R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기의 냉매 충전량 및 팽창 밸브 개도 최적화 Optimization of the Refrigerant Charge and the Expansion Valve Opening for the Soft Ice Cream Machine Using R-404A원문보기
최근 들어 국민 식생활 문화가 개선되고 생활수준이 향상됨에 따라 소프트 아이스크림, 슬러시와 같은 일회용 냉동 유제품의 소비가 급증하고 있다. 이들 냉동 유제품은 소형 냉동 시스템에서 만들어진다. 소프트 아이스크림 제조기의 냉매로 그간 R-502가 주로 사용되어 왔으나 오존층 파괴와 관련하여 R-404A로 대체되고 있다. 본 연구에서는 냉각기 체적 2.8 리터인 R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 최적화와 성능평가를 수행하였다. 최적화는 적정 냉매량 및 팽창 밸브의 개도를 찾는데 주안점을 맞춰 수행되었다. 최적 조건에서 아이스크림 제조 시간은 10분 5초, COP는 0.57로 나타났다. 이 제품에 대하여 무 간격 연속 판매 시험, 30초 간격 연속 판매 시험, 극한 시험을 수행하여 성능을 평가하였다. 무 간격 연속 판매는 20개까지 가능하였고 30초 간격 연속 판매는 무한대로 가능하였다. 또한 여름철 및 겨울철 환경에도 아이스크림 판매가 가능한 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 냉동식품 제조기를 비롯한 여타 냉동 사이클의 최적화에도 활용될 수 있을 것이다.
최근 들어 국민 식생활 문화가 개선되고 생활수준이 향상됨에 따라 소프트 아이스크림, 슬러시와 같은 일회용 냉동 유제품의 소비가 급증하고 있다. 이들 냉동 유제품은 소형 냉동 시스템에서 만들어진다. 소프트 아이스크림 제조기의 냉매로 그간 R-502가 주로 사용되어 왔으나 오존층 파괴와 관련하여 R-404A로 대체되고 있다. 본 연구에서는 냉각기 체적 2.8 리터인 R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 최적화와 성능평가를 수행하였다. 최적화는 적정 냉매량 및 팽창 밸브의 개도를 찾는데 주안점을 맞춰 수행되었다. 최적 조건에서 아이스크림 제조 시간은 10분 5초, COP는 0.57로 나타났다. 이 제품에 대하여 무 간격 연속 판매 시험, 30초 간격 연속 판매 시험, 극한 시험을 수행하여 성능을 평가하였다. 무 간격 연속 판매는 20개까지 가능하였고 30초 간격 연속 판매는 무한대로 가능하였다. 또한 여름철 및 겨울철 환경에도 아이스크림 판매가 가능한 것으로 나타났다. 본 연구 결과는 냉동식품 제조기를 비롯한 여타 냉동 사이클의 최적화에도 활용될 수 있을 것이다.
The improvements of living and lifestyle have led to the increased sales of frozen milk products, such as soft ice cream or slush. These frozen milk products are commonly made in small refrigeration machines. R-502, which has long been used as the refrigerant in soft ice cream machines, is being rep...
The improvements of living and lifestyle have led to the increased sales of frozen milk products, such as soft ice cream or slush. These frozen milk products are commonly made in small refrigeration machines. R-502, which has long been used as the refrigerant in soft ice cream machines, is being replaced with R-404A due to the ozone layer depletion issue. In this study, an optimization and performance evaluation were conducted on a soft ice cream machine with a freezer volume of 2.8 liters. The optimization focused on the appropriate refrigerant charge and expansion valve opening. Under the optimized conditions, ice cream was produced in 10 minutes and 5 seconds, and the COP was 0.57. The performance tests included ice cream sales with no interval, ice cream sales with 30 second intervals and under extreme outdoor conditions. The results showed that 20 sales were possible with no interval, and infinite sales could be made with 30 seconds intervals. Ice cream sales were also possible under summer or winter outdoor conditions. The present results may be used for the design of food refrigeration machines as well as to optimize other refrigeration cycles.
The improvements of living and lifestyle have led to the increased sales of frozen milk products, such as soft ice cream or slush. These frozen milk products are commonly made in small refrigeration machines. R-502, which has long been used as the refrigerant in soft ice cream machines, is being replaced with R-404A due to the ozone layer depletion issue. In this study, an optimization and performance evaluation were conducted on a soft ice cream machine with a freezer volume of 2.8 liters. The optimization focused on the appropriate refrigerant charge and expansion valve opening. Under the optimized conditions, ice cream was produced in 10 minutes and 5 seconds, and the COP was 0.57. The performance tests included ice cream sales with no interval, ice cream sales with 30 second intervals and under extreme outdoor conditions. The results showed that 20 sales were possible with no interval, and infinite sales could be made with 30 seconds intervals. Ice cream sales were also possible under summer or winter outdoor conditions. The present results may be used for the design of food refrigeration machines as well as to optimize other refrigeration cycles.
