[논문]소프트 아이스크림 제조기 증발기의 스크레이퍼 회전수 최적화 및 냉매 유로 개선

백승혁; 김내현

doi:10.5762/kais.2017.18.10.8

소프트 아이스크림 제조기 증발기의 스크레이퍼 회전수 최적화 및 냉매 유로 개선
Optimization of the Scraper Speed and Improvement of the Refrigerant Path for the Evaporator of the Soft Ice Cream Machine 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.10, 2017년, pp.8 - 14

초록
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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 경우 냉각기는 동심 원통으로 구성되며 냉매는 환형부에서 증발하고 냉각기 표면에 형성된 얼음 결정이 내측에서 회전하는 스크레이퍼에 의해 빙삭되어 아이스크림이 만들어진다. 본 연구에서는 냉각기 체적 2.8 리터인 R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 최적화와 성능평가를 수행하였다. 최적화는 냉각기 스크레이퍼 회전수 및 냉매 유로 개선에 주안점을 두고 실제 아이스크림 제조기에서 요소 부위의 온도와 압력 그리고 소비동력을 측정함으로써 수행되었다. 실험 결과 최적 회전수는 124 rpm으로 나타났다. 이 회전수에서 아이스크림 제조 시간은 6분 2초이고 이 때 성적계수는 0.90이었다. 또한 물-공기를 사용한 가시화 실험을 통하여 냉매측 유로 개선을 시도하였다. 유로가 개선된 제품은 아이스크림 제조 시간을 현저히 감소시켰다. 본 연구 결과는 냉동식품 제조기를 비롯한 여타 냉동 사이클의 최적화에도 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Improvements in the standard of living and lifestyle have led to increased sales of frozen milk products, such as soft ice cream or slush. These frozen milk products are commonly made in a small refrigeration machine. In a soft ice cream machine, the freezer is composed of a concentric cylinder, where the refrigerant flows in the annul us and the ice cream is made in the cylinder by a rotating scraper. In this study, an optimization and performance evaluation were conducted on a soft ice cream machine having a freezer volume of 2.8 liters. The optimization was focused on the scraper rotation speed and the refrigerant path of the freezer. The measurements included the temperature, pressure and consumed power. At the optimized speed of 124 rpm, ice cream was produced in 6 minutes and 2 seconds, and the COP was 0.90. Through a flow visualization study using air-water, the refrigerant path was improved. The improved design reduced the ice cream making time significantly. The present results may be used for the optimization of other refrigeration cycles, including those of frozen food products.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재 국내에서 생산되는 소프트 아이스크림 제조기는 상기 설계 인자들이 전열 성능에 미치는 영향에 대한 평가 없이 외제품을 그대로 복제하는 수준으로 이 부분에 대한 보완이 시급한 실정이다. 본 연구에서는 냉각기 성능 개선을 목표로 스크레이퍼의 회전수와 냉매 측 유로 형상이 아이스크림 제조 성능에 미치는 영향을 검토하였다.
본 연구에서는 냉각기 체적 2.8 리터급의 R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 최적화를 수행하였다. 최적화는 스크레이퍼 최적 회전수 및 냉매 유로 개선에 주안점을 맞춰 수행되었다.

