유동층잠열축열조에서 열전달 특성연구

유승남, 한귀영

성균관대학교 화학공학과

Thermal Performance of Fluidized Bed Latent Heat Storage System Using Microencapsulated PCM

Seung-Nam Yoo, Gui-young Han

Dept. Chem. Eng., Sungkyunkwan Univ.

1. 서론

전세계적으로 에너지부족에 따라 태양에너지와 폐열의 이용을 위한 보다 효율적인 에너지 저장시스템개발에 관심이 고조되고 있다. 특히 에너지저장방법중 잠열저장은 일정온도에서 축열 및 방열이 이루어지고 열용량이 큰장점을 가지고 있어 많은 연구가 국내외적으로 진행되고 있으며, 연구의 진행방향은 크게 열저장물질과 열교환장치에대한 연구로 축약할 수 있다.

본 논문의 주목적은 PCM(상변화물질)을 microencapsulation시켜 유동층에서 PCM과 열전달유체를 직접 열교환을 시킴으로써, 기존의 잠열저장에 사용된 간접적인 열교환장치가 가지고 있던 단점들을 개선하고 더나아가 보다 효율적인 열교환장치를 개발하는데 있다.

microencapsulation이란 PCM을 polymer나 metal 등을 이용하여 microcapsule로 만드는 것을 의미한다. microencapsulated PCM이 유동층에서 열전달유체와 직접적인 열교환이 이루어짐으로인해 축열용기의 단위체적당 전열면적의 증가와 열전달저항의 감소에따른 열전달속도의 증가, 그리고 열전달유체에 의한 높은 대류 열전달이 기대된다.

2. 실험

2.1 실험장치 및 시료

본실험에 사용된 실험장치도는 Fig.1에 보여주고 있다. 본장치는 크게 유동층열교환기, 열전달 유체의 공급장치, data acquisition으로 구성되어 있다. 열교환이 이루어지는 유동층열교환기는 직경이 5cm, 높이가 40cm인 원통형이며, 재질은 스테인레스 스틸304이다. PCM과 열전달유체간에 이루어지는 축열 및 방열의 양은 유속과 입구와 출구의 온도차로 얻어진다. 유속은 유량계를 이용하여 측정하며, 입구와 출구의온도는 입구와 출구에 각각 설치된 K-type의 thermocouple을 통해 얻어진다. 유동층 축열조내의 온도를 측정하기 위하여 분산판으로부터 축방향으로 10cm 간격을 두고 K-type thermocouple를 설치하였다. 또한 축열조의 온도를 일정하게 유지시키기 위해 heating mantle를 설치하였고, 실험중의 열손실을 줄이기위해 2cm 두께의 ceramic fiber를 이용하여 단열시켰다.

본실험에 사용된 PCM은 sodium acetate trihydrate(CH3COONa·3H2O)이며 조핵제로는 PCM과 결정구조가 비슷한 Na2P2O7·10H2O를 사용하였고, 증점제로는 gelatin를 사용하였다. PCM은 PMMA, paraffin wax, PMMA로 이루어진 세겹의 엷은 층으로 capsule화 되어있고, microencapsulated PCM의 직경은 2∼3mm이며 polymer와 wax의 평균두께는 50∼100□m이다.

2.2 실험방법

microencapsulated PCM을 축열조의 약 3/4정도 채운다.  PCM의 녹는 점이      58℃이므로 축열과정에서는 탱크의 물온    도를 65℃정도에서 일정하게 유지하고, 축    열조에 있는 PCM의 온도를 약 35℃로     heating mantle을 사용하여 일정하게       유지시켜 준다. 열적평형에 도달하였을 때    비로서 물의 유입온도를 Ti로 유지하고,     질량유속을 mw로 유지하여 축열조로 유    입한다. 이때 시간에 따른 data를 얻기위    해 일정 시간간격을 두고 data aquisition    을 통해 data를 받아 컴퓨터에 저장한다.

방열과정시에는 PCM의 녹는 점보다 낮    은 35℃로 물탱크의  물온도를 유지하고    축열조에 있는 PCM의 온도를 heating      mantle를 사용하여 65℃로 일정하게 유지    시킨다음 축열과정과 유사하게 물의 온도    를 Ti, 질량유속을 mw로 유지하여 실험을    한다.

