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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 가정용 냉장고에 적용할 수 있는 새로운 제상 방식으로써 핫가스 바이 패스 제상 방식과 전기 히터 제상 방식을 혼합한 하이브리드 제상 방식을 제시하고, 실제 핀-관 열교환기가 장착된 냉장고를 대상으로 착상 후, 하이브 리드 제상 방식과 기존의 전기 히터 제상 방식의 제상성능을 평가하여 비교 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 가정용 냉장고에 적용할 수 있는 핫 가스 바이패스 제상 방식과 전기 히터 제상 방식이 혼합된 하이브리드 제상 방식을 제시하고, 실제 냉장고의 핀-관 열교환기를 대상으로 전기 히터 제상 방식과 제상 성능을 비교 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- Fig. 3과 같이 실험 장치로 제작된 냉장고를 온도조절 가능한 항온 챔버 내에 위치시키고 착상을 위해 냉장실에는 각 선반에 개구 면적 600 cm2, 깊이 5 cm의 플라스틱 용기에 증발 촉진 융을 장착하고 25℃, 500 cc의 물을 투입한 수부하 4개를 올려놓은 후 냉장고를 가동시켜 착상을 진행하였다.
- 제상에 의한 저장 온도의 급격한 상승은 식품의 보관 성능에도 악영향을 미치므로 매우 중요한 인자이다. KS C ISO 15502의 평가 조건에서 냉동실에는 시험용 부하를 적재하며 이 부하는 냉동 육류와 유사한 성질을 가지고 있어 냉동 식품의 보관 성능을 유추할 수 있으므로 두 가지 제상 방식에 대해 제상 온도 상승 실험을 수행하였다. 전기 히터 제상 방식의 경우 실험 후 시험 부하의 온도가 2.
- 2는 본 연구에 적용한 하이브리드 제상 방식의 개략도이다. 냉동 사이클은 전기 히터만을 사용하여 제상을 실시하는 냉장고와 동일하게 구성하였고, 하이브리드 제상 방식을 구성하기 위하여 냉장고 제조 과정에 삼방변 및 증발기로 연결되는 배관을 추가로 장착하였으며 전기 히터용량을 변경하여 냉장고를 제작하였다. 삼방변은 밸브를 통과하는 과정에서 냉매의 압력 손실로 인한 제상 열량 감소를 줄이기 위하여 밸브의 내부 유로 직경을 적절히 선정하였으며 배관의 직경 또한 이를 고려하여 선정하였다.
- 1 g을 나타내었다. 본 착상 실험 결과로부터 냉장고 외부 온도와 내부의 온도가 일정하면 운전 시간에 따른 착상량도 일정하다는 것을 예측할 수 있으므로 제상 실험을 위한 기본 착상 조건은 외부온도 25℃, 냉동실 온도 -18℃, 냉장실 온도 2℃에서 실시하였다.
- 전기 히터 제상 실험 장치와 하이브리드 제상 실험 장치를 하나의 항온 항습 챔버에 설치하여 각각 냉동실 온도 T8℃, 냉장실 온도 2℃의 동일 조건으로 일정 시간 동안 착상 실험 후 제상 실험을 수행하였다. 전기 히터 제상 실험 장치의 경우 압축기 및 냉각용 팬의 운전을 정지시키고 제상용 전기 히터에 전원을 인가하여 제상 운전을 실시하였다.
- 전기 히터 제상 실험 장치의 경우 압축기 및 냉각용 팬의 운전을 정지시키고 제상용 전기 히터에 전원을 인가하여 제상 운전을 실시하였다.
- 제상 수량은 제상 운전이 종료되고 7분 동안의 휴지 시간을 둔 다음 제상수 받이에 모인 물의 양을 전자저울로 측정하였다. 제상 과정 중 소요된 전기적 입력은 착상 실험과 마찬가지로 각 실험 장치에 연결된 디지털 전력계를 이용하여 실시간으로 측정하고 저장하였다.
- 제상 수량은 제상 운전이 종료되고 7분 동안의 휴지 시간을 둔 다음 제상수 받이에 모인 물의 양을 전자저울로 측정하였다. 제상 과정 중 소요된 전기적 입력은 착상 실험과 마찬가지로 각 실험 장치에 연결된 디지털 전력계를 이용하여 실시간으로 측정하고 저장하였다.