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문제 정의
증발 온도, 응축 온도, 냉매 순환량으로부터 적절한 압축기, 팽창 장치를 선정하고 응축기, 냉각기를 설계한다. 각 부품들로 사이클이 구성되면 팽창장치의 개도, 냉매 충전량의 최적화를 수행한다. 본 연구에서는 R-404A용 소프트 아이스크림 제조기 기본 설계[1]로부터 구현된 냉동 시스템에 대해 팽창장치의 개도, 냉매 충전량의 최적화를 수행하였다.
소프트 아이스크림 제조기의 성능 평가에 대해서는 별도의 규격이 존재하지 않는다. 따라서 아이스크림 제조기 업체에서 자체 규격을 개발하였다.[1] 성능 평가는 무 간격 연속 판매 시험, 30초 간격 연속 판매 시험, 극한 시험으로 구성된다.
각 부품들로 사이클이 구성되면 팽창장치의 개도, 냉매 충전량의 최적화를 수행한다. 본 연구에서는 R-404A용 소프트 아이스크림 제조기 기본 설계[1]로부터 구현된 냉동 시스템에 대해 팽창장치의 개도, 냉매 충전량의 최적화를 수행하였다.
가설 설정
최근 들어 국민 식생활 문화가 개선되고 생활수준이 향상됨에 따라 소프트 아이스크림, 슬러시와 같은 일회용 냉동 유제품의 소비가 급증하고 있다.[1] 이들 냉동 유제품은 소형 냉동 시스템에서 만들어진다. Fig.
제안 방법
(2) 이 제품에 대하여 무 간격 연속 판매 시험, 30초 간격 연속 판매 시험, 극한 시험을 수행하여 성능을 평가하였다. 무 간격 연속 판매는 20개까지 가능하였고 30초 간격 연속 판매는 무한대로 가능하였다.
30초 간격 연속 판매 시험도 수행하였다. 이 시험은 30초 간격을 두고 아이스크림을 판매하는 시험이다.
냉동 사이클의 최적 냉매량 및 밸브개도는 실험을 통하여 도출되었다. 냉매 충전량 900g, 1000g, 1100g에 대하여 밸브개도를 제조사 세팅값을 기준으로 좌우로 90도를 돌려가며 실험을 수행하였다. 냉매 충전량은 아이스크림 제조기의 기본 설계시[1] 1000g으로 계산되었기 때문에 기본 설계 값에서 ± 100g을 변화시키며 실험을 수행하였다.
냉매 충전량은 아이스크림 제조기의 기본 설계시[1] 1000g으로 계산되었기 때문에 기본 설계 값에서 ± 100g을 변화시키며 실험을 수행하였다.
[1] 열량을 구하기 위해서는 원액의 비열, 아이스크림 중의 얼음량 등을 알아야하나 이들에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 따라서 열량계법을 이용하여 아이스크림 제조 시 소요되는 열량을 구하였다. 즉, 제조된 아이스크림 일정량 (mice = 300g) 과 미리 온도를 알고 있는 물(79℃) 을 혼합하여 혼합물의 온도가 초기 원액 온도인 25℃가 될 때까지 투입된 물의 양 (mw = 380g) 을 측정한다.
본 연구에서는 냉각기 체적 2.8 리터인 R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 최적화와 성능평가를 수행하였다. 최적화는 적정 냉매량 및 팽창밸브의 개도를 찾는데 주안점을 맞춰 수행되었다.
온도는 직경 0.3 mm의 Cu-Co 열전대 (정밀도 ±0.1 K)를 관 벽에 부착하여 측정하였고 압력은 직경 1.0 mm 압력 공에 압력계(Setra Model 230, ±0.2% full scale)를 부착하여 측정하였다.
기본 설계시 냉매 충전량은 증발기와 응축기 체적, 배관의 길이 등을 고려하여 산정되었다. 응축기의 원액 주입 후 아이스크림 제조 완료 (스크레이퍼 모터 전류치 4.6A)까지 걸리는 시간을 비교하여 최단시간이 걸리는 사양을 최적값으로 선정하였다.
즉, 제조된 아이스크림 일정량 (mice = 300g) 과 미리 온도를 알고 있는 물(79℃) 을 혼합하여 혼합물의 온도가 초기 원액 온도인 25℃가 될 때까지 투입된 물의 양 (mw = 380g) 을 측정한다.
