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고준 황
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 8 pp , ISSN / eissn 김내현인천대학교기계공학과 Optimization of the Refrigerant Charge and the Expansion Valve Opening for the Soft Ice Cream Machine Using R-404A Nae-Hyun Kim Department of Mechanical Engineering, Incheon National University 요약최근들어국민식생활문화가개선되고생활수준이향상됨에따라소프트아이스크림, 슬러시와같은일회용냉동유제품의소비가급증하고있다. 이들냉동유제품은소형냉동시스템에서만들어진다. 소프트아이스크림제조기의냉매로그간 R-502 가주로사용되어왔으나오존층파괴와관련하여 R-404A로대체되고있다. 본연구에서는냉각기체적 2.8 리터인 R-404A를사용하는소프트아이스크림제조기에대하여최적화와성능평가를수행하였다. 최적화는적정냉매량및팽창밸브의개도를찾는데주안점을맞춰수행되었다. 최적조건에서아이스크림제조시간은 10분 5초, COP 는 0.57로나타났다. 이제품에대하여무간격연속판매시험, 30초간격연속판매시험, 극한시험을수행하여성능을평가하였다. 무간격연속판매는 20개까지가능하였고 30초간격연속판매는무한대로가능하였다. 또한여름철및겨울철환경에도아이스크림판매가가능한것으로나타났다. 본연구결과는냉동식품제조기를비롯한여타냉동사이클의최적화에도활용될수있을것이다. Abstract The improvements of living and lifestyle have led to the increased sales of frozen milk products, such as soft ice cream or slush. These frozen milk products are commonly made in small refrigeration machines. R-502, which has long been used as the refrigerant in soft ice cream machines, is being replaced with R-404A due to the ozone layer depletion issue. In this study, an optimization and performance evaluation were conducted on a soft ice cream machine with a freezer volume of 2.8 liters. The optimization focused on the appropriate refrigerant charge and expansion valve opening. Under the optimized conditions, ice cream was produced in 10 minutes and 5 seconds, and the COP was The performance tests included ice cream sales with no interval, ice cream sales with 30 second intervals and under extreme outdoor conditions. The results showed that 20 sales were possible with no interval, and infinite sales could be made with 30 seconds intervals. Ice cream sales were also possible under summer or winter outdoor conditions. The present results may be used for the design of food refrigeration machines as well as to optimize other refrigeration cycles. Keywords : Soft ice cream, R-404A, Optimization, Refrigeration cycle, Performance evaluation 1. 서론 최근들어국민식생활문화가개선되고생활수준이 향상됨에따라소프트아이스크림, 슬러시와같은일회용냉동유제품의소비가급증하고있다.[1] 이들냉동유제품은소형냉동시스템에서만들어진다. Fig. 1에소 * Corresponding Author : Nae-Hyun Kim(Incheon National University) Tel: knh0001@inu.ac.kr Received May 2, 2016 Revised (1st May 13, 2016, 2nd May 23, 2016) Accepted August 11, 2016 Published August 31,

프트아이스크림제조기의전면사진이나타나있다. Fig. 2에는냉동사이클이나타나있다. 냉동사이클은소프트아이스크림이만들어지는냉각기 (freezer), 압축기, 응축기, 온도조절팽창밸브 (TEV) 로구성된다. 온도조절팽창밸브는압축기입구의냉매과열도를일정하게유지하는장치로소형냉동시스템에널리사용된다.[2] Fig. 3에냉각기의개략도를나타내었다.

