초록 ▼

○연구결과 1. 1차 년도 가. 냉동기 3D 디자인 설계 및 개발 - 비관류순환 냉각시스템의 디자인은 기존 냉각시스템에 대한 사진자료를 참조하여 의뢰업체에서 독자적으로 두가지 형상으로 디자인 개발 완료 나. 친환경 냉매 검토 및 최적화 - 자연냉매, CFC 계열, HCFC 계열, HFC 계열, LGWP 계열 등 냉매의 물성 및 장단점, 친환경성, 경제성 등을 문헌 검토를 통해 냉매 최적화 (R-404a) 다. 냉동기 panel 제작 및 고밀도 고성능 단열시스템 개발 - 균일성이 높고 고밀도의 냉동기 판넬을 폴리우레탄폼을 이용하여 지

○연구결과 1. 1차 년도 가. 냉동기 3D 디자인 설계 및 개발 - 비관류순환 냉각시스템의 디자인은 기존 냉각시스템에 대한 사진자료를 참조하여 의뢰업체에서 독자적으로 두가지 형상으로 디자인 개발 완료 나. 친환경 냉매 검토 및 최적화 - 자연냉매, CFC 계열, HCFC 계열, HFC 계열, LGWP 계열 등 냉매의 물성 및 장단점, 친환경성, 경제성 등을 문헌 검토를 통해 냉매 최적화 (R-404a) 다. 냉동기 panel 제작 및 고밀도 고성능 단열시스템 개발 - 균일성이 높고 고밀도의 냉동기 판넬을 폴리우레탄폼을 이용하여 지그에 주입 제작하여 시제품 확보 라. 무성에 핀코일(증발기) 연구 개발 - 성에 착상을 최소화하기 위하여 기존 핀코일의 형상 및 배열 변경을 통한 무성에 핀고일 개발 - 성능평가를 통한 성에 비착상 확인 마. 무착상 비관류순환 냉각시스템 개발 - 팬과 냉각기의 간극, 팬의 직정, 제어판의 유무가 유동에 미치는 등을 검토를 통한 냉기 유동 제어 및 성에 비착상 기술을 통한 무착상 비관류순환 냉각시스템 개발 바. 냉기 유동 시뮬레이션을 위한 기초 설계조건 및 프로그램 결정 - 비관류순환 냉각시스템의 냉기 유동에 미치는 환류팬, 제어판, 트레이 등의 형상, 배치 등을 고려하여 설계변수를 결정하였으며, 프로그램은 범용적으로 사용되어지는 CFX 를 선택하여 시뮬레이션 수행 계획 2. 2차 년도 가. 냉동기 pilot 시험 장비 설계 - 최종 시제품 제작을 위하여 냉기 유동 시뮬레이션과의 비교 분석을 위한 냉동기 pilot 시험 장비 설계 나. 정밀 급속냉동제어장치 개발 - 비관류순환 냉각시스템의 온습도를 정밀하게 제어하기 이한 급속 냉동 제어시스템 개발 결과 고내 상하 온도의 편차를 0.25℃로 최소화 다. Defrost(제상) 장치 최적화 개발 - 고내 성에 착상을 감시하기 위하여 웹카메라를 이용하여 성에 착상을 감시하였으며 제상이 빠르게 진행될 수 있도록 가급적 소비전력을 최소화하기 위하여 제상장치를 구상함. 라. 비관류순환 냉각시스템 및 fan 개발 - 비관류 냉각시스템의 입체 및 급속 냉각 실현을 위한 비벨마우스타입의 특수환류팬 개발을 통한 최적의 성능 확보를 위한 팬의 용량, 수량 및 배치 결정 (200W 2EA, 100W 1EA) 마. 냉동기 pilot 시험 장비 제작 및 시험 - 냉기 유동 시뮬레이션과의 비교 분석을 위한 냉동기 pilot 시험 장비 제작을 통한 성에 착상 및 제상 시험, 식품 품질 test, 고내의 냉기 유동 분석, 냉동고의 에너지 소모량 등의 시험 수행 및 결과 도출 바. 슈퍼컴퓨터를 활용한 냉기 유동 해석 - 슈퍼컴퓨터를 활용하여 고내의 냉기 유동의 유동 해석 및 설제 test를 통한 data 와의 비교 분석 통한 팬의 배치, 수량, 증발기의 배치 등에 대한 기초 설계조건 도출 사. 냉동 및 해동전후의 품질 변화 연구 - 돈육을 대상으로 급속 및 완만 냉동 시 품질과 해동 후의 품질을 육안 관찰 및 광학현미경 관찰을 통한 비교분석 결과 급속냉동 시 빙결정 크기가 작아 해동 후에도 완만냉동 대비 품질이 높음을 확인 3. 3차 년도 가. 시뮬레이션 결과 분석 - 최적의 입체 순환 공기 유동 확보를 위해 3개의 팬을 설치 - 최종 시제품 규격과 일치하는 시뮬레이션 수행 - 고내 공기의 속도 및 압력 데이터 확보 - 실제 공기유동과의 일치성 확인 위해 성에 착상 실험과 병행하여 공기 유동 비교 - 최종 시제품 제작을 위한 최적의 시뮬레이션 결과 확보 나. 