[논문]소프트 아이스크림 제조기 증발기의 전열 특성

변호원; 이진욱; 김내현

doi:10.5762/kais.2012.13.4.1466

소프트 아이스크림 제조기 증발기의 전열 특성
Heat Transfer Characteristics in the Evaporator of a Soft Ice Cream Maker 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.4, 2012년, pp.1466 - 1473

변호원 (인천대학교 기계시스템공학과) , 이진욱 (인천대학교 기계시스템공학과) , 김내현 (인천대학교 기계시스템공학과)

초록
AI-Helper

소프트 아이스크림은 환형 증발부의 외측에서 증발하는 R-404A에 의해 형성된 얼음을 스크레이퍼로 깍아내어 제조된다. 본 연구에서는 소프트 아이스크림 증발기의 냉매 측 및 아이스크림 측 열전달계수를 도출하였다. 실험 결과 환형부 내 냉매 유동은 격막에 의해 매우 복잡한 양상을 보이고 열전달계수도 위치에 따라 현저히 달랐다. 즉, 유입위치의 열전달 계수가 다른 부분에 비하여 낮게 나타났다. 냉매측 평균 열전달계수는 열유속의 증가에 따라 또한 포화온도의 감소에 따라 증가하였다. 열유속과 포화온도를 변수로 하여 평균 열전달계수를 예측하는 상관식을 도출하였다. 아이스크림 측 열전달계수는 연속적으로 진동하였다. 이는 스크레이퍼에 의해 관벽의 얼음이 주기적으로 탈착되기 때문으로 판단된다. 아이스크림 원액의 단상 열전달계수는 냉각 기간 중 150 W/$m^2K$에서 250 W/$m^2K$로 증가하였다. 아이스크림 제조 시 열전달계수는 대략 280 W/$m^2K$로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Soft icecream is made by scraping an ice formed on the inside of the cylindrical evaporator, where R-404A is evaporating in the annulus. The heat transfer characteristics of the refrigerant evaporation and those during icecream formation were experimentally investigated. Results show that the refrigerant-side heat transfer coefficients are highly dependent on the location in the evaporator due to the complex annulus configuration. The heat transfer coefficient at the inlet is generally lower than those of other locations. The average heat transfer coefficient increases as heat flux increases or saturation temperature decreases. A correlation is developed to predict the refrigerant-side heat transfer coefficient. The icecream-side heat transfer coefficient oscillates continuously due to the periodic removal of ice formed on the surface. The average heat transfer coefficient during icecream formation is approximately 280 W/$m^2K$, and that during single-phase cooling increased from 150 W/$m^2K$ to 250 W/$m^2K$.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

국내에서 사용되고 있는 소프트 아이스크림 제조기[7]는 증발기의 형상, 스크레이퍼의 회전속도 등이 기존 연구와는 다르고 아이스크림 원액도 과당 외에 유지방이 32 % 포함되어 있다. 본 연구에서는 국산 아이스크림 제조기의 증발기 설계 자료 축적의 일환으로 증발기에 대하여 일련의 실험을 수행하였다. 우선, 별도의 실험을 통하여 환형부측 냉매의 증발 열전달계수를 도출하고 이를 활용하여 아이스크림 제조 시 열전달계수를 도출하였다.

가설 설정

유출단에서도 유입위치 (하부)의 열전달계수가 현저히 낮다. Table 2의 평균 열전달계수는 측정위치의 열전달계수가 그 주위의 열전달계수를 대표한다고 가정하고 전열면적비를 고려하여 계산되었다. 예를 들어 입구단의 평균열전달계수는 “평균 값 = (상부 값+하부 값+2 x 중간 값)/4” 로 구하였다.
Table 2의 열전달계수 우편 괄호 안에는 그 위치에서의 건도가 나타나 있다. 증발기 입구에서의 건도는 측정된 응축기 출구의 온도와 압력, 그리고 증발기 입구 압력 사이를 등엔탈피 과정으로 가정하여 구하였다. 또한 벽면온도 측정위치에서의 건도는 질량유량과 그 위치까지 가해진 열량을 고려하여 구하였다.