2 프트아이스크림제조기의전면사진이나타나있다. Fig. 2에는냉동사이클이나타나있다. 냉동사이클은소프트아이스크림이만들어지는냉각기 (freezer), 압축기, 응축기, 온도조절팽창밸브 (TEV) 로구성된다. 온도조절팽창밸브는압축기입구의냉매과열도를일정하게유지하는장치로소형냉동시스템에널리사용된다.[2] Fig. 3에냉각기의개략도를나타내었다. 냉각기는동심원통으로환형부에서증발하는냉매에의해내측에서아이스크림이만들어진다. 소프트아이스크림원액은대략과당 16%, 유분 12%, 유지방 12%, 물 60% 로구성되는데 [3] 이중물성분이냉각표면에서얼음결정으로변한다. 이얼음결정은원통내측에서회전하는스크레이퍼 (scraper) 에의해절삭되어소프트아이스크림이만들어진다. Fig. 4에스크레이퍼의사진이나타나있다. 그간소프트아이스크림제조기에대하여일부연구가수행되었다. Hartel [3] 은아이스크림첨가제가얼음결정성장에미치는영향을검토하였는데첨가제의양이증가할수록결정의크기가줄어든다고보고하였다. Lakhar 등 [4] 은스크레이퍼의회전속도, 스크레이퍼와냉각표면의간격등이전열성능에미치는영향을검토하였다. 회전속도가증가할수록간격이감소할수록전열성능은증가하였다. Saraceno 등 [5] 은원액온도, 스크레이퍼회전수등을변화시키며일련의실험을수행하고열전달상관식을제시하였다. Martinez 등 [6] 은냉각표면에서형성되는얼음두께에따라스크레이퍼의간격을유연하게조절함으로써전열성능을향상시킬수있음을보여주었다. Byun 등 [7] 은실험을통하여소프트아이스크림제조시열전달계수는원액의냉각기간중에는다소증가하다가얼음이형성되면그이후로는크게변하지않는다고보고하였다. Park [1] 은냉각기체적 2.8 리터인아이스크림제조기에대한기본설계를수행하였다. 냉동시스템해석시열교환기에는 UA-LMTD 모델, 압축기에는제조사에서제공하는성능곡선이적용되었다. 소프트아이스크림제조기에는그간안정한화학적성질과우수한열물성을가진 R-502가주로사용되어왔으나오존층파괴와관련하여 R-404A로대체되고있다.[8,9] R-502는 HCFC인 R-22와 CFC인 R-115의공비혼합냉매로오존층파괴지수 (ODP) 가 0.328인반면 R-404A는 HFC인 R-125, R-143a, R-134a의비공비혼 Fig. 1. Photo of the soft ice cream machine Fig. 2. Refrigeration cycle of the soft ice cream machine shown with measurement points Fig. 3. Schematic drawing of the freezer 729

한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 합냉매로 ODP가 0 이다. 또한지구온난화지수 (GWP) 도 R-502가 4590인반면 R-404A는 3920로다소감소한다.[10] Table 1에대표적증발온도인 -20 o C와응축온도인 40 o C에서두냉매의물성을비교하였다.

3 한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 합냉매로 ODP가 0 이다. 또한지구온난화지수 (GWP) 도 R-502가 4590인반면 R-404A는 3920로다소감소한다.[10] Table 1에대표적증발온도인 -20 o C와응축온도인 40 o C에서두냉매의물성을비교하였다.[11] 여기서 은포화온도, 과 는액체와기체의밀도, 는증발잠열, 과 는액체와기체의비열, 과 액체와기체의점성계수, 과 는액체와기체의열전 도도 는표면장력이다. Table 1은두냉매의물성이크게차이가나지는않음을보여준다. R-404A 적용시냉동사이클개발은다음과같이수행된다. 우선증발온도, 응축온도, 증발과열도, 응축과냉도를정한후목표로하는냉동능력을만족할수있도록냉매순환량을결정한다. 증발온도, 응축온도, 냉매순환량으로부터적절한압축기, 팽창장치를선정하고응축기, 냉각기를설계한다. 각부품들로사이클이구성되면팽창장치의개도, 냉매충전량의최적화를수행한다. 본연구에서는 R-404A용소프트아이스크림제조기기본설계 [1] 로부터구현된냉동시스템에대해팽창장치의개도, 냉매충전량의최적화를수행하였다. Fig. 4. Photo of the scraper Table 1. Thermophysical properties of R-404A and R-502 Properties T bub = -20 o C T dew = 40 o C R-502 R-404A R-502 R-404A 2. 아이스크림제조기최적화기본설계를통하여도출된아이스크림제조기의제원은 Table 2와같다.[1] 이제품의냉각기체적은 2.8 리터이다. 최적화는팽창변의개도와냉매충전량을변화시키며수행되었다. 일회실험은원액주입후아이스크림이완성될때까지진행되었다. 아이스크림의완성여부는스크레이퍼회전모터에걸리는전류가 4.6 A가되는시점으로판단하였다. 냉각기내에서아이스크림형성이진행될수록스크레이퍼모터에걸리는전류는증가하게된다. 모터전류 4.6 A는경험을통하여결정되었는데그때판매가능한아이스크림이형성되었다. 측정은응축기입 출구온도, 증발기입 출구온도, 압축기입 출구압력에대해수행되었다. 온도는직경 0.3 mm 의 Cu-Co 열전대 ( 정밀도 ±0.1 K) 를관벽에부착하여측정하였고압력은직경 1.0 mm 압력공에압력계 (Setra Model 230, ±0.2% full scale) 를부착하여측정하였다. 측정위치는 Fig. 2에나타나있다. Figs. 5 와 6에는대표적인측정값이나타나있다. P sat (MPa) (m3/kg) (m3/kg) (kj/kg) (kj/kgk) (kj/kgk) ( Pa s) ( Pa s) (mw/mk) (mw/mk) (mn/m) Parts Compressor Freezer Exp. valve Condenser Specification Table 2. Specifications of the soft ice-cream machine CAJ2446Z (Tecumsh) 1.2 HP I.D. 103 mm, L = 365 mm Parker 204C (1/4 ~ 2 RT) 386 mm x 363 mm, 3row, 14step, plain fin, fin pitch 2.0 mm, tube I.D. 9.5 mm 730

