많은 과수 재배 농가들이 저온저장 시설을 갖추고 수확한 과실을 저장하였다가 출하하고 있다. 그러나 많은 농가들이 사과 재배과정에서는 정성을 들이지만, 수확 후에는 모든 농작업이 끝난 것처럼 과실에 관심을 덜 가지는 것도 사실이다. 수확한 과실을 저장하는 농가에서도 저장고 운전이나 관리에 관심이 없고 단지 출하시 가격에만 관심을 가지는 경우가 있는데, 새로 저장고를 지었거나 기존에 저장고를 가지고 있던 농가에서도 저온저장고의 구조와 관리방법을 잘 몰라서 낭패를 보는 수가 있다. 따라서 여기서는 저온저장고가 어떻게 구성되었는지를 알아보고 또 저온저장고의 관리요령에 대해서 알아보고자 한다.
1. 저온저장고의 구조
사람이 땀을 흘린 후 바람을 맞으면 시원한 느낌을 받고, 가스라이터에 가스를 주입할 때 가스라이터가 차게 되는데 이것은 액체가 증발할 때에 주위에서 다량의 열을 빼앗아서 기화하기 때문이다. 이처럼 액체가 기체로 바뀔 때 주위의 물체에서 열을 빼앗는 성질을 이용한 저온저장고는 액체 냉매(암모니아나 CFC, HFC, HCFC계)를 냉각관내에서 증발시킴으로 해서 관을 냉각시키고, 냉각된 관이 주위의 공기를 냉각하게 된다. 이러한 저온저장고는 그 구성 및 구조가 복잡하여, 전문교육을 받지 않은 농업인들이 이해하기는 어려운 점이 있기는 하지만, 기본적으로는 4가지 부분이 구성되어 냉동설비를 이루게 된다.
가. 냉동설비의 개념과 구조
냉동설비는 기본적으로 크게 네 부분인 압축기(Compressor), 응축기(Condenser), 팽창변(Expansion Valve), 증발기(Evaporator)로 이루어져 있다. 여기에 배관내부에 냉매가 순환됨으로 인하여 외부와의 온도차로 인한 배관 외표면에 수분이 부착, 응고하여 서리가 맺히게 되는데 이러한 서리를 제거하는 제상장치(Defrost) 부분과, 저장고 내부의 습도조절을 위한 가습장치 등으로 구성되어 있다. 설치는 압축기와 응축기는 ꡒ콘덴싱유니트ꡓ라고 하는 기기로서 저장고 외부에 설치되고 증발기는 ꡒ유니트쿨러ꡓ라고 하는 기기로 만들어 저장고 내부에 설치된다(그림 1). 저장고 냉각을 위해서는 냉매가 기체가 되고 다시 액체가 되는 과정을 끊임없이 반복해야 한다. 이러한 순환은 압축과정, 응축과정, 팽창과정, 증발과정으로 나누어지며 이것을 냉동사이클이라고 하며, 에어컨이나 냉장고는 이들 4가지 주요한 기기를 서로 연결하여 냉매의 흐름을 통제하기 위해 전자제어기를 장착한 것으로 생각하면 된다.
나. 냉동설비의 구성과 역할
1) 압축기(Compressor)
사람의 심장이 피를 온몸으로 보내는 강력한 펌프 역할을 하는 것과 같이 압축기도 냉매에 힘을 주어 계속적인 순환이 가능하도록 하는 부분이다. 압축기는 증발기를 순환하여 저압, 고온(냉동설비의 용도에 따라 다르나 저온저장고의 경우 0～-5℃ 정도의 온도를 나타냄)의 상태를 가진 냉매를 응축기로 보내기 전에 압축을 한다. 냉매가 압축되면서 냉매의 온도 또한 상당히 상승하여 고압, 고온(여기서 냉매의 온도는 압축된 정도에 따라 다르나 대개의 경우 90℃ 이상의 고온인 상태가 된다)의 기체 상태가 되어 응축기로 공급된다.
2) 응축기(Condenser)
압축기로부터 공급받은 고압, 고온의 냉매를 압력은 가능한 높은 상태로 유지한 채 온도만을 저하시키게 되는데, 상당히 높은 온도를 유지하며 기체의 상태로 존재하던 냉매가 온도가 저하되며 액체 상태로 바뀌게 되는 부분이다. 압축기를 나온 고압, 고온의 냉매는 응축기가 차갑게 식혀 주어 액체로 변하게 되는데, 이때 응축기 표면으로부터 열이 퍼져 나오게 된다. 냉장고의 뒷부분, 그리고 에어컨의 실외기가 뜨거운 이유는 이러한 이유 때문이다. 압력이 높을수록 끓는점은 높아지고, 반대로 압력이 낮을수록 끓는점은 낮아진다. 예를 들어 높은 산에 올라가면 압력이 낮아 끓는점도 낮아지기 때문에 물은 100℃ 이하에서 끓게 된다.
