에너지절약은 유제품 및 식품 산업에서 점점 더 중요한 문제입니다. 따라서 공장 설비의 단열시스템에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 단열은 열 접촉 또는 복사 영향 범위 내의 물체 사이에 열 전달(온도가 다른 물체 사이의 열에너지 전달) 감소입니다. 이 연구에서는 다양한 단열재의 특성, 종류 및 적용 분야에 대한 문헌 검토를 합니다. 최적의 단열재를 선택하면 에너지절약에 큰 잠재력이 있습니다.
1. 서론
단열재는 다양한 열 전달을 다루는 모든 산업에서 매우 기본적인고 중요한 요구 사항입니다. 유제품 및 식품 산업에서 냉수 및 증기 공급의 온도를 유지하고, 탱크나 저온 저장고에 제품을 저온에서 저장하고 저온에서 제품을 운송하는 것은 매우 중요합니다. 단열의 기본 목표는 시스템 또는 공간의 온도 변화를 방지/최소화하기 위해 열 흐름 속도를 지연시키는 것입니다. 유제품 산업에서는 에너지의 50%가 우유의 가열 및 냉강에 소비되는 것으로 보고있습니다.
유제품 및 식품 산업은 대기의 주변 조건과 비교하여 고온 또는 저온에서 여러 작업을 수행하므로, 유제품 및 식품 산업에서 단열재를 사용하는 것은 에너지절약을 위해 불가피합니다. 시장에는 다양한 단열 특성을 가진 여러 가지 단열재가 있습니다. 시스템 온도와 열 전달을 고려하여 올바른 유형의 단열재를 선택하는 것은 매우 중요합니다. 단열재의 선택, 두께의 결정, 증기 및 냉각수 파이프 라인의 단열을 수행하는 올바른 방법, 우유 저장 탱크, 사이로, 벌크 우유 냉각기, 저온 저장 등은 최적의 결과를 달성하기 위해 고려해야 할 중요한 사항 중 일부입니다.
2. 단열
단열은 적용시 열 흐름을 지연시키고 어떤 크기, 모양 및 표면에 적응하는 재료 또는 재료의 조합으로 정의됩니다. 따라서 단열은 시스템과 인접한 몸체 또는 환경 사이의 열 전달 속도를 크게 줄이기 위해 단열재를 사용하여 시스템을 열적으로 분리하는 과정을 수행한 결과입니다. ‘단열’이라는 용어는 –75℃~815℃의 온도 범위에서 적용되며, -75℃ 이하 적용은 ‘극저온’, 815℃ 이상은 ‘내화 물질’이라고합니다.
단열재는 열전도율이 매우 낮은 열전도체입니다. 단열재는 유제품 및 식품 산업에서 열 손실 또는 열 증가를 방지하기 위해 사용됩니다. 이러한 제료는 많은 수의 공기 셀(cell)을 포함하는 다공성입니다. 그라스울, 폴리스티렌 및 경질우레탄폼단열재는 유제품 및 식품 공장에서 단열재로 널리 사용됩니다. 그러나 유제품 및 식품 산업을 위한 단열재로 사용 가능한 다른 종류의 단열재는 거의 없습니다.
3. 단열의 장점
단열의 주요 목적은 에너지보존을 위해 열에너지 손실 최소화/방지하는 것입니다. 그러나 단열재는 다음과 같이 여러 가지 방법으로 도움이 됩니다.
① 공정 온도를 더 정확하게 제어하고 제품을 보호합니다.
② 차가운 표면에 결로를 방지하여 결과적으로 부식을 방지합니다.
③ 환경에서 온실가스(GHGs) 감소 및 에너지절약에 도움이 됩니다.
④ 스팀 파이프 라인에서 응축수 형성 및 관련 문제를 최소화합니다.
⑤ 방화 기능을 제공하고 진동을 흡수합니다.
단열의 직접/간접적인 장점이 보고되었습니다. 단열은 다음과 같은 이점을 제공합니다. 전체적인 에너지소비를 줄이고, 공정 온도를 유지함으로써 더 나은 공정 제어, 부식 방지, 화재 예방 및 진동을 흡수합니다. 향상된 열 보호는 에너지 손실과 운영 비용을 줄이는 가장 비용 효율적인 방법입니다. 단열되지 않거나, 냉각된 표면 또는 가열된 단열된 아래 또는 유지된 아래에 있기 때문에 전국의 산업 공장에서 상당한 양의 열에너지가 낭비됩니다.
