KR100255834B1 - 구형 얼음 입자 제조 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구형 얼음 입자 제조 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 급수 펌프와, 급수 펌프와 연결되고 물 분무 노즐을 갖춘 진공 챔버와, 진공 챔버 내부를 소정 압력 이하로 유지하기 위해 진공 챔버로부터 증기를 배출하여 압축시키는 부스터와, 부스터에 의해 압축된 증기를 응축시키는 응축기와, 응축기로부터 응축되지 않는 가스를 배출하는 진공 펌프로써 구성된다. 또한, 상기 방법은 진공챔버를 제1압력 이하로 감압하는 단계와, 급수원으로부터 진공 챔버의 분무 노즐로 물을 공급하는 단계와, 분무 노즐로부터 진공 챔버 내부에 물을 소정 크기 이하의 액적으로 분무하여 구형 얼음을 제조하는 단계와, 상기 구형 얼음 제조 단계중에 진공 챔버로부터 증기를 배출시켜 진공 챔버를 제2압력 이하로 유지하고 증기를 그 포화 온도가 상온보다 높도록 압축시키는 단계와, 압축된 증기를 상온의 물을 냉매로 하는 응축기에서 응축시키는 단계와, 응축 단계에서 응축된 물을 배수하고 불응축 가스를 배출하는 단계로써 구성된다.
Description
본 발명은 얼음 제조 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 지역 냉방의 경우에 물과 함께 냉열 수송 매체로 사용할 수 있는 얼음 입자를 제조하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
얼음 입자는 예를 들어 지역 냉방 시스템의 냉열 수송 매체로 사용할 수 있다. 지역 냉방 시스템에서는 물을 매체로 사용하여 관을 통해서 냉열을 수송한다. 따라서, 높은 냉열 수송 효율을 유지함으로써 관의 크기를 작게 하는 것이 중요하다. 이를 위한 한가지 방법으로는 냉수에 얼음 입자를 섞어서 냉열을 수송하는 방법이 있으나, 이 방법에서는 얼음 입자들 상호간의 점성에 기인하여 관이 폐색될 위험이 있다. 구형 얼음 입자는 불규칙한 모양의 얼음 입자에 비해 점성이 작으므로 이러한 관 폐색의 위험을 줄이는 데 기여한다.
기존의 얼음 제조 방식으로서는 브라인(brine) 수용액과 냉매를 간접 접촉시켜 얼음을 제조하는 간접 접촉 방식과 브라인 수용액과 냉매를 직접 첩촉시켜 얼음을 제조하는 직접 접촉 방식이 있다.
제2도에는 간접 접촉 방식의 얼음 제조 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 이 도면에서, 2는 냉매 저류 용기, 8은 브라인 혼합액 유동관이다. 일반적으로 냉매 저류 용기(2)는 환형의 통형으로 되어 있으며 이 용기의 상부에는 냉매 공급원에 연결된 냉매 유입부(4)가 마련되어 있고 하부에는 냉매 배출부(12)가 마련되어 있다. 상기 유입부(4)와 냉매 공급원(도시 생략) 본체 사이에는 냉매를 팽창시키는 팽창 밸브(6)가 설치되어 있고 상기 배출부(12)는 냉매를 압축하는 압축기(도시 생략)에 연결되어 있다. 즉, 냉매는 냉매 공급원으로부터 팽창 밸브(6)를 거쳐 냉매 저류 용기(2) 안에 도입되어 배출부(12)를 통해서 압축기에 배출되어 압축기에서 압축된 후 냉매 공급원으로 유동하는 폐쇄 루프를 따라 유동한다.
브라인 혼합액 유동관(8)은 원통형으로 되어 있으며 일단은 공급부(도시 생략)에 연결되고 타단은 배출부(도시 생략)에 연결되어 있다. 브라인 혼합액 유동부의 외경은 상기 냉매 저류 용기(2)의 내경보다 약간 작아서 그 안에 끼워지도록 되어 있다.
이러한 구성을 취하는 얼음 제조 장치에서, 냉매는 팽창 밸브(6)를 통해서 냉매 저류 용기(2)에 유입되고 배출부(12)를 통해서 압축기로 배출된다. 또한, 브라인 혼합액 공급부에서 공급되는 저밀도 브라인은 냉매로 채워진 냉매 저류 용기(2)의 환형 내부 부분을 통과하는 동안에 냉각되어 고밀도 브라인 및 얼음으로 변화된다.
