냉열 수송용 잠열 미립자 슬러리의 유변학적 특성 고찰

최준규, 원혜진1, 김필수2, 이재구3, 양현수

충남대학교 대학원 공업화학과, 1한밭대학교 공동실습실험관, 2한양대학교 대학원 섬유·고분자공학과, 3한국에너지기술연구원 가스화활용연구팀

(최준규 : cjk1020@hanafos.com)

Investigation of the Rheological Properties of Microencapsulated PCM Slurry for Use in Cold Energy Transportation Media

Jun-kyu Choi, Hye Jin Won1, Pil Su Kim2, Jae Goo Lee3, Hyun-soo Yang

Department of Industrial Chemistry, Chungnam National University, 1Central Laboratory, Hanbat National University, 2Department of Fiber and Polymer Engineering, Hanyang University, 3Gas Application Research Team, Korea Institute of Energy Research

(Jun-kyu Choi : cjk1020@hanafos.com)

서론

마이크로 캡슐화(microencapsulation)란 작은 부피의 고체입자나 액체방울 또는 기포형태의 활성물질(active agent)을 적당한 소재의 외부 피막(皮膜)물질로 둘러쌓아 미세한 캡슐을 형성시키는 공정을 말한다[1]. 캡슐화된 염료물질이 압력에 감응(感應)하도록 설계된 감압복사지(感壓複寫紙)가 1950년대에 Green과 Schleicher에 의하여 최초로 개발되어진 이래 다양한 분야에 걸쳐 지속적인 연구가 계속되어 왔는데, 최근에는 식품과 제약분야에 관심이 집중되면서 고기능성의 캡슐제품과 그 제조방법 등이 새롭게 개발·소개되고 있다. 마이크로 캡슐은 내부의 활성물질을 외부환경으로부터 보호하는 기능을 가지는 동시에 사용용도에 따라 필요한 시기에 적절히 방출시키는 목적 등으로 사용될 수 있으며, 감압형 복사지(carbonless copy paper), 압력 측정시트 및 감압형 접착제 등이 전자의 예에 해당되며 방향(芳香)캡슐, 방출지속성 의약품 및 지효(持效)성 농약 등이 후자의 예에 속한다. 캡슐화공정에 사용되는 단량체 및 고분자물질은 캡슐의 형태 및 목적, 중합방법 등에 따라 선정되며, 원료물질들의 고유한 특성과 캡슐화를 통하여 부여되는 새로운 기능성들이 조합되어 최종 캡슐의 물리·화학적 특성을 결정한다. 이러한 특성을 바탕으로 특정 온도에서 상 변화를 일으키는 잠열물질(PCM, Phase Change Material)과 견고한 피막 형성 및 열 전달이 용이한 고분자 물질을 내·외부물질로 각각 선정하고, 각 물질들의 물리·화학적 거동에 부합되는 효과적인 캡슐화 방법을 선택하면 열 전달 및 수송 면에서 높은 효율을 나타내는 잠열 미립자(MPCM, Microencapsulated PCM)를 제조할 수 있다[2, 3].

잠열 미립자와 같은 미세 입자가 혼합된 슬러리(slurry) 형태의 유체가 나타내는 열 전달 향상효과는 전단흐름 내에서의 입자 회전 및 이동에 주로 의존한다. 미세 입자가 혼합된 열 매체의 열 전달특성에 관한 연구 결과 첨가된 입자의 혼합 분율에 따라 최대 3∼5배에 이르는 열 전도도 증가가 확인되었으며, 잠열 미립자 슬러리의 경우 전형적인 열 전달 향상효과와 더불어 내부물질의 상 변화에 의한 축열량 증대효과까지 함께 기대할 수 있으므로 열 매체로의 효율이 한층 더 향상된다[4]. 잠열 미립자 슬러리를 매체로 하는 냉·난방기술은 열 저장 및 동적인 열 공급측면에서 현열 방식보다 최소 2배 이상의 고효율을 기대하는 것이 가능한 것으로써, 축열 시스템에 의한 전력부하 평준화 촉진과 함께 운전시의 열 손실 최소화를 보장하므로 경제적인 에너지 이용과 온실가스 저감을 위한 새로운 열 저장 및 이송매체로 활용될 수 있다[5].

