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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 산지에서의 예냉, 저장 및 수송과 소 비지에서의 배송 기능까지를 구현할 수 있는 저 에너지형 저 온유통 체계를 확립하고자 잠열재 축냉식 슬러리 제조장치 및 이송용기(택배형, 이동형)를 개발하고자 하였다.
- 본 연구에서는 농산물의 손실을 최소화 하면서 품질유지하 면서 유통과정의 입출고 작업 최소화 및 장비의 효율성 증대 를 위하여 수확 후 저장 및 수송 과 소비지에서의 배송 기능 까지를 구현할 수 있는 저에너지형 저온유통 체계를 확립하 고자 잠열재 축냉식 슬러리 제조 장치를 개발하였으며, 수.배 송을 하기위한 이동용기 특성을 알 수 있었다.
제안 방법
- (1) 잠열재 축냉제조 장치는 온도 -5~10℃, 1회 용량 50 시간 30분 조건에서 잠열재의 균일화를 위한 교반기, 충 진팩 및 freezing Sink 모듈에 충진할 수 있도록 개발하였다. 본 장치는 축냉 탱크와 냉동기, 순환펌프, 원형 열교 환기, 팽창탱크, 축냉제 공급장치 등으로 구성되어 있으며, PCM 공급 장치는 PCM 상변화 장치, 축냉탱크, 원형 열교환기, 이송 및 분배 장치, 축냉제 공급장치, 충진장치, 회수 및 제어장치 등으로 설계.
- 슬러리 제조시 보관 및 공급용기 침전현상 을 방지하기위해 360°회전에 의한 교반뿐만 아니라 하부에서 상부로 밀어주는 교반방식을 적용함으로써 비중, 비 균일화 등에 의한 침전 현상을 방지할 수 있도록 하였다. 공급장치는 이송 및 분배장치, 축냉제 공급 및 충진징치 suction unit, 제 어장치 등으로 구성하였으며, 일정한 빙분율의 잠열재 슬러 리를 일정량으로 주입할 수 있고, 주입한 용기로부터 슬러리 를 회수하여 일정 빙분율의 슬러리가 용기 내에서 다시 축냉 할 수 있는 Feedback 시스템을 적용하였다 또한 일정 빙분율 의 슬러리를 공급할 수 있고, 공급되는 아이스 슬러리 빙분율 을 일정하게 유지하도록 슬러리 저장조 내부 빙분율을 제어 가 가능하도록 하였다.
- 본 실험에서 사용한 수. 배송용 보냉고는 그림 3에 나타내 었고, 제작 조건은 외기온도 35℃ 에서 12시간 유지하면서 온도 -10~ 15℃범위를 저장 유통온도로 설정할 수 있으며, 제 어방식은 온도 및 시간을 조합하는 방식으로 하였다. 충진팩 은 다양한 잠열재를 활용할 수 있도록 축냉 모듈을 교환방식 으로 제조하였으며, 이때 잠열이 최대한 외부로 유출되지 않 게 보냉고 내부에서 교체할 수 있도록 제작하였다.
- 수. 배송용 보냉고는 수송 중에도 별도의 전원공급 없이 열 이 순환되도록 축전지를 별도로 설치하였고, 수송 농산물의 동해 방지를 위해 축냉 모듈은 본체 하부에 설치하였으며, 다양한 잠열 온도대를 잠열재와 함께 선정할 수 있으며, 장시간 잠열 유통이 가능하고 일정한 고내온도를 유지시키면서, 수 송 농산물의 선도유지가 가능하도록 설계.제작하였으며, 제 작 사양은 표 2와 같다.
- 본 연구에서 개발한 잠열재 축냉제조장치는 축냉장치와 공 급 장치로써 그림 1, 2에 나타냈으며, 잠열재의 축냉의 균일 화를 위한 교반기, 충진 팩 및 freezing Sink 모듈에 충진 할 수 있도록 설계하였다, 축냉 탱크, 냉동기, 순환펌프, 원형 열 교환기, 팽창탱크, 축냉제 공급 장치 등으로 구성하고, 잠열재 축냉시 조핵제 첨가량을 조절하여 본 실험에서 요구되는 상 변화 온도대를 얻기 위해 수용액 제빙 공정에서 제빙량 증가에 따라 조핵제 첨가량이 선형적으로 증가 또는 감소할 수 있도록 설계하였다. 잠열재 축냉 제조시험은 알콜 계열로 제조 하였으며, 슬러리 상변화시 빙점에 의한 결빙현상을 열선코 일로 억제하였다.