단열시스템을 올바르게 설계하고 설치하면 에너지소비가 줄어듭니다. 일부 최근 연구에 따르면 단열재를 적용하면 가열 및 난방 에너지를 최대 25%까지 절약할 수 있는 것으로 나타났습니다. 일부 보고서는 단열재는 단열재 종류와 주변 온도에 따라 에너지소비를 18~34% 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있는 것으로 나타났습니다.
4. 단열재의 중요한 특성
단열재의 많은 특성은 시장에서 단열재를 선택하기 위해 고려해야 할 중요한 요소입니다. 최종 선택은 재료의 특성뿐만 아니라 경제적 및 구조적 고려 사항에 따라 달라집니다. 이상적인 단열재는 낮은 열전도율, 비 부식성, 비 독성, 비 가연성 등 장기간에 걸쳐 분해가 거의 또는 전혀 발생하지 않는 것과 같은 많은 기준을 충족해야합니다.
고려되어야할 단열재의 5가지 주요 특성은 압축강도, 사용 온도 범위, 열전도율, 수분 흡수 및 두께 허용공차입니다.
① 압축강도: 온도가 증가함에 따라 대부분의 단열재는 압축 강도가 감소하므로, 사용 온도에서의 압축 강도를 고려해야합니다.
② 사용 온도: 단열재가 장기간 적용할 때 안정적으로 작동할 수 있는 최고 온도입니다.
③ 열전도율: 열의 흐름에 저항하는 재료의 능력을 결정하는데 가장 중요합니다.
④ 수분 흡수: 단열재에서 수분의 흡수는 물질의 전도성을 증가시키고 물질의 팽창을 유발합니다.
⑤ 두께 허용 공차: 정렬 및 제품 품질을 달성하기 위해 중요합니다.
작동 온도에서 열팽창이 낮은 값이 단열재에서는 요구됩니다.
5. 단열재의 종류
단열재는 오랫동안 인간에게 알려져 있습니다. 이집트인들은 그들의 편의를 위해 단열재로 지구를 사용했습니다. 셀룰로오스를 사용한 최초의 단열재 사용은 1893년 영국에서 특허를 받았습니다. 1920년부터 더 많은 단열재 적용이 시작되었다고 보고되었습니다. 일반적으로 3가지 종류의 단열재가 있습니다.
① 섬유단열재: 세라믹, 그라스울, 암면 등
② 셀룰로 단열재: 폴리스트렌, 폴리우레탄 및 폴리프로필렌 등
[준불연 경질우레탄폼 단열재]
③ 입상 단열재: 규산칼슘, 팽창된 펄라이트, 질석 등
유제품 및 식품 산업의 고온 및 저온 단열에 사용할 수 있는 많은 단열재가 있습니다. 다음은 가공 산업에서 수용되는 단열재입니다.
1) 고온 단열재
① 그라스울: 그라스울은 롤, 단단한 보드 및 미리 형성된 배관용까지 다양한 형태로 제공됩니다. 스팀 파이프 라인, 온수 라인 및 항공기 산업의 고성능 단열과 같은 기타 산업 적용 분야의 단열에 특히 적합합니다. 비용 효율적이고 성능이 안정적이어서 고온 단열에 일반적으로 사용됩니다. 스팀 파이프 라인 단열재로 유제품 및 식품 산업에서 널리 사용됩니다.
열전도율은 0.031~0.042W/mK입니다. 단열재의 밀도는 10~80kg/m³, 사용 온도 범위는 –200℃~450℃입니다. 그라스울의 압축강도는 1~8kN/m²이고, 수증기 투과율은 346~417μ㎎/Nh이며, 고온 적용이 허용되는 본질적인 불연성입니다.
