대류 열전달 계수 측정을 통한 공기 흐름 및 제품 배치가 냉동 공정에 미치는 영향 비교 연구

Comparison of the Effects of Air Flow and Product Arrangement on Freezing Process by Convective Heat Transfer Coefficient Measurement

식품 산업에서 냉동 시간의 단축은 에너지 비용을 절감하고 제품의 품질을 유지하기 위한 핵심적인 목표입니다. 본 연구는 공기 흐름의 방향(송풍 vs 배풍)과 제품의 배치 방식이 식품 샘플의 냉동 공정에 미치는 영향을 정밀하게 조사하였습니다. 연구팀은 냉동 저장실 내부에 휴대용 강제 대류 시스템을 구축하여 실제 산업 환경과 유사한 실험 조건을 조성했습니다. 대류 열전달 계수(hc)를 측정하기 위해 알루미늄 테스트 바디를 이용한 집중 열용량법(Lumped-capacitance method)을 적용하였으며, 이를 통해 열전달 효율을 정량적으로 분석했습니다. 실험 결과, 공기 배풍(Exhaustion) 방식이 송풍(Insufflation) 방식보다 공기 분포를 훨씬 더 균일하게 형성하여 냉동 효율을 높이는 것으로 나타났습니다. 특히 배풍 방식은 송풍 방식에 비해 최대 공기 속도는 낮았음에도 불구하고 냉동 시간을 최대 14%까지 단축하는 성과를 보였습니다. 또한 제품 패키지 사이의 간격을 넓히는 배치 전략이 대류 열전달 계수를 유의미하게 향상시킨다는 점을 확인했습니다. 이는 단순히 팬의 출력을 높이는 것보다 전략적인 제품 배치와 공기 흐름 관리가 공정 최적화에 더 효과적임을 입증합니다. 본 연구의 결과는 산업용 급속 냉동 터널의 설계 개선과 에너지 효율적인 운영을 위한 실질적인 지침을 제공합니다.

메타데이터 및 키워드

논문 메타데이터

• Industry: 식품 가공 / 냉동 공학
• Material: 식품 모델 시스템 (15% 자당 및 0.5% 카르복실-메틸 셀룰로오스 용액)
• Process: 공기 충격 냉동 (Air blast freezing)
• System: 축류 팬이 장착된 휴대용 강제 대류 시스템 (터널)
• Objective: 공기 흐름 방향 및 샘플 배치가 냉동 시간과 대류 열전달 계수에 미치는 영향 평가

핵심 키워드

• Convective heat transfer coefficient
• Air blast freezing
• Food products
• Air flow orientation
• Product arrangement
• Lumped-capacitance method

핵심 요약

연구 구조

본 연구는 냉동 저장실 내에 설치된 휴대용 강제 대류 터널을 사용하여 공기 흐름 방향(상단에서 하단으로의 송풍 및 하단에서 상단으로의 배풍)과 두 가지 제품 배치(밀집 배치 및 간격 배치)가 냉동 성능에 미치는 영향을 비교 분석하는 구조로 설계되었습니다.

방법 개요

집중 열용량법을 사용하여 알루미늄 블록의 온도 변화를 측정함으로써 대류 열전달 계수를 산출했습니다. 식품 모델로는 자당과 CMC 용액을 사용하였으며, 다양한 위치에서의 공기 속도와 온도를 모니터링하여 데이터의 신뢰성을 확보했습니다.

주요 결과

배풍 방식은 송풍 방식보다 평균 공기 속도가 낮음에도 불구하고(1.88 m/s vs 3.05 m/s), 공기 분포의 균일성을 바탕으로 냉동 시간을 최대 14% 단축했습니다. 또한 제품 간격을 넓힌 ‘배치 2’는 밀집된 ‘배치 1’보다 대류 열전달 계수가 높게 측정되었으며, 특히 배풍 조건에서 하단 레이어의 hc 값이 약 2배 가까이 증가하는 결과를 보였습니다.

