오 후 규
부산수산대학교 공과대학
냉동공학과 교수 |
경남 밀양군 산내면의 천황산 기슭에 있는 「얼음골」이라는 곳에는 한 여름에도 자연적으로 얼음이 언다. 이러한 자연빙의 이용은 인류의 역사와 더불어 시작되었다고 할 수 있으나 그 기록은 고대 중국의 기록에서 비로소 찾아 볼 수가 있다.
중국의 고대 시집 Chi Ching에 의하면 기원전 1000년경 겨울에 생산되는 얼음을 풀이나 흙으로 싸서 빙고에 보관하였다가 여름에 사용하였다는 내용이 실려 있으며, 고대 그리스와 로마에서도 빙고를 만들어
이를 잘 방온하여 얼음이나 눈을 저장하였다고 한다. 이러한 자연빙이나 눈은 수세기 동안 단지 냉동의
목적으로 사용되어 왔다. 인도에서는 냉수를 얻기 위해 다공질 토기 속에 물을 넣고 이를 땅속에 넣어 냉각시켰으며 고대 이집트 사람들은 그들의 술이나 음료수를 다공질 토기로 된 용기속에 넣어 일몰후에 옥상에 두면 밤의 시원한 바람이 항아리의 다공질을 통하여 스며나오는 수분을 증발시킴으로 항아리 속에
있는 음료수를 원래의 것보다 더 냉각시킬 수 있음을 알았는데, 이 원리가 바로 오늘날의 기계식 냉동이나 공기조화의 원리이다.
우리나라의 역사로는 삼국사기에 의하면 A.D. 505년 신라시대 지증왕 6년에 돌로만든 석빙고에 얼음을
저장하였다는 기록이 있다. 조선시대에 이르러서는 일반 평민에게도 지급할 수 있을 만큼 많은 양의 얼음을 저장하였으며 지금도 전국 곳곳에 남아 있는 석빙고(즉, 경주:보물 606호, 안동:보물 305호, 청도:보물 323호, 창녕:보물 310호, 영산:사적 69호 등)는 이를 뒷받침하고 있다. 또한 서울의 동빙고, 서빙고 등의 지명도 얼음을 저장하여 관리하였다는 사실을 잘 말해주고 있는 것으로, 이와 같은 것은 우리의 찬란했던 과거를 잘 증명하는 것이라 하겠다.
얼음을 수송수단에 이용한 것은 1683년 네덜란드 사람 Anton van Leeuwenhoek이 현미경을 발명하고,
물방울 속에 수백만개의 미생물이 있다는 것을 발견한 이후 부터라고 할 수 있다. 과학자들은 이러한 미생물이 10℃이하에서는 전연 증식하지 않음(당시의 기술수준에 의한 관찰 결과로)을 보고 신선한 식품은 10℃ 이하에서는 안전하게 보존할 수 있다는 것을 알았다. 이후 얼음을 식품의 저장이나 수송수단으로서 적극적으로 이용하게 되었는데, 처음으로 수송에 이용한 것은 1806년 Frederic Tudor였다. 뿐만
아니라 그는 호수, 하천에서 얻은 얼음을 남미, 페르샤, 인도 등지에 수송하게 되었으며 1864년에는 세계의 각지방 53개소의 항구에 수송하게 되었다. 이러한 Tudor의 사업으로 말미암아 세계 각국 사람들의
식생활 문화를 크게 향상시켰으며, 1880년 인조빙의 제조될 때까지 이러한 사업이 계속되었다.
제빙기의 특허는 1790년에 영국의 Thomas Harris와 John Long에게 발급되었으나, 제일 먼저 발급된
실제적인 제빙장치의 특허는 1834년 영국에 살고 있던 미국인 기술자 Jacob Perkins에게 주어졌고, 이후 19세기 초에는 기계에 의한 제빙이 본격적으로 시작되어 각종 산업 분야의 발전을 주도하게 되었다.