미국의 TRDC (Training Research and Development Cell)는 1983년부터 잠열 미립자를 이용하는 냉방 시스템에 대한 본격적인 연구를 시작하여 물을 이용하는 기존의 시스템보다 열 저장 능력이 약 10배, 열 전달계수가 최소 50%이상 향상된 새로운 시스템의 개발 가능성을 제시하였다. 일본의 경우, NEDO의 주관 하에 시행되어온 □운수·민생용 고효율 에너지 시스템 기술개발사업(New Sunshine Project)□의 일환으로 1990년부터 다양한 분야에서의 잠열 미립자 활용연구가 이루어지고 있으며, 대동왁스(Japan Capsular, 大同)를 중심으로 잠열 미립자를 이용하는 열 저장 및 수송설비의 상용화 연구가 현재까지 진행 중이다[6]. 그러나 국내의 경우, 대부분의 캡슐화 기술이 식품 및 의약분야에 편중되어 있으며 캡슐화된 상 변화물질을 열 매체로 활용하는 냉·난방 시스템에 관한 연구사례는 전혀 보고된 바 없다. 따라서, 본 연구에서는 in-situ 중합법을 통하여 기존 냉방 시스템에 그대로 활용이 가능한 높은 효율의 냉방 매체용 잠열 미립자를 제조하였으며, 자체 제작된 실험장치를 통하여 다양한 조건에서의 유동특성이 고찰되었다.

실험

1) 시약 및 기구

잠열 미립자 내부물질로는 용융점이 5.9℃ 내외인 테트라데칸(tetradecane, C14H30)을 선정하였으며, 이수화학(Isu chemical Co., Ltd., Korea)으로부터 공급받아 여과·정제 조작 후 사용하였다. 캡슐 벽 물질로는 삼성정밀화학(Samsung Fine Chemicals Co., Ltd., Korea)에서 생산된 멜라민 단량체(monomer)가 사용되었으며, 가교·중합반응을 위하여 첨가된 포르말린은 준세이(Junsei Chemical Co., Ltd., Japan)사로부터 공급되었다. 무수(無水) 스티렌말레산 공중합체(SMA, styrene maleic anhydride copolymer, SCRIPSET-520, Solutia Inc., USA) 수용액이 유화제로 사용되었으며, 내부물질의 균일 분산을 위하여 사용된 유화기는 최대 회전수가 12,000 rpm에 이르는 T. K. Homomixer Mark II Model 2.5 (Tokushu Kika Kogyo Co., Ltd., Japan)였다.

2) 잠열 미립자 제조

5 wt% SMA 수용액에 테트라데칸을 적당한 비율로 혼합한 후, 유화기를 이용하여 상온에서 10,000 rpm의 유화속도로 10분간 유화시켰다. 이중 재킷형 반응기 내에 멜라민 단량체와 포르말린, 증류수를 적절히 혼합하고 반응온도 60℃에서 15∼20분 동안 반응시켜 반투명한 멜라민 프리폴리머를 제조한다. 일정 분자량 이상으로 성장한 프리폴리머는 혼합용액 내에서 고분자의 멜라민 수지로 빠르게 전환되므로 반응시간 및 온도를 적절히 조절함으로써 유화공정과 프리폴리머 제조공정이 동시에 종료될 수 있도록 각별히 주의하여야 한다. 두 공정이 원만히 종료되면, 제조된 프리폴리머 및 유화용액을 60℃로 고정된 반응기 내에 함께 혼합하고 600 rpm의 회전속도로 교반하면서 약 4시간 이상 반응시킴으로써 가교된 멜라민/포르말린 수지를 벽 물질로 하는 잠열 미립자 슬러리를 얻게 된다.

3) 유동특성 평가

서로 다른 크기의 캡슐로부터 조제된 다양한 농도의 캡슐 슬러리를 중심으로 압력강하 및 동점도, 마찰계수 등에 대한 전반적인 평가와 고찰이 이루어졌다. 유동 및 열 전달특성 실험장치는 슬러리 저장탱크, 펌프, 열 교환장치 및 계측장치 등으로 이루어져 있으며, 자체 설계·제작된 실험장치의 개략도는 아래의 Fig. 1과 같다.

저장탱크 내부에는 균일한 온도 유지를 위한 나선형의 스테인레스 배관이 설치되었으며, 상부에는 밀도 차에 의한 상 분리현상을 최소화할 목적으로 기계적 교반기가 장착되었다. 캡슐 파손을 최소화하기 위해 사용된 격막(diaphragm) 펌프의 경우 맥동(脈動)현상이 크게 발생되므로 펌프 토출(吐出)부에 공기탱크와 후압밸브(back pressure valve)를 설치하여 이를 완화하였다. 열 전달특성 평가를 위해 사용된 열 교환 부분은 대향류형 2중 동심원관 열 교환기의 형태로 구성되었는데, 각 부분의 온도 측정을 위하여 슬러리 유동부분 및 냉각수 순환부분에 각각 11개 및 6개의 T-type 열전쌍(熱電雙, thermocouple)이 일정 간격으로 설치되었다.