제3도에는 직접 접촉식 얼음 제조 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 이 도면에서 28은 냉열 저장 탱크, 22는 냉매 배출부, 24는 냉매 유입부이다. 냉매 유입부(24)는 팽창 밸브(26)를 거쳐 냉매 공급원(도시 생략)에 연결되어 있고 냉매 베출부(22)는 압축기(도시 생략)에 연결되어 있다. 즉, 냉매는 냉매 공급원(도시 생략)으로부터 팽창 밸브(26)를 거쳐 냉열 저장 탱크(28)에 도입되고 배출부(22)를 통해서 압축기(도시 생략)로 이어지는 폐쇄 순환 루프를 따라 유동한다.
냉열 저장 탱크(28) 내에 주입된 저밀도 브라인은 냉매가 냉열 저장 탱크(28)를 통과할 때 냉매에 직접 접촉함으로써 고밀도 브라인 및 얼음 입자로 변화된다.
상기에 설명한 간접 접촉식 및 직접 접촉식 얼음 제조 방식에서는 얼음 입자가 형성된 후에 브라인과 얼음 입자를 분리 또는 회수하는 공정을 필요로 한다. 또한, 프레온 등의 냉매를 사용함으로써 환경에 나쁜 영향을 미치게 된다.
또 다른 종래 기술의 예로서는 제4도에 도시된 것과 같은 감압 증발식 얼음 제조 방법이 있다.
이러한 방식에서는 진공 챔버(34) 내에 물을 충전한 후에 챔버 내부를 진공 상태로 함으로써 얼음이 형성된다. 그러나, 진공 챔버(34) 내에 형성된 얼음이 딱딱한 층을 형성하므로 입자 상태의 얼음을 얻기 위해서는 이를 파쇄하는 공정을 필요로 하며, 파쇄 공정을 거친 후에도 균일한 크기를 갖는 구형 얼음을 얻기가 용이하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 얼음 제조 장치 및 방법에서의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 얼음 제조시 환경에 나쁜 영향을 미치는 프레온 등의 냉매를 사용하지 않고 물 자체를 냉매로서 사용할 수 있는 얼음 입자 제조 장치 및 방법을 마련하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 얼음 입자 제조 공정중에 얼음 입자를 분리 또는 회수하는 공정이나 얼음 덩어리를 파쇄하는 공정을 필요로 하지 않는 얼음 입자 제조 장치 및 방법을 마련하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 모양이 균일한 구형 얼음 입자를 신속하게 제조하는 장치 및 방법을 마련하는 것이다.
본 발명의 일면에 따르면, 급수원에 연결되어 이로부터의 물을 진공 챔버에 공급하는 급수 펌프와, 급수 펌프에 연결된 물 분무 노즐을 내부에 갖춘 진공 챔버와, 진공 챔버 내부를 소정 압력 이하로 유지하도록 진공 챔버로부터 증기를 배출하여 압축시키기 위해 진공 챔버의 상부에서 진공 챔버 내부에 연결된 부스터와, 상기 부스터에 의해 압축된 증기를 응축시키기 위해 부스터에 연결된 응축기와, 상기 응축기로부터 응축되지 않은 가스를 배출하기 위해 응축기에 연결된 진공 펌프로서 구성된 구형 얼음 입자 제조 장치가 마련된다.
본 발명의 또 다른 일면에 따르면, 진공 챔버를 소정 압력 이하로 감압하는 단계와, 급수원으로부터 진공 챔버의 분무 노즐로 물을 공급하는 단계와, 분무 노즐로부터 진공 챔버 내부에 물을 소정 크기 이하의 액적으로 분무하여 구형 얼음을 제조하는 단계와, 상기 구형 얼음 제조 단계중에 진공 챔버로부터 증기를 배출시켜 진공 챔버를 상기 소정 압력 이하로 유지하고 증기를 그 포화 온도가 상온보다 높도록 압축시키는 단계와, 압축된 증기를 상온의 물을 냉매로 하는 응축기에서 응축시키는 단계와, 응축 단계에서 응축된 물을 배수하고 불응축 가스를 배출하는 단계로써 구성되는 구형 얼음 입자 제조 방법이 마련된다.