1855년 De Bows Review에 "얼음은 미국의 명물이고 그 사용은 미국의 풍요로움을 말한다"라고 말하고
있듯이 18세기부터 얼음의 사용량은 바로 그 나라의 문화수준을 나타내게 되었고, 특히 미국에서는 일찍부터 기계적 제빙 기술이 발달되어 이 기술을 곧 바로 수송수단에 이용함으로 해서 소위 "Yankee기업"의
성공을 가져다 주었으며, 미국은 물론 세계 각국의 식생활 개선과 산업 발전을 크게 앞당기게 하였다. |
옛날부터 제빙이라고 하면 어선용, 어획물 보관용 기타 수산물 유통용에 사용하기 위해 얼음을 만드는
것으로 되었다.
제빙공장의 통계를 보면 위의 표에서와 같이 수산물 집산지인 어항을 중심으로 제빙 공장이 집중(부산이
전국의 약 26%)되어있는 것을 알 수 있다. 그러나 얼음은 가장 간단히 냉동작용을 얻을 수 있기 때문에
수산용 뿐만 아니라 일반생활(냉커피, 빙과, 냉면, 냉콩국수...)에도 점차 널리 사용됨에 따라 제빙의 대명사가 수산용이라는 개념은 이미 사라졌다.
표] 시도별 제빙공장 시설 현황 |
구 분
지 역 |
1989년 현재 |
제 빙 (T/D) |
저 빙(M/T) |
서 울 |
164 |
3,900 |
부 산 |
1,517(26.1%) |
14,073(6.8%) |
대 구 |
155 |
1,270 |
인 천 |
517 |
10,160 |
광 주 |
22 |
360 |
경 기 |
105 |
1,355 |
강 원 |
240 |
4,610 |
충 북 |
10 |
250 |
충 남 |
246.7 |
3,667 |
전 북 |
365.8 |
5,071.5 |
전 남 |
998(172.2%) |
14,341(17.1%) |
경 북 |
482 |
11,182 |
경 남 |
858 |
10,570 |
제 주 |
130.8 |
2,447 |
계 |
5,811.3 |
83,760.5 |
이에 따라 제빙장치도 수산용의 대형장치에서부터 여러 가지 자동화 장치가 내장된 가정용에 이르기까지 다양하며, 얼음의 형태도 135kg 각빙의 대형에서부터 비교적 소규모 장치에 의해 생산되는 박편빙,
설상빙, 원통빙, 세편빙등 여러 가지가 있다.
제빙장치는 빙관 및 저온 브라인 탱크를 이용하는 각빙제조 장치와 냉각면에 물을 흘리거나 또는 물을
뿌리고 그 표면을 냉매로 직접 냉각하는 자동제빙 장치로 크게 나눌 수 있는데 그 개요는 다음과 같다.
[1] 각빙 제조 장치 |
이 방식은 주로 공업용 얼음을 만드는 방법으로, 두가지 형식을 기준으로 발달하여 왔다. 즉 빙관(ice
can)에 있는 증류수(원수 혹은 청수)를 동결시키는 빙관식과 큰 판자형의 냉각면 양측에 냇물 또는 우물물을 넣어 동결시켜 투명한 얼음을 만드는 판빙식(plate ice)이 개량되어 왔다.
이 중 판빙식은 1~2주일 정도 동결하여 투명한 얼음을 만드는 것으로 얼음덩이의 무게는 4~5톤 정도이다. 이 방법은 제빙 초기 시대에 이용되었으나 현재에는 이용되지 않으며, 오늘날의 공업용 제빙에는 빙관
혹은 각빙(block ice)법으로 제빙을 한다.
각빙 방식은 오늘날 산업용 제빙 설비의 주류를 이루는 것으로, 1883년 Linde가 처음으로 고안한 방법인데, 제빙조내에 제빙 원수가 들어 있는 빙관(ice can, 아연철판으로 만든 용기)을 질서있게 넣고 탱크내의
브라인을 순환시켜 빙관 외측으로부터 결빙시켜 얼음을 만드는 방법이다.