- (1) 잠열재 축냉제조 장치는 온도 -5~10℃, 1회 용량 50 시간 30분 조건에서 잠열재의 균일화를 위한 교반기, 충 진팩 및 freezing Sink 모듈에 충진할 수 있도록 개발하였다. 본 장치는 축냉 탱크와 냉동기, 순환펌프, 원형 열교 환기, 팽창탱크, 축냉제 공급장치 등으로 구성되어 있으며, PCM 공급 장치는 PCM 상변화 장치, 축냉탱크, 원형 열교환기, 이송 및 분배 장치, 축냉제 공급장치, 충진장치, 회수 및 제어장치 등으로 설계.제작하였다.
- 잠열재 축냉 제조시험은 알콜 계열로 제조 하였으며, 슬러리 상변화시 빙점에 의한 결빙현상을 열선코 일로 억제하였다. 슬러리 제조시 보관 및 공급용기 침전현상 을 방지하기위해 360°회전에 의한 교반뿐만 아니라 하부에서 상부로 밀어주는 교반방식을 적용함으로써 비중, 비 균일화 등에 의한 침전 현상을 방지할 수 있도록 하였다. 공급장치는 이송 및 분배장치, 축냉제 공급 및 충진징치 suction unit, 제 어장치 등으로 구성하였으며, 일정한 빙분율의 잠열재 슬러 리를 일정량으로 주입할 수 있고, 주입한 용기로부터 슬러리 를 회수하여 일정 빙분율의 슬러리가 용기 내에서 다시 축냉 할 수 있는 Feedback 시스템을 적용하였다 또한 일정 빙분율 의 슬러리를 공급할 수 있고, 공급되는 아이스 슬러리 빙분율 을 일정하게 유지하도록 슬러리 저장조 내부 빙분율을 제어 가 가능하도록 하였다.
- 온도즉정은 0.3 mmw copper-constantan 열전대와 다점용 Hydra data acquisition(2625A, Fluke, USA) 장치를 사용하였다. 측정지점은 그림 4에 나타냈고, 온도 분포도와 잠열재 온 도유지 특성을 하기위한 측정 지점을 택배형은 상, 중, 하와 측면부로 구분하였으며, 이동식은 상부 2지점, 중간 3지점, 하부 1지점을 구분하여 측정할 위치를 선정하였다.
- 측정지점은 그림 4에 나타냈고, 온도 분포도와 잠열재 온 도유지 특성을 하기위한 측정 지점을 택배형은 상, 중, 하와 측면부로 구분하였으며, 이동식은 상부 2지점, 중간 3지점, 하부 1지점을 구분하여 측정할 위치를 선정하였다. 이때 측정 지점에서 측정위치가 임의로 변화되는 것을 최소화 하기위해 안정장치를 설치하였고, 센서는 오차범위를 최소화 하기위해 동일 측정 지점에 동일 센서를 보정작업 후 사용하였다. 잠열 재 죽냉 제조장치의 성능평가는 Ice slurry type, Unit cooler type, Chiller type 등을 비교하여 잠열재의 상변화 특성을 분 석하였다.
- 이때 측정 지점에서 측정위치가 임의로 변화되는 것을 최소화 하기위해 안정장치를 설치하였고, 센서는 오차범위를 최소화 하기위해 동일 측정 지점에 동일 센서를 보정작업 후 사용하였다. 잠열 재 죽냉 제조장치의 성능평가는 Ice slurry type, Unit cooler type, Chiller type 등을 비교하여 잠열재의 상변화 특성을 분 석하였다.