최적 설계 조건 분석 및 결정 - 3개의 팬이 공급하는 공기 양의 분배를 체계화함. - 열교환기 전면부 및 후면부를 통과하는 공기의 유동 량을 시뮬레이션을 통해 검증함 - 시뮬레이션과 실제 시제품 테스트를 통한 성에 착상을 최소화하기 위한 고내 뒷벽과 열교환부의 거리는 2Cm 임 - 열교환 효율 및 성에 착상 정도를 추측할 수 있는 데이터 확보함 다. 냉각시스템 시제품 제작 - 1, 2차년도 시제품 제작과 시뮬레이션을 통해 입체 순환을 최대화하며 성에 착상을 최소화 할 수 있는 최적의 시스템 설계가 가능 - 시뮬레이션 결과와 최종 시제품과의 차이가 약간 발생 - 최종 시제품에서 팬과 열교환기 사이의 거리, 팬과 뒷벽 사이의 거리는 제한된 범위에서 조정이 가능하여 최적의 시스템 구성이 용이함 라. 시제품 성능평가 및 수정 보완 - 제작된 시제품의 열교환부에서 공기 유동과 종래의 공기 유동의 차이를 확인하기 위하여 동일한 성능의 냉동기로 실험을 수행함 -성에 착상 지연을 위한 세밀한 조정이 완료되어 습기를 많이 포함하는 농림수산 가공 식품의 급속 냉동기 탁월한 성능을 확보함 - 종래형과 비교하여 고내 증발량의 경우 약 14.6% 정도 감소되며 이는 열교환부의 성에 착상이 더욱 감소할 것으로 판단됨 마. 경제적 타당성 평가 - 성에 착상으로 인한 산술적인 에너지 소비 비교 실험결과 12시간 연속 동작 후 13.83%, 24시간 연속 동작 후 18.46%의 에너지 절감 효과를 가짐 - 성에 착상 지연으로 인한 제상이 필요없어, 작업중단 시간이 종래형에 비하여 감소됨 - 고내 냉동건조 현상이 감소하여 식품 감량 종래형보다 약3~5% 적으므로 원재료 손실 비용이 감소함 - 입체 순환으로 균일하고 빠른 급속냉동이 가능하여 냉동식품의 품질이 향상됨 바. 식품별 최적 저장 조건 확립 - 타 냉동기에서 냉동을 꺼리는 야채 종류의 냉동에서는 식품의 품질 저하가 적음 - 냉동 감량이 종래형에 비해 약 1~4% 차이를 보이며 냉동 품질이 우수함 - 냉동 품질 뿐 아니라 해동 후에도 품질 보존이 탁월하여 종래형에 비하여 최종 소비자가 느끼는 품질의 차이는 더욱 큼 - 과실류 및 낙농품의 경우 종래형과 동일한 저장 기간을 보이거나 약 10% 정도 저장기간이 증가

Abstract ▼

As the development of food culture with economic growth. consumers demand for quality of food is increasing. When storing frozen ingredients for a long time, degradation of ingredients in taste and quality are occurred, as well as environmental problems reprocessing altered foods and economic loss w

As the development of food culture with economic growth. consumers demand for quality of food is increasing. When storing frozen ingredients for a long time, degradation of ingredients in taste and quality are occurred, as well as environmental problems reprocessing altered foods and economic loss will occur. Because cold air takes the moisture of ingredients and frost grows on the surface the finned-tube of refrigerator, the surface of ingredients become drier and freeze-drying of ingredients degrade taste and quality of ingredients.