제빙조는 일종의 물탱크와 같은 것으로 제빙실의 대부분을 차지하고 있다. 이 제빙조에는 보통 비중
1.16~1.21(보메 20。~24。)의 염화칼슘 용액인 브라인이 들어 있고, 이 브라인은 제빙조내에 설치된 브라인 냉각기(보통은 헤링본 코일 냉각기)에 의해 -7~-12℃정도로 냉각·유지된다. 이렇게 냉각된 브라인
중에 원료수(제빙용 원수)를 담은 빙관(ice can)을 넣어 두면 빙관 중의 원수는 외부의 브라인에 의해 냉각되어 첨차 동결된다.
이 때 빙관 중의 원수를 정지된 상태에서 동결시키면 내부에 기포를 포함한 불투명한 얼음이 되므로 이러한 현상을 없애기 위해 빙관중에 직경이 6~7mm의 관을 넣고 여기에 압력 공기를 불어 넣어 빙관중의 물을 교반시키면서 동결시킨다. 이렇게 하면 원수 중의 불순물이나 기포가 분리되므로 투명한 얼음을 얻을
수 있다. 즉, 빙관 중의 원수는 벽주위에서부터 점점 동결되지만 순수한 물이 먼저 동결되므로 중앙부에는
원수중의 불순물이 모이게 된다. 이렇게 불순물을 포함한 물을 심수(core water)라고 한다. 최종적으로
이 심수를 신선한 물과 1~2회 정도 교환하여 빙결시키는데, 약 이틀(48시간)정도 지나면 빙관의 물은 전부 동결된다.
브라인 온도를 너무 내리면 제빙탱크로부터 빙관을 들어 올릴 때 실내온도와 얼음의 온도차가 너무 커서
얼음에 균열이 가는 수가 있기 때문에 보통의 브라인 온도는 -9℃정도가 좋다.
동결이 완료되면 일반적으로 4~15개의 빙관을 양빙기(can grid, 빙관을 제빙조로부터 끌어 올리는 기계)로 제빙조로부터 인장작업을 함으로써 양빙효율을 올리고 있다. 양빙된 얼음은 크레인에 의해 용빙조(상온의 물이 들어 있는 탱크)로 옮겨 빙관에 접한 얼음의 외부를 녹여 탈빙되기 쉽도록 한다. 다음에는 탈빙대로 빙관을 옮겨 빙관이 110~120。정도로 기울게 하여 얼음이 쉽게 빙관으로부터 나오게 한다.
탈빙을 마친 빙관은 양빙기를 이용하여 제빙용 원료수를 다시 넣고 본래의 제빙조에 침지시켜 앞에서 설명한 바와 같은 제빙 작업을 반복하는 것이 빙관식 제빙 방법이다. 그림1은 이러한 제빙공장의 예를 나타낸 것이다. |
그림1. 빙관식 제빙공장의 예
대형빙인 소위 각빙(block ice)을 만들기 위해서는 약 48시간(135kg 관빙인 경우)이 걸린다. 얼음을 빨리 만들기 위해서 브라인의 온도를 내리면 빙관을 제빙조로부터 인양할 때 갑작스런 온도 변화에 의해
얼음이 깨어지는 수가 있다. 이렇게 되면 상품가치가 없으므로 제빙 시간을 단축하는데도 한계가 있다.
그러나 얼음을 빨리 만들 필요가 있을 때가 있는데 이를 위한 방법으로 소형이면서 완전 자동인 제빙장치가 개발되었다. 이 장치들은 빙관식에 비하여 설치 면적이 적으면서 각종 자동장치가 설비되어 있는
것이 특징이다.
이 장치는 판매용이라기 보다 자가용으로서, 생산되는 얼음의 무게를 중시하는 것도 아니고 어떤 특정
계절을 위한 생산도 아닌 연중 가동하여 식품제조, 우유유통, 화학, 의료, 식당, 호텔 등에 이용되고 있다.
