조상태는 제쳐두고 단지 7시간 가열하는 경우와 4시간 가열하는 경우의 소요 열량은 가열시간에 따라 달라지지요.
가열소요열량 = 공기유량*공기비열*승온온도*승온시간....이 수식은 답변(2)의 수식입니다
===>답변(2)는 피건조물의 건조상태를 무시했을 때 단순히 가열열량의 차이는 가열시간에 관련이 있는 경우입니다.
따라서 답변(1)과 답변(2)는 조건이 달라서 일치할 수가 없지요.

(3) 건조기 가열용 스팀을 절감하고자 하면 위의 (2)의 경우와 같이 가열시간을 달리해보고 피건조물의 건조상태를 살펴볼 필요가 있습니다. 이 때의 절감열량은 이미 계산한 바와 같이 줄어든 가열소요시간에 직접비례하게 됩니다.

절감된 열량을 절감된 스팀량으로 환산하고자 한다면 앞선 답글에서의 (Q1-Q2)값을 스팀의 잠열로 나누면 바로 계산됩니다. 4시간만 가열해도 건조되는데 불필요하게 7시간동안 공기를 덥혀 버릴 필요가 없지요.
(Q1-Q2)/(스팀의 증발잠열, 3 KG스팀가정)=(854,700-488,400)kcal/(510kcal/kg-Steam) = 718 kg-Steam per batch....(5)

(4) 위의 (5)식으로 계산된 것은 공기가열기에서의 열손실을 제외한 것이나 여기에 열손실량을 더 더해주기만 하면 됩니다. 공기가열기에서의 열손실량은 10%넘지 않을 것입니다. 가열열량의 5%열손실이 있는 경우라면 Steam 소요량도 5% 더 더해주기만 하면 됩니다. 가열기에서는 효율을 언급할 필요가 없고 열손실만 고려하면 됩니다.

(보일러에서의 스팀의 효율까지 거론할 필요가 없지요. 보일러에서의 열효율을 거론하는 것은 절감되는 연료량으로 알아보고 싶을 경우입니다. 그 경우에는 보일러의 열정산을 통해 열효율을 검토해 보아야 합니다.)

(5) 실제의 건조기에서는 건조기를 떠나는 습공기는 온도가 여전히 높아서 그냥 버리기 아깝기 때문에 ①더운 공기와 찬공기를 열교환시켜 부분적으로 열을 회수하거나 ②습공기의 온도를 낮추어 수분을 제거하고 다시 순환하는 방법③피건조물을 공기로 냉각시키면서 열을 회수하는 방법 등을 통해 열효율을 개선합니다. 건조기를 떠나는 가스도 수분함량과 온도가 시간에 따라 변하기 때문에 열정산은 생각처럼 쉬운계산은 아니지만 정밀한 계산이 필요한 경우라면 건조기 열정산이 필요합니다.

(0) 답변부터 언급하자면..답변(1)과 답변(2)는 고려하는 계산 기준이 다릅니다. 혼동스럽게 해서 다시 보충설명을 하도록 하지요.

(1) 건조는 피건조물질을 단순히 가열만 했다고 해서 가열되는 것은 아닙니다.  
예를 들어 60도 되는 피건조 물질을 건조기에 넣고 열풍을 가하여 80도가 될 때 까지 가열한다고 해서 건조가 모두 되는 것은 아닙니다.   80도에 도달한 상태에서도 수분이 계속증발해서 모두 날라갈 때까지 80도를 유지할 수도 있기 때문입니다.

건조기에서 필요한 열량은 Net 열량 (전달된 열량)을 기준으로 계산하면

i) 가열하는데 소요되는 열량:  Q1 =  M*Cp*(Δt)...............(1) M = 피가열물체 질량, kg,  Cp=피가열물체 비열, kcal/kg-℃, Δt =승온온도,℃
ii) 수분을 증발시키는데 필요한 열량  Q2= m*λ ................(2) m = 증발되는수분의 양, kg

필요한 Net 열량 Q net = Q1+ Q2  ................................(3)
건조기의 가열 효율 = η
필요한 열량, Q gross = Q net /η  ..................................(4)

===>답변(1)은 위의 (4)식에 시간개념은 들어있지 않다는 것을 언급한 것입니다.

(2) 열풍공급시간이 다른 경우..
단순히 건조에 필요한 열량을 공기를 덥혀 공급하는 경우라고 하면 공기의 유량과 비열 가열시간 승온온도 및 승온시간으로부터 소요 열량이 계산됩니다.  피건조물의 건조상태는 제쳐두고 단지 7시간 가열하는 경우와 4시간 가열하는 경우의 소요 열량은 가열시간에 따라 달라지지요.
가열소요열량 = 공기유량*공기비열*승온온도*승온시간....이 수식은 답변(2)의 수식입니다 
===>답변(2)는 피건조물의 건조상태를 무시했을 때 단순히 가열열량의 차이는 가열시간에 관련이 있는 경우입니다. 
따라서 답변(1)과 답변(2)는 조건이 달라서 일치할 수가 없지요.