② 셀룰로오스 유리: 단열재로써 셀룰로오스 유리는 상대적으로 높은 밀도와 40~160mm 두께로 제공됩니다. 열전도율은 0.034~0.081W/mK이며 사용 온도 범위는 –260℃~430℃입니다. 수증기 투과율은 0, 불연성 단열재입니다.
③ 규산 칼슘: 과열 증기 라인, 온수 파이프 라인, 부속품 및 용기에 사용하는 것이 적합합니다. 또한 노 단열재 또는 보일러 단열재에도 사용됩니다. 일반적으로 240kg/m³ 밀도 및 25~100mm 범위의 두께로 제공됩니다. 열전도율은 0.054W/mK이며, 최대 사용 온도는 정상적인 조건에서 수증기 침투가 없는 경우 1000℃입니다. 불연성 물질이며 압축강도는 600kN/m²입니다.
④ 세라믹 섬유: 세라믹 섬유는 최대 1400℃까지 사용하기에 적합한 내화 등급 재료입니다. 일반적으로 보일러와 같은 유제품 및 식품 가공 산업의 단열에 사용됩니다. 세라믹 섬유의 밀도는 64~192kg/m³, 두께는 6~50mm 범위입니다. 수증기 투과율이 9인 경우, 열전도율은 0.030~0.079W/mK입니다. 압축강도는 2.5kN/m²이며 불연성입니다.
⑤ 멜라민 폼: 멜라민 폼은 섬유가 없는 단열재로 저온 및 중온 가열에 사용하기 적합합니다. 식품 가공, 양조장 및 제약 산업에 적용됩니다. 멜라민 폼은 11kg/m³, 두께는 10~50mm 범위입니다. 열전도율은 0.034W/mK이며, 사용 온도 범위는 10℃~150℃입니다. 멜라민 폼은 350μ㎎/Nh의 수증기 투과율 및 압축강도는 5~20kN/m², 가연성입니다.
⑥ 팽창 펄라이트: 팽창 펄라이트는 냉장 저장고 및 저장 탱크에 구조적 단열재로 사용할 수 있습니다. 유기물질을 포함하지 않으며 단열 내화재로 사용할 수 있기 때문에 180℃ 이상에서 사용이 적합합니다. 팽창 펄라이트는 80kg/m³, 두께는 25~300mm로 제공됩니다. 열전도율은 0.057W/mK이며, 사용 온도 범위는 –250℃~1000℃이며, 불연성 단열재입니다. 물과 친화력인 적은 소수성 물질을 함유하고 있기 때문에 물을 튕겨 내며 수증기 투과율이 0입니다.
⑦ 암면: 암면은 상업, 산업 부문의 플랜트, 장비 및 구조물의 단열 및 화재 방지로 사용됩니다. 두께는 20~120mm, 밀도는 80kg/m³, 열전도율은 0.033W/mK이며, 사용 온도 범위는 –200℃~900℃입니다. 수증기 투과율은 385~400μ㎎/Nh이며, 압축강도는 7.5~10.5kN/m²로 다른 단열재보다 훨씬 높습니다. 불연성 단열재입니다.
⑧ 질석: 질석은 느슨한 충진 과립산 단열재로 사용됩니다. 위험물 포장, 단열 콘크리트 및 석고와 함께 사용됩니다. 일부는 건강에 해로운 석면이 포함되어 있습니다. 일반 목적과 내화성 모두에 사용됩니다. 이것은 높은 수준의 진동에 견딜 수 있으며, 증기 파이프 라인과 같은 부속품을 단열하는데 사용됩니다. 질석의 밀도는 50~150kg/m³, 열전도율은 0.066~0.083W/mK입니다. 질석은 수중기 투과율이 350μ㎎/Nh이며, 사용 온도 범위는 0℃~1300℃입니다. 두께 범위는 사용 용도에 따라 다릅니다. 질석은 불연성입니다.
2) 저온 단열재
① 코르크: 코르크는 탄성이 있는 재료로 높은 진동을 수반하기 때문에 냉각수와 산업용 냉장 파이프 산업에 사용하기에 적합합니다. 오크 나무는 주로 코르크에 사용됩니다. 밀도는 112kg/m³, 0.038W/mK의 열전도율을 제공합니다. 코르크의 사용 온도는 –180℃~100℃입니다. 수증기 투과율은 20~40μ㎎/Nh이며, 다른 재료에 비해 압축 강도 매우 낮습니다. 코르크는 두께가 13~305mm인 보드 및 파이프 단열재 형태로 제공되며, 가연성이 높습니다.