산업적 활용 가능성

에너지 효율적인 급속 냉동 터널 설계, 냉동 효율 극대화를 위한 팔레트 적재 및 박스 배치 최적화, 기존 냉동 창고의 냉동 속도 개선을 위한 휴대용 강제 대류 시스템 도입 등에 활용될 수 있습니다.

한계와 유의점

실험에 사용된 열선 풍속계는 공기 흐름의 방향을 표시하지 못하고 크기만 측정할 수 있다는 한계가 있습니다. 또한 실험실의 제한된 공간으로 인해 덕트 출구와 샘플 상단 레이어 사이에서 공기가 충분히 확산되지 못하는 현상이 발생했으며, 테스트 바디 표면의 응결이 측정값에 영향을 줄 가능성이 존재합니다.

논문 상세 정보

1. 개요

• Title: Comparison of the Effects of Air Flow and Product Arrangement on Freezing Process by Convective Heat Transfer Coefficient Measurement
• Author: Douglas Fernandes Barbin and Vivaldo Silveira Junior
• Year: 2011
• Journal: Heat Transfer – Theoretical Analysis, Experimental Investigations and Industrial Systems
• DOI/Link: http://www.intechopen.com/books/heat-transfer-theoretical-analysis-experimental-investigations-and-industrial-systems/comparison-of-the-effects-of-air-flow-and-product-arrangement-on-freezing-process-by-convective-heat-transfer-coefficient-measurement

2. 초록

냉동 시간의 단축은 에너지 비용을 낮추기 위한 산업계의 주요 목표입니다.

식품 제품은 주로 유체 대류에 기반한 공기 충격 냉동 터널에서 냉동됩니다.

이 장의 목적은 대류 열전달 계수를 측정함으로써 공기 흐름과 샘플 배치가 냉동 시간에 미치는 영향을 논의하는 것입니다.

결과는 제품 배치와 공기 흐름 방향의 미세한 변화가 열전달에 어떤 영향을 미칠 수 있는지 보여줍니다.

배풍 공정은 송풍(insufflation) 시스템에 비해 냉동 시간을 최대 14% 단축했습니다.

3. 방법론

샘플 준비 및 식품 모델 시스템: 실험을 위해 15% 자당과 0.5% 카르복실-메틸 셀룰로오스(CMC) 용액을 조제하여 0.1kg 폴리에틸렌 백에 포장했습니다. 샘플의 크기는 0.095m x 0.07m x 0.015m로 일정하게 유지되었습니다. 이 샘플들은 21%의 개구율을 가진 플라스틱 박스(0.6m x 0.4m x 0.12m)에 담겨 실험에 사용되었습니다. 이러한 모델 시스템은 실제 식품의 냉동 특성을 모사하면서도 실험의 재현성을 높이기 위해 선택되었습니다.

실험 장치 및 휴대용 강제 대류 시스템: 0.5마력의 축류 팬이 장착된 휴대용 터널 시스템을 3m x 3m x 2.3m 크기의 냉동 저장실 내부에 설치했습니다. 이 시스템은 공기를 상단에서 하단으로 불어넣는 송풍 방식과 하단에서 상단으로 빨아들이는 배풍 방식 두 가지로 작동할 수 있도록 설계되었습니다. 팔레트 위에 쌓인 박스들을 통해 공기가 순환하며 샘플을 냉각시키는 구조입니다. 이를 통해 공기 흐름의 방향성이 냉각 효율에 미치는 직접적인 영향을 비교할 수 있었습니다.

대류 열전달 측정 기술: 대류 열전달 계수를 측정하기 위해 높은 열전도율을 가진 알루미늄 벽돌(0.10m x 0.07m x 0.025m)을 테스트 바디로 사용하는 집중 열용량법을 적용했습니다. 알루미늄의 밀도는 2701.1 kg/m³, 비열은 938.3 J/kg°C, 열전도율은 229 W/m°C로 설정되었습니다. 비오 수(Biot number)를 0.1 미만으로 유지하여 내부 온도 구배를 최소화함으로써 측정의 정확도를 확보했습니다. 시간에 따른 온도 변화 데이터를 수집하여 대류 열전달 계수를 계산하는 수식에 적용했습니다.