상기 진공 챔버내의 압력은 분무 액적으로부터 증발된 증기를 부스터로 연속 배기시킴으로써 약 3.5 토르로 유지된다.
또한, 다중 노즐은 직경이 약 80 내지 100 ㎛인 분무 액적을 분무하도록 구성되어 있다.
제1도는 본 발명에 따른 얼음 입자 제조 방치의 일례를 도시한 개략도.
제2도는 종래의 간접 접촉식 얼음 제조 방식을 도시한 개략도.
제3도는 종래의 직접 접촉식 얼음 제조 방식을 도시한 개략도.
제4도는 종래의 진공식 얼음 제조 방식을 도시한 개략도.
제5도는 본 발명의 장치에서 실시한 시간 경과에 대한 액적의 온도 변화를 나타낸 것으로 실험값과 이론값을 비교 도시한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
44 : 물 탱크 46, 50, 62, 76 : 밸브
48 : 급수 펌프 54, 58 : 부스터
60 : 응축기 68 : 진공펌프
70 : 응축수 탱크 74 : 진공 챔버
80 : 다중 노즐
본 발명의 일 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저, 제1도에는 본 발명에 따른 얼음 입자 제조 장치의 일례가 도시되어 있다. 이 도면에서, 얼음 입자 제조 장치는 물을 저장하는 물 탱크(44), 물을 진공 챔버 안에 분무하기 위한 급수 펌프(48), 급수 펌프에 의해 진공 챔버 내에 공급된 물을 액적 상태로 분무하는 다중 노즐(80), 상기 액적이 얼음으로 생성되는 진공 챔버(74), 진공 챔버 내의 증기를 배출하여 압축시키는 제1 및 제2 부스터(54, 58), 압축된 증기를 응축시키는 응축기(60) 및 불응축 가스를 배출하는 진공 펌프(68) 등으로 이루어져 있다.
물 탱크(44)는 수도꼭지 등의 급수원으로부터 물을 공급받으며 그 하단에는 급수 펌프(48)에 이어지는 파이프가 연결되어 있다. 진공 챔버(74)는 상부 및 하부가 막혀 있는 원통형을 취하며, 그 내부에는 다중 노즐(80)이 배치되어 있다. 다중 노즐(80)은 급수 펌프(48)에 의해 밸브(50)를 통해서 공급된 물을 액적으로 분사하는 기능을 한다. 또한, 진공 챔버(74)의 상부에는 부스터(54, 58)로 이어지는 파이프가 연결되어 있고 하부에는 얼음입자가 배출되는 파이프가 연결되어 있다. 부스터(54, 58)는 모터(52, 56)를 각각 갖고 있으며, 진공 챔버(74)에서 배출되는 증기를 모터를 사용하여 압축하여 파이프를 통해서 응축기(60)로 보낸다. 응추기(60)는 압축된 증기를 응축시켜서 이를 상기 응축기 하부에 배치된 응축수 탱크(70)에 보내도록 기능한다. 진공 펌프(68)의 일단은 파이프를 통해서 응축기(60)에 연결되고 타단은 가스 배출부에 연결되어 있으며, 응축기에서 배출되는 불응축 가스를 배출하는 기능을 한다.
상기에 설명한 것처럼 제1부스터(54)는 진공 챔버에서 배출되는 증기를 압축하여 제2부스터(58)에 보내는 기능을 하며, 제2부스터는 제1부스터에서 공급되는 압축 증기를 재차 압축하여 응축기(60)에 보낸다.
응축기(60)의 일단은 파이프를 거쳐 제2부스터(58)에 연결되고 타단은 진공펌프(68)에 연결되어 있다. 응축기(60)는 제2부스터(58)로부터 압축된 증기를 공급받아 이를 응축하여 응축수 탱크(70)에 보내는 기능을 한다. 또한, 응축기(60)의 타단에 연결된 진공 펌프(68)는 응축기(60)에서 응축되지 않은 불응축 가스를 외부로 배출하는 기능을 한다.
상기 구성을 취하는 얼음 제조 장치의 작동에 대하여 설명한다.
