공기를 이용한 충돌제트는 열판을 냉각시키는 방법으로 사용되고 있으며, 다양한 산업 분야에 적용 되고 있다. 충돌제트 열전달에 영향을 주는 요인은 노즐 직경, 풍속, 노즐과 열판 사이의 거리와 각도 등이 있으며 이와 관련된 다양한 연구가 진행되어 왔다. 본 연구에서는 노즐의 면적비에 따라 충돌제트 열전달의 최적 조건을 찾는 것이 목표이며, 열판이 아닌 얼음 트레이에서 물을 응고시키는 방식으로 진행하였다.
실험 장치는 우선 냉장고 내부와 같은 조건을 구현하기 위해 챔버를 사용하였고, 냉동식품 보관 기준 온도를 고려하여 내부 온도를 ?18℃로 설정하였다. 챔버 내부에 얼음을 응고시키기 위한 모듈을 설치하여 진행하였으며, 이 때 챔버의 기류가 영향을 미치지 않도록 하기 위해 우드락을 사용하여, Box 형태로 제작 후 얼음 트레이 주변을 차단하였다. 노즐은 트레이 상단에 설치하였으며, 선행 연구에 따라 효율이 좋은 슬롯 노즐 형태로 제작하였다. 노즐의 높이는 Case 별로 노즐의 폭과 높이의 비가 일정하게 계산되도록 구상하였다. 트레이의 재질은 폴리프로필렌이며, 투입수량은 약 80 mL이다. 팬의 경우 지름이 95mm이며, 3.9V의 전압을 사용하여 실험을 진행하였고, 풍속은 7cm × 7cm 노즐에서 0.5 m/s 일 경우로 설정하였다. 실험 방법은 챔버 내부 온도가 ?18℃가 되었을 경우, 트레이 내부에 물을 투입하여 얼음 내부 온도가 ?10℃가 되면 실험을 종료하였다. 얼음 내부 온도가 ?10℃인 경우, 얼음 내부에 기포가 없이 깔끔한 상태로 응고되었다. Case 별로 급기량을 동일하게 8.82 CMH로 설정하였고, 풍속은 각각 0.5m/s ~ 2.9m/s로 나타났다.
각 Case 별로 가장 먼저 응고된 얼음과 가장 나중에 응고된 얼음에 대해 그래프를 나타내었고, 최적 조건에 대해 확인하였다. Case 1, Case 2, Case 3은 노즐의 폭이 5cm인 경우이며, 높이를 각각 5cm, 7.5cm, 10cm로 설치하였으며, 모두 NAR이 1인 경우에 가장 제빙시간이 100분, 98분, 102분으로 가장 빠르게 나타났다. Case 4, Case 5, Case 6은 노즐의 폭이 7cm인 경우이며, 높이를 각각 7cm, 10.5cm, 14cm로 설치하였고, NAR이 1/2인 경우에 118분, 126분, 131분으로 가장 제빙시간이 빠르게 측정되었다.
시뮬레이션의 경우 압력 분포는 Case 1의 5cm × 1.7cm 노즐에서 계산된 압력만 중앙의 압력이 집중되는 것으로 나타났고, 나머지는 상대적으로 균일한 분포를 가지는 것으로 나타났다. 또한 기류 속도의 경우 노즐의 중앙부보다 셀의 바깥쪽에서 더 빠른 속도를 나타내고 있다. 이는 충돌 직후를 기준으로 노즐 중앙의 속도 벡터가 0을 나타내기 때문에 방향 벡터를 모두 합하였을 때 바깥쪽에서 더 큰 값을 나타내는 것으로 예상할 수 있다. 실제 제빙시간 역시 바깥쪽 셀의 제빙시간이 더 빠르게 측정되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 노즐의 면적에 따라 충돌제트 열전달의 최적 조건을 파악하기 위해 다양한 Case로 실험 및 수치해석을 진행하였고, 노즐의 폭이 짧을 경우에 긴 경우보다 제빙시간이 빠르게 측정되었다. 또한 노즐의 폭이 짧은 경우에서는 높이에 따라 제빙시간이 큰 차이를 보이진 않았다. 노즐의 폭이 긴 경우에는 높이가 늘어나면서 제빙 시간도 늘어나는 것을 확인할 수 있다. 노즐의 면적이 비슷한 Case 2의 NAR이 1인 경우와 Case 4의 NAR이 1/2인 경우는 제빙 시간이 약 20분 차이가 나며, Case 3의 NAR이 1일 때와 Case 5의 NAR이 1/2일 때는 제빙 시간이 약 24분 차이가 난다. 노즐의 면적이 거의 같고 노즐 설치 높이도 비슷하지만 노즐의 형상비에 따라 확연히 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 8.82 CMH 정도의 급기량을 기준으로 25의 노즐 면적이 가장 최적이라 할 수 있으며, 형상비는 a와 b의 비율을 1:1로 설정하는 것이 가장 효과적임을 알 수 있었다.

