상변화 물질에 따른 다관형 잠열 축열조의 성능 연구

이욱균, 한귀영

성균관대학교 화학공학과

Heat Transfer Characteristics of Shell and Tube Type              Heat Storage Tank with Phase Change Materials(PCMs)

Wook-kyun Lee, Gui Young Han

Department of Chemical Engineering, SungKyunKwan Uinversity

서론

제한된 석유자원에 관한 심각성과 지구환경오염에 대한 문제의 인식으로 대체에너지 개발에 대한 필요성과 효율적인 에너지의 이용을 위한 방안으로 에너지 저장에 대한 연구가 다방면으로 이루어지고 있다. 에너지 저장 시스템은 에너지의 시간적인 변동을 활용 가능하게 하고, 저급의 에너지를 고급화하며, 분산된 에너지를 집중시켜 준다.

에너지 저장의 한 방법인 열적 저장 방법은 현열 저장과 잠열 저장으로 분류되는데, 잠열 저장 방법은 현열 저장법에 비해서 단위 부피당 열에너지의 저장밀도가 크고, 상변화가 일어나는 일정 온도의 잠열을 이용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점들 때문에 심야 전력이나 태양열을 가정용으로 활용하기에는 잠열 저장 방법이 적합한 것으로 연구·평가되어 지고 있다.

지금까지는 상변화 물질에 관한 특성과 성능 향상에 대한 연구가 주를 이루어 왔고, 축열조에 관한 특성에 대한 연구는 아직 미비한 상태이다. 상업적으로 유용한 축열 시스템의 구축을 위해서는 사용처에 적합한 용량의 축열조를 설계하고, 그에 맞는 열전달 특성의 연구가 뒷받침되어야 한다.

본 연구에서는 잠열 축열재로서 가정용 난방 시스템에 적합한 물질인 무기염(Sodium Acetate Trihydrate)과 Paraffin Wax를 이용하여 pilot 규모의 3중관 축열조의 성능을 평가하였다.

이론

잠열 축열재로 많은 연구가 이루어진 무기염은 잠열량과 밀도가 크고, 58℃에서 녹는점을 가지고 있어서 가정용 난방 시설에 사용하기에 적합하다. 전체 축열성능은 같은 부피의 물을 사용한 현열 축열의 경우에 비하여 약 3배정도 향상시킬 수 있는 장점을 지니고 있다. 하지만, 과냉각이나 상분리 등의 현상을 방지하기 위해서 조핵제와 증점제를 같이 투여해야 하는 단점이 있다.

반면에 Paraffin Wax는 잠열량과 밀도가 작아서 축열밀도가 무기염에 비해서 많이 떨어지지만, 과냉각이나 상분리 등의 현상이 나타나지 않아서 사용하기에 편리하다는 장점을 지니고 있다.

실험

축열저장 시스템의 전체 개략도는 [Figure 1]에 나타내었다. 축열조는 전체 직경 338mm, 높이 494mm의 3중관으로 구성되어 있고, 축열시에는 바깥관으로 뜨거운 열전달 유체인 물이 수조에서 축열조 하부에서 상부로 PCM과의 열교환을 하면서 흐르고, 방열시에는 차가운 열전달 유체가 안쪽관의 내부를 통해 외부로 흘러 나가면서 PCM과의 열교환을 하게 된다. 또한, 열전달 유체와 열교환을 하는 PCM이 충진되어 있는 중간관에는 열전달의 촉진을 위하여 18개의 fin을 부착하였다.

축열과정에는 PCM의 초기온도를 20℃로 start-up을 하여 PCM이 잠열 온도 구간을 넘어설 때까지 운전하였고, 방열과정에는 PCM의 온도를 70℃에서 20℃까지 운전하였다.

축열과 방열과정의 PCM 온도분포를 측정하기 위하여 축열조의 반경방향과 축방향을 기준으로 K-type thermocouple을 설치하였다. 이들 thermocouple은 반경방향으로 온도구배를 측정하기 위하여 250mm 높이에 중심으로부터 각각 78 mm, 113mm 떨어진 지점에 위치하였고, 높이방향으로 온도구배의 측정을 위해 92.5mm 반경에 밑으로부터 각각 100mm, 400mm 지점에 설치하였다. 그리고, 열전달유체인 물의 유입 및 유출온도의 측정을 위해 입·출구 부분에 각각 2개씩 설치하였다. thermocouple로부터 측정된 온도는 60초 간격으로 data logger를 거쳐서 PC에 저장된다. 수조로부터 승온된 유체의 온도를 일정하게 하기 위하여 PID controller를 사용하여 electric heater의 전열량을 조절하였고, 축열조의 열손실을 방지하기 위해 ceramic wool과 단열재로 축열조의 외곽부분을 단열시켰다.