- 9(a)는 냉장고 성능 평가 규격인 KS C ISO 15502®의 평가 조건으로 총 소비전력에서 제상에 소모된 소비전력 비율을 나타내었다. 최근 냉장고의 경우 변동 제상 운전 알고리즘을 적용하고 있어 주위 환경에 의해 제상 주기가 변동하지만 본 실험에서는 가장 짧은 제상 주기 시간을 기준으로 하여 평가 하였다. 그 결과 전기 히터 제상 방식의 경우에는 제상에 소모되는 전기 에너지가 냉장고 전체 소비전력의 22.
- 하이브리드 제상 실험 장치의 경우에는 압축기 와냉각용 팬의 운전을 정지시키고 냉매의 흐름 방향을 변환시키는 삼방변을 핫가스 바이패스 제상 운전 방향으로 전환하여 압축기에서 토출된 냉매가 증발기로 흐를 수 있도록 한 후 다시 압축기를 기동하였으며 동시에 잔빙 제거를 위한 전기 히터에도 전원을 인가하여 제상 운전을 실시하였다.
- 항온 챔버의 온도를 조절하여 실험 장치 외부 온도의 변화 및 냉장실 내부의 온도를 변경하여 증발기의 착상량을 변화시키고, 전기 히터를 사용하여 제상시킨 후 제상수량을 전자 저울로 측정하여 착상량을 평가하였다. 온도를 측정하기 위한 丁형 열전대 (Omega사, 지름 0.
대상 데이터
- 이다. 냉매는 R600a 를 사용하며 압축기는 ASHRAE 조건에서 280 W의 냉동 능력을 가지고 있는 리니어 압축기를 장착하고 있다.
- 실험 장치로 이용한 냉장고는 754 Li. 용량의 양문형 냉장고로써 하나의 증발기를 가지며 냉동실 용량은 295 Li.
성능/효과
- (1) 하나의 압축기와 증발기로 이루어진 냉장고에서 착상량은 냉장실 공기가 증발기로 유입되도록 제어하는 댐퍼의 개방 시간에 비례하며, 동일한 댐퍼의 개방 시간에서는 냉장실 온도가 높을수록 착상량이 증가한다.
- (2) 제시된 하이브리드 제상 방식의 경우 실험 조건의 착상량에 대해 전기 히터 제상 방식과 비교하여 제상에 소요되는 시간 및 전력이 약 1/3로 단축되어 고효율 냉장고용 제상 방식의 가능성을 확인하였다.
- (3) 하이브리드 제상 방식의 경우 외부 온도가 높을수록 제상 효율이 높으며 외부 온도가 15UC 이상에서 전기 히터 제상 방식에 비해 보다 효율적인 결과를 얻었다.
- 최근 냉장고의 경우 변동 제상 운전 알고리즘을 적용하고 있어 주위 환경에 의해 제상 주기가 변동하지만 본 실험에서는 가장 짧은 제상 주기 시간을 기준으로 하여 평가 하였다. 그 결과 전기 히터 제상 방식의 경우에는 제상에 소모되는 전기 에너지가 냉장고 전체 소비전력의 22.4%를 차지하였으나, 하이브리드 제상 방식의 경우에는 7.4%를 차지하여 약 1/3수준으로 냉장고 소비전력에 대해 적게 영향을 미침으로써 냉장고의 에너지 소비 효율에도 하이브리드 제상 방식이 우수함을 알 수 있다.
- 이러한 원인으로는 하이브리드 제상 방식이 압축기에서 토출되어 바이패스 된 핫가스 냉매에서 제상에 필요한 열을 상당 부분 얻기 때문으로 판단되며, 외부의 온도가 낮을 경우 압축기 출구의 냉매 가스 온도가 낮아져 제상열의 발생이 감소하기 때문이다. 본 실험에서 외부 온도 43℃일 경우 압축기 토출 온도는 73℃이었으나 외부 온도 5℃에서는 11.7℃의 압축기 토출 온도를 나타내었으며, 15℃ 이상의 일반적인 실내 온도를 기준으로 볼 때 전기 히터 제상 방식에 비해 하이브리드 제상 방식이 매우 빠른 시간 내 제상이 완료되는 것을 알 수 있다.
- 본연구에서 측정된 제상수량의 불확실도는 ±7.1%, 총제상 공급 에너지의 불확실도는 ±2.0%, 제상 효율의 불확실도는 ±7.4%이다.
