알케인류 상변화물질의 열적 특성 해석

崔恩洙,鄭東柱 明知大學校 産業技術硏究所 2003 産業技術硏究所論文集 Vol.22 No.-

Abstract - The objective of the present study is to reveal thermal characteristics of various alkane phase-change-material which have high latent heat during phase change from solid to liquid. In order to analysis thermal characteristics of various phase-change-material, phase-change temperature and energy of various phase-change-material were measured by using differential scanning calorimeter. The phase-change-material slurries which are used in this study were paraffin particle, microcapsulated octadecane and microcapsulated lauric acid. The heating rate of differential scanning calorimeter and the size of phase-change-material were changed during phase-change temperature and energy measurement.

연소시스템 화석연료 사용량 저감을 위한 잠열에너지저장 기술동향 연구: Part II 상변화물질의 열전달 특성과 열교환기 설계유형, 실증사례

이후경,서동명 대한설비공학회 2023 설비공학 논문집 Vol.35 No.3

Following the publication of Part 1, Part 2 focuses on the development trends of key element technologies associated with heat transfer characteristics. Previous research focused on methods to overcome low thermal conductivity, and various heat exchanger design methods have been proposed to improve this using solid media such as fins or additives such as carbon particles. In addition, the operation method for optimal performance, when the latent heat energy storage system is connected to the main combustion system, is discussed. Finally, demonstration research cases, which are being conducted in Germany and Korea, are introduced to discuss the current status and future direction of this technological development in combined heat and power, and steam generation. In Korea, R&D for a latent heat energy storage system, through waste heat recovery, is an ongoing national project and is scheduled to be demonstrated in 2025. Projects involved in high-temperature latent heat energy storage technology to reduce carbon emissions, by reducing the direct use of fossil fuels, are currently ongoing. 본 연구는 화석연료 사용 및 탄소배출 저감을 위한 기술 중 잠열에너지 저장기술에 대한 이해와 활용성을 고도화하기 위해 기술되었다. 산업공정 내 고온 배열을 활용하기 위해 고온의 녹는점을 가지는 상변화물질이 개발되면서 발전소 또는 소각 등 연소시스템 등과 연계되어 실증․확장되고 있다. 현재 독일과 한국을 중심으로 실증연구가 수행 중이며 실 스케일에서 기술 검증을 통해 실질적인 화석연료 사용량 저감 및 관련 온실가스 배출 저감에 대한 효과가 입증될 것으로 기대된다. 재생에너지 중심구조로 편성되고 있는 발전산업에도 기존 기저부하 역할을 했던 석탄화력이 간헐적으로 필요시 마다 운전이 요구되는 상황으로 변하고 있어 잦은 기동과 정지 특성을 가질 것으로 예상된다. 유연운전이란 개념 아래 여러 방법들(기동시간 단축, 높은 부하변화율, 낮은 최저부하)이 고려되고 있어 이 역시 본 연구에서 개발하고자 하는 열저장 시스템의 적용 사례가 될 수 있을 것으로 판단된다. 최상위 시스템 관점에서 열저장 설비의 최적 연계를 위해서는 메인 시스템과 열저장 시스템의 열정산 및 동적 거동 특성을 매칭시켜야 한다. 이를 위해서는 본 논문의 Part 1에서 언급했던 적절한 상변화물질 선택을 바탕으로 단일 열교환기 설계 및 배열 최적화, 핀 튜브 등 열교환 성능 향상을 위한 설계, 내구성 테스트 단계를 거쳐야 한다. 이러한 엔지니어링 작업을 위해서 우선적으로 수행해야 하는 단계가 상변화 과정의 현상학적 이해와 열전달 특성에 대한 고찰이고, 이를 위해 현재 논문에서 각 항목들을 순차적으로 언급한 것이다. 대부분 연구결과는 용융(축열)과정에서 초기에는 열전도에 의한 영향이 지배적으로 작용하다가 이후 용융된 상변화물질의 대류에 의한 효과가 발생한다는 사실을 밝혔다. 또한 고형화(방열)과정에서는 대류 열전달은 무시할 수 있는 수준이고 전도에 의한 영향이 지배적이라는 사실을 보고하고 있다. 수직형 단일 동심관 실험을 통한 상변화물질의 온도구배도 축열 시에는 우리가 이론적으로 알고 있는 등온 구간이 뚜렷하게 나타나지 않은 반면, 방열 시에는 상대적으로 등온 구간이 명확하게 나타나는 점이 이러한 사실을 반영한 결과들이다. 대부분 기초 실험들은 100℃ 미만의 융점을 가진 파라핀 등의 상변화물질을 가지고 수행한 경우 많다. 왜냐하면 고온(100-300℃)영역의 융점을 가지는 상변화물질의 축․방열 특성을 도출하기 위해서는 융점 온도보다 더 높은 온도의 열전달 물질을 순환시켜야 하는데, 이를 위해서는 보일러, 압축기 등의 추가 설비가 필요하기 때문이다. 또한 상온 근처의 융점을 가지는 물질을 사용함으로써 가시화가 용이하고 실험설비 구축 시 열손실에 대한 부담을 줄일 수 있기 때문이다. 따라서 고온 영역의 융점을 가진 상변화물질의 열특성에 대한 연구가 추가적으로 필요하다는 점을 알 수 있다. 상변화물질의 낮은 열전도율은 핀 등을 활용하여 기술적으로 성능을 높일 수 있는 부분임은 많은 사례들을 통해 증명되었다. 현실적으로 고려되어야 할 점은 상변화물질의 가격이다. 현재 상변화물질의 비용은 상당히 높은 편이다. 예를 들어, 파라핀 제품은 톤당 4,000-5,000 달러이고, 염수화물 제품의 가격은 톤당 8,400-10,300 달러 수준이다. 이 가격에서 상변화물질의 적용은 연구 또는 실증 프로젝트로 제한된다. 그럼에도 불구하고 많은 기업들...