(3) 건조기 가열용 스팀을 절감하고자 하면 위의 (2)의 경우와 같이 가열시간을 달리해보고 피건조물의 건조상태를 살펴볼 필요가 있습니다.    이 때의 절감열량은 이미 계산한 바와 같이 줄어든 가열소요시간에 직접비례하게 됩니다.

절감된 열량을 절감된 스팀량으로 환산하고자 한다면 앞선 답글에서의 (Q1-Q2)값을 스팀의 잠열로 나누면 바로 계산됩니다.   4시간만 가열해도 건조되는데 불필요하게 7시간동안 공기를 덥혀 버릴 필요가 없지요.  
(Q1-Q2)/(스팀의 증발잠열, 3 KG스팀가정)=(854,700-488,400)kcal/(510kcal/kg-Steam) = 718 kg-Steam  per batch....(5)

(4) 위의 (5)식으로 계산된 것은 공기가열기에서의 열손실을 제외한 것이나 여기에 열손실량을 더 더해주기만 하면 됩니다.  공기가열기에서의 열손실량은 10%넘지 않을 것입니다.   가열열량의 5%열손실이 있는 경우라면 Steam 소요량도 5% 더 더해주기만 하면 됩니다.   가열기에서는 효율을 언급할 필요가 없고 열손실만 고려하면 됩니다.

(보일러에서의 스팀의 효율까지 거론할 필요가 없지요.  보일러에서의 열효율을 거론하는 것은 절감되는 연료량으로 알아보고 싶을 경우입니다.   그 경우에는 보일러의 열정산을 통해 열효율을 검토해 보아야 합니다.)

(5) 실제의 건조기에서는 건조기를 떠나는 습공기는 온도가 여전히 높아서 그냥 버리기 아깝기 때문에 ①더운 공기와 찬공기를 열교환시켜 부분적으로 열을 회수하거나 ②습공기의 온도를 낮추어 수분을 제거하고 다시 순환하는 방법③피건조물을 공기로 냉각시키면서 열을 회수하는 방법 등을 통해 열효율을 개선합니다.  건조기를 떠나는 가스도 수분함량과 온도가 시간에 따라 변하기 때문에 열정산은 생각처럼 쉬운계산은 아니지만 정밀한 계산이 필요한 경우라면 건조기 열정산이 필요합니다.

박승구 sgjs419

10-12-16 11:35

스테파노님 자세한 설명 감사합니다. 오늘도 사무실에서 많은 이야기를 나누고 있습니다. 저희와 비슷한 설비를 가지고 있는 외국 기술자가 자신들이 이 방식으로 에너지 절감을 많이 했다해서 적용해 보는 중입니다. 일년 내내 이 방식으로 여러대의 동일 설비(공정)를 적용하게되면 상당량의 에너지 절감이 가능해 보여서요. 감사합니다. 근데 이거 많이 어렵네요.

장현수 jddast

10-12-16 10:17

감사합니다. 제가 예전에 배웠던 고체의 건조부분이 생각났습니다.

그렇다면 건조도가 시간을 줄여도 이상이 없다는 가정하에는 시간을 줄여 스팀을 절약할 수가 있다는 결론이네요.

Stefano

10-12-17 11:07

맞습니다. 건조기 가동시간의 결정방법으로 다음 두가지 방법중 하나를 사용하면 불필요하게 사용하는 에너지를 줄일 수 있습니다.

(1) 피건조물의 수분함량 측정방법
피건조물의 수분함량과 건조기 가동시간과의 관계를 계속해서 측정해 감으로써 제품규격을 만족할 때까지만 가동하도록 한다. 피 건조물은 건조기 내에서 적당한 건조시간 간격으로 시료를 취하여 수분함량을 분석할 필요가 있음.

(2) 열풍의 수분증가량 측정방법
열풍의 입출구 습도를 분석하여 수분증가가 어느 정도인지 연속적으로 분석하여 임계치수분증가율 이하로 떨어지면 건조과정을 중단한다. 여기서의 임계치 수분증가율은 피가열물의 수분감소율과 열풍의 수분 증가율과의 비의 데이터로부터 품질규격을 만족할 때의 비를 운전데이터에서 측정하여 결정한다.

전쟁에서 아군의 피해를 최소화 하면서 적을 무찌를 수 있으려면 적과 아군의 전력, 부대배치, 지형지물, 보급상황, 움직임, 지휘관의 능력, 기후, 기동력, 위급상황 시 대응방안, 등을 알고 전략과 전술을 짜야합니다. 적이 완전히 궤멸했는데도 적이 남아있는지 없는지도 모르고 포탄을 쏟아 붓는 지휘관은 전력을 낭비하는 일이기 때문에 이적행위를 하고 있는 사람입니다. 당연히 사라져야 합니다.

건조과정에서도 피건조물과 열풍의 상황데이터를 수집, 분석하여 건조된 상태에 도달했음이 확인되면 더 이상 건조를 위한 열풍을 공급할 필요가 없지요. 제품의 수분함량을 분석하지 않고 시장에 내놓았다가 Claim을 당하게 되면 그 기업에게 엄청난 손실을 가져올 수 있습니다.

장현수 jddast

10-12-17 11:38

비유를 들어 자세한 설명까지 해주셔서 감사합니다. 또 한발 나아가는 느낌입니다.