Fig. 1 Schematic Diagram of

Experimental Test Set-up

3. 결과 및 토의

3.1 temperature profiles

입구 및 출구, 유동층축열조내의 온도변화들을 Fig.2, 3에서 보여주고 있다. Fig.2 에서 보여주듯이 축열 및 방열과정에서 10분이내에 축열조의 온도가 입구의 온도에 근접함을 알 수 있다. 이는 2.4kg의 sodium acetate를 사용하여 간접적인 열교환장치를 이용했던 Choi et al. [3] 실험에서 300분이 걸린것과 0.4kg의 sodium acetate를 사용한 본 실험과 비교해 볼 때 매우 짧은 시간에 축열이 이루어 졌음을 알 수 있다. 또한 축열조내의 축방향 온도가 균일함을 볼 수 있다. 이는 유동층축열조내에서 PCM과 열전달유체가 잘 혼합되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 2  Temperature Profiles during    Fig. 3  Temperature Profiles during

Heat Storage Stage                    Heat Release Stage

3.2 축열 및 방열속도

Fig.4 와 Fig.5에서 축열 및 방열과정에서의 축열속도와 방열속도를 보여주고 있다. 축열과 방열속도는 열전달유체의 에너지 수지로부터 얻어진다. Fig.4는 축열과정에서 축열속도이며, 초기에는 높은 값을 보이다가 시간이 지남에 따라 열전달유체와 PCM간의 driving force가 줄어들어 낮은 값을 가짐을 보여주고 있다. 이중관 형태의 간접열교환장치를 이용한 Yanadori and Masuda[5]와 Choi et al.[3]의 실험에서 축열속도가 10∼100J/sec범위값을 가졌던것과 비교하여 상대적으로 매우 큰 100∼1000J/sec범위값을 가짐을 알 수 있다.

이는 이중관형태의 열교환장치는 유체와 PCM이 간접적인 방법에의해 열교환이 이루어져 열전달저항이 큰반면, 유동층 축열조의 경우 PCM과 유체가 직접접촉을 통한 열전달이 이루어져 열전달저항이 작기 때문이다.

Fig. 4 Heat Storage Rate during      Fig. 5 Heat Release Rate during

Heat Storage Stage                   Heat Release Stage

3.3 열전달계수

축열 및 방열과정에서의 열전달계수를 Fig.6, Fig.7에서 보여주고 있다. 열전달계수는 공정을 설계하거나 분석하는데있어 필수적인 자료이며, 직접적인 열교환이 이루어지는 시스템에서는 일반적으로 체적열전달계수, hv,를 사용한다.

[eqn: h_v ~=~ {Q/vol} over { LMTD}]

여기서, Q는 열전달속도이고, LMTD는 대수평균온도차이고, vol은 유동층층팽창체적이다. 본 실험에서 얻은 체적열전달계수는 0.1∼0.5 W/cm3K이며, 이는 Fouda et al.[7]이 얻은 3.5*10-2∼5.0*10-3 W/cm3K 보다 상당히 큰 값이다. 비록 접촉방법이나 조작조건등이 다를지라도 본 실험결과는 상당히 고무적이라 할 수 있다.

Fig. 6  Volumetric Heat Transfer      Fig. 7  Volumetric Heat Transfer

Coefficient during Heat Storage Stage  Coefficient During Heat Release Stage

4. 결론

Temperature profile를 통해 유동층 축열조내에서 열전달유체와 PCM이 혼합이 잘이루어지고 있음을 알 수 있었다. 축열 및 방열속도는 기존의 간접열교환장치 보다 매우 큰 값을 가지며, 높은 열전달계수를 가짐을 알 수 있었다. 따라서 microencapsulated PCM을 이용한 유동층 열교환장치는 기존의 열교환장치와 비교하여 보다 효율적인 잠열저장시스템이라 할 수 있다.

Reference

1. Lane, G.A., Solar Heat Storgae: Latent Heat Materials, CRC Press, Florida,(1986)

2. Abhrt, A.,  Low temperature Latent Heat Thermal Energy Sorage :Heat Storage

Materials , Solar Energy, Vol. 30, P 313,(1983)

3. Choi, J.C., S.D.Kim, and G.Y.Han,  Heat Transfer Characteristics in Low

Temperature Latent Heat Storage Systems using Salt Hydrates , KJChE, Vol. 12, p

258 ,(1995)

4. Choi, J.C., S.D. Kim and G.Y. Han,  Heat Transfer Characteristics in Low

Temperature Latent Heat Storage systems using Salt-Hydrate at Heat Recovery

Stage, Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 40, P 71 ,(1996)

5. Yanadori M. and T. Masuda,  Heat Transfer Study on a Heat Storage container

with a Phase Change Material :Part 2. , Solar Energy, Vol. 42, p 27,(1989)

6. Kang, Y.H., M.S.Jeon, H.K.Yoon, and W.G.Chun,  A Study of Heat Transfer of a

Storage Type Direct Heat Exchanger for Solar Energy Utilization, Korean J. of

Solar Energy, Vol.15, p 3,(1995)

7. Fouda.A.E., G.J.G.Despault, J.B.Taylor and C.E.Capes, Solar Storage Systems

Using Salt Hydrate Latent Heat and Direct Contact Heat Exchanger-II, Solar

Energy, Vol. 32, p 57,(1984)