이데이터는냉매충전량 1000g, 팽창변의개도를제조사에서제시한값 ( 0 ) 으로설정하고측정된자료이다. 실험실은건구온도 32 o C, 상대습도 (RH) 65% 로유지되었다. 이때아이스크림제조시간은10분 5초이었다. Fig. 5는시험중냉동사이클의압력변화를보여준다. 이그림은시험시작후 2분가량지나면고압은 1.75 MPa, 저압은 0.

4 이데이터는냉매충전량 1000g, 팽창변의개도를제조사에서제시한값 ( 0 ) 으로설정하고측정된자료이다. 실험실은건구온도 32 o C, 상대습도 (RH) 65% 로유지되었다. 이때아이스크림제조시간은10분 5초이었다. Fig. 5는시험중냉동사이클의압력변화를보여준다. 이그림은시험시작후 2분가량지나면고압은 1.75 MPa, 저압은 0.23 MPa로거의일정하게유지됨을보여준다. 고압 (1.75 Mpa) 에해당하는포화온도는 38.5 o C, 저압 (0.23 Mpa) 에해당하는포화온도는 o C이다. 포화온도가일정하게유지된다는것은아이스크림형성시열전달계수가일정하다는의미인데이는 Byun 등 [7] 의연구와일치한다. 초기 2분은냉동사이클이안정되는시간으로판단된다. Fig. 6은시험중냉동사이클의온도변화를보여준다. 온도는압축기입구와출구, 응축기출구, 증발기출구에서측정되었다. Fig. 6은시험시작 2분까지는온도가급격히변하다가그이후부터는완만하게변화함을보여준다. 압축기출구온도는초기 2분동안 75 o C까지는급격하게증가하고그이후완만하게증가한다. 압축기입구온도는 -10 o C까지급격히감소했다가그이후일정하게유지된다. 증발기출구온도는 -30 o C까지급격히감소했다가그이후일정하게유지된다. 냉동사이클의최적냉매량및밸브개도는실험을통하여도출되었다. 냉매충전량 900g, 1000g, 1100g에대하여밸브개도를제조사세팅값을기준으로좌우로 90 도를돌려가며실험을수행하였다. 냉매충전량은아이스크림제조기의기본설계시 [1] 1000g으로계산되었기때문에기본설계값에서 ± 100g을변화시키며실험을수행하였다. 기본설계시냉매충전량은증발기와응축기체적, 배관의길이등을고려하여산정되었다. 응축기의원액주입후아이스크림제조완료 ( 스크레이퍼모터전류치 4.6A) 까지걸리는시간을비교하여최단시간이걸리는사양을최적값으로선정하였다. Fig. 7에는아이스크림제조완료까지걸리는시간이나타나있고 Fig. 8에는소비동력이나타나있다. Fig. 7 은제조완료시간이냉매 1000g, 밸브개도 0 에서 10 분 5초로최소임을보여준다. 밸브개도가너무크면증발온도가올라가고밸브개도가너무작으면냉매순환량이감소하여냉동능력은감소하게된다. 냉매충전량의경우도충전량이너무많으면증발온도가올라가고너무적으면냉매순환량이감소하여냉동능력이감소한 P (MPa) Comp.out Comp.in Time (min) Fig. 5. Pressure change during ice cream formation (charge 1000g, exp. valve opening "0") T ( o C) Comp. out Cond. out Eva. out Comp. in Time (min) Fig. 6. Temperature change during ice cream formation (charge 1000g, exp. valve opening "0") Fig. 7. Time consumed for ice-cream formation at various refrigerant change and valve opening 731