3) 팽창밸브(Expansion Valve)
응축기에서 나온 냉매는 고압이므로 끓는점이 높아 기체로 변하기 어렵기 때문에 팽창밸브를 거쳐 압력을 낮추어 주어 실온에서 증발이 일어나도록 한다. 만약 압력을 낮추지 않으면 끓는점이 높아 냉매는 증발되지 않아 열을 흡수할 수 없게 된다. 팽창밸브는 냉동사이클에서 가장 기본적인 제어기기로 고압, 고온의 액체 냉매를 감압작용에 의해 저압, 저온(저온저장고 설정온도에 따라 달라지나 대개의 경우 -10℃ 이하가지 냉각되어 분사된다)상태로 단열 팽창시키는 동시에 증발기 부하에 대응한 적정의 냉매공급량을 유지하도록 조절 한다. 즉 팽창밸브는 항상 냉동사이클의 증발기가 최대의 효과를 발휘할 수 있게 작용한다. 그러기 위해서는 증발기의 열 교환량(냉동능력)에 균형이 잡힌 충분한 양의 냉매를 공급해야 한다.
4) 증발기(Evaporator)
팽창밸브를 나온 저압, 저온의 냉매는 증발기로 들어가 주변으로부터 열을 빼앗으며 증발되어 기체상태로 된다. 기체로 된 냉매는 증발기에서 나와 압축기로 되돌아가게 된다. 즉 증발기는 냉동장치에서 본래의 목적인 냉동작용을 하는 열 교환기이다. 팽창밸브로부터 공급된 저압, 저온의 냉매를 가능한 넓은 표면적을 가진 배관을 지나게 하여 냉매가 가진 저온의 열량과 증발기를 지나는 공기의 열량이 서로 열 교환하여 냉매 자신은 저압의 상태로 온도만 상승하여 증발기를 빠져나가게 되는 것이다. 이러한 작용을 하는 증발기는 저온저장고 내부에 있으면서 저장고 내부의 온도를 하강시키는 역할을 하는 부분이다. 일반적으로 증발기의 뒷부분이나, 앞부분에 선풍기 역할을 하는 팬이 달려 있는 것이 보통인데, 이것은 열 교환을 좀 더 촉진시키기 위해 공기를 순환시켜 주는 역할을 하며, 일부 대형 저장고의 경우 이 증발기의 앞부분에 덕트를 연결하여 저장고 내부에 골고루 차가운 냉기가 불어가도록 하고 있다.
다. 냉매
과거의 냉매로는 암모니아를 많이 사용했는데 암모니아 냉매는 취급이 어렵고 독성, 연소성, 부식성, 자극성, 악취, 환경오염 등의 문제가 발생하였다. 그 후 프레온(R-12, R-22, R-502 등) 냉매가 개발되어 프레온 냉매의 사용이 급격히 증가하였다. 그러나 프레온 분자에 자외선이 가해지면 프레온 분자가 분해되어 염소원자를 방출하고, 이 염소원자에 의해 오존층이 파괴된다는 것을 밝혀져 프레온 가스 생산과 이용에 제한을 받고 있는 실정이며, 일부 품목(CFC 계열 냉매)은 사용이 규제되고 있다. 2006년부터는 지구환경보호 때문에 프레온가스 사용이 제한되며, 현재 여러 국가에서 프레온 가스를 대체할 새로운 냉매를 개발 중에 있다.