이 장치도 최근에는 연속자동계량식으로까지 성능이 보강되고 있으며 저빙 혹은 반송 장치가 부착된 것도 개발되어 대용량화 되는 경향이 있다.
이 형식에는 다음과 같은 종류가 있다.
(1) 팩 아이스 머신(pack ice machine) |
2층으로 된 실린더의 내면에 원료수를 넣고, 2중벽의 내부에 냉매를 직접 팽창시켜서 V자형의 요철( )면을 가진 내벽을 냉각한다. 이 실린더의 요철면에 부착하는 얇은 얼음은 회전체에 의해 원료수의
일부와 같이 실린더로부터 분리되어 나오는데, 이때 얼음이 더욱 작게 쇄빙된다.
이와 같이 만든 얼음은 대단히 입자가 적어 소형의 설빙으로 사용한다. 이 장치는 빙결시간이 짧고, 제빙효율도 좋기 때문에 제빙 톤당 동력 소비량도 적다. |
(2) 플레이크 아이스 머신(flake ice machine) |
원통의 드럼 내부에 브라인이 흐르도록 하여 원통 표면에 리본상의 엷은 얼음판을 만드는 방법이다. 원통 내부에 직접 냉매를 팽창시키고 그 표면에 원료수를 빙결시키는 방법도 있다. 원통 표면에 빙결되는
얼음은 반대 방향으로 회전하는 갈구리에 의해 원통으로부터 떨어지게 하는 구조이다. 얼음의 두께는
0.5~3mm정도이며 부서진 판유리 모양의 얼음이다. |
(3) 튜브 아이스 머신(tube ice machine) |
내부에 다수의 튜브(직경 50mm정도)를 설치한 입형 원통내에 냉매액을 증발시키고, 원료수는 펌프로써
튜브내를 순환시키면서 제빙하는 방법이다. 원료수가 튜브 내에서 결빙이 거의 완료되면(10~15mm)고온·고압의 냉매 가스를 원통 내에 넣음과 동시에 냉매액은 다른 용기로 옮기도록 되어 있다.
튜브내에 빙결된 얼음은 고온·고압의 냉매 증기에 의해 이탈되므로, 이것을 적당히 잘라 막대모양의 얼음(50~80mm)을 얻는 장치이다. 이것은 원료수를 결빙이 완료될 때까지 재순환시키므로 투명한 얼음을
얻을 수 있으나 제빙 효율은 나쁘다. |
(4) 칩 아이스 머신(chip ice machine) |
팩 아이스 식과 플레이크 아이스 식을 합하여 개량한 형식으로 수직으로 고정한 2중벽의 원통으로 되어
있다. 즉, 벽의 내부에 냉매액을 공급·증발시켜 원통 내면을 냉각하여 제빙하는 방법이다. |
(5) 플레이트 아이스 머신(plate ice machine) |
이 장치는 가장 일반적으로 보급된 장치중의 하나이다. 다수의 결빙판 상부로부터 원료수를 흘려 결빙시킨다. 일정한 얼음의 두께가 되었을 때 고온의 냉매(hot gas) 또는 응축기 순환수를 이용하여 탈빙시킨다. 탈빙된 얼음은 쇄빙기에 25mm정도의 각빙을 만든다. 능력은 일산 2~50톤의 기종이 일반적이다.
이 외에 일산 2~46톤 정도 규모인 쉘 아이스 머신(shell ice machine), 호텔의 로비나 가정에서 사용하고 있는 가정용 냉장고용 제빙장치등 여러 가지 소형장치가 있다. |
제빙에 필요한 냉동 능력은 원료수 온도 및 브라인 온도 등의 조건에 따라서 다르나 다음의 4항목으로 생각하는 것이 일반적이다.
