대용량 아이스슬러리 제빙장치 개발
서 론
냉열의 저장과 수송에 있어서 많은 역할을 할 것으로 기대를 모았던 아이스슬러리 시스템이 최 근 들어 침체를 겪고 있다. 전력 수요 관리를 위한 냉방용 빙축열 시스템에서부터 지역 냉방용 대규 모 열원 설비, 저온 쇼케이스 분야와 냉동 냉장 물 류센터, 여러 형태의 산업용 냉각설비 등에 적용 되어 에너지 절약에 한몫할 것으로 기대를 모았 던 아이스슬러리 시스템의 침체는 적합한 제빙장 치의 개발이 이루어지지 못하고 있기 때문이라는 인식이 확산되고 있다.
지금까지 개발된 제빙장치의 단위용량, 가격, 성능, 신뢰성, 사후관리의 편의성 등이 열원 장치 로 사용되기 부족한 수준이며 이러한 부분이 아 이스슬러리 시스템 보급을 제한하고 있다는 평가 가 이루어지고 있는 것이다.
특히 제빙장치의 용량의 문제는 심각하다. 현 재까지 개발되어 보급되고 있는 제빙장치는 최대 390 Mcal/h/유닛 수준으로 이보다 큰 부하에는 여러 대의 장비를 묶어 사용하여야 하며 이러한 제한에 의해 경쟁력이 부족해지고 설비가 복잡해
임 효 묵 에스이테크(주)
져 관리가 불편해지는 것을 피할 수 없다.
통합된 축열조를 사용하는 슬러리 축열설비 의 특성상 대규모 설비에서 더욱 유리한 조건이 구현될 수 있는 데 반해 장비용량의 이러한 제한 은 슬러리 축열설비 확대에 걸림돌이 되어왔다고 할 수 있으며 이에 따라 아이스슬러리 제빙장치 의 대용량화는 시급한 과제이다.
대용량의 아이스슬러리 제빙장치를 위해서는 제빙장치에 사용하는 냉동기의 대형화와 동시에 고효율화가 요구되며 이러한 이유에서 최근 개발 되어 활발하게 보급되고 있는 다단 압축의 원심 식 냉동기를 적용해야 할 필요가 있다. 다관식 또 는 다수의 열교환 통로를 갖는 제빙장치는 전열 면의 크기가 제한되므로 증발기 부분의 전열 계 수가 높은 만액식 냉매 제어 방식의 증발기가 채 용되는 것이 합리적이며 이에 따라 만액식 냉동 시스템에서 최대 난제인 오일 관리의 문제에서 비교적 자유로운 원심식 압축기를 사용하는 것이 유리하다.
공조용에 주로 사용되는 –2~-5℃ 온도의 아 이스슬러리를 만들기 위해서 필요한 냉동기의 증 발온도 범위는 –5~-10℃ 수준으로 이 영역에서
는 다단 원심식 압축기의 성능계수가 스크루 등 용적식 압축기보다 5~15% 높다.
이와 같은 사정을 고려한다면 대용량의 아이 스슬러리 제빙장치는 원심식 냉동기를 사용하여 대용량화와 고효율화의 두 마리 토끼를 모두 잡 을 수 있다는 결론이 된다.
이러한 판단에서 대용량의 제빙장치 개발 을 위해 KIST의 적극적인 도움으로 그동안 횡형 Shell & Tube 형태의 제빙장치 개발과 대용량화 를 추진해 왔다.
현재까지 개발된 용량의 3배 수준인 1,090 Mcal/h/대 수준의 대용량 제빙장치 6대를 제작, 설치 시공하여 현재 운전 중에 있으며 (그림 1 참 조) 장비의 운전 데이터를 통해 개발된 제빙장치 의 운전 특성을 분석해 보고자 한다.
본 론
아이스슬러리 제빙장치의 요구 특성
아이스슬러리 제빙장치는 상변화를 시키면서 냉각하는 상변화 냉각 장치이다. 따라서 상변화 를 수행하는 열교환기를 포함하여야 하는 점에서 일반적인 칠러와는 다른 구조를 가져야 한다. 기
본적으로 효과적인 상변화 기구를 갖추어야 하며 상변화 이후 외부 배출을 원활하게 할 수 있는 구 조가 되어야 한다.