2. 저온 저장고 관리요령
가. 온도
1) 온도 설정 기준
저장온도는 사과 과실의 호흡이나 미생물의 번식과 밀접한 관련이 있다. 수확한 과실은 호흡에 의해 축적된 당과 산이 소모되는데, 호흡이 많으면 품질저하도 많아지게 된다. 과실 내에서 일어나는 호흡은 온도가 낮을수록 느려지기 때문에 정확한 온도관리는 과실 품질을 유지하는데 필수적인 것이다. 일반적으로 사과의 저장 적온은 0～2℃로 알려져 있으나 저온에 약한 델리셔스 계통의 품종은 0℃ 에서도 저온장해를 받으므로 4℃ 정도로 유지하여야 한다. 순수한 물이 얼기 시작하는 온도는 0℃ 이지만 과실은 당이나 각종 무기성분이 용해되어 있다. 사과 과실이 동결되는 온도는 대략 -2℃로 이 온도 이하로 내려가면 과실 조직이 얼게 되는데 이를 동결장해라 한다. 후지 사과의 경우 -1℃에서는 5일째 동결이 되며, -2～-4℃에서 3일 이상 경과하면 동결되어 조직의 파괴가 일어나게 된다(표 1). 따라서 저장고의 온도설정은 사과 동결온도보다 높은 온도로 설정하여야 한다. 온도설정을 동결 온도보다 높게 설정하였더라도, 저장고내 적재량, 적재방향 등에 따라 온도편차가 발생하여 동결장해가 발생하는 경우도 있다. 이를 방지하기 위해서는 저장고 내 위치별로 여러개의 온도계를 두어 온도 분포가 균일하게 유지되는 가를 주기적으로 점검해야 한다.
2) 저장고내 온도상승 원인과 대처방안
사과를 저장고에 입고한 후에 저장고 문을 자주 열면 외부공기가 저장고내로 유입되어 온도가 상승하게 되므로 저장효과가 떨어지게 된다. 따라서 제상기의 성에 제거, 유해가스 환기 및 저장사과의 출하 등 불가피한 경우 이외에는 가급적 저장고내의 출입을 삼가 해야 한다. 저장고내의 온도상승을 유발하는 요인으로는 사과 자체의 호흡, 출하작업, 출입문의 밀폐도와 열전도도, 제상(除霜) 등이 있다(표 2). 따라서 출입문에는 공기의 유입을 차단할 수 있는 비닐커튼이나 에어커튼을 설치하여 저장고 출입시 외부공기의 유입을 차단하여야 하고, 저장시설의 노후화나 저장고 출입문의 구조적인 문제로 인하여 외부로부터 공기가 유입될 경우에는 출입문 등을 보수하여 외부공기의 유입을 차단하여야 한다. 또한 저장고 온도를 2℃ 이하로 유지하는 저장고의 경우 증발코일에 성에가 끼게 되면 냉장효율이 저하되어 저장고의 온도가 올라가는 현상이 발생하므로 증발기 코일에 낀 성에는 신속히 제거하여야 한다.
3) 효율적인 온도관리
저장고내 온도 분포를 고르게 하기 위해서는 적당한 양의 공기가 순환되도록 상자를 적재하여야 한다. 저장물을 가득 채우는 것 보다 적당한 간격을 유지하도록 적재하는 것도 중요하다. 저장고내 온도는 저장량, 상자 쌓기 및 외기온 등에 의해 영향을 받으므로 저장 초기에 설정한 온도가 저장 중에 다소 변할 수 있으므로 수시로 저장고내 온도를 관찰하여 보정을 해 주어야 한다. 그러나 온도계는 종류에 따라 약간의 편차가 있으므로, 온도 설정은 여러 개의 온도계로 측정한 값을 기준으로 하여야 한다. 사용할 수 있는 온도계가 적을 때 저장고내 온도 분포를 측정하는 방법으로는, 열전도가 잘 되는 용기에 물을 담아 저장고내에 하루동안 두었을 때 표면이 살짝 얼었을 경우를 0℃로 생각하면 된다. 저장고내에 온도는 저장고의 크기, 적재량 및 방법 등에 따라 어느정도 편자를 보이는 경우가 많으므로 온도가 가장 낮게 내려가는 지점을 기준으로 설정해야 동결장해로 인한 손실을 막을 수 있다.
나. 습도
1) 사과 저장고내 적정 습도
저온저장고 내의 습도는 가습을 하지 않는 한 대체로 70~80%의 낮은 상대습도를 보인다. 상대습도가 90～95%로 유지되어야 과실의 중량 감모로 인한 손실을 방지할 수 있다. 일반적으로 과실은 과실 중량의 5% 이상의 수분이 감소하면 위조가 발생한다. 공기중의 상대습도는 온도와 밀접한 관련이 있어서 온도가 낮아질수록 공기가 수용할 수 있는 최대 수증기의 양은 점차 감소하며, 동일한 양의 수증기를 함유하는 공기라 할지라도 더운 공기에 비하여 차가운 공기는 높은 상대습도를 나타낸다. 따라서 저장고내의 상대습도를 높게 유지하여 사과의 수분손실을 방지하여야 하지만 상대습도를 높이기 위하여 저장고내 온도를 더 낮출 경우 과실의 표면에 이슬이 맺히게 되어 병원 미생물이 번식할 수 있는 여건이 조성되어 병해의 발생이 증가할 수 있다. 따라서 과실의 수분손실을 방지하기 위해서는 적정 온도와 습도를 유지하는 것이 중요하다.