4. 결과 및 분석

공기 흐름 및 속도 분포 분석: 송풍 방식은 중앙부에서 15 m/s 이상의 높은 속도를 보였으나 전체적인 균일성은 낮았습니다. 반면 배풍 방식은 평균 공기 속도가 1.88 ± 0.2 m/s로 송풍 방식의 3.05 ± 0.2 m/s보다 낮았음에도 불구하고, 터널 내부에서 훨씬 더 고른 공기 흐름을 형성했습니다. 이러한 균일한 공기 분포는 모든 샘플 레이어에서 일관된 냉각 효과를 유도하는 핵심 요인으로 작용했습니다.

냉동 효율 및 시간 비교: 배풍 방식은 낮은 공기 속도에도 불구하고 송풍 방식보다 냉동 시간을 효과적으로 단축했습니다. 실험 결과 배풍 방식은 송풍 시스템 대비 최대 14%의 냉동 시간 절감 효과를 보였습니다. 터널을 사용하지 않은 대조군 실험에서는 냉동에 47시간이 소요된 반면, 배풍 방식과 간격 배치(Arrangement 2)를 결합했을 때는 38시간으로 단축되어 공정 최적화의 중요성을 입증했습니다.

대류 열전달 계수(hc) 결과 분석: 제품 패키지 사이의 간격을 넓힌 ‘배치 2’는 대부분의 위치에서 ‘배치 1’보다 높은 대류 열전달 계수 값을 나타냈습니다. 측정된 hc 값은 위치와 흐름 방식에 따라 3.58에서 31.72 W/m²°C의 범위를 보였습니다. 특히 배풍 공정에서 배치 2를 적용했을 때 하단 테스트 바디(T1, T2)의 hc 값은 밀집 배치인 배치 1보다 거의 두 배 가까이 높게 측정되어 공기 순환 통로 확보의 중요성을 보여주었습니다.

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

• Figure 2: 포장 박스 내 샘플 분포를 보여주는 개략도. 밀집된 산업용 배치(Arrangement 1)와 간격을 둔 배치(Arrangement 2)의 차이를 시각적으로 설명합니다.
• Figure 8: (a) 송풍 공정과 (b) 배풍 공정에서 제품 표면의 공기 흐름 속도 결과. 송풍의 불균일성과 배풍의 상대적 균일성을 비교하여 보여줍니다.
• Table 2: 두 가지 샘플 배치와 두 가지 공기 흐름 방향에 따라 측정된 대류 계수 결과. 배치 2와 배풍 방식의 조합이 열전달을 개선한다는 정량적 증거를 제공합니다.

6. 참고문헌

• Barbin, D. F.; Neves Filho, L. C.; Silveira Junior, V. (2010). Convective heat transfer coefficients evaluation for a portable forced air tunnel. Applied Thermal Engineering, 30. p.229–233.
• Talbot, M. T.; Fletcher, J. H. A (1996). Portable Demonstration Forced-Air Cooler. Agricultural and Biological Engineering Department, Florida Cooperative Extension Service, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida, pub.CIR1166/AE096. Available in: <http://edis.at.ufl.edu/AE096>.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 비오 수(Biot number, Bi)란 무엇이며 이 연구에서 왜 중요한가요?

비오 수는 샘플 내부의 열전달 저항과 외부의 열전달 저항의 비율을 나타내는 무차원 수입니다. 본 연구에서는 Bi = (h * Lc) / kb로 정의됩니다. 비오 수가 0.1보다 작으면 샘플 내부의 온도 분포가 균일하다고 가정할 수 있는 ‘집중 열용량 모델’을 적용할 수 있기 때문에, 측정의 단순화와 정확성을 위해 매우 중요한 지표입니다.

Q: 배풍(Exhaustion) 방식이 송풍(Insufflation) 방식보다 냉동 시간을 더 많이 단축한 이유는 무엇인가요?