제안 방법

Lakhdar et al. [1]은 scraped surface 열교환기에서 에탄올 수용액과 과당 수용액의 유량, 블레이드 선회속도, 블레이드와 벽면과의 간격등이 제빙 열전달계수에 미치는 영향을 실험적으로 검토하였다. 블레이드 선회속도가 클수록 열전달계수가 증가하였고 벽면과의 간격이 1 mm 이내인 경우 벽면으로부터 형성된 얼음을 효과적으로 제거할 수 있음을 보고하였다.
아이스크림 온도는 중앙부의 튜브 내 스크레이퍼 길이 방향으로 세 곳에 열전대를 삽입하여 측정하였다. 냉매측 입출구 온도는 증발기 입구와 출구에서 측정하였다. 냉매로부터 아이스크림으로의 전열량 (Q)은 냉매측으로부터 계산되었는데 냉매의 질량유량과 싸이클 선도로부터 얻어진 증발기 입출구 엔탈피를 곱하여 구하였다 [식(4)].
증발기 입구에서의 건도는 측정된 응축기 출구의 온도와 압력, 그리고 증발기 입구 압력 사이를 등엔탈피 과정으로 가정하여 구하였다. 또한 벽면온도 측정위치에서의 건도는 질량유량과 그 위치까지 가해진 열량을 고려하여 구하였다. Table 2는 열전달계수가 위치에 따라 현저하게 다름을 보여준다.
본 연구에서는 소프트 아이스크림 증발기의 냉매 측 및 아이스크림 측 열전달계수를 도출하였다. 냉매는 격막에 의하여 세 부분으로 나누어진 증발기의 환형부에서 증발한다.
실험은 열유속과 증발온도 (또는 질량유량)을 변수로 수행되었다. 증발온도와 질량유량을 별도로 조절하기 위해서는 인버터 압축기가 필요한데 본 연구에서는 고려하지 않았다.
는 관내측, 관벽, 관외측 전열면적이다. 아이스크림 온도는 중앙부의 튜브 내 스크레이퍼 길이 방향으로 세 곳에 열전대를 삽입하여 측정하였다. 냉매측 입출구 온도는 증발기 입구와 출구에서 측정하였다.
실험시 증발기는 충분히 단열하여 열손실을 최소화하였다. 압축기 입출구, 응축기 입출구, 증발기 입출구에서는 원관 외측에 열전대를 장착하여 냉매온도를 측정하였다. 압축기 입출구, 증발기 입출구에는 압력 트랜스듀서를 설치하여 압력도 계측하였다.
압축기 입출구, 응축기 입출구, 증발기 입출구에서는 원관 외측에 열전대를 장착하여 냉매온도를 측정하였다. 압축기 입출구, 증발기 입출구에는 압력 트랜스듀서를 설치하여 압력도 계측하였다. 응축기 출구에는 유량계를 설치하여 냉매 유량을 계측하였다.
(2) 냉매 측 평균 열전달계수는 열유속의 증가에 따라 또한 포화온도의 감소에 따라 증가하였다. 열유속과 포화온도를 변수로 하여 평균 열전달계수를 예측하는 상관식을 도출하였다.
열전대는 접착 알루미늄 포일로 증발기 내측에 압착시켰다. 열전대를 외부로 유출시키기 위하여 열전대 부착위치의 알루미늄 블록에는 2 mm x 3 mm 홈을 가공하였다. 실험시 증발기는 충분히 단열하여 열손실을 최소화하였다.
본 연구에서는 국산 아이스크림 제조기의 증발기 설계 자료 축적의 일환으로 증발기에 대하여 일련의 실험을 수행하였다. 우선, 별도의 실험을 통하여 환형부측 냉매의 증발 열전달계수를 도출하고 이를 활용하여 아이스크림 제조 시 열전달계수를 도출하였다. 냉매로는 R-404A를 사용하였다.
식 (1)로부터 열전달계수 h를 구하기 위해서는 벽면온도T_w과 포화온도 T_sat이 필요하다. 유입단에는 증발기 입구에서 측정한 온도를, 유출단에는 증발기 출구에서 측정한 온도를 포화온도로 사용하였고 중간단에는 이 온도들의 중간값을 사용하였다. 증발기 입, 출구에서 측정한 압력으로부터 환산한 포화온도와 열전대로 측정한 온도는 1℃ 이내에서 일치하였다.
압축기 입출구, 증발기 입출구에는 압력 트랜스듀서를 설치하여 압력도 계측하였다. 응축기 출구에는 유량계를 설치하여 냉매 유량을 계측하였다.
4의 실험장치를 사용하여 아이스크림 제조 실험을 수행하였다. 이 때 증발부의 내측에는 스크레이퍼를 장착하여 실제 증발기를 모사하였다. Fig.
증발기 내측에는 각 단의 중앙에 원주 방향으로 4개씩 12군데에 열전대를 부착하여 벽면온도를 계측하였다. 열전대는 접착 알루미늄 포일로 증발기 내측에 압착시켰다.
알루미늄 실린더는 열에폭시를 사용하여 증발기 내측에 밀착되도록 하였다. 증발기 외측에는 직경 50 mm의 관측창을 각 단에 설치하여 냉매 유동을 관측하였다. 증발기를 나온 냉매는 압축기에서 압축된 후 응축기에서 응축된다.
질량유속은 환형부 중심에서의 유동 단면적을 기준으로 계산하였다. 주어진 열유속에서 열전달계수는 냉매측 벽면온도와 포화온도로부터 아래 식으로 구해진다.

