스크래퍼식 샤베트 해수 제빙장치의 제빙 특성

2.1 실험 장치

Figure 1은 본 연구에서 사용된 소용량(0.55 Ton/day) 스크래퍼식 샤베트형 해수 제빙 성능 실험 장치의 개략도를 나타낸 것이다. 실험 장치는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 스크래퍼가 삽입된 이중관 증발기, 증발압력 조정 밸브(EPR)와 스크래퍼를 회전시키기 위한 모터 등으로 구성된다. 설정 증발압력에 맞추어 주파수 변환을 통해 압축기의 회전 수가 제어되는 BLDC 인버터 압축기와 전자식 팽창밸브를 사용하여 증발압력과 과열도를 일정하게 유지하도록 구성하였다. 증발기 출구측에 부착된 증발압력 조정밸브는 구조내의 스프링을 통하여 냉매액이 넘어 오지 않도록 막아줄 뿐만 아니라 증발압력을 일정 압력 이하로 내려가지 않도록 제어해주는 역할을 한다.

Figure 1:

Schematic diagram of experimental apparatus

Figure 2에 제빙이 일어나는 스크래퍼식 증발기를 나타내었다. 스크래퍼식 증발기는 이중관 열교환기의 형태로 총 길이는 1100 mm이며, 전열 유효 길이는 800 mm이다. 해수와 접촉하는 내관은 부식에 강한 티타늄으로 제작하였으며, 외부에 전열 면적을 넓혀 전열을 촉진하며, 외부 동관을 지지할 수 있는 알류미늄 핀을 티타늄 외부에 삽입하였다. 이중관 열교환기는 수직으로 배치되고, 이중관 내관 안에 스크래퍼를 삽입한 후 상부에 모터를 설치하여 스크래퍼를 회전시킨다. 저온의 냉매는 이중관 열교환기 외관의 하부로 부터 유입되어 상부로 흘러 나오는 반만액식 타입을 적용하여 관내부가 최대한 냉매 액과 열교환 할 수 있게 하여 열교환기의 효율을 증대 시켰다. 해수는 열교환기의 상부로 유입되어 티타늄 내부로 흘러내리고, 외부의 저온의 냉매와 열교환하여 과냉각 발생 후 얼음이 생성되도록 하였다. 내관 표면에 생성된 얼음은 회전하는 스크류형 스크래퍼에 의해 긁어져 샤베트형 해수빙의 형태로 열교환기 외부로 배출된다

Figure 2:

3D drawing of double tube heat exchanger

냉매가 흐르는 냉동 사이클 주요기기의 입·출구에 T-Type 열전대를 설치하여 냉매의 온도를 측정하였으며, 해수측은 정밀도가 높은 백금 측온 저항체를 이용하여 온도를 측정하였다. 그리고 응축압력과 증발압력을 측정하기 위하여 증발기 출구, 압축기의 입·출구에 절대 압력계를 장착하였다. 냉매의 유량은 수액기 출구에 질량유량계, 냉각수의 유량은 수유량계를 부착하여 측정하였다. 또한 실험조건을 일정하게 유지하기 위하여 냉각수 수조와 해수 수조에 항온조를 설치하였다. 데이터의 기록은 데이터 로거와 소프트웨어(YOKOGAWA/GM90PS)를 사용하였다.

2.2 실험 조건 및 방법

다양한 작동 조건에 따른 샤베트형 해수 제빙장치의 제빙 특성에 대한 연구를 위하여 위에 기술한 실험 장치를 구성하였으며, 실험 조건은 Table 1과 같다. 냉매의 응축에 사용된 냉각수는 항온조를 통해 항상 일정한 입구 온도를 유지하게 되며, 증발기로 유입되는 해수는 마이크로 모션기어펌프를 통해 0.1 LPM까지 유량이 정밀하게 조정되어 증발기로 공급된다. 이때, 증발기측에 사용되는 해수 탱크에도 항온조를 연결하여 원하는 입구 온도를 유지하도록 하였다. 해수의 초기 염분 농도는 해수의 유동이 없는 상태의 해수 탱크에서 해수용 염분계(LT Lutron/YK-31SA)를 이용하여 측정하였다. 스크래퍼와 연결된 모터에 인버터를 부착하여, 주파수의 변화를 통해 스크래퍼 회전속도를 변경하였다. 냉매는 R22를 사용하였으며, 전자식 팽창밸브를 이용하여 과열도를 6℃로 고정한 후 실험을 진행하였다.