5 한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 다. 즉, 최적의냉매충전량과밸브개도가존재하게되는데본제품의경우는충전량 1000g, 밸브개도 0 에서최적임을보여준다. Fig. 8에아이스크림이형성되는동안소비동력의변화를나타내었다. 소비동력은사이클이안정되는초기 2 분간은급격히증가하다가사이클이안정되면완만하게증가함을보여준다. 또한시간평균소비동력은아이스크림제조시간이증가할수록다소감소함을보여준다. 아이스크림제조기의성적계수 (COP) 는아이스크림제조에필요한열량을소비전력량으로나눈값으로구할수있다. 아이스크림제조기에는 25 o C 의원액이공급되고 -8 o C의아이스크림이제조된다.[1] 열량을구하기위해서는원액의비열, 아이스크림중의얼음량등을알아야하나이들에대해서는잘알려져있지않다. 따라서열량계법을이용하여아이스크림제조시소요되는열량을구하였다. 즉, 제조된아이스크림일정량 ( = 300g) 과미리온도를알고있는물 (79 o C) 을혼합하여혼합물의온도가초기원액온도인 25 o C가될때까지투입된물의양 ( = 380g) 을측정한다. 이때외부와의열출입이없도록충분히단열된장치내에서실험을수행한다. 물이잃은열량은아이스크림이얻은열량과같아야하므로, (1) 0.38 kg x 4.2 kj/kgk x (79-25) K = 0.3 kg x = 287 kj/kg 즉, 25 o C 원액 1 kg을아이스크림으로만드는데들어가는열량 ( ) 은 287 kj/kg이다. 따라서아이스크림제조기성적계수는다음식에서구할수있다. COP = [ x Mass of ice cream (kg)] / (Power consumption) (2) 여기서원액투입량 ( 아이스크림질량 ) 은 1.9 kg이고소비전력량은 Fig. 8의소비동력곡선을적분하여구할수있다. Table 3에냉매충전량과밸브개도에따른아이스크림제조시간, 소비전력량과 COP를나타내었다. 아이스크림의제조시간과 COP는대체로반비례하고최대의 COP는아이스크림제조시간이제일짧은경우 ( 충전량 1000g, 밸브개도 0 ) 에얻어졌다. Power (kw) g, -90 o 900g, 0 o 900g, +90 o 1000g, -90 o 1000g, 0 o 1000g, +90 o 1100g, -90 o 1100g, 0 o 1100g, +90 o Time (min) Fig. 8. Power consumed for ice-cream formation at various refrigerant charge and valve opening Table 3. COP of the ice cream machine at various refrigerant charge and expansion valve opening Ref. charge (g) Exp. valve opening (deg) Ice cream formation time Power consumtion (kj) COP min 5 sec min 24 sec min 30 sec min 12 sec min 20 sec min 34 sec min 58 sec min 35 sec min 48 sec 아이스크림제조기성능평가 소프트아이스크림제조기의성능평가에대해서는별도의규격이존재하지않는다. 따라서아이스크림제조기업체에서자체규격을개발하였다.[1] 성능평가는무간격연속판매시험, 30초간격연속판매시험, 극한시험으로구성된다. 3.1 무간격연속판매시험 Table 4에무간격연속판매시험시, 개당아이스크림의무게가나타나있다. 무간격연속판매시험은초 732

6 기판매개시후연속하여아이스크림판매시아이스크림무게의변화를측정하는시험이다. 본실험사용된아이스크림제조기 (Fig. 1) 는냉각기출구에타이머에의해작동되는아이스크림자동투출장치가설치되어있어투출시간이일정하게유지된다. Table 4는아이스크림개수 20 개까지는아이스크림의무게가 90 g에서 110 g (±10%) 사이에있음을보여준다. 20 개이후로는무게가감소하고품질이저하되었다. 실험은표준조건 (32 o C, 65% RH) 에서수행되었다 초간격연속판매시험 30초간격연속판매시험도수행하였다. 이시험은 30초간격을두고아이스크림을판매하는시험이다. Table 5에시험결과를나타내었다. 시험결과아이스크림무게 100 g ± 10 g에서무한대로판매가가능함을확인할수있다. 실험은 60개판매까지수행되었다. 시험은표준조건 (32 o C, 65% RH) 에서수행되었다. 3.3 극한시험아이스크림은옥외에서판매가이루어질수도있으므로여름철과겨울철의극한조건 (43 o C 50% RH, -10 o C 95% RH) 에서도제조가가능하여야한다. Table 6에는극한시험결과가나타나있다. 외기온도가 43 o C, 50% RH일경우아이스크림제조에는 30분 56초가소요되었고 -10 o C, 95% RH에서는 5분 35초가소요되었다. 따라서여름철, 겨울철모두판매가가능한것으로나타났다. Table 5. Ice cream mass when ice cream making is at 30 seconds interval No. mass (g) No. mass (g) No. mass (g) No. mass (g) Table 6. Performance of the ice-cream machine at extreme test conditions Test condition Average power consumption (kw/min) Ice cream formation time 26 RH 65% min 23sec 43, RH 50% min 56sec -10, RH 95% min 35sec Table 4. Ice cream mass when ice cream making is continuous with no interval No. mass (g) No. mass (g) 결론본연구에서는냉각기체적 2.8 리터인 R-404A를사용하는소프트아이스크림제조기에대하여최적화와성능평가를수행하였다. 최적화는적정냉매량및팽창밸브의개도를찾는데주안점을맞춰수행되었다. (1) 냉매충전량과팽창장치의개도를변화시키며시험한결과충전량 1000 g, 밸브개도 0 ( 제조사세팅치 ) 에서최단시간 10분 5초만에아이스크림의제조가가능하였다. 이때최적화된제품의 COP는 0.57로나타났다. (2) 이제품에대하여무간격연속판매시험, 30초간격연속판매시험, 극한시험을수행하여성능을평가하였다. 무간격연속판매는 20개까지가 733