② 페놀폼: 페놀폼은 높은 단열 기준이 필요하지만 공간이 적은 상업용 및 산업용 단열재로 사용됩니다. 또한 저온 저장 및 저온 텡크와 같은 저온 적용에 폴리우레탄폼을 대체하여 사용할 수 있습니다. 페놀폼의 밀도는 35~120kg/m³, 두께는 10~350mm 범위를 가집니다. 이 재료의 열전도율은 0.018~0.022W/mK이며, 사용 온도 범위는 –180℃~120℃입니다. 수증기 투과율은 10μ㎎/Nh이며, 압축 강도는 172kN/m²입니다. 페놀폼은 불연성입니다.
③ 폴리에틸렌 폼: 폴리에틸렌 폼은 폐쇄 셀 단열재로 셀 구조를 개선하여 열전도율을 향상시켰습니다. 서리 방지 및 에너지절약을 위한 파이프 단열재 형태로 널리 사용됩니다. 폴리에틸렌 폼은 밀도가 30~60kg/m³이며, 두께는 6~32mm 범위입니다. 폴리에틸렌 폼의 열전도율은 0.033~0.045W/mK이며, 사용 온도 범위는 –50℃~105℃입니다. 수증기 투과율은 0.5μ㎎/Nh이며, 압축 강도는 다른 단열재보다 높은 19~168kN/m²입니다. 그렇기 때문에 이 종류의 단열재는 작동 압력이 높은 곳에서는 사용되지 않습니다. 폴리에틸렌 폼은 본질적으로 가연성입니다.
④ 폴리프로필렌: 폴리프로필렌은 물 흡수율이 낮은 경량 제품이 필요한 탱크 컨테이너 산업의 단열에 사용됩니다. 밀도가 높을수록 저온에서 기계적 특성이 개선되고 열전도율이 낮아집니다. 이러한 종류의 단열재는 철도 또는 도로 컨테이너의 단열재로 널리 사용됩니다. 폴리프로필렌은 널리 사용되는 단열재로 밀도는 20kg/m³ 두께 43~50mm, 열전도율은 0.034W/mK입니다. 이 종류의 단열재는 고성능 단열재입니다. 폴리프로필렌의 사용 온도 범위는 –40℃~130℃입니다. 수증기 투과율은 약 0.45μ㎎/Nh이며, 불연성 재료입니다.
⑤ 폴리스티렌: 폴리스티렌은 냉장 및 산업 건물의 바닥, 벽 및 지붕 단열재로 사용됩니다. 또한 상업용 및 산업용 냉장 분야에서 파이프 단열재로 사용됩니다. 발포 폴리스티렌은 일반적으로 열과 관련있는 것으로 알려져있습니다. 이 종류의 단열재는 저렴하기 때문에 모든 산업에서 단열 용도로 널리 사용됩니다. 폴리스티렌은 발포 폴리스티렌 및 압출 폴리스티렌 형테로 제공됩니다. 폴리스티렌은 일반적으로 열전도율이 0.033~0.038W/mK인 15~30kg/m³ 밀도와 5~610mm 두께로 제공됩니다. 폴리스티렌의 사용 온도 범위는 –150℃~80℃이며, 수증기 투과율은 25μ㎎/Nh입니다. 폴리스티렌의 압축 강도는 15kN/m²이며, 가연성 재료입니다.
⑥ 폴리우레탄폼(PUR): 폴리우레탄폼은 PUF로도 알려져있습니다. 이것은 중온 내지 종형 냉동시스템에 사용되어 열 이득을 줄이고 응축 제어를 제공하며 이산화탄소, 프로판 등의 저온 탱크에서 사용합니다. PUF 샌드위치패널은 냉장 및 냉동 차량에 사용됩니다. 폴리우레탄폼은 매우 널리 사용되는 단열재로 두께는 20~240mm입니다. 밀도는 35~50kg/m³이며, 열전도율은 0.022W/mK입니다. 폴리우레탄폼의 사용 온도 범위는 –180℃~110℃입니다. 폴리우레탄폼의 수증기 투과율은 20μ㎎/Nh이며, 최대 압축 강도는 350kN/m²으로 이러한 종류의 단열재는 본질적으로 가연성입니다.