상변화물질을 적용한 건축자재의 에너지절약 가능성 분석

안상민(An Sang-MIn),황석호(Hwang Suck-Ho),김태연(Kim Taeyeon),이승복(Leigh Seung-Bok) 한국태양에너지학회 2011 한국태양에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.4

Thermal storage plays an important role in building energy saving, which is greatly assisted by the incorporation of latent heat storage in building materials. A phase change material is a substance with a high heat of fusion which, melting and solidifying at a certain temperature, can be storing and releasing large amount of energy. Heat is stored or released when the material changes from solid to liquid. Integration of building materials incorporating PCMs into the building envelope can result in increased efficiency of the built environment. The aim of this research is to identify thermal performance of PCMs impregnated building materials which is applied to interior of building such as gypsum and red clay. In order to analyze thermal performance of phase change materials, test-cell experiments and simulation analysis were carried out. The results show that micro-encapsulated PCM has an effect to maintain a constant indoor temperature using latent heat through the test-cell experiments. PCM wallboard makes it possible to reduce the fluctuation of room temperature and heating and cooling load by using EnergyPlus simulation program. Phase change material can store solar energy directly in buildings. Increasing the heat capacity of a building is capable of improving human comfort by decreasing the frequency of indoor air temperature swings so that the interior air temperature is closer to the desired temperature for a long period of time.

상변화물질을 활용한 열에너지저장 수직형 단일관 열교환기 과도모델 개발

이후경,한승원,박동호,정효재 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B Vol.47 No.8