먼저, 진공 펌프(68)를 작동시켜서 진공 챔버(74)를 포함하여 전체 장치를 소정의 진공 상태로 만든다. 상기 진공 펌프(68)는 전체 장치가 소정의 운전 예비 상태로 되면 정지되고, 장치의 실제 운전중에는 응축기(60)로부터의 불응축 가스를 배출시키기 위해서만 간헐적으로 작동된다. 진공 챔버(74)가 예를 들어 3.5 토르인 소정의 진공 상태로 되면 급수 펌프(48)로 물을 소정 압력으로 가압하여 이를 진공 챔버 상부에 설치된 다중 노즐(80)을 통해서 분무시킨다. 이 때의 물의 입자는 직경이 약 80 ㎛ 정도인 구형 액적으로 분무된다. 진공 챔버(74) 내부를 약 3.5 토르의 진공 상태로 유지하기 위해 분무 액적으로부터 생성된 증기를 제1부스터(54)로 뽑아 내서 압축하고 이를 제2부스터(58)에서 재차 입축한다. 상기 진공 챔버(74) 내에서는 증기가 증발할 때 증발열을 액적으로부터 공급받으므로 액적 자체는 냉각되며 매우 짧은 시간 내에 구형의 얼음 입자로 상변화한다. 이렇게 생성된 얼음 입자는 진공 챔버(74) 하부에 연결된 배출부를 통해서 배출된다.
한편, 제1부스터(54)에 의해 진공 챔버(74)로부터 배출되어 압축된 증기는 제2부스터(58)에 도입되어 여기서 재차 압축되어 응축기(60)에 보내진다. 응축기(60)에 도입되어 응축된 물은 응축수 탱크(70)에 보내지고 응축되지 않은 불응축가스는 진공 펌프(68)에 도입되어 이로부터 외부로 배기된다.
액적이 진공 챔버(74) 내에 체공하는 시간에 따른 액적의 온도 변화는 “분무 액적의 내부 에너지 변화 = (액적이 주위로부터 열전도에 의해 받은 열 에너지) - (액적이 증발에 의해 잃어버린 열에너지)”의 관계를 이용하여 다음 식으로 표현할 수 있다.
[수학식 1]
여기서, δTp, ρp, Cp및 Dp는 각각 액적의 미소 시간 동안의 온도차, 밀도, 비열 및 직경이고, hfg, Dv, M 및
은 물의 증발 잠열, 수증기의 확산 계수, 물의 분자량 및 기체 상수이다. Pa및 Ta는 액적 표면에서의 압력 및 온도이고, P∞및 T∞는 주위의 압력 및 온도이다. 또한, kg는 증기의 열전도 계수이고, δt는 미소 시간이다.
제5도는 직경이 30 내지 60 ㎛인 액적의 시간에 따른 온도 변화를 상기 식으로부터 구하여 실험값과 비교한 것을 나타낸 그래프이며, 여기서 보는 것처럼 이론값과 실제값이 비교적 양호하게 일치한다. 따라서, 상기식으로부터 액적의 냉각 속도는 액적 크기를 제곱한 값에 반비례하며, 또한 80 ㎛인 액적이 얼음 입자로 바뀌는 데는 물의 과냉각 상태를 고려하더라도 0.01초 이내의 매우 짧은 시간밖에 소요되지 않음을 유추할 수 있다.
예를 들어, 크기가 100 ㎛인 액적이 10 m/s의 속도로 분무되는 경우에 액적이 1.5 m 높이에서 챔버 내에서 체공하는 시간은 0.15초 정도가 되므로 액적이 챔버 내에서 상변화하기에 충분하다.
한편, 부스터(54, 58)의 사용으로 인해서 챔버로부터 배기되는 증기의 압력을 약 60 토르까지 상승시킬 수 있으며, 이때 증기의 포화 온도는 41.4 ℃로 상승한다. 따라서, 응축기에서는 20 ℃ 정도의 상온의 수돗물로도 증기를 응축할 수 있다.
본 발명에 따른 장치를 사용하여 얼음 입자를 제조하면 냉동기를 필요로 하지 않고 물만을 냉매로 사용하므로 종래의 프레온 등의 냉매를 사용함에 따라 수반되던 공해 문제를 일으키지 않고 안전하다. 또한, 브라인을 사용하지 않으므로 별도의 얼음 입자 분리 또는 회수 공정이 필요하지 않으며, 미세한 구형 얼음 입자가 얻어지므로 얼음 덩어리를 파쇄하는 공정도 필요로 하지 않는다.