[SUS 우레탄 샌드위치패널(조립식판넬) 생산 및 시공]
8. 단열 방법
고온 또는 저온 환경과 접촉하는 모든 표면에서 단열재가 기본적으로 필요합니다. 표면을 단열하기 위해, 부식을 방지하기 위해 수분을 가장 적게 흡수하도록 표면 청소와 염화물, 불소 및 마그네슘과 같은 부식 방지제의 적용과 같은 처리를 요구하는 몇 가지 사항이 있습니다. Thompson은 각 제품마다 보관 온도가 다르며, 이 온도에 따라 최적의 작동 온도와 단열재의 종류 및 단열재 두께가 선택되었다고 보고했습니다. 설계는 설비의 위치, 온도 조건 및 사용 조건을 포함하는 매우 중요합니다. 단열재의 두께는 설계에 있어서도 매우 중요하며, 단열재가 불충분하여 열 손실이 더 높고. 적은 열 절약으로 더 높은 비용 지출로 이어지는 두께가 있습니다. 따라서 주어진 단열재에 대해 경제적인 두께를 계산해야합니다.
단열재가 차가운 면에는 최소 0.6mm의 역청, 에폭시 및 알루미늄 호일과 같은 수증기 장벽이 필요합니다. Hart & Yarbrough는 단열시스템이 2% 부피보다 많은 양을 흡수하기 시작하면 성능이 불만족할 수 있습니다. 모든 단열재 중에서 PUF(폴리우레탄폼)는 유제품 및 식품 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 단열재입니다. 현장 또는 틈새 단열을 위해 즉시 경화되는 폼 스프레이 및 블록을 통해 적용할 수 있습니다. PUF는 폴리에테르 폴리올, 실리콘 계면활성제 및 촉매를 함유하는 점성 크림색 액체를 함유합니다. 다른 용액은 디페닐메탄 디이소시아네이트와 디이소시아네이트의 높은 올리고머를 함유하는 진한 갈색 점성 액체입니다. 폴리에테르 폴리올을 디이소시아네이트와 혼합하면 발영 반응이 일어나 폴리우레탄폼이 생성됩니다. 이 폼은 벽에 뿌려지거나 경질 구조를 만드는 구조로 채워집니다.
9. 결론
많은 단위 작업이 가열 및 냉각 공정과 관련이 있기 때문에 단열은 유제품 및 식품 산업에서 에너지 보존을 위한 필수 요구사항 중 하나입니다. 에너지절약은 처리 비용을 줄이는 데 중요할뿐만 아니라 환경에서 온실가스를 줄이는 데 도움이됩니다. 환경 및 공중 보건에 대한 인식이 증가함에 따라 단열재에 대한 통합 평가가 이루어지고 있으며, 긍정적인 성능에 의문을 제기하는 사람은 없지만 전반적인 성능을 향상시킬 수 있는 가능성은 여전히 높습니다.
유제품 산업에서 냉장, 증기 및 냉수 파이프 라인, 우유 사일로 및 탱크 등과 같은 여러 장소에서 에너지 손실을 줄이기 위해 사용할 수 있는 다양한 종류의 단열재가 있습니다. 적절한 단열은 적용을 제한할 수 있는 온도, 열전도율 및 기타 요인을 기준으로 선택해야합니다. 에너지절약, 단열 비용 및 설치를 고려한 단열 최적화는 최적의 이점을 달성하기 위한 기본 요구사항 중 하나입니다. 열전달, 발수성, 적용 용이성, 강도 등의 측면에서 보다 효율적인 단열재를 개발할 필요가 있습니다. 두께는 종류 및 온도 범위에 따라, 특정 용도에 따라 결정되어야합니다. 단열재는 열 손실과 에너지절약뿐만 아니라 포함된 구조를 보호하여 유제품 및 식품 산업에 필요한 필수적인 요소입니다.