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문제 정의
- 본 연구에서는 고 내 증발기 표면의 서리를 제거하기 위한 전기히터 제상전력의 대체열원으로 응축폐열의 활용을 제안하였다. 세부적으로는 유기계 잠열축열재(Organic PCM)에 응축폐열을 축열한 후 제상 시점에 작동유체에 의한 순환방열을 통해 증발기 표면의 제상을 진행하는 사이클실험을 실시하였다.
- 세부적으로는 유기계 잠열축열재(Organic PCM)에 응축폐열을 축열한 후 제상 시점에 작동유체에 의한 순환방열을 통해 증발기 표면의 제상을 진행하는 사이클실험을 실시하였다. 이 때 제상주기, 제상시간 및 과열방지 온도가 제상량, 고 내부 온도 및 시스템소비전력 및 성능에 미치는 영향을 전기식 제상방식과 비교 검토하고자 한다.
- 실제 운전 가동비율이 적용될 경우 냉동기의 가동비율은 4시간 동안 100%로서, 전체 소비전력 대비 제상에 요구되는 소비전력의 비율이 상승할 것으로 예측된다. 이에 냉동 시스템의 성능을 살펴보았다. 이를 위한 냉동 시스템의 COP계산식을 식(1)～식(3)에 나타내었다.
제안 방법
- (6) 증발기 표면의 균일한 열량공급과 소비전력의 감소량 및 제상시간 단축의 효과를 비교하여 전기히터의 대체열원으로 축열식 응축폐열의 가능성을 확인하였다.
- 이를 위한 냉동 시스템의 COP계산식을 식(1)～식(3)에 나타내었다. COP는 제상전력을 포함한 것과 포함하지 않은 것으로 구분하여 각각 산출하였다. 또한 각각의 COP 감소율을 이용해 제상시스템이 냉동기 성능에 미치는 영향을 파악하였다.
- 또한 각각의 작동기기 전압과 전류를 측정하여 소비동력을 산출하였다. 고 내부에는 내부 온도센서에 의해 비례제어가 되는 냉동부하용 히터(Cooling load heater)를 설치해 냉각능력을 간접 측정하였다. 고 내부 습도는 습도센서 및 가습기를 이용해 일정하게 유지하였다.
- 냉각 사이클 동안 각 지점에서의 작동온도, 고압과 저압 및 축열조 전후단의 압력을 측정하였다. 또한 각각의 작동기기 전압과 전류를 측정하여 소비동력을 산출하였다.
- 냉동시스템의 제상방식에 있어서 기존의 전기히터의 응축폐열을 대체열원으로 이용한 축열식 제상방식을 제시하였고 제상시스템의 성능평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 5 m) 내에 설치된 증발기에서 증발하며 고 내를 냉각 시키도록 되어 있다. 다음, 제상과정은 압축기 전원이 정지된 후 순환 펌프가 작동하여 브라인이 축열조와 증발기 사이를 순환하면서 축열조 내로부터 축열된 잠열량을 증발기로 공급시켜 증발기 표면온도를 상승시켜 제상이 이루어지도록 하였다. Fig.
- 6 kW의 시즈히터(sheath heater)가 삽입되어 타이머에 의해 전원의 자동 단락을 통하여 가열되도록 하였다. 다음, 축열식 제상(TSD)에 사용된 증발기는 응축기 방열을 저장시킨 축열조로부터 브라인을 전기히터 대신 삽입 시킨 제상용 동관(관경 9.52 mm의 직관)에 순환시켜 가열되도록 하였으며 제상용 동관을 확관시켜 휜과의 접촉면적을 확보하였다. 또한 제상된 물은 증발기 하부의 배출구를 통해 탱크에 저장하여 1사이클당 착상량을 예측하였다.