Table 1:

Experimental Conditions

시스템이 정상상태 (30분 동안의 온도측정 변이가 ±0.5 ℃ 이내, 압력 측정 변이가 ±5 kPa, 질량유량의 변화가 0.05 kg/min 이내이면 시스템은 정상상태라고 간주한다.)에 도달한 후 냉매의 온도와 압력, 질량유량, 냉각수와 해수의 입출구 온도 등을 20분 동안 측정하였다.

2.3 빙충전율 산출

빙충전율(Ice Packing Factor : IPF)은 샤베트형 해수빙과 같은 얼음을 포함한 수용액에 대해서, 전체 수용액의 질량에 대한 얼음의 질량의 비이며 식 (1)과 같이 표현된다.

IPF에 따라 샤베트형 해수빙의 냉열량, 온도, 염분 농도, 이송성 등이 달라지기 때문에 어획물의 신선도 유지에 있어 IPF는 매우 중요한 인자이다. 하지만 미세한 얼음을 액체와 분리시키기는 매우 어려우며 이에 따라 IPF를 산출하기 위해서는 샤베트형 얼음의 성질을 이용해야 한다. 샤베트형 얼음의 온도는 기본적으로 얼음을 제외한 해수 부분의 염분 농도상의 동결점과 같다. 샤베트형 해수빙에서 고체로 상변화 하는 것은 염분이 거의 포함되지 않은 물이기 때문에 IPF가 증가할수록 남은 해수 부분의 염분 농도는 짙어지며, 샤베트형 얼음의 온도 역시 낮아지게 된다.

염분 농도에 따른 해수의 동결점은 식 (2)와 같다[8]. 여기서 S는 해수의 염분 농도(%)이며, p는 압력(decibar)이다. 샤베트형 얼음의 출구에서 온도를 측정한 후 식 (2)를 통하여 제빙 후 해수의 염분 농도를 계산할 수 있다.

식 (3)은 해수의 염분 농도와 IPF의 관계식이다[9]. S_i는 제빙 전 해수의 염분 농도이며, S_f는 제빙 후 해수의 염분농도를 뜻한다. 제빙 전, 후의 해수의 염분 농도를 안다면 식 (3)을 통해 IPF 산출이 가능하다.

샤베트형 해수빙의 냉각된 해수와 얼음이 섞여있기 때문에 순수한 얼음의 양 만으로는 샤베트형 해수빙의 제빙량을 평가할 수 없다. 이에 본 논문에서는 통상적으로 샤베트형 해수빙의 유동성이 없어지는 IPF 30%를 기준으로 정하고 식 (4)와 같이 하루 제빙량(Ton/day)을 환산하였다.

m_sea는 해수의 유량을 뜻하며 ICE는 IPF 30%기준에서의 샤베트형 해수빙의 제빙량이다.

3.1 샤베트형 해수빙의 크기와 형태

Table 1의 표준 조건에서 스크래퍼식 샤베트형 해수 제빙 실험 장치를 통해 생산된 샤베트형 얼음은 Figure 3과 같다. 샤베트형 얼음은 흰 색의 유동성을 가진 미세한 얼음입자와 해수의 혼합 형태로 스크래퍼를 통해 배출되었다.

Figure 3:

Photograph of slurry ice

배출 후 얼음과 해수의 밀도 차이에 의해 샤베트 아이스 수조에서 위, 아래로 상의 분리가 일어난다. 이 때, 분리된 미세한 얼음 입자들은 그 사이에 해수를 포함하고 있으며 이 해수가 접착제 역할을 하게 되어 큰 덩어리의 얼음을 형성하는 것을 확인하였다.