The air impinging jet is used as a method of cooling a hot plate and applied to various industrial fields. Factors affecting impinging jet heat transfer include the nozzle diameter, the air velocity, the elevation and angle of the nozzle. Also, various studies related to the impinging jet have been conducted. In this study, it was aimed to find the optimal condition of impinging jet heat transfer according to the area ratio of the nozzle, and it proceeded by coagulating the water in the ice tray, not the hot plate.
First, the chamber was used to implement the same conditions as in the refrigerator, and the internal temperature was set to ?18℃ in consideration of the frozen food storage reference temperature. In order to prevent the airflow of the chamber from being affected by the chamber, a box was used to block the ice tray. Nozzles were installed at the top of the tray, and they were made as efficient slot nozzles based on previous studies. The elevation of the nozzle and the tray was designed so that the ratio of the width of the nozzle to the elevation of the nozzle and the tray was constantly calculated for each case. The material of the tray is polypropylene, and the amount of water used is about 80 mL. The diameter of the fan was 95mm and the experiment was conducted using 3.9 V. The air velocity was set to 0.5 m/s for a 7cm × 7cm nozzle. When the temperature inside the chamber reached ?18℃, the water was injected into the tray and the experiment was terminated when the temperature of the center of ice reached ?10℃. When the internal temperature of the ice was ?10℃, it solidified in a neat condition without bubbles in the ice. For each case, the supply amount was set to 8.82 CMH and the air velocity was 0.5 m/s ~ 2.9m/s respectively.
For each case, the first solidified ice and the last solidified ice were shown, and the optimum conditions were checked. Case 1, Case 2, Case 3 were 5cm wide, installed with the elevation of 5cm, 7.5cm, and 10cm respectively. In all cases, when the NAR was 1, the fastest ice making times were 100 minutes, 98 minutes, and 102 minutes respectively. Case 4, Case 5, and Case 6 were 7cm wide, installed with the elevation of 7cm, 10.5cm, and 14cm respectively. In the case of NAR 1/2, ice making times were measured 118 minutes, 126 minutes, and 131 minutes respectively.
In the case of the simulation, the pressure distribution was concentrated at the center of ice tray only the pressure calculated from the 5cm × 1.7cm nozzle of Case 1, and the rest was relatively uniform distribution. Also, the air velocity shows a faster velocity at the outer side of the cell than at the center of the nozzle. Since the velocity vector at the center of the nozzle in 0 on the basis of immediately after the impingement, it can be expected that the sum of the direction vectors shows a larger value on the outer side. The actual ice making time also confirmed that the ice making time of the outer cell was measured more quickly.
In this study, the experiment and the numerical analysis were carried out in various cases in order to understand the optimum condition of the impinging jet heat transfer according to the area of the nozzle, and the ice making time was measured faster than the long case when the width of the nozzle was short. Also, when the width of the nozzle was short, there was not a large difference in the ice making time depending on the elevation. If the width of the nozzle is long, the elevation is increased and the ice making time is also increased. When the NAR of Case 2 was 1 and the NAR of Case 4 was 1/2, the ice making time was faster about 20 minutes for Case 2. Also, when the NAR of Case 3 was 1 and the NAR of Case 5 was 1/2, the ice making time was faster about 24 minutes for Case 3. It can be seen that the area of the nozzle is almost the same and the elevation of the nozzle is similar, but the difference is apparent according to the aspect ratio of the nozzle. Based on the amount of supply of 8.82 CMH, the nozzle area of 25 is the most optimal, and it was found that the aspect ratio is most effective when the ratio of a and b is set to 1:1.