대상 데이터

우선, 별도의 실험을 통하여 환형부측 냉매의 증발 열전달계수를 도출하고 이를 활용하여 아이스크림 제조 시 열전달계수를 도출하였다. 냉매로는 R-404A를 사용하였다.
4의 실험장치를 구성하였다. 증발기 내측에는 스크레이퍼를 제거하고 증발기의 내경과 일치하는 길이 270 mm의 원형 알루미늄 블록을 설치하였다 [Fig 3 (b)].
3에 증발기의 상세도를 나타내었다. 증발기는 외경 125 mm (두께 1.5 mm), 내경 98 mm (두께 2 mm)의 동심원관 형상이다. 냉매가 흐르는 환형부는 격막을 사용하여 3등분 (유입단, 중간단, 유출단) 되어 있다.

이론/모형

냉매측 벽면온도는 측정된 증발기 내측 벽면 온도로부터 스테인리스 관의 열저항을 고려하여 계산되었다. Kline and McClintock[8]의 제안에 따라 불확실도 해석을 수행하였다. 측정위치에서 열전달계수의 불확도는 ± 1.

성능/효과

(1) 환형부 내 냉매 유동은 격막에 의해 매우 복잡한 양상을 보이고 열전달계수도 위치에 따라 현저히 달랐다. 세 부분 모두 유입위치의 열전달 계수가 다른 부분에 비하여 낮게 나타났다.
(2) 냉매 측 평균 열전달계수는 열유속의 증가에 따라 또한 포화온도의 감소에 따라 증가하였다. 열유속과 포화온도를 변수로 하여 평균 열전달계수를 예측하는 상관식을 도출하였다.
(3) 아이스크림 원액의 단상 열전달계수는 냉각 기간 중 150 W/㎡K에서 250 W/m²K로 증가하였다.
(4) 아이스크림 제조 시 열전달계수는 대략 280 W/m²K로 나타났다.
Kline and McClintock[8]의 제안에 따라 불확실도 해석을 수행하였다. 냉매측 평균 열전달계수의 불확도를 ± 10%로 가정하였을 때 아이스크림 제조시 열전달계수의 불확도는 ± 11%~17%이다.
이는 포화온도가 유사한 5 kW/m²과 10 kW/m² (첫 번째 열과 네 번째 열) 그리고 10 kW/m² 과 15 kW/m² (두 번째 열과 다섯 번째 열)의 데이터로부터 확인할 수 있다. 또한 열유속 10 kW/m² 의 데이터를 비교해 보면 포화온도의 감소에 따라 열전달계수가 증가함을 알 수 있다. 이는 포화온도가 감소하면 비체적이 증가하고 따라서 대류의 영향이 증가하기 때문으로 판단된다.
6과 7에는 아이스크림 제조시 싸이클 내 각 위치에서 측정한 온도와 압력변화를 나타내었다. 약 180초의 초기기동기간이 지나면 압축기 입, 출구 압력은 대략 일정하게 유지됨을 보여준다.