Figure 4는 생성된 샤베트형 해수빙을 현미경을 사용하여 촬영한 사진이다. 현미경으로 측정한 얼음 입자의 크기는 직경 0.2 mm ~ 0.3 mm로 측정되었다.

Figure 4:

Enlargement print of slurry ice crystal

3.2 해수 입구 온도와 유량의 영향

Figure 5는 표준 조건에서 해수 입구 온도(T_sea,in = 10, 15, 20, 27℃) 변화에 따라 유량의 증가가 IPF에 미치는 영향을 나타낸 것이며, Figure 6은 같은 조건에서의 제빙량을 IPF 30% 기준에서의 하루 생산량을 나타낸 것이다. 해수의 입구 온도와 유량에 따라 얼음이 제빙되지 않거나, 관 내 얼음의 고착으로 인해 시스템이 안정적으로 작동되지 않는 경우가 생기며 이는 그래프에서 제외하였다.

Figure 5:

Influence of seawater flow rate on IPF for inlet temperature of seawater

Figure 6:

Ice making amount versus seawater flow rate

증발기 출구에서 샤베트형 해수빙의 온도 측정을 통해 산출한 IPF는 해수 입구 온도가 낮고 유량이 적을수록 큰 수치를 보였으며, 해수 입구 온도 10℃ 조건에서 해수 유량이 0.75 LPM부터 0.25 LPM씩 증가함에 따라 14.7 ~ 0.3%로 감소하였다. 또한, 입구 온도가 높을수록 유량 증가에 따른 IPF 감소량이 큰 것을 볼 수 있다. 해수의 입구 온도와 유량이 증가할수록 증발기에 흐르는 두 유체사이의 온도차가 증가하고, 유속 증가로 인해 증발기 내에서 열전달이 활발하게 일어나게 된다. 하지만, 열전달량의 증가량보다 해수의 높은 온도와 많은 유량으로 인하여 제빙에 필요한 온도까지 냉각시키기 위한 열량이 더 큰 폭으로 증가하기 때문에 이에 기인하여 IPF가 감소하는 것으로 판단된다.

Figure 6은 IPF 30%기준으로 환산한 하루 제빙량(Ton/day)의 변화 그래프를 나타낸다. Figure 6을 보면 IPF와 제빙량의 그래프 기울기 의 변화 형태가 다른 것을 알 수 있다. 이는 IPF는 그 정의처럼 전체 수용액에서 얼음의 비율을 뜻하지만, 제빙량은 IPF와 유량의 곱으로 나타내어지기 때문에 유량 증가에 대한 영향이 포함됨에 따른 결과이다. IPF 30%기준으로 환산한 하루 제빙량은 표준 조건에서 0.55 Ton/day의 제빙량을 가짐을 확인하였다.

3.3 스크래퍼 회전 속도의 영향

스크래퍼의 회전은 난류 및 와류를 형성하며 얼음이 내측 관 벽면에 붙어 성장하는 시간을 결정하기 때문에, 이 회전수는 열전달량 및 IPF와 관계가 있다. Figure 7은 표준조건에서 해수 유량(V_sea,in = 0.75, 1.0, 1.25 LPM)에 따라 스크래퍼의 회전수의 변화(260, 350, 450 rpm)가 IPF에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 스크래퍼 회전수가 증가함에 따라 IPF가 증가하는 것을 확인하였다. 이는 스크래퍼의 회전수가 증가할수록 회전 레이놀즈 수가 증가하며 난류가 촉징되어 열전달 계수가 커지며 또한, 튜브 내측벽면에 생성되는 얼음층의 두께가 얇아짐에 따라 전도 열저항이 감소하여 열전달이 향상됨에 따른 결과로 사료된다. 또한 해수 유량이 0.75 LPM의 경우 IPF가 13 ~ 15%로 2% 증가하는 반면에, 해수 유량 1.25 LPM의 경우 IPF가 4.5 ~ 5.0%로 즉 0.5% 증가로 해수 유량의 증가에 따라 스크래퍼의 회전수에 따른 영향이 감소하는 것으로 나타났다.