- 데이터는 5초 간격으로 데이터로거(NI 9205 ±200 mV～±10 V, NI 9213 ±0.02℃ NI Co.)를 이용해 수집하였고, 온도센서(K-type 열전대, ±0.1℃), 습도센서(-40∼110℃, 0∼99%, RH ±3%, CONOTEC Co.), 압력센서(0.1∼35 bar, ±0.5%, Sensys Co.)가 이용되었으며, 작동유체의 순환량은 유량계(FHKU, 2∼30 LPM, ±1%, Turbine, AUTOFLOWCo.)를 이용하여 측정하였다.
- COP는 제상전력을 포함한 것과 포함하지 않은 것으로 구분하여 각각 산출하였다. 또한 각각의 COP 감소율을 이용해 제상시스템이 냉동기 성능에 미치는 영향을 파악하였다.
- 냉각 사이클 동안 각 지점에서의 작동온도, 고압과 저압 및 축열조 전후단의 압력을 측정하였다. 또한 각각의 작동기기 전압과 전류를 측정하여 소비동력을 산출하였다. 고 내부에는 내부 온도센서에 의해 비례제어가 되는 냉동부하용 히터(Cooling load heater)를 설치해 냉각능력을 간접 측정하였다.
- 또한 사이클 반복에 따른 제상작업의 완료와 증발기 표면온도 분포를 확인하기 위하여 열화상카메라(TVS-200EX, -20∼500℃, NEC Co.)를 이용해 2분 간격으로 촬영을 진행하였다.
- 52 mm의 직관)에 순환시켜 가열되도록 하였으며 제상용 동관을 확관시켜 휜과의 접촉면적을 확보하였다. 또한 제상된 물은 증발기 하부의 배출구를 통해 탱크에 저장하여 1사이클당 착상량을 예측하였다. 착상량은 냉동기 및 제상사이클 3회 작동 후 탱크 내 수집된 제상수를 저울(NT-502a, 0∼150 kg, +0.
- 먼저 전기 히터식 제상(EHD)에 사용된 증발기는 휜-튜브형 증발기의 3, 7, 10, 13렬 및 집수조에 총용량 2.6 kW의 시즈히터(sheath heater)가 삽입되어 타이머에 의해 전원의 자동 단락을 통하여 가열되도록 하였다. 다음, 축열식 제상(TSD)에 사용된 증발기는 응축기 방열을 저장시킨 축열조로부터 브라인을 전기히터 대신 삽입 시킨 제상용 동관(관경 9.
- 본 연구에서는 고 내 증발기 표면의 서리를 제거하기 위한 전기히터 제상전력의 대체열원으로 응축폐열의 활용을 제안하였다. 세부적으로는 유기계 잠열축열재(Organic PCM)에 응축폐열을 축열한 후 제상 시점에 작동유체에 의한 순환방열을 통해 증발기 표면의 제상을 진행하는 사이클실험을 실시하였다. 이 때 제상주기, 제상시간 및 과열방지 온도가 제상량, 고 내부 온도 및 시스템소비전력 및 성능에 미치는 영향을 전기식 제상방식과 비교 검토하고자 한다.
- )로 측정 하였고, 측정된 값을 이용해 1회 제상당 발생하는 착상량을 산출하였다. 제상실험은 농산물 저온저장고 시험 기준인 고 내부온도 1℃, 습도 90 %RH에 맞추어 지속적으로 항온, 가습이 이루어지도록 하였다.
- 제상 성능 실험을 위한 실험조건을 Table 1에 나타내었다. 즉 제상주기, 제상시간 및 증발기의 과열방지온도를 조절하여 증발기에 전기히터를 이용한 제상(EHD)과 축열을 이용한 제상(TSD) 시의 시스템 성능을 평가하였다. 제상에 사용된 증발기는 휜-튜브(fin-tube)형으로 기본적인 제원은 Table 2와 같다.
- 착상량은 냉동기 및 제상사이클 3회 작동 후 탱크 내 수집된 제상수를 저울(NT-502a, 0∼150 kg, +0.005 kg, CAS Co.)로 측정 하였고, 측정된 값을 이용해 1회 제상당 발생하는 착상량을 산출하였다.