제빙장치 개발 초기에는 주로 상변화에 초점 이 맞춰 개발이 진행되었다. 상변화를 위해 초음 파나 강한 자장을 사용하기도 했으며 아예 상변 화가 열교환 과정에서는 일어나지 않도록 제어하 는 기술(과냉각 방식)에 대해서 집중적인 연구와 개발이 이루어지기도 하였다. 반면에 첨가제를 사용하는 스크레이퍼 방식에 대해서는 아직 상변 화 과정의 프로세스에 대해서 정확한 연구 결과 가 발표되지 않고 있다.
이러한 상황에서 현재는 전열면을 이용해 냉 각하면서 결정화된 얼음 입자가 전열 면에 고착 하지 못하도록 하는 스크레이퍼 방식의 제빙 장 치가 주로 사용되고 있으며 이 제빙 장치는 공통 적으로 전열 면에 밀착하면서 스크래핑하는 기 구를 갖고 있다.
원심력이나 스프링의 장력, 접촉 소재의 탄성 등을 이용하여 전열 면에 최대한 스크레이퍼를 밀착시키면서 구동하므로 구조적으로 매우 까다 롭고 정밀한 제작이 필요하게 된다. 특히 전열 면 적을 늘이기 위해 다수 통로를 갖는 열교환기 구 조에서 이러한 제약은 제빙기 제작의 근본적인 제약 사항이 된다.
이러한 문제를 플라스틱 재질의 일정형상의 나선형 스크레이퍼를 이용하여 상변화가 가능하 다는 결과가 국내에서 개발된 제빙 장치에서 제시 되었으나 여기에는 몇 가지 문제점이 숨어 있었다.
플라스틱은 금속보다 온도에 의한 체적 팽 창 계수가 커서 냉각될 경우 형상 변화가 심하 게 된다. 따라서 전열면을 작은 간극과 빠른 속도 로 스크래핑하는 데는 불리하다. 일정간극을 유 지하지 못하면 더욱 빠른 속도가 필요하고, 보다 낮은 열유속 조건을 가져야 한다. 이를 해결하지
[그림 1] Ice slurry generator 1,090 Mcal/h.
못하면 상변화 초기인 천이 구간에서 스크레이 퍼에 과부하가 형성되고 스크레이퍼가 막대 구 조인 경우 진동을 발생시켜 마모를 가져온다. 마 모는 장기간의 운전에서 누적되어 스크레이퍼와 전열 면과의 간극을 더욱 확대시켜 상황을 점차 악화시킨다.
결과적으로 일정 기간이 지나면 스크레이퍼 가 마모되어 제빙 운전이 불가능해지게 된다. 이 를 효과적으로 억제하기 위해서는 스크레이퍼 형 상이 전열 면에서 효과적인 스크래핑이 이루어 지는 구조여야 한다. 이 경우 상변화 문제는 해결 될 수 있으나 여기까지가 모든 문제의 해결이 아 니다.
상변화를 시키므로 상변화와 상변화 이후의 아이스슬러리 유동에 대응하여야 한다. 이는 아 이스슬러리의 유동이 2상 유동이라는 기본 특성 에 의하여 많은 제약이 따르게 되므로 필수적이 다. 다수의 열매체 통로를 갖는 열교환기 내에서 최종 하나로 통합하여 배출시키는 구조가 되어야 할 때 아이스슬러리 제빙 장치에서는 매우 난감 한 문제가 발생한다. 특히 출구 수실에서 출구와 각 통로와 위치가 달라 내부에서는 여러 가지 현 상이 발생하며 2상인 아이스슬러리가 고상과 액 상으로 분리되면서 응집될 수 있다. 응집이 전체 적으로 이루어지는 경우도 있으며 부분적으로 발 생하여 부분적인 스크레이퍼의 마모를 가져올 수 있다.
이를 해결하기 위해서는 수실 내에서 응집의 조건이 이루어지지 않도록 하는 것이 중요하다.
적절한 유량과 펌프의 여유 있는 양정이 중요하 며 내부에서 상분리를 초래하는 와류가 일어나지 않도록 재순환을 방지할 수 있는 구조적인 부분 도 중요하다.
효율적인 제빙 장치가 되기 위해서는 열교환 능력이 뛰어나야 한다. 효과적인 방법은 여러 가
지가 있겠지만, 현재 개발된 Shell & Tube 방식 의 열교환기를 이용하여 냉매의 핵비등 영역에서 의 큰 전열 계수를 이용하는 것이 유력한 방법일 것이다. 전열 면적을 줄일 수 있어 제작비를 줄이 며 고효율을 유지할 수 있고 제작이 비교적 용이 하다는 장점이 있다. 특히 구동 장치가 추가되어 야 하는 열교환기 제작에서 정밀한 제작이 가능 해야하므로 이 부분에서 두꺼운 Tube sheet를 사 용하는 구조로 정밀 가공과 치수 유지가 가능한 구조는 큰 도움을 준다.