Figure 7:

Influence of scraper rotation speed on IPF for seawater volumetric flow rate

3.4 염분 농도의 영향

Figure 8은 표준 조건에서 해수의 초기 염분 농도(S_i = 2.9, 3.2%)와 유량(0.75, 1.0, 1.25 LPM)에 따른 IPF의 변화를 나타낸 그래프이다. 염분 농도가 3.2%에서 2.9%로 감소함에 따라 IPF는 0.2 ~ 0.3%로 감소하였다. 해수 유량이 증가할수록 염분농도에 따른 IPF 차의 값이 소폭 증가하지만 미미한 수치임을 확인할 수 있다. 우리나라 연근해 표층수의 염분농도는 계절, 지역에 따라 다르지만 3.0 ~ 3.5%이므로 이에 따른 제빙 성능의 차이는 무시 가능하다고 사료된다.

Figure 8:

Ice making amount versus seawater initial salinity

본 실험에서 제빙된 샤베트형 해수빙의 온도는 해수의 유량이 0.75 LPM에서 Si가 2.9%, 3.2%일 때 각각 -1.85℃, -2.07℃이다. 이처럼 거의 동일한 IPF임에도 불구하고 제빙전 염분 농도에 따라 제빙 후 해수빙의 온도가 변하는 것을 확인하였다.

3.5 냉각수 온도 및 증발온도의 영향

Figure 9는 표준 조건에서 냉각수의 입구 온도(T_cool,in = 27, 32℃)와 냉매 증발 온도(-15, -10, -8℃)의 변화에 따른 IPF를 나타낸 것이다. 제빙기에서 증발온도는 얼음의 양 및 빙질, 제빙기의 성능에 많은 영향을 미친다. 또한, 해상용 선박 HVAC 설계 지침[10]에 따르면 선박 내 냉동장치의 냉각수로 이용되는 해수의 온도는 국내 항로 항해선의 경우 27℃, 일반 항해선 기준 32℃로 설정한다. 이에 따라, 냉각수의 온도를 27℃, 32℃로 변화시키고, 3.2% 바닷물의 경 우 제빙이 시작되는 가장 높은 증발온도인 -8℃부터 -15℃로 변화시켜가며 실험을 하였다. T_cool,in = 27℃의 경우 증발온도에 감소에 따라 IPF는 12.7 ~ 19.6%로 6.9%증가, T_cool,in = 32℃의 경우 IPF는 17 ~ 22.3%로 5.3% 증가하였다. 여기서 IPF와 냉매의 증발온도는 밀접한 관계가 있으며, 냉매의 증발온도가 감소할수록 IPF는 선형적으로 증가하는 것을 확인하였다.

Figure 9:

Influence of evaporating temperature on IPF for cooling water temperature

동일한 증발온도에서는 냉각수 온도가 27℃보다 32℃에서 IPF가 약 4%정도 높게 나타났다. 이는 M. J. Kim et al. [11]의 연구와 동일한 결과로 냉각수의 온도가 높아짐에 따라 응축압력이 상승하고, 일정한 증발압력을 유지하기 위해서 압축기의 회전수가 증가하게 된다. 이로 인해 냉매의 질량유량이 증가하고 증발기에서의 냉각능력이 증가함에 따른 것으로 판단된다.

위와 같이 응축압력과 증발압력의 차이가 커짐에 따라 압축비가 증가되고, 압축기가 고 회전수에서 작동함에 따라 압축기 소비 동력은 증발온도 -8℃, 냉각수 온도 27℃ 0.365 kW, 증발온도 -15℃ 냉각수 온도 27℃ 0.602 kW, 증발온도 -15℃ 냉각수 온도 32℃ 0.707 kW로 증가하는 것을 확인하였다.