상변화 물질로는 시약용 무기염과 공업용 Paraffin Wax를 사용하였고, 이들의 물성치는 [Table 1]에 나타내었다. 무기염의 경우에는 증점제로서 Gellatine을 1.8 %, 조핵제로서 Sodium Pyroposphate Decahydrate를 1.3 % 첨가하여 실험하였다.

결과 및 토론

열전달 유체의 유입온도와 유량을 변수로 하여 각각의 잠열 축열재에 대해서 축열 및 방열 성능, 온도 profile, instantaneous heat transfer, 열전달 유체의 평균 열전달 계수의 비교를 하였다.

[Figure 2]에서 [Figure 5]은 무기염과 Paraffin Wax의 축열 및 방열 과정에서의 온도 profile을 나타낸 그림이다. 축열 과정에 비하여 방열 과정의 온도 pro- file에서 잠열 구간이 잘 나타나지 않는 이유는 PCM의 축열온도에 비하여 열전달 유체의 유입온도가 너무 낮아서 열전달의 촉진이 과대하게 이루어지며 잠열 구간을 보이지 않게 된다. 이러한 잠열 구간의 소멸은 방열 과정에서의 열의 quality를 떨어뜨리게 되고, 잠열축열조의 성능저하를 초래한다. 이러한 열의 quality를 떨어뜨리지 않기 위해서는 유입온도와 유량의 조절을 통한 최적의 condition을 구축해야 할 필요성이 있다.

[Figure 6]과 [Figure 7]은 축열과정에서 무기염과 Paraffin Wax의 총괄 열전달 계수의 평균값을 각각의 조건에 따라 비교한 graph이다. 무기염의 평균 열전달 계수는 같은 condition일 때 Paraffin Wax에 비하여 약 2배 정도의 큰 값을 가지게 된다. 이는 같은 유량과 유입온도의 조건일 때, 무기염이 Paraffin Wax에 비하여 축열이 잘 이루어진다는 것을 의미하고, 잠열 축열재로서의 성능이 좋음을 의미한다. 하지만, 평균 열전달 계수는 실험실 규모의 축열조가 thin fin일 경우에 115 W/m2K, thick fin일 경우에 160 W/m2K인 것에 비하면, scale-up에 따른 열전달 계수의 저하가 일어남을 알 수 있다. 그러므로, 상업적 열저장 sys- tem의 개발을 위해서는 이러한 scale-up에 따른 성능 저하를 고려하여 열전달을 원활하게 할 수 있는 축열조를 설계하여야 할 것이다.

참고문헌

1. H. S. Choi, B. C. Shin, and S. D. Kim, Energy, 14, p 513∼524 (1989).

2. A. Abhat, Solar Energy, 30, p 313∼332 (1983).

3. S. M. Hasnain, Energy Convers. Mgmt., 39, p 1127∼1138 (1998).

4. G. Van Den Branden, M. Hesius and W. D'haeseleer, Int. J. Energy

Res., 23, p 605∼624 (1999).

1. heat storage tank

2. water pump           a∼d : thermocouple

3. water tank            a : 400mm height, 92.5mm radius

4. stirrer                 b : 100mm height, 92.5mm radius

5. temp. controller         c : 250mm height, 78mm radius

6. faucet                 d : 250mm height 113mm radius

7. drain

8. data logger           T/C : thermocouple for inlet and

9. personal computer            outlet water temperature

[Figure 1] 열저장 system의 전체 개략도

[Table 1] Phase Change Materials의 물리적 성질

Property	CH3COONa·3H2O	Paraffin Wax
Melting Point (oC)	58	55.47
Latent Heat (kJ/kg)	263.59	145.01
Density (solid) (kg/m3)	1450	856
Density (liquid) (kg/m3)	1280	665
Heat Capacity (solid) (kJ/kgoC)	2.929	2.1
Heat Capacity (liquid) (kJ/kgoC)	3.680	2.1

[Figure 2] 축열과정의 무기염의 온도 profile

(유량 3 l/min, 유입온도 70℃)

[Figure 3] 축열과정에서의 Paraffin Wax의 온도 profile (유량 3 l/min, 유입온도 70℃)

[Figure 4] 방열과정의 무기염의 온도 profile

(유량 3 l/min, 유입온도 14℃)

[Figure 5] 방열과정에서의 Paraffin Wax의 온도 profile (유량 3 l/min, 유입온도 14℃)

[Figure 6] 무기염의 축열과정의 유입온도와 유량에 따른 평균 열전달 계수의 비교

[Figure 7] Paraffin Wax 축열과정의 유입 온도와 유량에 따른 평균 열전달 계수의 비교