제안 방법

(2) 물-공기를 사용한 가시화 실험을 통하여 냉매측 유로를 개선하였다. 개선된 제품은 아이스크림 제조 시간을 현저히 감소시켰다.
유동 가시화를 통하여 냉매측 유동 형태를 재확인하였다. 가시화를 위하여 환형부 외측을 아크릴로 제작하고 물-공기를 주입하여 액체와 기체의 분포를 검토하였다. 또한 가시화를 돕기 위하여 시험부 입구에서 염료를 주입하였다.
기존 냉각기는 냉매측이 환형 공간만으로 구성되었는데 이 경우 냉각기 상부로 냉매가 공급되지 않아서 전열성능이 감소하는 것으로 밝혀졌다. 개선된 형상은 환형부에 두 개의 격판을 설치하고 (Fig. 11a 참조) 격판 상하부의 구멍을 통하여 냉각기 상부로 냉매가 공급되도록 하였다.
또한 가시화를 돕기 위하여 시험부 입구에서 염료를 주입하였다. 냉매와 물-공기는 기액의 밀도비가 달라 유동 형태가 다소 차이가 있을 수 있으나 시험의 간소화를 위하여 우선 물-공기를 사용하였다. Fig.
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 (m_{가시화를 위하여 환형부 외측을 아크릴로 제작하고 물-공기를 주입하여 액체와 기체의 분포를 검토하였다. 또한 가시화를 돕기 위하여 시험부 입구에서 염료를 주입하였다. 냉매와 물-공기는 기액의 밀도비가 달라 유동 형태가 다소 차이가 있을 수 있으나 시험의 간소화를 위하여 우선 물-공기를 사용하였다.}
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.
우선 기존 모델의 냉각 성능을 파악하기 위하여 스크레이퍼를 제거하고 냉각기 내측을 공기 중에 노출시킨 채로 아이스크림 제조기를 가동하였다. 이 때 냉각기 내측에 서리가 형성되는 형상으로부터 냉매의 순환 패턴을 예측하였다.
유동 가시화를 통하여 냉매측 유동 형태를 재확인하였다. 가시화를 위하여 환형부 외측을 아크릴로 제작하고 물-공기를 주입하여 액체와 기체의 분포를 검토하였다.
우선 기존 모델의 냉각 성능을 파악하기 위하여 스크레이퍼를 제거하고 냉각기 내측을 공기 중에 노출시킨 채로 아이스크림 제조기를 가동하였다. 이 때 냉각기 내측에 서리가 형성되는 형상으로부터 냉매의 순환 패턴을 예측하였다. Fig.
즉, 제조된 아이스크림 일정량 (mice= 300g) 과 미리 온도를 알고 있는 물(79°C) 을 혼합하여 혼합물의 온도가 초기 원액 온도인 25°C가 될 때까지 투입된 물의 양 (mw= 380g) 을 측정한다.
8 리터급의 R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 최적화를 수행하였다. 최적화는 스크레이퍼 최적 회전수 및 냉매 유로 개선에 주안점을 맞춰 수행되었다.
8 리터인 R-404A를 사용하는 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 최적화를 수행하였다. 최적화는 적정 냉매량 및 팽창밸브의 개도를 찾는데 주안점을 맞춰 수행되었다. Park [1]은 냉각기 체적 2.
측정은 응축기 입·출구온도, 증발기 입·출구온도, 압축기 입·출구압력에 대해 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) 최적 스크레이퍼 회전수는 124 rpm으로 나타났다. 이 회전수에서 아이스크림 제조 시간은 6분 2초이고 소비 전력량은 0.
이 보다 회전수가 작거나 (110 rpm, 6분 32초) 크면 (140 rpm, 6분 16초) 제조시간이 크게 나타났다. 스크레이퍼의 회전수가 너무 느리면 표면에 아이스크림이 너무 두껍게 형성되어 전열성능이 감소하고 회전수가 너무 빠르면 얼음이 미처 형성되기도 전에 깍여 제조 효율이 감소하는 것으로 판단된다. Fig.
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.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아이스크림 제조기와 일반 냉동기와의 차이는 무엇인가?	Fig. 3에 보여 지듯이 환형부를 흐르는 냉매에 의해 원통 내측에 얼음이 형성되고 이 얼음은 회전하는 스크레이퍼에 의해 빙삭된다. 이 경우 열은 원액으로부터 냉매로 전달되는데 전열 성능에는 스크레이퍼의 형상, 회전수, 냉매측 유로 등이 영향을 미치게 된다.
	온도 조절 팽창밸브란 무엇인가?	냉동 사이클은 소프트 아이스크림이 만들어지는 냉각기 (freezer), 압축기, 응축기, 온도 조절 팽창밸브 (TEV)로 구성된다. 온도 조절 팽창밸브는 압축기 입구의 냉매 과열도를 일정하게 유지하는 장치로 소형 냉동 시스템에 널리 사용된다[2].
	아이스크림 첨가제는 얼음결정 성장에 어떠한 영향을 미치는가?	그간 소프트 아이스크림 제조기에 대하여 일부 연구가 수행되었다. Hartel [3]은 아이스크림 첨가제가 얼음 결정 성장에 미치는 영향을 검토하였는데 첨가제의 양이 증가할수록 결정의 크기가 줄어든다고 보고하였다. Lakhar 등 [4]은 스크레이퍼의 회전 속도, 스크레이퍼와 냉각 표면의 간격 등이 전열 성능에 미치는 영향을 검토하였다.

참고문헌 (8)

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: https://doi.org/10.1016/0924-2244(96)10033-9

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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: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2004.05.007

상세보기
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: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2011.08.022

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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: https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2014.07.020

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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: https://doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.4.1466

원문보기 상세보기
N.-H. Kim, "Optimization of the Refrigerant Charge and the Expansion Valve Opening for the Soft Ice Cream Machine Using R-404A," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, vol. 18, no. 8, pp. 728-734, 2016. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.8.728

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].

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