- 9℃ 작음을 알수 있다. 이 또한 제상에 투입된 에너지가 전기 히터 제상 방식에 비해 작았다는 것을 의미하며, 장기간 냉동 사이클 운전 시 제상이 반복적으로 실시될 경우 식품의 장기 보관 성능에 있어서도 하이브리드 제상 방식이 더욱 우수할 것으로 판단된다.
- Lee et al. 이 실제 냉장고용 증발기를 대상으로 전기 히터 제상 방식의 경우 제상 시간에 따른 제 상수 배줄량, 증발기 주위 온도변회-, 제상 공급 열량의 영향에 대하여 실험적 연구를 수행하였고, 전기히터의 공급 열량이 낮을수록 융해 및 제상 효율이 높게 나타난다는 결과를 얻었다.
- 제상 운전조건에 관계없이 거의 일정량을 보였다는 연구결과를 발표하였다. 이러한 결과를 바탕으로 볼 때 본 실험 장치의 조건에서 열교환기의 착상량은 측정된 제상수량과 비례화며, 외부로부터 공기 유입이 없어 외부 온도에는 무관하고, 냉동실은 -18℃ 로 절대 습도가 매우 작기 때문에 대부분의 착상은 냉장실의 수부하로부터 증발된 수분을 열교환기로 가져오는 유동이 발생하는 댐퍼가 개방되는 시간에 비례하는 결과를 나타낸 것으로 판단된다.
- 8은 식(3)의 제상 효율을 나타낸 것으로 외부 온도에 따라 두 가지 제상 방식에 대하여 비교하였다. 전기 히터 제상의 경우 3.7~6.8%의 제상 효율을 나타내었으며, 하이브리드 제상 방식의 경우에는 4.8~17.7%의 제상 효율을 나타내어 하이브 리드 제상 방식이 전기 히터 제상방식에 비해 높은 제상 효율을 나타내었다. 이러한 원인으로는 하이브 리드 제상 방식의 경우 냉동 사이클 내의 냉매 가스를 이용하여 열교환기 관 내측에서부터 서리층으로 전도에 의해 열을 빠르게 전달하고 보조적으로 열교환기 하측의 전기 히터를 사용하여 잔빙을 제거하는 반면 전기 히터 제상은 히터가 가열되는 시간과 자연대류에 의해 비교적 느린 속도로 열전달이 이루어지기 때문으로 판단된다.
- (2)은 제상 종료 후 열교환기에 남아 있는 잔류 제상수는 열교환기 표면 고유의 표면 장력에 영향을 받아 착. 제상 운전조건에 관계없이 거의 일정량을 보였다는 연구결과를 발표하였다. 이러한 결과를 바탕으로 볼 때 본 실험 장치의 조건에서 열교환기의 착상량은 측정된 제상수량과 비례화며, 외부로부터 공기 유입이 없어 외부 온도에는 무관하고, 냉동실은 -18℃ 로 절대 습도가 매우 작기 때문에 대부분의 착상은 냉장실의 수부하로부터 증발된 수분을 열교환기로 가져오는 유동이 발생하는 댐퍼가 개방되는 시간에 비례하는 결과를 나타낸 것으로 판단된다.
- Kang et al"'은 가정용 냉장고의 제상 횟수와 제상에 따른 온도 상승이 냉동식품의 품질에 미치는 영향을 다양한 식품을 대상으로 분석하였으며 제상 주기를 길게 하고 제상 운전 중 온도 상승 폭을.줄인다면 가정용 냉장고에서의 품질 저하를 감소시킬 수 있음을 보였다.
- 5는 외부 온도 25℃ 기본 착상 실험 조건에서 10시간 동안 착상을 실시한 후 전기 히터 제상방식과 하이브리드 제상 방식을 적용하였을 때 시간에 따른 입력 전력값의 변화를 나타낸 것이다. 착상이 이루어질 때의 입력 전력은 두 가지 방식에서 유사하지만 10시간 이후 제상이 실시될 경우 전기히터 제상 방식은 실험 장치의 기본적인 10 W 대기 전력에 250 W 제상용 전기 히터의 입력 전력이 더해진 260 W의 매우 일정한 입력 전력을 나타내고 있는 것을 알 수 있으며 제상 운전에 24.5분이 소요되었다.
후속연구
- 향후 하이브리드 제상 방식과 같이 열교환기 내측의 고온 냉매를 통한 열전달과 외측의 전기 히터에 의한 대류 열전달이 혼합된 형태의 제상 현상에 대한 해석적 연구-가 필요하다고 판단된다.
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