동력을 분배하고 각 전열 면을 스크래핑하도 록 전달하는 방식은 여러 가지가 있겠지만, 동력 전달기구가 안정적인 구동을 하기 위해서는 회 전 운동이 가장 이상적인 방식일 것이다. 특히 열 매체에 접촉하면서 동력 전달을 하게 되어 열매 체를 냉각과 윤활제로 사용하여야 하므로 여기에 적합한 소재를 적용하는 것 역시 중요하며 내한, 내수, 내마모성을 갖춘 소재가 필요하다. 사용 온 도 범위가 클 경우 열 수축과 팽창에 대응할 수 있 는 구조를 가져야 한다.
사용하는 냉동기의 특성에 부하하는 제빙장 치의 운전 특성과 제어를 하여야 한다. 특히 원심 식 냉동기는 기동과 정지에 일정 시간이 필요하 므로 제빙장치에 이상이 생기더라도 냉동기를 즉 시 정지할 수 없으므로 이 부분에 대한 고려가 있 어야 한다. 특히 스크레이퍼형의 경우 전열 관 내 부에서 비정상적인 상황의 발생으로 스크레이퍼 가 멈춘 상태에서 냉동기가 가동하더라도 동파가 발생하여서는 안 된다.
다행히 적정 농도의 첨가제를 사용하는 제빙 장치에서는 상변화 과정에서 부드러운 얼음이 발 생하므로 전열 관을 파괴시키는 크기의 압력이 발생하지 않게 되어, 정상적인 운전 상황에서는 문제가 발생하지 않으나 반복적인 관내 동결은 위험할 수 있으므로 구동기구의 안정성이 매우
중요하다.
대용량 제빙장치의 운전 데이터 분석
제작된 1,090 Mcal/h 급 제빙장치를 이용하 여 냉방을 하면서 얻은 운전 데이터를 분석하여, 운전 특성을 알아보고자 한다. 운전은 3월 중순부 터 2개월가량 가동을 하면서 이루어졌으며 현재 까지 계속되고 있다.
그림 2와 같이 실증시험을 위해 주요 부분에 온도 및 압력 센서와 제빙수 배관과 부하 측 냉수 배관에 유량계를 설치하여 성능 측정이 가능하도 록 준비되었다. 여기서 얻은 데이터를 중심으로 분석하고자 한다.
일반적인 경우와 달리 적용된 현장이 병원이 어서 24시간 일정량의 부하가 계속해서 있고 이 를 아이스슬러리 시스템으로 대응하여야 하는 상 태여서 실험실의 조건과는 달리 이상적인 데이터 를 구하기는 어려운 상태이다. 냉동기 자체에 설 치된 센서와 측정을 위해 설치한 센서, 제어를 위 해 설치한 센서들의 값이 상당히 달라 정확한 값 에 대해 아직 결론을 내리지 못해 성능의 정확한 값에 대해 결론을 구하지 못했으나 중요한 것은 구현된 성능보다도 제빙기 자체가 갖는 열적 특 성 부분이므로 이러한 기준에서 분석해 보고자
한다.
현열 운전 구간에서의 성능과 잠열 구간에서의 성능 예측
현열 운전 구간에서의 성능은 제빙수 펌프와 브라인의 물리적 특성, 측정된 센서에 의한 온도 와 유량에 의하여 측정할 수 있다. 이 결과를 연장 하여 제빙 운전 직전에 1,090 Mcal/h 정도의 용 량으로 추정할 수 있으며 이 결과는 설계용량에 근접하는 것으로 판단된다.
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 이용 하여 제빙이 이루어지는 잠열 운전 기간 동안의 용량을 추정해 보기로 하였다
좀 더 사실에 가까운 잠열 구간의 성능 예측 을 위해 냉동기 증발 온도와 증발기 출구 표면 냉 매 온도를 이용하여 비교해 보았다. 하지만 증발 압력 측정을 위해 설치한 센서 값과 냉동기 제어 반의 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 여
러 냉동기가 공통의 값을 갖고 있어 비교적 신뢰할 수 있는 값 이라 판단하였으나 연속 기록 을 하지 못하는 한계가 있어 이 값과 가장 유사한 경향으로 변 동하는 제빙기 출구의 표면 온 도 값에서 변화 경향을 이용하 여 예측하여 보았다. 이 값과 실시간으로 측정되는 현열 구 간에서의 능력을 기준으로 잠 열 구간에서의 값에 대응하는
[그림 2]Schematic diagram of test equipment.