한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 능하였고 30초간격연속판매는무한대로가능하였다. 또한여름철및겨울철환경에도아이스크림판매가가능한것으로나타났다. (3) 본연구결과는냉동식품제조기를비롯한여타냉동사이클의최적화에도활용될수있을것이다. References 김내현 (Nae-Hyun Kim) [ 정회원 ] 1989 년 12 월 : Penn.

7 한국산학기술학회논문지제 17 권제 8 호, 2016 능하였고 30초간격연속판매는무한대로가능하였다. 또한여름철및겨울철환경에도아이스크림판매가가능한것으로나타났다. (3) 본연구결과는냉동식품제조기를비롯한여타냉동사이클의최적화에도활용될수있을것이다. References 김내현 (Nae-Hyun Kim) [ 정회원 ] 1989 년 12 월 : Penn. State University Pennsylvania, PA, U.S.A ( 공학박사 ) 1994 년 3 월 ~ 현재 : 인천대학교기계공학과교수 [1] H.-C. Park, "Development of an Ice-Cream Machine for R-404A," Final Report to ITEP, CFC Alternative Material Development Program, Se-A E&C, [2] W. F. Stoecker, J. W. Jones, "Refrigeration and Air Conditioning," 2nd Ed., McGraw-Hill Pub., [3] R. W. Hartel, "Ice Crystallization During the Manufacture of Ice Cream," Trends in Food Science and Technology, vol. 7, pp DOI: [4] M. B. Lakhdar, R. Cerecero, G. Alvarez, J. Guilpart, D. Flick, A. Lallemand, " Heat Transfer with Freezing in a Scraped Surface Heat Exchanger," Applied Thermal Engineering, vol. 25, pp , DOI: [5] L. Saraceno, G. Boccardi, G. P. Celata, R. Lazzarini, R. Trinchieri, "Development of Two Heat Transfer Correlations for a Scrapted Surface Heat Exchanger in an Ice Cream Machine," Applied Thermal Engineering, vol. 31, pp , DOI: [6] D. S. Martinez, J. P. Solano, F. Illan, A. Viedma, "Analysis of Heat Transfer Phenomena During Ice Slurry Production in Scraped Surface Plate Heat Exchangers," Int. J. Refrig., vol. 48, pp , DOI: [7] H.-W. Byun, J.-W, Lee, N.-H. Kim, "Heat Transfer Characteristics in the Evaporator of the Ice Cream Maker," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, vol. 13, no. 4, pp , DOI: [8] UNEP, "Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer," United Nation Environmental Programme, [9] A. Arora, S. C. Kaushik, "Theoretical Analysis of a Vapor Compression Refrigeration System with R-502, R-404A and R-507A," Int. J. Refrig., vol. 31, no. 6, pp , DOI: [10] J. M. Calm, G. C. Hourahan, "Refrigerant Data Summary," Engineering Systems, vol. 18, no. 11, pp , [11] ASHRAE Handbook, 1997 Fundamentals, ASHRAE, < 관심분야 > 열전달, 공기조화및내용 734

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Microsoft PowerPoint - ISS_3rd IP_공주대학교 조정호 ISS (Isotope Separation System) 초저온증류공정시뮬레이션 공주대학교화학공학부조정호 목 차 1. ISS(Isotope Separation System) 소개 2. ITER ISS 평형반응기 3. 헬륨냉동사이클 4. Pure Component Properties 5. ITER ISS 공정시뮬레이션 Case 1 6. ITER ISS 공정시뮬레이션