배풍 방식은 평균 공기 속도가 송풍 방식보다 낮았음에도 불구하고(1.88 m/s vs 3.05 m/s), 팔레트 전체에 걸쳐 공기를 더 균일하게 분포시켰기 때문입니다. 송풍 방식은 중앙부에 공기가 집중되어 불균일한 냉각을 초래하는 반면, 배풍 방식은 모든 샘플 레이어에 공기가 고르게 도달하게 하여 전체적인 냉동 시간을 최대 14% 단축시켰습니다.

Q: ‘배치 2(Arrangement 2)’가 대류 열전달 계수에 미친 영향은 무엇인가요?

배치 2는 박스 내부의 패키지 사이 간격을 넓힌 배치 방식입니다. 이 방식은 공기가 샘플 사이를 더 자유롭게 흐를 수 있게 하여 대류 열전달 계수(hc)를 전반적으로 향상시켰습니다. 특히 배풍 공정에서 하단 레이어의 hc 값은 밀집 배치인 배치 1에 비해 거의 두 배 가까이 증가하는 결과를 보였습니다.

Q: 집중 열용량법을 사용하기 위해 알루미늄 테스트 바디를 선택한 이유는 무엇인가요?

알루미늄은 열전도율(229 W/m°C)이 매우 높아 내부 온도 구배를 최소화할 수 있기 때문입니다. 이는 비오 수를 0.1 미만으로 유지하는 데 유리하며, 결과적으로 테스트 바디 내부의 온도가 위치에 관계없이 일정하다고 가정하고 외부 대류 조건에 의한 온도 변화만을 정밀하게 측정할 수 있게 해줍니다.

Q: 공기 속도 측정에서 나타난 송풍 방식의 문제점은 무엇이었나요?

송풍 방식은 팬 바로 아래 중앙 부분에서 15 m/s 이상의 매우 높은 속도를 기록했지만, 주변부와 하단부로 갈수록 속도가 급격히 떨어지는 불균일성을 보였습니다. 이러한 속도 편차는 제품 간의 냉동 속도 차이를 유발하여 전체 공정의 효율성을 떨어뜨리고 품질의 불균형을 초래할 수 있습니다.

Q: 이 연구 결과가 실제 산업용 냉동 터널 운영에 주는 시사점은 무엇인가요?

단순히 팬의 전력을 높여 공기 속도를 증가시키는 것보다, 공기 흐름의 방향을 배풍 방식으로 설정하고 제품 간의 적절한 간격을 확보하는 것이 냉동 효율 개선에 더 효과적이라는 점을 시사합니다. 이는 에너지 소비를 줄이면서도 더 빠르고 균일한 냉동을 가능하게 하여 생산성을 높일 수 있는 실질적인 공정 최적화 방안을 제공합니다.

결론

본 연구는 공기 흐름의 방향과 제품 배치의 최적화가 냉동 공정의 효율성을 결정짓는 핵심 요소임을 입증했습니다. 배풍 방식은 송풍 방식보다 낮은 에너지로도 더 균일한 공기 분포를 형성하여 냉동 시간을 14% 단축하는 성과를 거두었으며, 제품 간 간격 확보를 통해 열전달 효율을 극대화할 수 있음을 확인했습니다.

이러한 결과는 산업 현장에서 단순히 장비의 출력을 높이는 대신, 전략적인 적재 방식과 공기 흐름 제어를 통해 운영 비용을 절감하고 제품 품질을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다. 다만, 실험 장비의 측정 한계와 공간적 제약에 따른 추가 연구의 필요성이 제기되었으며, 향후 더 다양한 제품 형태와 대규모 산업 환경에서의 검증이 기대됩니다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: Douglas Fernandes Barbin and Vivaldo Silveira Junior (2011). Comparison of the Effects of Air Flow and Product Arrangement on Freezing Process by Convective Heat Transfer Coefficient Measurement. Heat Transfer – Theoretical Analysis, Experimental Investigations and Industrial Systems.

DOI/Link: http://www.intechopen.com/books/heat-transfer-theoretical-analysis-experimental-investigations-and-industrial-systems/comparison-of-the-effects-of-air-flow-and-product-arrangement-on-freezing-process-by-convective-heat-transfer-coefficient-measurement

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