This study aims to develop a one-dimensional transient model of a latent heat storage system using phase change materials (PCMs). The final heat exchanger would be configurated with multiple sets of vertical shell-and-tube type single tubes; therefore, an effective single tube model had to be developed. The PCM was filled without fins on the shell side, and a heat transfer fluid (HTF) flowed through the inner coaxial tube. In the experiment, the PCM with a melting temperature of 67°C during heat storage did not show a clear isotherm owing to the PCM movement by the internal phenomenon, but showed a relatively clear isotherm during heat release. Owing to the low thermal conductivity (1.6 W/m·K) of the PCM, the charging and discharging times were approximately 34 h and 11 h, respectively, that was well reflected in the model. The current model considered only the conduction heat transfer of the PCM and had limitations in accurately simulating the charging process. Hence, a supplementary research is required. 본 연구는 상변화물질을 이용한 잠열저장시스템의 1차원 과도상태 모델 개발을 목적으로 한다. 최종적으로 설계되는 열저장 시스템은 수직형 shell-and-tube 단일관의 다수개 집합으로 이루어져 있어, 단일튜브 열교환기의 유효한 모델을 개발하는 것은 중요하다. 열교환기 형상은 shell 측에 핀이 없는 상태로 상변화물질을 채우고 내부 동축 tube 측에 열전달 유체가 흐르는 형태로써, 실험 결과를 기반으로 1차원 모델개발의 접근방법과 타당성을 논의하였다. 축열 실험 시 녹는점이 67°C인 상변화물질은 내부 상분리 현상에 따른 물질 거동에 의해 명확한 등온선을 보이지 않았지만, 방열 시 비교적 명확한 등온선을 보였다. 상변화물질의 낮은 열전도율(1.6 W/m·K)로 인해 축·방열 시간은 각각 약 34시간, 11시간 소요되었고, 이는 모델에서도 잘 반영되어 나타났다. 해석적으로는 열저장 물질의 축열 시 수직관 내에서 대류, 부력 등에 의한 물리적인 움직임을 고려하지 않고 전도 열전달만을 고려한 공정해석 결과이기 때문에 정확한 현상 모사에 한계점이 발견되어, 추후 이에 대한 보완이 필요할 것으로 생각된다.

기포 구동 흐름과 이산화티타늄 나노파티클이 융합된 상변화물질의 열전달 강화 연구

최성호(Sung Ho Choi),장수진(Jang Su Jin),손동기(Dong Kee Sohn),고한서(Han Seo Ko) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11

Phase-change materials using latent heat energy and isothermal characteristics in phase change period are applied to thermal energy storage devices, thermal management devices, etc. However, low heat transfer performance of phase change materials is evaluated as a disadvantage for various applications. To overcome these shortcomings, various studies have been conducted to enhance the heat transfer performance of phase change materials. In this study, we propose the convergence of bubble-driven flow and TiO2 nanoparticles to enhance the heat transfer of phase-change materials. Physical properties of phase change materials and heat transfer mechanisms are analyzed using visualization experiments.

상변화물질 저장 탱크 내 핀-관 열 교환기 유량 변화에 따른 수치해석적 연구

허승민(Seung-Min Heo),윤재형(Jae-Hyeong Yoon),신동호(Dong-Ho Shin) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11

As the crisis of climate change escalates, research on renewable energy is being conducted very actively in all countries. Korea also revised the Enforcement Decree of the Framework Act on Low Carbon Green Growth and reduced carbon dioxide emissions by 37% compared to the 2030 forecast. Recently, Phase change material storage, which uses phase change material to store heat studied a lot. However, the thermal conductivity of phase-change substances are normally less than 0.1, that brings disadvantage of low heat exchange rate. To improve the heat exchange rate of PCM, a new type of pin-pipe was studied numerically in the storage tank of phase change material, and the cross-cutting technique was used to investigate the heat transfer according to shape.

수치해석과 실험을 통한 Can type container 내부 상변화 물질의 열유체적 특성분석

허승민,현수웅,정희준,신동호 한국가시화정보학회 2023 한국가시화정보학회지 Vol.21 No.2

Energy storage and distribution technologies are emerging as important factors as research on renewable energy continues. Analyzing the thermal flow of phase change material inside a latent heat storage device and to predict the phase change time is an important part for improvement of thermal performance. However, most of the current research is based on the trial-and-error experimental investigation to measure the phase change time. Therefore, in this study, a can-type phase change material container was designed, and the numerical method for analyzing the thermal flow of phase change material was established and validated. The error rate of the phase change time between the numerical and experimental results was within 5%, which proves its reliability. As a result, the phase change finishing times were found to be 78 minutes with inlet fluid temperature of 80°C during charging process, and 126 minutes with inlet fluid temperature of 9°C during discharging process.