- 본 연구에서 개발한 잠열재 축냉제조장치는 축냉장치와 공 급 장치로써 그림 1, 2에 나타냈으며, 잠열재의 축냉의 균일 화를 위한 교반기, 충진 팩 및 freezing Sink 모듈에 충진 할 수 있도록 설계하였다, 축냉 탱크, 냉동기, 순환펌프, 원형 열 교환기, 팽창탱크, 축냉제 공급 장치 등으로 구성하고, 잠열재 축냉시 조핵제 첨가량을 조절하여 본 실험에서 요구되는 상 변화 온도대를 얻기 위해 수용액 제빙 공정에서 제빙량 증가에 따라 조핵제 첨가량이 선형적으로 증가 또는 감소할 수 있도록 설계하였다. 잠열재 축냉 제조시험은 알콜 계열로 제조 하였으며, 슬러리 상변화시 빙점에 의한 결빙현상을 열선코 일로 억제하였다. 슬러리 제조시 보관 및 공급용기 침전현상 을 방지하기위해 360°회전에 의한 교반뿐만 아니라 하부에서 상부로 밀어주는 교반방식을 적용함으로써 비중, 비 균일화 등에 의한 침전 현상을 방지할 수 있도록 하였다.
- Suction unit는 진공압 -80 kPa로 흡입 량을 15 f/min으로 설계. 제작하였으며, 성능평가는 Ice Slurry type, Unit cooler type, Chiller type 등의 냉각방식을 이용하여 각각 잠열재별 현열 조건을 동일한 15℃ 에서 축냉 시간을 측정하여 비교.분 석하였다.
- 배송용 보냉고는 그림 3에 나타내 었고, 제작 조건은 외기온도 35℃ 에서 12시간 유지하면서 온도 -10~ 15℃범위를 저장 유통온도로 설정할 수 있으며, 제 어방식은 온도 및 시간을 조합하는 방식으로 하였다. 충진팩 은 다양한 잠열재를 활용할 수 있도록 축냉 모듈을 교환방식 으로 제조하였으며, 이때 잠열이 최대한 외부로 유출되지 않 게 보냉고 내부에서 교체할 수 있도록 제작하였다.
- 표 5는 개발한 Ki, k2, K3 잠열재의 축냉 시간을 나타낸 것으로 축냉 온도 -5, -7℃조건에서 Ki, K2, K2를 상온 15℃ 에서 0, -3, -3℃로 축냉 하였을 때 상변화 온도를 측정하였으며, 축냉시간은 Unit cooler type 180, 240, 330분, Chiller type 190, 280, 280분, Ice Slurry type 15, 30, 30분으로 나타났다. 따라서 잠열재의 축냉 방식에 따라 잠열재의 냉각시간이 Ice slurry type, Unit cooler type, Chiller type중 본 연구 수행에서 개발된 아이스슬러리 축냉 제조장치가 다른 방식에 비해 Ki 은 1/10, IG는 1/8, Kj는 1/10로 감소하는 경향으로 나타났다.
- 본 실험에서 활용한 축열재는 주변에서 쉽게 구입할 수 있 거나 현재 잠열재로 이용되고 있는 water, sodium polyacrylate, ethanol, paraffin 계열 등이며, 이 중 water, sodium polyacrylate, ethanol 등은 단일 물질로 잠열재 개발을 위해 비교구로 사용 하였고, 본 연구에서의 잠열재 선정 및 제조는 파라핀 계열의 C14, C18 등을 사용하였다 본 실험에서는 0~5℃, 5~10℃, 10~ 15℃의 잠열 온도특성의 잠열재를 개발하기위해 water, sodium polyacrylate, ethanol, paraffin 등 죽열재를 선정하여 축냉, 방열 등의 기초 실험을 통해 1차 선정하였으며, 동결. 해빙을 반복해서 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 사용한 수. 배송용 보냉고는 그림 3에 나타내 었고, 제작 조건은 외기온도 35℃ 에서 12시간 유지하면서 온도 -10~ 15℃범위를 저장 유통온도로 설정할 수 있으며, 제 어방식은 온도 및 시간을 조합하는 방식으로 하였다.
- 본 실험에서 활용한 축열재는 주변에서 쉽게 구입할 수 있 거나 현재 잠열재로 이용되고 있는 water, sodium polyacrylate, ethanol, paraffin 계열 등이며, 이 중 water, sodium polyacrylate, ethanol 등은 단일 물질로 잠열재 개발을 위해 비교구로 사용 하였고, 본 연구에서의 잠열재 선정 및 제조는 파라핀 계열의 C14, C18 등을 사용하였다 본 실험에서는 0~5℃, 5~10℃, 10~ 15℃의 잠열 온도특성의 잠열재를 개발하기위해 water, sodium polyacrylate, ethanol, paraffin 등 죽열재를 선정하여 축냉, 방열 등의 기초 실험을 통해 1차 선정하였으며, 동결. 해빙을 반복해서 실험을 수행하였다.