Electric energy consumption of evaporator and compressor, defrost operation and refrigerant unit are very large. As air flows through the path of heat exchanger forming finned-tube, cooling fans and cabinet for food inside refrigerator, frost grows in heat exchanger and humidity inside refrigerator is lower. dry air become wet air while low humidity take water from food, and wet air make frost formation in heat exchanger.
Fast air flow which is necessary for the purpose of high energy efficiency make faster frost formation. Because frost formation on finned-tube reduce heat exchange efficiency and prevent air flow, it is necessary to get rid of the frost on finned-tube. The process to eliminate the frost on heat exchanger is called defrosting, the defrosting is very important in element in refrigerator. Thick frost formation cause more energy consumption and lower freezing performance. There are so many method for the defrosting, but methodology to eliminate the frost in small and high density finned-tube structures is limited. The most popular methodology is to use electric heater, but while defroster is rurming, refrigerator must stop suppling cold air. and this method require high electric energy consumption. In this study, It is presented new freezing system avoiding freeze-drying phenomenon and assuring quality of ingredients in this study and suggest optimal installation of defrosting heater.
Cooling fans without bell-mouth make three-dimensional air flow inside cabinet for food, structure of making air flow path to reduce frost formation is presented in this study. Cooling fans is installed in front of heat exchanger, the distance between two different devices is very important to make new air flow path. Most air flow start this position between fans and heat exchanger. The main difference between presented and conventional structures is air flow path. All air flow through finned-tube in conventional refrigerator, but only 10% to 30% air flow through finned-bute in presented refrigerator. The rest of air is exchanged in areas between cooling fans and a part of finned-tube. The air which pass finned-tube must detour only the path between the side wall and the edge of finned-tube, wet air passing this path make frost not inside of finned-tube but on the edge of finned-tube. Therefore dry air flows through the finned-tube. This is main idea to reduce frost formation. More delicate arrangement and additional structures to reduce frost formation.
Less frost formation provide higher electric consumption efficiency and the experimental results is shown. Three-dimensional air mixture is made by three cooling fans inside cabinet for food provide more efficient freezing performance. Various experimental results are shown for the proof of efficiency of presented freezing system.
Content and scope of research and development is described as below.
1. Development of freezing system components
- Investigation papers and literatures for the refrigerant and freezing system component
- 3D modeling and design development of refrigerator system
- Review and optimization of eco-friendly refrigerant
- Development of cooling system components (compressor, evaporator, refrigerator panels, etc.)
- Cooling system design to delay frost formation
- Program decisions for cold flow simulation based design criteria
2. Pilot testing equipment production and flow analysis using supercomputers
- Pilot test equipment development, design and production
- Development of precision quick-freezing control system
- Development of optimized defrosting device
- Development of non-penetrating circulation cooling system
- Before and after freezing and thawing of the quality status change research/analysis
- For cold flow simulation based design criteria and program decisions
- Refrigeration system with the simulation of the behavior of the cold flow and determine flow
- Flow Analysis identified through a cold velocity distribution
3. Cooling system products through optimum design conditions and plans production and commercialization
- Analysis of simulation results analysis and optimal design conditions
- Optimal design conditions through the cooling system prototyping
- Modifying the prototype performance evaluation and complementary
- Technical and economic feasibility study
- Optimal food storage conditions establishment
- Preparation of Ensure food safety management system certification,
and seeking ways through the commercialization
The first year of the study can be summarized as follows.
A. There-dimensional air circulation design and development
- Anti-cycle cooling system design, by referring to convectional cooling system
B. Review and optimization of eco-friendly refrigerant
- Natural refrigerant, CFC family, HCFC family, HFC family, LGWP family, including the physical properties of the refrigerant and the pros and cons,
- Eco-friendly, economical refrigerant through a literature review and optimization (R-404a)
C. Refrigerator insulation panel production and development of high-density, high-performance system
- High-density uniformity freezer panel polyurethane foam is injected into the jig by making Prototype
D. Frost-free finned-coil (evaporator) Research and Development
- Frost-free finned-coil implantation to minimize the existing array by changing the shape
- Performance evaluation through the inspection of frost formation
E. The development of anti-cycle cooling system
- Evaluations of air flow path air in heat exchanger and air circulation evaluation in cabinet for food according to the gap between the fan and cooler, fan diameter, the presence of the control panel
- Implementation of frost formation delay through anti-cycle cooling system
F. design criteria and program decisions for the cold air flow simulation
- Evaluations according to the gap between the fan and cooler, fan diameter, the presence of the control panel
- Consideration of the design parameters were detennined, which are used as general-purpose program for CFX
The second year of the study can be summarized as follows.
