[논문]대용량 아이스슬러리 제빙장치 개발

임효묵

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임효묵 (에스이테크(주))

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문제 정의

현재까지 개발된 용량의 3배 수준인 1,090 Mcal/h/대 수준의 대용량 제빙장치 6대를 제작, 설치 시공하여 현재 운전 중에 있으며 (그림 1 참조) 장비의 운전 데이터를 통해 개발된 제빙장치의 운전 특성을 분석해 보고자 한다.
일반적인 경우와 달리 적용된 현장이 병원이어서 24시간 일정량의 부하가 계속해서 있고 이를 아이스슬러리 시스템으로 대응하여야 하는 상태여서 실험실의 조건과는 달리 이상적인 데이터를 구하기는 어려운 상태이다. 냉동기 자체에 설치된 센서와 측정을 위해 설치한 센서, 제어를 위해 설치한 센서들의 값이 상당히 달라 정확한 값에 대해 아직 결론을 내리지 못해 성능의 정확한 값에 대해 결론을 구하지 못했으나 중요한 것은 구현된 성능보다도 제빙기 자체가 갖는 열적 특성 부분이므로 이러한 기준에서 분석해 보고자 한다.

제안 방법

제작된 1,090 Mcal/h 급 제빙장치를 이용하여 냉방을 하면서 얻은 운전 데이터를 분석하여, 운전 특성을 알아보고자 한다. 운전은 3월 중순부터 2개월가량 가동을 하면서 이루어졌으며 현재까지 계속되고 있다.
하지만 이러한 단순 추정은 여러 가지 상황을 가정하여 동일한 운전 조건이 이루어진다는 것을 전제 조건으로 하는 것이어서 신뢰하기 어렵다. 보다 실제 운전 조건에 접근하는 데이터를 이용하여 제빙이 이루어지는 잠열 운전 기간 동안의 용량을 추정해 보기로 하였다
좀 더 사실에 가까운 잠열 구간의 성능 예측을 위해 냉동기 증발 온도와 증발기 출구 표면 냉매 온도를 이용하여 비교해 보았다. 하지만 증발 압력 측정을 위해 설치한 센서 값과 냉동기 제어반의 표시 상태 값, 그리고 증발기 출구 표면 온도 값이 각각 모두 달라 센서의 정확도를 판단할 수 없었으며 최종적으로 압력 측정 센서에 대해서는 검증을 거치지 않아 정확도를 확인할 수 없다는 판단을 하였다.
하지만 증발 압력 측정을 위해 설치한 센서 값과 냉동기 제어반의 표시 상태 값, 그리고 증발기 출구 표면 온도 값이 각각 모두 달라 센서의 정확도를 판단할 수 없었으며 최종적으로 압력 측정 센서에 대해서는 검증을 거치지 않아 정확도를 확인할 수 없다는 판단을 하였다. 냉동기 제어반의 표시 센서는 여러 냉동기가 공통의 값을 갖고 있어 비교적 신뢰할 수 있는 값이라 판단하였으나 연속 기록을 하지 못하는 한계가 있어 이 값과 가장 유사한 경향으로 변동하는 제빙기 출구의 표면 온도 값에서 변화 경향을 이용하여 예측하여 보았다. 이 값과 실시간으로 측정되는 현열 구간에서의 능력을 기준으로 잠열 구간에서의 값에 대응하는 능력을 예측하는 방법을 적용한 것이다.