능력을 예측하는 방법을 적용한 것이다.
결과는 그림 3과 같다. 이 값을 Origin 6-1프 로그램을 이용하여 polynomial 식으로 예측해보 면 그림의 식을 얻을 수 있으며 이 식에 의하여 제 빙 운전 시 증발기 표면 온도인 –4.3℃를 대입 하면 1,041 Mcal/h로 설계 용량에 근사한 수치가 추정된다. 물론 이 값 역시 참조값이지 정확한 값 은 아니다.
증발 온도는 원심식 냉동기에서는 냉동기의 냉각수온에 의하여 수시 변하므로 정확하게 예측 하는 것은 거의 불가능하다. 그림 4의 냉동기 제 어반에 표시되는 온도와 압력을 이용하여 분석한 냉각수온과 증발 온도의 변화는 그림 5와 같다.
이는 제빙 상변화 초기 조건에서 측정된 값으로
냉각수온이 변화하는 동안 제빙기 입구 온도가 –1.5℃에서 –1.6℃으로 출구온도는 –2.0℃를 유지한 상태이므로 증발기의 전열 조건은 거의 동일하며 냉매 순환량이 냉각수온 변화에 의한 고압 측 압력 변화에 따라 변화하면서 이에 따라 열평형이 변경되면서 나타나는 것으로 해석할 수 있는 값으로 유의미한 것으로 판단된다.
참고로 이 증발온도 차이 값 0.5℃에 상응하 는 냉동 능력 감소는 위에서 증발 온도 변화에 의 한 식으로 계산할 경우 약 3.3%가 된다.
종합하여 증발기의 총괄 열전달 계수 값은 최 종 용량에 대한 판단 결과를 기준으로 산출하면 제빙 운전 조건에서 4,500 kcal/m²h℃로 추정되 며 이는 일반적인 만액식 증발기 전열 조건 중 양호한 편에 속한다고 할 수 있다.
그림 6은 9시간 제빙 운전이 계속된 운전 기록 으로 제빙 운전 과정 전체의 온도 변화를 볼 수 있 다. 현열 열전달에서 잠열 열전달로 천이되는 과 정에서는 제빙기 입구온도가 변화함에도 출구 온 도가 변함이 없으며 제빙장치에서는 미세한 과냉 각 현상도 확인할 수 있다. 그래프에서 천이운전 이 끝나는 시점에 약 0.1 ~0.2℃의 증발온도 상 승이 감지된다. 이는 아이스슬러리가 전반적으로 생성되면서 전열 계수가 약간 상승하는 것으로
[그림 3] Cooling capacity vs evaporator surface temperature [그림 5] Evaporqtion temperature vs cooling water inlet temperature
[그림 4] Real time operation data is monitered in control board.
해석할 수 있다. 중간의 튀는 제빙기 출구의 온도 는 온도 센서에 얼음 입자가 침적되면 나타나는 일시적인 현상으로 운전 현상과는 관계가 없다.
위에서 분석한 결과와 2회에 걸친 실증 시험 을 통한 결과는 시스템의 손실과 배관에서의 손 실, 그리고 측정오차를 고려할 때 5%가량의 오 차로 데이터는 인정될 수 있는 값으로 결론을 내 렸다.
구동 기구의 신뢰성 평가
구동 부분의 단기적인 신뢰성은 구동 모터의 전력량 변화를 통해 확인할 수 있다. 구동 부분의 문제는 단순히 구동 문제만이 아니라 제빙 메커 니즘이 관련된 문제이므로 반드시 점검되어야 한 다. 제빙 메커니즘에 문제가 있을 경우 현열-잠 열 천이 구간에서 제빙기 모터에 일시적인 과부 하 현상이 나타난다. 이 현상을 없애기 위해서는 스크레이퍼와 전열 면 사이의 간격이 적정해야 하고 회전수가 적정해야 하며 전열 면의 열 유속 이 적정해야 한다. 특히 원심식 냉동기를 적용하 면서 비등 조건에 적합하도록 표면을 가공한 전 열 관을 사용하여 열전달 계수가 크게 상승한 결 과로 변화된 전열 조건에 적정한 회전수가 되는 지를 판단할 수 있다.
그림 7은 10시간의 제빙 과정에서 나타나는 전력량의 변화를 연속적으로 기록한 그래프이다.