① 온도 tw℃인 제빙용 원수를 0℃까지 냉각하는데 필요한 열량
② 물의 동결 잠열에 대한 열량(79.68kcal/kg)
③ 브라인 온도 t1℃ 부근까지 얼음을 냉각하는데 필요한 열량
④ 외부에서 제빙장치로 침입하는 여러 가지 손실 열량
위의 ④항을 무시하면 온도 tw℃인 제빙용 원수 1kg을 브라인 온도, 즉 얼음의 최종 온도 t1℃의 얼음으로 하는데 필요한 냉동 부하를 q0(kcal)이라고 하면 다음과 같다.
q0 = tw x 1 + 79.68 x 1 + 0.5t1 x 1
= tw + 79.68 + 0.5t1 ------------------------ (1)
그러나 실제의 제빙 장치에 있어서는 규모나 구조등에 따라서 다르나 제빙조의 방열, 빙관의 뚜껑을 통한 열의 침입, 복사에 의한 손실, 브라인 교반기나 원료수의 교반에 의한 열손실 등이 모두 냉각 부하로
작용하므로 q0의 10~30% 정도의 열손실이 있다고 생각한다. 이것을 대략 20%라고 보면 식(1)에 대한
냉동부하 q(kcal)는 다음과 같다.
q = 1.2(tw + 79.68 + 0.5t1) --------------------- (2)
따라서 1일 제빙 1톤(1000kg)당의 소요 냉동 능력
Q(kcal/h)는
1000
Q = ----- x 1.2(tw + 79.68 + 0.5t1)
24
= 41.67 x 1.2(tw + 79.68 + 0.5t1) -------------- (3)
이다. 이 냉동 능력 Q를 냉동톤(RT)으로 환산하면,
Q
R = -----(RT) ------------------------------ (4)
3,320
로 된다.
예를 들어 원료수의 온도를 25℃라 하면, 이것을 1℃까지 냉각하는 열량, 물의 동결잠열, 여러 가지 열손실의 합계를 전체의 소요 동력의 20%라고 한다면 이들의 합계가 소위 제빙 능력이다.
따라서 1kg의 물을 1kg의 얼음으로 만드는데 필요한 냉동 능력은 다음과 같이 계산된다.
① 원료수를 0℃까지 냉각하는 열량 : (25-0) x 1 = 25kcal
② 동결잠열 : 1 x 79.68 = 79.68kcal
③ 브라인 온도(-9℃)까지 얼음을 냉각하기 위한 열량 : 1 x {0-(-9) x 0.5} ≒ 5Kcal
④ 열손실의 합계(20%) = 22kcal
따라서 소요 냉동 능력은 ①+②+③+④ ≒ 132kcal이므로 1톤의 얼음을 만드는데 필요한 냉동 능력은,
132 x 1,000
--------- = 1.656냉동톤(RT)
24 x 3,320
이다. 식(4)를 사용하면,
41.67 x 132
--------- = 1.656냉동톤(RT)
3,320
이다.
제빙능력을 브라인의 온도와 원료수의 온도에 따른 제빙 1톤당의 냉동톤으로 나타내면 그림2와 같다. 이것을 이용하면 일일이 위와 같은 계산을 하지 않고도 쉽게 냉동톤을 짐작할 수 있으므로 개략적인 냉동
능력을 알고자 할 경우나, 제빙 장치의 설계 자료로 아주 유용하게 사용할 수 있다. |
그림2. 제빙능력과 냉동능력의 관계
참고문헌  |
1. Jordan, R.C., G.B.Priester, Refrigeration and Air Conditioning, Prentice Hall, Inc., pp. 3~15, 1957.
2. 오후규, 조권옥, 냉동공학의 기초와 응용(1), 냉동공조공학 4(1), pp. 27~33, 1985.
3. 日本冷凍史, 日本冷凍協會, p.464, 1975
4. "Ice-How Much of It is Used and Where It Comes From", De Bow's Review, 19. 709, 1855.
5. Oscar Edward Anderson, Refrigeration in America, Princeton University press, 1953.
6. 냉동냉장업 시설현황, 냉동물제조 수산업 협동조합, 1990.
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