성능/효과

좀 더 사실에 가까운 잠열 구간의 성능 예측을 위해 냉동기 증발 온도와 증발기 출구 표면 냉매 온도를 이용하여 비교해 보았다. 하지만 증발 압력 측정을 위해 설치한 센서 값과 냉동기 제어반의 표시 상태 값, 그리고 증발기 출구 표면 온도 값이 각각 모두 달라 센서의 정확도를 판단할 수 없었으며 최종적으로 압력 측정 센서에 대해서는 검증을 거치지 않아 정확도를 확인할 수 없다는 판단을 하였다. 냉동기 제어반의 표시 센서는 여러 냉동기가 공통의 값을 갖고 있어 비교적 신뢰할 수 있는 값이라 판단하였으나 연속 기록을 하지 못하는 한계가 있어 이 값과 가장 유사한 경향으로 변동하는 제빙기 출구의 표면 온도 값에서 변화 경향을 이용하여 예측하여 보았다.
종합하여 증발기의 총괄 열전달 계수 값은 최종 용량에 대한 판단 결과를 기준으로 산출하면 제빙 운전 조건에서 4,500 kcal/m²h℃로 추정되며 이는 일반적인 만액식 증발기 전열 조건 중 양호한 편에 속한다고 할 수 있다.
위에서 분석한 결과와 2회에 걸친 실증 시험 을 통한 결과는 시스템의 손실과 배관에서의 손실, 그리고 측정오차를 고려할 때 5%가량의 오차로 데이터는 인정될 수 있는 값으로 결론을 내렸다.
가동한 후 일정 시간까지 미세한 전력량 증가는 천이 구간에서의 현상으로 기존제품보다 변화가 적고 진동 발생 등의 현상은 보이지 않았다. 이 구동 기구는 다른 현장에서 내구성 테스트 결과 13,000시간 가동 후까지 스크레이퍼는 마모 없이 유지되며 동력 전달에 사용되는 플라스틱 기어는 교체가 필요하다.
이런 이유로 순환이 어떻게 이루어지는가를 확인하기 위한 투시 창을 출구수실에 세 군데 두어 이 부분을 확인하였다. 결과는 매우 성공적이었다. 수실의 끝 부분까지 연장된 스크레이퍼의 회전에 의하여 열교환 이루어지는 구간에서는 균등한 흐름이 이루어지며 스크레이퍼가 없는 수실 공간에서의 작은 지체가 있어도 스크레이퍼에 전혀 영향을 주지 않고 스크레이퍼가 연장된 부분에서는 안정된 흐름이 이루어지고 있었다.
결과는 매우 성공적이었다. 수실의 끝 부분까지 연장된 스크레이퍼의 회전에 의하여 열교환 이루어지는 구간에서는 균등한 흐름이 이루어지며 스크레이퍼가 없는 수실 공간에서의 작은 지체가 있어도 스크레이퍼에 전혀 영향을 주지 않고 스크레이퍼가 연장된 부분에서는 안정된 흐름이 이루어지고 있었다. 이러한 상황은 24시간 연속 제빙 운전 조건에서의 제빙수의 유량과 제빙기 입구의 압력 그리고 스크레이퍼의 소비 동력에서 확인할 수 있으며 최종적으로 축열조로 이송되어 온 아이스슬러리의 상태에서 확인할 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

아이스슬러리 제빙장치는 무엇인가?

아이스슬러리 제빙장치는 상변화를 시키면서 냉각하는 상변화 냉각 장치이다. 따라서 상변화를 수행하는 열교환기를 포함하여야 하는 점에서 일반적인 칠러와는 다른 구조를 가져야 한다.

제빙장치 개발 초기에는 주로 무엇에 초점이 맞춰 개발이 진행되었는가?

제빙장치 개발 초기에는 주로 상변화에 초점이 맞춰 개발이 진행되었다. 상변화를 위해 초음파나 강한 자장을 사용하기도 했으며 아예 상변화가 열교환 과정에서는 일어나지 않도록 제어하는 기술(과냉각 방식)에 대해서 집중적인 연구와 개발이 이루어지기도 하였다.

아이스슬러리 제빙장치는 일반적인 칠러와는 어떠한 차이점이 있는가?

아이스슬러리 제빙장치는 상변화를 시키면서 냉각하는 상변화 냉각 장치이다. 따라서 상변화를 수행하는 열교환기를 포함하여야 하는 점에서 일반적인 칠러와는 다른 구조를 가져야 한다. 기본적으로 효과적인 상변화 기구를 갖추어야 하며 상변화 이후 외부 배출을 원활하게 할 수 있는 구조가 되어야 한다.

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