본 연구에서 사용한 실험장치의 개략도는 Figure 1과 같으며, 장치는 크게 브라인(에틸렌글리콜 30% 수용액)의 온도를 조절하는 항온조와 브라인 순환계, 그리고 시험구간으로 구성되어 있다.

Figure 1: 
Schematic diagram of experimental apparatus

브라인의 온도(제빙온도)를 조절하는 항온조의 용량은 700 L로 하였고, 시스템의 온도제어 편차는 설정 온도 ±1℃을 유지하면서 3 HP 냉동시스템에 의해 냉각될 수 있도록 하였다. 그리고 물과 브라인의 순환을 위해 소형 순환펌프를 사용하였으며, 수조에는 약 10 L의 물이 외부와 단열된 상태로 보관되고 필요시 일정 부하를 더하기 위해 1.8 kW급의 전기히터를 설치하였다.

시험부의 스테인레스 수조는 W 370 mm, L 460 mm, H 200 mm의 크기로 하였으며, 2 mm 두께의 SUS 304재질을 사용하여 맞댄 부분을 모두 용접하였다. 수조의 외표면은 외부와의 열교환을 차단하기 위해 단열하였고, 바닥으로부터 50 mm 상부에 1.5 mm 두께의 동판을 설치하였다. Figure 2는 시험부에 설치된 동판을 간략히 나타낸 것으로, 크기는 W 460(±2) mm, H 370(±2) mm로 하였으며 측정을 위해 센서를 부착하였다.

Figure 2: 
Measurement point in test section

시험부와 항온조 사이의 배관은 누설방지와 함께 보온을 실시하여 저온상태의 브라인이 순환되면서 외부 열교환으로 인해 발생하는 손실이 최소화되도록 하였다.

초음파 진동자는 주위에서 쉽게 구할 수 있는 것으로 직경 25 mm의 압전 세라믹 소자이며, PCB 회로로 이루어진 장치에 전원과 조절용 저항을 추가하였는데, 이는 초음파 에너지의 출력 정도에 따라 제빙에 미치는 영향을 밝혀내기 위함이었다. 진동자는 브라인의 입구 쪽 위치에 별도로 고정하지 않고 배치하였으며, 그 주위에는 열전대를 상하좌우 30 mm 간격, 동판에서 1 mm 높이로 설치하여 대상 유체의 온도변화를 측정하였다. 또 진동자로부터 230 mm간격, 동판에서 1 mm 높이로 설치하여 대상 유체의 온도변화를 측정하였다. 또 진동자로부터 230 mm 떨어진 위치에도 온도센서를 설치하여 초음파 에너지가 영향을 줄 수 있는 거리를 파악할 수 있도록 하였다. 기타 구성품으로는 브라인의 유량을 측정하기 위해 항온조 출구 측에 설치된 유량계, 브라인의 공급온도를 계측하기 위한 열전대 등이 있다.

평판에서의 제빙실험을 위해 항온조 내에는 에틸렌글리콜(30%) 수용액을 채우고, 시험부 수조에는 제빙대상인 물을 채운다. 항온조의 브라인을 실험온도로 냉각하도록 냉동기온도제어기를 설정하고, 준비된 시험부인 평판 하부에 조절된 유량의 브라인을 순환시킨다. 이렇게 하여 실험조건으로 유지되면 실험을 시작하고 계속하여 브라인을 순환시키면서 데이터를 기록한다.

위 방법을 반복하면서 초음파를 조사하지 않고 실시한 제빙실험과 초음파를 조사하여 실시한 제빙실험으로 구분하여 실시하고, 또 초음파를 조사한 때의 실험은 초음파의 출력을 약하게 한 경우와 강하게 한 경우로 세분화하여 상태를 확인하였다.