2) 습도 변화의 원인
저장고내 상대습도는 일차적으로 냉장기기의 작동주기, 특히 증발코일에 끊임없이 끼는 성에를 제거하는 제상시 변화하는 온도와 함께 변한다. 냉장기기가 작동할 때는 증발코일에 성에가 끼면서 공기 중의 수증기를 제거하여 공기를 건조시키는 동시에 온도가 내려가면서 생기는 상대습도의 상승이 복합적으로 일어난다. 반면에 제상주기에는 저장고내의 온도가 올라가므로 저장고내의 상대습도는 낮아지고 얼었던 성에가 녹으며 증발되어 공기중으로 습기를 공급하는 작용이 동시에 일어나므로 저장고내의 습도는 냉장기기의 작동에 따라 변하게 된다. 또 저장고내 상대습도는 사과로부터의 증산, 사과표면 물방울의 증발, 저장고 바닥이나 벽면 수분의 증발 및 가습기의 작동 등에 따라서도 변하게 된다.
3) 적정습도 유지 방법
저장고내 상대습도를 적절히 유지하려면 저장고내 저장산물의 온도가 상승하지 않는 범위 내에서 공기유동을 억제하고 환기는 가능한 한 최소화하여야 한다. 가습기가 설치된 저장고에서는 가습기를 작동시켜 적정 습도를 유지해 주고, 가습기가 설치되지 않은 저장고는 저장고 바닥에 충분히 물을 뿌려 저장고 바닥의 수분 탈취를 줄이는 것이 좋다. 또 저장고내에 입고되는 용기는 가급적 수분흡수가 적은 것을 이용하는 것이 좋다.
① 가습을 통한 습도유지
가습기를 이용하여 인위적으로 상대습도를 높일 때에는 분무입자가 적은 가습기를 이용하는 것이 좋다. 가습기를 이용하는 경우에 종종 습도가 너무 높게 유지되는 경향이 있는데, 작동시간을 잘 조정하여야 한다. 습도유지를 위한 가습기 종류로는 초음파식, 증발식, 고압스프레이식, 원심식 등이 있으며, 종류에 따라 장단점이 다르다. 일반적으로 증발식은 저장고내 찬 공기로 인하여 결로가 많이 발생되며, 스프레이식과 원심식 가습기는 장기간 사용하면 물방울 입자가 커지는 단점이 있다. 최근에는 초음파식 가습기를 많이 사용하는데 초음파식가습기는 사용하는 물이 깨끗하지 않으면 진동자의 고장이 잘 나는 것이 흠이지만 물방울 입자가 아주 작으면서도 소음이 적고 응답성(가습기 전원을 넣었을 때 물방울 입자가 나오는 시간)이 빠른 것이 장점이다.
② 저장고 구조 및 냉장기기 조절에 의한 습도 유지
저장고내 증발코일에서 제상에 의한 수분 손실을 줄이려면 증발기 코일의 온도와 저장고 내 온도의 편차( t, 델타t)가 작아야 한다. t를 작게 하려면 냉각기의 표면적이 넓고 송풍량이 충분하며 냉장기기의 냉매 압력 조절 장치 등의 자동 제어장치가 있어야 한다. 저장고 내 상대습도와 냉장기기의 t 값과의 관계를 보면 t 값이 작을수록 저장고 내 상대습도를 높게 유지할 수 있다.
다. 제상(성에 제거)
증발기와 송풍기가 천장에 부착된 살수 제거식 저장고에서는 성에 제거시 증발기와 송풍기 전원을 차단하고 물을 뿌려 성에를 제거한다. 전열식은 성에 제거시에 증발코일에 붙은 성에가 완전히 녹은 후에 냉장기가 재가동되는 시간 조절 장치가 필요하다. 전기식 성에제거는 성에 제거 후 증발 코일 주변온도가 올라가 있으므로 제상이 끝나고 냉장기기가 가동될 때까지 3～5분 정도의 지연 시간을 두어야 녹은 물이 흘러 내려 송풍기가 재가동될 때 수분의 비산과 급격한 압력 증가를 완화시킬 수 있다. 성에 제거시간과 주기는 증발 코일에 부착되는 성에의 양을 관찰하여 조절하여야 불필요한 에너지 소모와 저장고내 온도 상승을 막을 수 있다.