Fig. 1. Schematic drawing for the test of pressure drop and fraction factor with moving MPCM slurry.

잠열 미립자 슬러리가 저장탱크에 채워지면 항온조를 가동하여 슬러리 및 냉각수의 온도를 설정된 실험조건에 맞게 일정하게 조절한다. 온도 설정이 완료되면 슬러리 순환펌프를 작동시킨 후 각 부분의 온도가 정상상태에 이를 때까지 그대로 유지하였다가 정상상태에서 측정된 온도, 압력 및 유량 등의 수치자료들을 바탕으로 잠열 미립자 슬러리의 유동특성이 평가·고찰되었다.

Fig. 2 (b) SEM Photograph

Fig. 2 (a) Photomicrograph

결과 및 고찰

Fig. 2에 in-situ 중합법을 통하여 제조된 잠열 미립자의 광학현미경 사진 및 주사전자현미경 사진을 각각 나타내었다. 제조된 잠열 미립자는 평균 직경 5□m의 균일한 입도 분포를 가지는 것으로 나타났으며, 원심펌프를 통한 10,000회 이상의 순환실험에서도 10% 이하의 낮은 파쇄율을 보이는 높은 내구성의 안정된 캡슐임이 확인되었다.

Fig. 3. Pressure drop versus MPCM concentration.

Fig. 3에 잠열 미립자 슬러리의 농도변화에 따른 압력강하 효과를 나타내었다. 슬러리의 농도가 증가함에 따라 전반적으로 압력강하도 증가하는 것으로 확인되었는데, 이로부터 특정한 슬러리 농도까지는 압력강하 상승률이 매우 완만하지만 이후 급격히 상승하는 변곡점이 존재하게 되며 그 농도는 20% 부근임을 유추할 수 있게 된다. 따라서, 실제 냉방 시스템 활용을 목적으로 하는 잠열 미립자 슬러리의 경우에 있어서도 최대 허용 농도를 20% 이하로 한정하는 것이 바람직하며, 이 이상의 농도에서는 압력 강하의 증가로 인한 별도의 소요동력 증가가 불가피하게 된다.

Fig. 4에 잠열 미립자 슬러리 농도증가에 따른 동점도 변화를 나타내었다. 동점도는 슬러리 농도 증가에 따라 함께 증가함을 알 수 있으며, 20% 미만의 농도에서는 상승폭이 그다지 크지 않으나 20% 이상의 농도에서는 급격한 증가를 나타내고 있음이 확인된다.

슬러리 농도변화에 따른 관내 마찰계수의 변화를 Fig. 5에 나타내었다. 마찰계수는 압력강하와 점도의 함수로 표현되므로 이들로부터 직접적인 영향을 받게되며, 농도변화에 따른 압력강하 및 점도 변화에서 관찰된 경향들이 마찰계수의 경우에도 유사한 결과로 나타난다. 그림으로부터 각 잠열 미립자 슬러리의 마찰계수가 임계농도인 20% 이전에는 거의 변화가 없는데 반하여 그 이상의 농도에서는 급격히 상승함이 확인되며, 이로부터 열 전달성능을 고려하지 않는 유동학적인 측면에 있어서 농도 증가에 따른 마찰손실 증가의 영향은 임계농도 20% 이내의 범위에서 무시될 수 있다는 것을 알 수 있다.

Fig. 4. Dynamic viscosities of MPCM slurries.

Fig. 5 Friction factors of MPCM slurries.

결론

In-situ 중합법을 통하여 테트라데칸과 멜라민을 내·외부물질로 하는 고효율의 냉방 매체용 잠열 미립자 슬러리를 제조하였다. 자체 제작된 실험장치 및 각기 다른 크기로 제조된 잠열 미립자를 통하여 다양한 조건에서의 슬러리 유동특성이 고찰되었는데, 압력강하 및 동점도, 마찰계수 등의 모든 유변학적 특성들로부터 실제 시스템 적용시의 최적 슬러리 농도가 최대 20% 이하임을 확인할 수 있었다.

참고문헌

[1] J. E. Vandegaer, Plenum, New York (1974)

[2] K. Y. Kan, M. S. Thies, Ed., Massachusetts Institute of Technology, Massachusetts (1980)

[3] K. L. Core, M. S.  Thies, Ed., North Carolina State University, North Carolina (1987)

[4] D. P. Colvin, SBIR Phase I Final Report, SDIO Contract No. F33615-87-C-2746 (1988)

[5] J. C. Mulligan, J. A. Bailey and M. N. Ozisik, Final Report, NCEI-0034 (1981)

[6] D. P. Colvin, SBIR Phase I Final Report NASA/JSC Contract No. NASA9-17952 (1988)