우선 증발 온도, 응축 온도, 증발 과열도, 응축과냉도를 정한 후 목표로 하는 냉동 능력을 만족할 수 있도록 냉매 순환량을 결정한다. 증발 온도, 응축 온도, 냉매 순환량으로부터 적절한 압축기, 팽창 장치를 선정하고 응축기, 냉각기를 설계한다. 각 부품들로 사이클이 구성되면 팽창장치의 개도, 냉매 충전량의 최적화를 수행한다.
8 리터인 R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 최적화와 성능평가를 수행하였다. 최적화는 적정 냉매량 및 팽창밸브의 개도를 찾는데 주안점을 맞춰 수행되었다.
8 리터이다. 최적화는 팽창변의 개도와 냉매 충전량을 변화시키며 수행되었다. 일회 실험은 원액 주입 후 아이스크림이 완성될 때까지 진행되었다.
측정은 응축기 입·출구온도, 증발기 입·출구온도, 압축기 입·출구압력에 대해 수행되었다.
대상 데이터
시험 결과 아이스크림 무게 100 g ± 10 g에서 무한대로 판매가 가능함을 확인할 수 있다. 실험은 60개 판매까지 수행되었다. 시험은 표준조건 (32℃, 65% RH)에서 수행되었다.
이론/모형
8 리터인 아이스크림 제조기에 대한 기본 설계를 수행하였다. 냉동 시스템 해석 시 열교환기에는 UA-LMTD 모델, 압축기에는 제조사에서 제공하는 성능 곡선이 적용되었다.
성능/효과
(1) 냉매 충전량과 팽창 장치의 개도를 변화시키며 시험한 결과 충전량 1000 g, 밸브 개도 “0” (제조사 세팅치)에서 최단 시간 10분 5초 만에 아이스크림의 제조가 가능하였다.
소비 동력은 사이클이 안정되는 초기 2 분간은 급격히 증가하다가 사이클이 안정되면 완만하게 증가함을 보여준다. 또한 시간 평균 소비동력은 아이스크림 제조 시간이 증가할수록 다소 감소함을 보여준다.
시험 결과 아이스크림 무게 100 g ± 10 g에서 무한대로 판매가 가능함을 확인할 수 있다.
즉, 최적의 냉매 충전량과 밸브 개도가 존재하게 되는데 본 제품의 경우는 충전량 1000g, 밸브개도 “0”에서 최적임을 보여준다.
Lakhar 등 [4]은 스크레이퍼의 회전 속도, 스크레이퍼와 냉각 표면의 간격 등이 전열 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 회전 속도가 증가할수록 간격이 감소할수록 전열 성능은 증가하였다. Saraceno 등 [5]은 원액 온도, 스크레이퍼 회전수 등을 변화시키며 일련의 실험을 수행하고 열전달 상관식을 제시하였다.
후속연구
(3) 본 연구 결과는 냉동식품 제조기를 비롯한 여타 냉동 사이클의 최적화에도 활용될 수 있을 것이다.
참고문헌 (11)
H.-C. Park, "Development of an Ice-Cream Machine for R-404A," Final Report to ITEP, CFC Alternative Material Development Program, Se-A E&C, 2006.
W. F. Stoecker, J. W. Jones, "Refrigeration and Air Conditioning," 2nd Ed., McGraw-Hill Pub., 1983.
R. W. Hartel, "Ice Crystallization During the Manufacture of Ice Cream," Trends in Food Science and Technology, vol. 7, pp. 315-321. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0924-2244(96)10033-9
M. B. Lakhdar, R. Cerecero, G. Alvarez, J. Guilpart, D. Flick, A. Lallemand, " Heat Transfer with Freezing in a Scraped Surface Heat Exchanger," Applied Thermal Engineering, vol. 25, pp. 45-60, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2004.05.007
L. Saraceno, G. Boccardi, G. P. Celata, R. Lazzarini, R. Trinchieri, "Development of Two Heat Transfer Correlations for a Scrapted Surface Heat Exchanger in an Ice Cream Machine," Applied Thermal Engineering, vol. 31, pp. 4106-4112, 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.08.022
D. S. Martinez, J. P. Solano, F. Illan, A. Viedma, "Analysis of Heat Transfer Phenomena During Ice Slurry Production in Scraped Surface Plate Heat Exchangers," Int. J. Refrig., vol. 48, pp. 221-232, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2014.07.020
H.-W. Byun, J.-W, Lee, N.-H. Kim, "Heat Transfer Characteristics in the Evaporator of the Ice Cream Maker," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, vol. 13, no. 4, pp. 1466-1473, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.4.1466
UNEP, "Montreal Protocol on Substances That Deplete the Ozone Layer," United Nation Environmental Programme, 1987.
A. Arora, S. C. Kaushik, "Theoretical Analysis of a Vapor Compression Refrigeration System with R-502, R-404A and R-507A," Int. J. Refrig., vol. 31, no. 6, pp. 998-1005, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2007.12.015
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