후속연구

실험은 열유속과 증발온도 (또는 질량유량)을 변수로 수행되었다. 증발온도와 질량유량을 별도로 조절하기 위해서는 인버터 압축기가 필요한데 본 연구에서는 고려하지 않았다. 추후 논의되겠지만 실험 범위에서 계측된 질량유속은 그 값이 아주 작아 그 영향이 미미할 것으로 판단되었다.
증발온도와 질량유량을 별도로 조절하기 위해서는 인버터 압축기가 필요한데 본 연구에서는 고려하지 않았다. 추후 논의되겠지만 실험 범위에서 계측된 질량유속은 그 값이 아주 작아 그 영향이 미미할 것으로 판단되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소프트 아이스크림의 제조 방법은 무엇인가?	1, 2에 소프트 아이스크림 제조기의 사진과 냉동사이클의 개략도를 나타내었다. 소프트 아이스크림은 원액 탱크 (mix tank)와 증발기 (freezer)를 연속적으로 통과하며 제조된다. 원액 탱크는 아이스크림 원액을 보관하는 곳으로 원액을 적절히 (4℃ 정도) 냉각시키고, 냉각 증발기에서는 냉각된 원액을 받아 -8℃ 정도의 아이스크림을 생산한다.
	아이스크림 원액의 구성은 무엇인가?	증발기는 환형 이중 실린더 형태로 환형부에서는 냉매가 증발하고 실린더 내측에서는 스크레이퍼가 벽면에 형성된 얼음을 깎아내어 아이스크림을 만든다. 아이스크림 원액은 유성분 32 %, 과당 3.4 %의 혼합물로 대략 -3.0℃에서 얼음으로 변화한다.
	소프트 아이스크림 제조기의 원액 탱크 역할은 무엇인가?	소프트 아이스크림은 원액 탱크 (mix tank)와 증발기 (freezer)를 연속적으로 통과하며 제조된다. 원액 탱크는 아이스크림 원액을 보관하는 곳으로 원액을 적절히 (4℃ 정도) 냉각시키고, 냉각 증발기에서는 냉각된 원액을 받아 -8℃ 정도의 아이스크림을 생산한다. 원액 탱크는 직육면체 형상으로 외측에는 냉매가 흐르는 소형 원관을 감아 원액을 냉각한다.

참고문헌 (8)

M. B. Lakhdar, R. Cerecero, G. Alvarez, J.Guilpart, D. Flick, and A. Lallemand, "Heat Transfer with freezing in a scraped surface heat exchanger", Applied Thermal Engineering, Vol. 25, pp. 45-60, 2005.

상세보기
F. Qin, X. D. Chen, S. Ramachandra, and K. Free, "Heat transfer and power consumption in a scraped surface heat exchanger while freezing aqueous solution", Separation and Purification Technology, Vol. 48, pp. 150-158, 2006.

상세보기
Y. M. Choi, D. Y. Kim, N. H. Kim, E. J. Lee, S. H. Kim, and H. W. Byun, "Heat transfer characteristics during slush formation in the evaporator of a small slush maker", Korean J. Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 21, No. 11, pp. 643-648, 2009.
R. J. C. Vaessen, C. Himawan and G. J. Witkamp, "Scale formation of ice from electrolyte solutions on a scraped surface heat exchanger plate", J. Crystal Growth, Vol. 237-239, pp. 2172-2177, 2002.

상세보기
M. Harrod, "Scraped surface heat exchangers", J. Food Process Engineering, Vol. 9, pp. 1-62, 1986.

상세보기
E. Dumont, F. Fayolle and J. Legrand, "Flow regimes wall shear rates determination within a scraped surface heat exchanger", J. Food Engineering, Vol. 45, pp. 195-207, 2000.

상세보기
Se-A E&C, Icecream Machine Model SSI273S, www.icemaker.co.kr
S. J. Kline, and F. A. McClintock, "The description of uncertainties in single sample experiments", Mechanical Engineering, Vol. 75, pp. 3-9, 1953.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증