대상 데이터
- 즉 제상주기, 제상시간 및 증발기의 과열방지온도를 조절하여 증발기에 전기히터를 이용한 제상(EHD)과 축열을 이용한 제상(TSD) 시의 시스템 성능을 평가하였다. 제상에 사용된 증발기는 휜-튜브(fin-tube)형으로 기본적인 제원은 Table 2와 같다.
성능/효과
- (1) 제상에 있어서 축열식 제상(TSD) 방식의 경우 증발기 표면온도 상승 및 제상완료 시간이 작게는 6분 이내로 전기식 히터(EHD)방식에 비해 빠르게 나타났다. (2) 증발기 표면 온도는 EHD의 경우 최고 231℃, 최고온도 평균 103℃로 과열방지온도와 최대 약 73℃, TSD의 경우 과열방지온도와 최대 약 12℃의 온도차를 나타내었다.
- (1) 제상에 있어서 축열식 제상(TSD) 방식의 경우 증발기 표면온도 상승 및 제상완료 시간이 작게는 6분 이내로 전기식 히터(EHD)방식에 비해 빠르게 나타났다. (2) 증발기 표면 온도는 EHD의 경우 최고 231℃, 최고온도 평균 103℃로 과열방지온도와 최대 약 73℃, TSD의 경우 과열방지온도와 최대 약 12℃의 온도차를 나타내었다.
- Wu et al.(2)은 서리성장으로 인해 증발기 내부를 통과하는 공기유동의 감소와 증발기 팬의 소비전력 증가를 확인하였다. 또한 Huang et al.
- (3) 과열방지온도와 제상시간을 줄여 제상시간동안 고 내부 평균 온도는 전기식 제상의 경우 5.2℃, 축열식 제상의 경우 최소 4.3℃로 고 내부 침투부하를 최소화 하였다.
- (4) 은 착상조건 하에서 냉동시스템의 COP가 20∼30% 감소함을 확인하였다.
- (4) 축열식 제상의 경우 전기히터식 제상보다 제상전력이 최대 99% 감소하였다.
- (5) COP 감소율은 전기식 제상 이용 시 6.5%, 축열식 제상 이용 시 최소 1.5%로 나타났다.
- 8은 제상주기, 시간 및 증발기의 과열방지온도 제한에 따른 각각의 조건에서 제상에 투입된 소비전력을 나타내었다. EHD 방식으로 4-20-30조건 하에서 작동할 경우 제상에 소비된 전력은 1사이클당 평균 501.2 Wh로 산출되었다. 이는 전체소비전력의 7%에 해당한다.
- 이는 착상량이 증가하여 냉동효과가 감소되어 냉동기 성능저하로 이어진 것으로 보인다. 또한 제상 시 고 내부 온도(부하)가 증가함에 따라 COP는 점차로 감소하였고, 이에 과열방지온도와 제상시간을 작게 하여 냉동부하를 줄임에 따라 COP가 증가하였다. 특히 EHD 방식에서는 제상 소비전력이 높게 나타나 COP 감소율이 6.
- 17%에 해당하는 전력량이다. 또한 제상조건을 6-10-20으로 하였을 때 최소 4.8 Wh의 전력으로 제상사이클이 완료되어 EHD에 비해 99% 이상의 소비전력이 감소하였다. 특히 제상시간의 감소와 증발기 표면온도의 적절한 제한을 통해 소비전력을 대폭 감소시킬 뿐만 아니라 제상과정에서 발생하는 고 내부부하를 효율적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 반면, EHD와 동일한 과열방지온도(40℃)하에서 TSD의 경우 제상코일로부터의 활발한 열전달에 의해 증발기의 표면온도가 낮게 유지되어 제상사이클의 완료시간은 짧게 나타났다. 하지만 TSD의 경우 역시 고 내부 주변 공기와의 열전달도 이루어져 제상주기를 4, 5, 6시간으로 증가시킴에 따라 고 내부 평균 온도가 증가하여 침투부하는 EHD의 경우 보다 상대적으로 높게 나타났다.