또한, 본 발명에서는 얼음 입자 제조를 위해 별도의 열교환기를 필요로 하지않는 직접 접촉식 제조 방식과 유사하므로 성적 계수(COP)가 4정도로 높은 값을 나타낸다.
따라서, 본 발명은 신속하게 구형 얼음 입자를 제조할 필요가 있는 경우에 사용할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 구형의 얼음 입자는 불규칙한 모양의 얼음 입자에 비해서 점성이 작으므로 이를 냉열 수송관 등으로 수송할 경우에는 수송동력이 저감되고 입자간의 결합력이 작아서 관 폐색의 위험을 경감시킬 수 있으며, 냉수에 얼음 입자를 섞은 고밀도 냉열 수송이 가능하므로 냉수만을 수송하는 경우에 비해서 배관의 소형화가 가능하여 비용 절감을 이룰 수 있어서 지역 냉방 실용화에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 장치로 얻어지는 약 80 ㎛의 미세하면서도 균일한 크기의 구형 얼음 입자는 물 분사 절단(water jet cutting)의 연마제로도 사용할 수 있다. 즉, 물 분사 절단의 절단력을 높이기 위해 연마제가 사용되는데 이 연마제가 주로 금속류이므로 냉동육 등의 식품류의 절단에는 연마제 첨가가 불가능했다. 그러나, 본 발명으로 얻어지는 미세 얼음 입자는 물 분사 절단기의 미세 노즐을 쉽게 통과 할 수 있고 절단 후에는 물로 녹아 버리므로 냉동육 등의 식품 절단시 연마제로 사용 가능하다.
본 발명을 제1도에 도시한 실시예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위는 그러한 실시예로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1도에서는 2개의 무스터를 사용하였으나 부스터의 용량에 따라서는 1개의 무스터만을 사용할 수도 있다. 부스터에 의한 증기의 상승 압력이나 포화 온도는 60 토르 또는 41.4℃로 한정되는 것이 아니며 응축기에서 약 20℃인 상온의 물을 냉매로 하여 응축시킬 수 있는 정도이면 된다.
Claims (7)
- 구형 얼음 입자 제조 장치에 있어서, 급수원에 연결되어 이로부터의 물을 진공 챔버에 공급하는 급수 펌프(48)와, 급수 펌프에 연결된 물 분무 노즐(80)을 내부에 갖춘 진공 챔버(74)와, 진공 챔버 내부를 소정 압력 이하로 유지하도록 진공 챔버로부터 증기를 배출하여 압축시키기 위해 진공 챔버의 상부에서 진공 챔버 내부에 연결된 부스터(54, 58)와, 상기 부스터에 의해 압축된 증기를 응축시키기 위해 부스터에 연결된 응축기(60)와, 상기 응추기로부터 응축되지 않은 가스를 배출하기 위해 응축기에 연결된 진공 펌프(68)로써 구성된 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항에 있어서, 진공 챔버(74) 내의 압력이 부스터(54, 58)에 의해 3.5 토르로 유지되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 노즐(80)에서 분무되는 액적의 직경이 80 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 장치.
- 구형 얼음 입자 제조 방법에 있어서, 진공 챔버를 소정 압력 이하로 감압하는 단계와, 급수원으로부터 진공 챔버의 분무 노즐로 물을 공급하는 단계와, 분무 노즐로부터 진공 챔버 내부에 물을 소정 크기 이하의 액적으로 분무하여 구형 얼음을 제조하는 단계와, 상기 구형 얼음 제조 단계중에 진공 챔버로부터 증기를 배출시켜 진공 챔버를 상기 소정 압력 이하로 유지하고 증기를 그 포화 온도가 상온보다 높도록 압축시키는 단계와, 압축된 증기를 상온의 물을 냉매로 하는 응축기에서 응축시키는 단계와, 응축 단계에서 응축된 물을 배수하고 불응축 가스를 배출하는 단계로써 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 소정 압력이 3.5 토르인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 액적의 직경이 80 내지 100 ㎛인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제4항에 있어서, 상기 압축 단계에서 증기의 압력이 약 60 토르 이상으로 상승되는 것을 특징으로 하는 방법.
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