성능/효과
- (2) 잠열재 축냉제조장치의 성능실험결과 Ki, K2, K3의 축냉 시간이 15, 30, 30분으로 기존의 축냉방식 180, 240, 330 부 190, 280, 280분에 비해 1/10로 단축되어 저에너지형 시스템으로써의 효과가 있는 것을 알 수 있었으며, 이는 상하 교반과 동시에 강제 순환으로 축냉이 이루어지면서 잠열재에 간접으로 냉각하는 유니트 방식 및 칠러 방식보 다는 직접 냉각하는 아이스 슬러리 방식이 우수하기 때문 인 것으로 사료된다.
- (3) 이동용기 실험수행결과 택배형 용기는 잠열 온도 0~5℃의 잠열재는 농도 0.15%인 Ki 이 가장 적합 것으로 나타났다. 수.
- 잠열재 Kie 처 리구별 상관없이 모든 처리용기에서 방열온도에 따라 잠열온도 유지특성을 나타내고 있다. 따라서 잠열온도 0~의 잠 열재는 농도 0.15%인 Ki이 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 표 5는 개발한 Ki, k2, K3 잠열재의 축냉 시간을 나타낸 것으로 축냉 온도 -5, -7℃조건에서 Ki, K2, K2를 상온 15℃ 에서 0, -3, -3℃로 축냉 하였을 때 상변화 온도를 측정하였으며, 축냉시간은 Unit cooler type 180, 240, 330분, Chiller type 190, 280, 280분, Ice Slurry type 15, 30, 30분으로 나타났다. 따라서 잠열재의 축냉 방식에 따라 잠열재의 냉각시간이 Ice slurry type, Unit cooler type, Chiller type중 본 연구 수행에서 개발된 아이스슬러리 축냉 제조장치가 다른 방식에 비해 Ki 은 1/10, IG는 1/8, Kj는 1/10로 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 생산비용, 생산량, 생산효율 등을 고려할 때 본 연구 목적인 저에너지형 축냉제조장치로써 효과가 있음을 알 수 있었다.
- 그림 7은 수. 배송용 보냉고의 잠열유지특성을 평가한 결과를 나타낸 것으로써 방열 온도 25℃ 에서 Kie 잠열온도 0~5℃ 범위를 20시간 이상 유지하였으며, K2는 잠열온도 5~10℃ 범위를 10시간, kie은 잠열 온도 10~ 15℃범위를 10시간이상 유지하였다. 실험수행결과 Ki의 경우 잠열 특성이 매우 우 수하게 나타났으며, K2, K3의 경우는 잠열 특성온도 유지시간을 증가할 수 있도록 잠열재 열적조건 및 다양한 제조조건별 연구가 요구되었다.
- 따라서 잠열재의 축냉 방식에 따라 잠열재의 냉각시간이 Ice slurry type, Unit cooler type, Chiller type중 본 연구 수행에서 개발된 아이스슬러리 축냉 제조장치가 다른 방식에 비해 Ki 은 1/10, IG는 1/8, Kj는 1/10로 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 생산비용, 생산량, 생산효율 등을 고려할 때 본 연구 목적인 저에너지형 축냉제조장치로써 효과가 있음을 알 수 있었다. 표 5와 그림 5는 축냉 방식별 축냉 시간 및 온 도결과를 나타낸 것이다.
후속연구
- 수.배송용 보냉고는 Ki의 경우 잠열 특성이 매우 우수하게 나타났으며, K3의 경우는 잠열 특성온도 유 지시간을 증가할 수 있도록 잠열재 열적조건 및 다양한 제조조건별 연구가 필요한 것으로 판단되었다.
- 배송용 보냉고의 잠열유지특성을 평가한 결과를 나타낸 것으로써 방열 온도 25℃ 에서 Kie 잠열온도 0~5℃ 범위를 20시간 이상 유지하였으며, K2는 잠열온도 5~10℃ 범위를 10시간, kie은 잠열 온도 10~ 15℃범위를 10시간이상 유지하였다. 실험수행결과 Ki의 경우 잠열 특성이 매우 우 수하게 나타났으며, K2, K3의 경우는 잠열 특성온도 유지시간을 증가할 수 있도록 잠열재 열적조건 및 다양한 제조조건별 연구가 요구되었다.
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