라. 환기
사과에서 발생하는 휘발성 가스가 저장고내에 축적되어 농도가 높아지면 껍질덴병 등의 저장장해 발생하기도하고 과실의 성숙이 빨리 진행되게 된다. 사과에서 이취(異臭)가 나면 환기 할 필요가 있다. 활성탄이나 목탄 등을 저장고내에 넣어 두면 이취 발생억제에 좋다. 환기장치가 설치되어 있지 않은 저장고는 저장고 문을 열어 환기를 하는데 외부 기온이 낮을 때 찬공기가 저장고내로 들어오도록 하면 에너지 효율 면에서 유리하다. 이때 주의할 점은 외부온도가 너무 낮을 때 너무 오랫동안 열어 두면 과실이 동결장해를 입을 수 있으므로 주의해야 한다.
저온저장고는 보통의 건물과는 달리 특수한 목적의 기능과 구조를 가져야 하므로 저온저장고를 지을 때는 물 빠짐이 좋은 곳에 지어야 하고, 저장고의 용량에 맞는 전력 사용이 가능하면서 공업용수 등 물의 공급이 원활하여야 한다. 또한 저장고 주변에는 출하 차량의 주정차 장소, 저장용기 보관 등을 위하여 여분의 토지를 주변에 확보하여야 하고 부대시설과 부속건물에 대한 고려도 필요하다.
저온저장고의 구조에 일정한 틀이 있는 것은 아니지만 우리나라에서는 철판을 이용하거나 혹은 콘크리트 건물을 이용한 저장고가 주류를 이루고 있다. 어떠한 자재를 사용하건 간에 중요한 것은 저온저장고의 단열과 천장 및 상단에 부착되는 제습기의 하중을 고려하는 것이다.
온도나 저장 용량을 고려한다면 저온저장고의 형태는 정육면체가 가장 효율적이다. 그러나 적재 방식 등을 고려할 때 정육면체 형태의 저온저장고를 건설하는 것은 사실상 불가능하다. 배 저장고를 예로 든다면 사람의 힘으로 손쉽게 쌓아 올릴 수 있는 안전 높이는 3.6m 이하 이다. 저장된 배와 천장 사이에는 최소한 70㎝ 정도의 공간 확보가 필요하므로 저장고 높이는 최소한 4.3m가 되어야 한다. 지게차의 사용을 고려한다면 6m 높이까지 적재가 가능하고 천장과의 최소 공간을 고려하면 저장고의 높이는 6.7m정도가 될 것이다.
그림 10-1. 저온저장고의 구조(A)
그림 10-2. 저온저장고의 구조(B)
저온저장고의 천장과 지붕 사이에는 환기를 위한 일정한 공간이 필요하다. 저장고를 건설할 때는 천장의 외벽쪽에도 방습을 위한 막을 설치하므로 응결된 수분이 내벽 쪽의 단열재와 접촉하는 일은 없으나, 방습막 외부에 응결된 수분을 제거하지 않으면 결과적으로 저장고 구조물에 피해를 주게 된다. 천장과 지붕 사이 공간의 환기는 자연적인 대기의 흐름을 이용하거나, 환풍장치를 이용하여 환기효과를 높일 수 있다.
2. 저온저장고의 온도 및 습도관리
배 저온저장고는 배에 필요한 적정 온도를 유지해 주어야 한다. 이를 위해서는 저장고 내의 여러 위치에 온도계를 부착시켜서 저온저장고 내부의 온도 분포가 균일하게 유지될 수 있도록 하여야 한다.
가장 정확한 온도는 저장하고 있는 배의 조직 안에 온도계를 꽂아서 배의 실제 온도(품온)를 확인하여 저온저장고 내부의 온도를 조절하는 것이 가장 안전한 방법이다. 그러나 저온저장고에 수시로 드나들면서 온도를 확인하기는 어려우므로 출입구에 샘플을 만들어놓고 확인하면서 저온저장고 내부의 공기 온도와 배의 품온과의 관계를 확인하여 경험적으로 온도를 설정하는 지속적인 관찰과 조정이 필요하다.
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