- 9는 EHD 및 TSD 각각의 제상시스템을 운용하였을 때의 냉동시스템의 COP를 실험조건에 따라 나타낸 것이다. 실험조건에 따른 COP는 제상주기가 길어질수록 COP가 감소하였다. 이는 착상량이 증가하여 냉동효과가 감소되어 냉동기 성능저하로 이어진 것으로 보인다.
- 이에 과열방지온도 및 제상시간을 줄인 조건, 즉 제상주기 6시간, 제상시간 10분, 과열방지온도 20℃의 조건에서 TSD 방식으로 운전한 결과, 고 내부 평균 온도는 4.3℃로 EHD 방식에 비해 제상주기가 2시간 늘어났지만 고 내부 평균 온도는 약 1.1℃ 줄어들어 고 내부 침투부하는 줄어들었다.
- 4에 제상이 진행됨에 따라 증발기 표면에 잔류한 서리 모습과 동일 시간, 장소에 대하여 열화상카메라로 관찰한 표면의 온도분포 사진을 나타내었다. 제상 완료시간은 열전달 면적이 가장 작은 EHD 제상(Fig. 4(a))에서 12분으로 가장 늦게 나타났다.
- 4(a))에서 12분으로 가장 늦게 나타났다. 제상개시 후 히터 주위를 중심으로 급격하게 온도가 상승하였고 이와 함께 과열방지기에 의해 전원의 공급/차단이 빈번하게 나타났다. 이는 히터가 증발기 표면적에 비해 작은 열전달 면적을 가지고 있어서 증발기 전체 표면온도 상승을 지연시키고 이와 함께 제상시간이 지연되기 때문으로 판단된다.
- 5에 각 실험 조건에 따른 제상 완료 이후 수집된 평균 제상수의 질량을 나타내었다. 제상주기가 4, 5, 6시간으로 증가할수록 제상과정동안 수집된 평균 제상 수의 질량은 각각 1.3, 1.4, 1.7 kg으로 증가하였고, 이는 증발기 표면의 착상량이 증가하였음을 뜻한다. 또한 제상주기를 6시간으로 일정하게 유지시킨 상태에서 수집된 제상수의 질량은 제상시간이 길어짐에 따라 조금씩 줄어들고 있다.
- 또한 제상 시 고 내부 온도(부하)가 증가함에 따라 COP는 점차로 감소하였고, 이에 과열방지온도와 제상시간을 작게 하여 냉동부하를 줄임에 따라 COP가 증가하였다. 특히 EHD 방식에서는 제상 소비전력이 높게 나타나 COP 감소율이 6.5%로 증가하였다. 하지만 TSD 방식에서는 냉동운전 시 COP 감소율이 최소 1.
- 8 Wh의 전력으로 제상사이클이 완료되어 EHD에 비해 99% 이상의 소비전력이 감소하였다. 특히 제상시간의 감소와 증발기 표면온도의 적절한 제한을 통해 소비전력을 대폭 감소시킬 뿐만 아니라 제상과정에서 발생하는 고 내부부하를 효율적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.
- 반면, EHD와 동일한 과열방지온도(40℃)하에서 TSD의 경우 제상코일로부터의 활발한 열전달에 의해 증발기의 표면온도가 낮게 유지되어 제상사이클의 완료시간은 짧게 나타났다. 하지만 TSD의 경우 역시 고 내부 주변 공기와의 열전달도 이루어져 제상주기를 4, 5, 6시간으로 증가시킴에 따라 고 내부 평균 온도가 증가하여 침투부하는 EHD의 경우 보다 상대적으로 높게 나타났다.
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