A. Freezer pilot test equipment design
- Cold flow simulation for final prototyping and comparative analysis of the pilot test equipment designed for the freezer
B. Development of rapidly-frozen precision control system
- Anti-cycle cooling system to precisely control temperature and humidity control system for rapid freezing results in high durability down the temperature by 0.25 "C to minimize the deviation
C. Optimization of defrosting device
- Monitoring frost fonnation using web camera.
- optimization of the defrost heater installation location through the frost and defrost process
D. Development of cooling fan for the anti-cycle freezer system
- Developed bell-mouth-free reflux fans for the implementation of three-dimensional circulation and rapid cooling
- The fan capacity, quantity, and placement decision for optimal perfonnance (200W 2EA, 100W lEA)
E. Production and test of freezer pilot test device
- Freezer pilot production for the comparative analysis of cold flow simulation and test
- Frost fonnation and defrost process test, food quality test, cold air flow analysis, freezer perfonnance and energy consumption of the test
F. Cold flow analysis utilizing supercomputers
- Compare the differences between supercomputer simulation results and real experimental results.
- Redesign pilot anti-cycle freezer system from the comparison results
G. Studies of Changes in the quality of food after freezing and thawing
- better freezing quality after freezing and thawing compared with conventional freezer
- Smaller ice crystals through visual observation and optical microscopy analysis And the last year of the study can be summarized as follows.
A. Analysis of simulation results
- Installation 3 fans for ensuring optimum air flow for the three-dimensional circulation
- High durability of the air velocity and pressure data acquisition
- Check the consistency of the actual air flow and the air flow characteristics in parallel with the idea of comparing experimental
- The result final simulation is adopted as the specification of the final prototype
B. Optimal design criteria analysis and decision
- Three fans organize to supply that amount of air
- The front and rear of the heat exchanger through the amount of air flow that verification through simulation.
- Gap is 2Cm through simulation and prototype testing to minimize the frost formation
- Data which reasoning heat exchange efficiency and the degree of frost formation obtained
C. Final prototyping of cooling system
- The solid circulation characteristics implantation can be minimized to maximize the best possible system design from 1, 2nd year prototyping and simulation.
- The difference between the simulation results and the final prototype
- In the final prototype, the distance between the fan and the heat exchanger, the fan and the distance between the back wall can be adjusted in a limited range of the optimal system configuration
D. Prototype performance evaluation and revision
- Carrying out the same experiment with the perfonnance of the two different freezers.
- The fine adjustment which contains a lot of moisture, agriculture, forestry and fisheries of processed foods that ensure superior performance when rapidly frozen for the frost formation delay.
- The amount of evaporation is smaller approximately 14.6% than conventional freezer.
E. Economic feasibility assessment
- Energy-saving due to the frost fonnation is 13.83 % after 12 hours continuous operation, and 18.46% after 24 hours of continuous operation in arithmetic comparison results
- Downtime reduced compared to conventional frezer, because it does not need defrosting
- Food loss is less about 3-5% than conventional freezer, so that raw material costs are reduced
- The quality of frozen foods is improved in three-dimensional uniform and rapid circulations
F. Optimal food storage conditions establishment
- The food quality degradation is less than in conventional freezer
- Frozen conventional weight loss of about 1-4% compared to the difference in the quality of frozen is excellent.
- The quality after thawing is excellent, final consumers feel the difference in quality as the more.