모터는 냉동기 입구의 브라인 온도가 4℃가 되면 서 가동하도록 프로그래밍 되어 있다.
초기 가동 시는 스크레이퍼와 전열 관 간극이 적어 다소 전력량이 크게 나타나며 시간이 지나 며 안정된다. 이후 제빙 종료 시까지 일정하게 유 지되며 온도가 낮아질수록 적은 값이 된다.
가동한 후 일정 시간까지 미세한 전력량 증가 는 천이 구간에서의 현상으로 기존제품보다 변화 가 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. 약 10,000시간 사용 후 교체하 는 것이 적정하다는 판단을 하고 있다.
아이스슬러리 순환 관련 판단
본 제품을 설계하면서 마지막까지 고심하고 우려한 것은 아이스슬러리 순환이 원활하게 이 루어질 것인가 하는 점이었다. 사용된 전열관이 200개가 넘고 수실의 내경이 1,250 mm 가 넘는 데다가 수실의 절반 아랫부분에만 스크레이퍼가 있는 조건이어서 수실 내 교반을 하는데도 불안
[그림 6] 9- hour data of ice making operation only.
(release cycle was not operating)
[그림 7] Change of power consumption in driving motor of ice generator(10h)
을 느끼지 않을 수 없었다. 이런 이유로 순환이 어 떻게 이루어지는가를 확인하기 위한 투시 창을 출구수실에 세 군데 두어 이 부분을 확인하였다.
결과는 매우 성공적이었다. 수실의 끝 부분까지 연장된 스크레이퍼의 회전에 의하여 열교환 이루 어지는 구간에서는 균등한 흐름이 이루어지며 스 크레이퍼가 없는 수실 공간에서의 작은 지체가 있어도 스크레이퍼에 전혀 영향을 주지 않고 스 크레이퍼가 연장된 부분에서는 안정된 흐름이 이 루어지고 있었다. 이러한 상황은 24시간 연속 제 빙 운전 조건에서의 제빙수의 유량과 제빙기 입 구의 압력 그리고 스크레이퍼의 소비 동력에서 확인할 수 있으며 최종적으로 축열조로 이송되어 온 아이스슬러리의 상태에서 확인할 수 있다. 축 열조로 들어오는 아이스슬러리에 덩어리진 얼음 이 보이는 것은 수실에서의 부분적인 폐쇄 가능 성을 의미하므로 이러한 현상이 없어야 하는데 축열조의 아이스슬러리는 전혀 그러한 기미가 없 었다.
수실에서의 부분적인 폐색이라도 발생하여 스크레이퍼기 진동을 일으키게 되면 이는 곧바로 유량과 압력의 변화로 나타나며 특히 전력량 값 이 크게 증가하게 된다.
그림 8은 24시간 연속으로 제빙과 해빙이 계속 이루어진 날의 기록이다. 유량은 제빙 초기에 스크 레이퍼가 가동하면서 약간 증가하게 되며 이후 브 라인의 밀도 변화에 의하여 조금씩 줄어들게 된다.
압력이나 열전달에 이상이 전혀 보이지 않으며 안 정된 운전이 이루어짐을 보여주고 있다.
결론 및 후기
대용량의 아이스슬러리 제빙장치가 국내에서 개발되었다. 이는 기존의 제빙장치가 가졌던 한 계를 여러 부분에서 극복한 제품으로 기대가 큰 제품이다.
이 제품이 완성될 때까지 많은 분으로부터 분 에 넘치는 도움을 받았다. 특히 KIST 이윤표 박사 의 도움은 결정적이었으며 횡형으로 전환을 가능 하게 하였다.
아직 검증이 덜 된 제품을 가능성을 확인하고 과감히 적용해준 분당서울대 병원관계자들의 도 움이 없었으면 이 제품은 가능성이라는 울타리에 갇힌 그림 속의 제품으로 남았었을 수도 있었다.
리스크를 분담하여 시공을 같이한 S 기업 대표님 과 어려운 결단을 하여 냉동기 제작과 제빙기의 적용에 나선 L 전자 관계자들에게도 감사의 마음 을 전한다.
참고 문헌
1. Paul Rivet IIR Bulletin 2007-1, Ice Slurries:
State of the Art.
2. Lee,S.H, Yoo,H.and Lee,Y.P., 2010 Experimental study on development of horizontal type ice maker for ice slurry, SAREK 2010 Summer Anual Conference.pp.
55-60.
[그림 8] Change of flow rate, pressure, and temperature at 24h-ice making operation.
