Current Issue

현행 원근해 조업 및 운반 어선들의 어획물 운반 및 저장에 있어서 담수 얼음은 결정이 큰 얼음을 어선의 어창에 해수와 함께 보관하면 얼음은 수면으로 뜨게 되어 어창 내에서 온도 구배와 농도의 변화가 발생된다. 그리고 결정이 크고, 날카로워 어체와의 접촉면이 작고, 상처가 발생되어 선도유지뿐만 아니라 품질에도 큰 장애 요인으로 작용하고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 최근 해수 슬러리형 얼음을 이용한 연구가 이루어지고 있다.¹⁾

슬러리형 얼음은 유동성을 가지는 얼음물로서 물속에 작은 얼음 입자가 섞여 있는 형태이다. 얼음과 물의 비율은 적절이 조절이 가능하고, 그 비율을 빙 충전율이(Ice Packing Factor : IPF)라 한다. 슬러리형 얼음은 입자의 크기가 매우 작아 접촉면을 증가시켜 냉각 속도를 빠르게 할 수 있다. 또한 얼음이 물과 섞여 있어 일반 펌프로 수송이 가능하여 취급이 쉽고, 일반 냉각수에 비해 약 80배의 잠열을 가지기 때문에 많은 냉열을 가지는 이점도 있다.²⁾ 이와 같이 슬러리형 얼음은 잠열과 유동성의 장점으로 빙축열 시스템 적용에 대해 여러 가지 연구가 시도되었고, 최근에는 식품의 보관에 관한 연구들도 진행되고 있다. 특히, 해수 슬러리형 제빙 장치는 일본, 프랑스, 아이슬랜드 등에서 개발 보급되고 있지만, 국내에서의 연구는 미미한 실정이다.³⁾

해수 슬러리형 얼음은 일반적으로 표면 스크래퍼 방식의 제빙을 통해 해수를 연속 슬러리형 얼음으로 제조하고 있다. 그러나 얼음 제조시에 표면을 긁어내는 스크래퍼가 얼음 표면과의 마찰로 인하여 고착되거나, 스크래퍼의 작동 상태에 따라 생산되는 얼음이나 장치의 성능도 영향을 받게 된다. 따라서 본 연구에서는 티타늄 이중관을 이용한 스크래퍼형 해수 슬러리 제빙 장치에서 스크래퍼의 고착 방지와 효율적 제빙이 가능하도록 스크래퍼의 회전수 변화에 따른 장치의 성능특성을 파악하여 장치 설계에 대한 자료를 제공하고자 하였다.

스크래퍼의 회전 속도는 난류 및 와류를 형성하여 상변화를 위한 핵 결정이 쉽게 발생할 수 있도록 하였으며, 얼음이 내측 관 벽면에 붙어 성장하는 시간을 결정하기 때문에 열전달량 및 IPF와 밀접한 관계가 있다.

Fig. 4는 증발기 내 스크래퍼의 회전수가 증발기 출구에서 생성되는 슬러리형 얼음의 온도에 미치는 영향을 나타낸 결과이다. 실험에서 스크래퍼의 회전수는 인버터를 이용하여 255~400 rpm까지 변화시켰으며, 그림에서와 같이 출구 슬러리형 얼음의 온도는 약 –2.03℃에서 -2.15℃ 사이로 약 0.12℃ 정도의 미소한 변화를 나타내었다. 이와 같은 이유는 회전수가 증가함에 따라 증발관 내벽에 생성되는 얼음 결정이 잘 제거되어 열전달 효율이 증가하기 때문으로 판단된다.

Fig. 4 
Influence of scraper rotation speed on slurry ice temperature

Fig. 5는 동일한 조건에서 압축기 소비동력의 변화를 나타낸 결과이다. 그림에서와 같이 스크래퍼의 회전수 변화에 따라 본 실험범위 내에서 소요동력의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다.

Fig. 5 
Influence of scraper rotation speed on compressor power input

Fig. 6은 스크래퍼의 회전수 변화에 따른 냉동능력의 변화를 나타낸 결과이다. 냉동능력은 액상의 물이 고상의 얼음으로 변화는 잠열과 액상의 물 온도가 하강하는 현열의 합으로 이루어진다. 그림에서와 같이 회전수가 증가할수록 냉동능력은 미소하게 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 열교환기 표면에서 스크래퍼의 회전수가 증가하면서 표면의 대류열전달이 증가하기 때문으로 판단된다. 그러나 본 실험범위 내에서 냉동능력의 변화는 미미한 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 6 
Influence of scraper rotation speed on refrigeration capacit

Fig. 7은 냉동능력과 압축일량의 비율로 장치의 성능계수(COP)를 나타낸 결과이다. 회전수가 증가함에 따라 압축일량과 냉각능력의 변화가 미미하여 성능계수도 미소하게 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나 스크래퍼 모터 동력까지 고려할 경우, 시스템 전체의 성능계수는 다소 감소할 것으로 판단된다. Fig. 8은 스크래퍼의 회전수 변화에 따른 빙 충전율(IPF)변화를 나타낸 결과이다. 그림에서와 같이 회전수가 증가할수록 빙 충전율은 미소하게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 회전수가 증가할수록 열교환기 표면에서의 얼음 결정 두께가 줄어들어 총괄열전달계수가 증가하기 때문으로 판단된다. 그리고 Fig. 9는 스크래퍼의 회전수 증가에 따른 증발기 총괄열전달계수의 변화를 나타낸 결과이다. 회전수가 증가함에 따라 열교환기 표면에서의 얼음 결정 두께 감소에 의해 총괄열전달계수는 증가하였다.

Fig. 7 
Influence of scraper rotation speed on coefficient of performance

Fig. 8 
Influence of scraper rotation speed on ice packing factor

Fig. 9 
Influence of scraper rotation speed on overall heat transfer coefficient

Fig. 10은 빙 충전율 30%시를 기준으로 1일 제빙량의 변화를 나타낸 결과로, 회전수가 증가함에 따라 빙 충전율의 증가로 제빙량도 증가하였다.

Fig. 10 
Influence of scraper rotation speed on slurry ice production amount

스크래퍼형 해수 슬러리 제빙 장치의 회전수 변화에 따른 장치의 성능특성을 파악한 결과, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 스크래퍼의 회전수를 255~400 rpm까지 변화시켰을 때, 증발기 내 열교환 표면에 생성되는 얼음의 결정을 잘 제거하여 열전달률 증가로 인하여 증발기 출구 슬러리 얼음의 온도는 미소한 증가를 나타내었다.

2) 스크래퍼의 회전수 증가에 따라 장치의 냉동능력은 미소하게 증가하였으나 압축기의 소비동력은 큰 변화가 없어 장치의 성능계수도 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.

3) 빙 충전율, 증발기의 총괄열전달계수 및 1일 제빙량은 스크래퍼의 회전수가 증가할수록 열교환기 표면에서의 얼음 결정 두께가 줄어들어 열교환 효율 증대로 인하여 증가하는 것을 알 수 있었다.

4) 이상의 실험 결과, 스크래퍼형 해수 슬러리 제빙 장치에서 스크래퍼의 회전수 변화는 빙 충전율, 총괄열전달계수 및 생산되는 제빙량에 영향을 미치는 요소로 장치 설계 시 고려해야 할 중요 요소로 판단되었다.