- Storage period increased by about 10% compared with conventional freezer.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 12
• Contents ... 18
• 목차 ... 21
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 24
• 제1절. 연구개발의 필요성 ... 24
• 1. 냉동 및 냉장 산업의 배경 ... 24
• 2. 냉동 식품 및 관련 산업의 현황 및 문제점 ... 27
• 3. 냉동시스템의 냉동 방법 및 문제점 ... 30
• 4. 기존 냉동 기술 대비 연구 개발의 필요성 ... 35
• 5. 비관류순환 냉동시스템의 특징 ... 37
• 제2절. 연구개발의 범위 ... 39
• 1. 연구개발 목표 및 내용 ... 39
• 제2장 국내의 기술개발 현황 ... 45
• 제1절. 성에 착상 지연 관련 ... 45
• 1. 국내의 핵심 관련 기술 리스트 ... 45
• 2. 국내의 핵심 관련 기술 요약 ... 45
• 3. 국내의 핵심 관련 기술 상세 설명 ... 47
• 제2절. 입체 냉각기술 관련 ... 51
• 1. 국내의 핵심 관련 기술 리스트 ... 51
• 2. 심층분석대상특허 요약 ... 52
• 3. 국내의 핵심 관련 기술 상세 설명 ... 53
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 59
• 제1절. 1차년도 연구개발수행 내용 및 결과 ... 59
• 1. 냉각시스템 3D 디자인 설계 및 개발 ... 59
• 2. 친환경 냉매 검토 및 최적화 ... 60
• 3. 냉동기 panel 제작 및 고밀도 고성능 단열시스템 개발 ... 66
• 4. 무성에 핀코일(증발기) 연구 개발 ... 70
• 5. 무착상 비관류순환 냉각시스템 개발 ... 74
• 6. 냉기 유통 시뮬레이션을 위한 기초 설계조건 및 프로그램 결정 ... 78
• 제2절. 2차년도 연구개발수행 내용 및 결과 ... 81
• 1. 냉동기 pilot 시험 장비 설계 ... 81
• 2. 정밀 급속냉동 제어시스템 개발 ... 83
• 3. 제상장치 최적화 개발 ... 86
• 4. 비관류 냉각시스템 및 fun 개발 ... 97
• 5. 냉동기 pilot 시험장비 제작 및 시험 ... 100
• 6. 슈퍼컴퓨터를 활용한 냉기 흐름 시뮬레이션 수행 ... 111
• 7. 냉동 및 해동 전후의 품질 변화 연구 ... 119
• 제3절. 3차년도 연구개발수행 내용 및 결과 ... 127
• 1. 시뮬레이션 결과 분석 ... 127
• 2. 최적 설계 조건 분석 및 결정 ... 133
• 3. 비관류순환 냉각시스템 시제품 제작 ... 134
• 4. 시제품 성능 평가 및 수정 보완 ... 137
• 5. 경제적 타당성 분석 ... 144
• 6. 식품별 최적 저장 조건 확립 ... 147
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 156
• 제1절 연구개발 목표의 달성도 ... 156
• 1. 1차년도 연구개발 수행 및 달성도 ... 156
• 2. 2차년도 연구개발 수행 및 달성도 ... 157
• 3. 3차년도 연구개발 수행 및 달성도 ... 158
• 제2절 관련 분야의 기술발전에의 기여도 ... 160
• 1. 연구개발결과의 활용방안 ... 160
• 2. 연구개발결과의 기대성과 ... 161
• 제5장 연구개발 성과 및 성과활용 계획 ... 163
• 제1절 연구개발 성과 ... 163
• 1. 연구개발결과의 성과 및 활용목표 대비 실적 ... 163
• 제2절 연구 성과 활용 계획 ... 166
• 1. 실용화·산업화 계획 ... 166
• 2. 홍보 및 마케팅을 활용한 기술 확산 계획 ... 166
• 3. 특허, 논문 등 지식재산권 확보계획 ... 167
• 4. 추가 연구, 타연구에 활용 계획 ... 167
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 168
• 제1절. 해외과학기술정보 ... 168
• 1. 얼음 결정의 생성 ... 168
• 2. 열교환부의 성에 성장(1) ... 170
• 3. 열교환부의 성에 성장(2) ... 172
• 4. 열교환부의 성에 성장(3) ... 173
• 5. 성에 성장(1) ... 174
• 6. 성에 성장(2) ... 175
• 7. 성에 성장(3) ... 176
• 8. 성에 착상 방지 ... 177
• 제7장 참고문헌 ... 179
• [별첨1] 연구개발보고서 초록 ... 181
• 끝페이지 ... 186