실험이 시작되는 시점과 온도가 동결점으로 하강하여 과냉각이 해소되는 시점, 마지막으로 목표량의 제빙이 완료되는 시점 등 육안으로 관찰 가능한 변화를 촬영하여 비교 확인하였다. 각 인자의 실험이 완료되면 시험부 수조내의 브라인을 드레인시켜 각 지점이 시험조건으로 회복되도록 하였으며, 제빙이 완료된 동판은 상온의 물을 채워 넣는 방법으로 제상하였다. 간혹 초음파 조사로 인해 제빙이 완료되지 못할 때는 그 부분을 도식화하고 기록하여 참고자료로 삼았다.

본 연구에서 사용된 실험인자 및 범위를 Table 1에 정리하였다.

Figure 3은 초음파의 조사에 따른 제빙억제효과를 확인하기 전에 일반적인 제빙의 경향을 파악하기 위하여 2 mm 높이(최대제빙두께)의 물을 채우고 제빙온도를 –8℃ ~ -16℃로 다르게 순환시키면서 시험부의 온도변화를 측정 기록하여 제빙특성을 해석한 것이다.

Figure 3: 
Effect of ice making temperature on supercooling break off time. (non ultrasonic, ice making thickness 2 mm)

전체적으로는 Park [14]에서와 같이 물 분자가 빙결정으로 상변화하는 과정을 나타내고 있다. 즉, 빙핵이 형성되어 동결이 시작되면 잠열방출로 인해 물의 온도강하비율이 감소하고 냉각속도가 동결에 의한 잠열방출속도보다 크기 때문에 과냉각도가 증가한다. 이때 냉각속도와 잠열방출속도가 균형이 되면 최대 과냉각도(△T_max)가 된 후 잠열방출속도가 냉각속도를 상회하면서 물의 온도가 상승하지만, 증대된 얼음 표면의 간섭이 일어나 잠열방출속도 및 △T가 감소하면서 동결속도도 감소한다. 또, 일정시간 후에는 일정하면서 작은 과냉각도에서 동결이 진행되고, 동결계면이 감소하여 최종적으로 동결이 완료됨을 보여주고 있다.

그림에서 전체적으로는 제빙온도가 낮을수록 과냉각해 소시간이 짧아지는 것을 알 수 있다. 그 결과를 Table 2에도 정리하였다.

즉, 제빙온도가 낮을수록 더욱 빠르게 과냉각이 해소되는 것을 알 수 있다. 이는 제빙온도가 낮을수록 냉각속도가 빨라지기 때문으로 판단된다. 따라서 제빙온도가 높을수록 제빙에 소요되는 시간이 길어진다는 것을 의미하므로 제빙을 억제 또는 지연시키기 위해서는 제빙온도를 가급적 높게 하여야 할 것이다.

Figure 4는 초음파 사용에 따른 제빙억제효과를 확인하기 전에 일반적인 제빙의 경향을 파악하기 위하여 제빙온도를 –10℃로 한 상태에서 최대제빙두께 1 ~ 3 mm일 때의 진동자 주위의 평균온도를 나타낸 것으로, 과냉각 해소시간을 중심으로 살펴보기 위해 실험 시작 후 20분까지만 정리하였다. Figure 4(a)의 초음파를 조사하지 않은 때의 과냉각해소시간은 1 mm와 2 mm일 때가 3 mm일 때보다 짧았지만, Figure 4(b)의 약한 초음파 사용 시에는 1 mm일 때가 가장 짧았고, Figure 4(c)의 강한 초음파 사용 시에는 거의 비슷한 경향을 보여주고 있다. 따라서 초음파 진동자가 평판의 표면에 위치하고 있는 관계로 표면에서부터의 제빙이 억제되어 최대제빙두께에 따라서는 큰 영향을 받지 않는 것으로 판단된다. 그러나 초음파의 출력을 강하게 할수록 최대제빙두께에 따른 영향이 적다는 것으로 미루어보아 제빙을 억제하는 데에는 초음파의 사용이 효과적이라고 판단된다.

Figure 4: 
Effect of ice making thickness on supercooling break off time. (ice making temperature -10℃)