여러 가지 상변화물질 슬러리의 원형관내 대류 열전달에 관한 연구

崔恩洙,鄭東柱 明知大學校 産業技術硏究所 2003 産業技術硏究所論文集 Vol.22 No.-

To investigate convective heat transfer of various the phase-change-material slurries in a circular tube, paraffin slurry, MC-lauric acid slurry, MC-octadecane slurry and ice slurry were tested in two kinds of heat transfer experimental apparatus with constant heat flux test section. Nusslet numbers of the phase-change-material slurries were found to increase when the phase-change- material melted. Nusselt number of the phase-change material slurry increased, as the size and fraction of the phase-change material increased. The effective thermal capacities of the phase-change-material slurries were higher than those of water. As fraction and fusion energy of the phase-change-material increased, the effective thermal capacity increased.

연소시스템 화석연료 사용량 저감을 위한 잠열에너지저장 기술동향 연구: Part I 열저장 시장규모와 개발수준, 상변화물질 평가

이후경,유재진 대한설비공학회 2023 설비공학 논문집 Vol.35 No.1

This paper reports development trends of latent heat energy storage technology, one of thermal energy storage technologies, using phase change materials. Part 1 presents policy plans and market size associated with thermal energy storage, evaluation of phase change materials for target temperature, and derivation of thermo-physical properties. Market demand for latent heat storage is increasing to reduce the use of fossil fuel as a way to improve the efficiency of energy-intensive combustion systems through heat recovery. Accordingly, each government is proposing specific policies for thermal energy storage. Demonstration research is being carried out in Germany and Korea. The temperature range of the heat source generated in the high-temperature combustion system is mainly 100-300℃. For this purpose, applicable phase change materials were evaluated. It can be seen that the use of organic materials such as paraffin and fatty acid and inorganic materials such as salt hydrates is appropriate in the low-mid temperature range between 0-100℃ and that molten salt and mixtures thereof are suitable for latent heat storage in the high temperature range of 100-300℃. 본 연구는 탄소배출의 주요 원인인 화석연료 연소부하를 저감하는 방안으로 연소시스템의 배열을 활용하고자 상변화물질을 활용한 잠열에너지저장 연계 가능성에 대해 논하였다. 그 첫 단계인 Part 1 논문에서는 열회수 시장규모의 성장과 더불어 이와 관련된 잠열에너지저장 시장의 성장이 이루어질 수 있다는 점을 알 수 있었고, 독일과 한국 등에서 300℃, 170℃ 열원을 가진 연소시스템과 잠열에너지저장 시스템 연계를 위한 실증연구 수행 등 현재 개발수준에 대해 정리하였다. 잠열에너지 저장설비를 연소시스템에 활용하기 위해서 가장 먼저 수행해야하는 것은 적용 환경에 맞는 상변화물질의 선택이다. 따라서 여러 문헌에 공개되어 있는 상변화물질의 종류와 분류를 정리하고 유기계, 무기계, 공융 혼합물 등 각 물질이 갖는 특성을 분석했다. 결과적으로 100-300℃ 온도영역에 적용할 수 있는 적절한 후보 물질은 용융염과 그들의 공융 혼합물이라는 점을 알 수 있었고, 현재 국내에서 진행 중인 실증과제에도 그와 유사한 물질을 사용할 것임을 제시하였다. 본 Part 1 논문은 기술개발 배경과 타당성, 상변화물질의 선택에 초점이 맞춰져 있었다면, 후속으로 발표될 Part 2 논문에서는 열원과 물질의 열교환 시 겪는 상변화 과정의 현상학적 이해와 열전달, 열전도율 향상을 위한 기술개발 동향, 관련 열교환 시스템 설계, 축․방열 시스템 설계 및 운영, 대형 시스템 실증사례들이 보고된다.

상변화물질을 사용한 시트형 및 파이프형 축열재의 축열성능 평가를 위한 모형실험 연구

고진수(Ko Jin-Soo),김병윤(Kim Byung-Yun),박성우(Park Sung-Woo) 대한건축학회 2012 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.28 No.5

In this paper, the phase change material (PCM) to increase the heat capacity of buildings is applied to building materials. The building materials use not only sensible heat but also latent heat so that the building materials are useful to maintain the pleasant indoor environment and to save the building energy. The purpose of this paper is to reduce the greenhouse gases due to building use. The model experimental research results are as follows. (1) The test shows that the sheet or pipe type heat storage materials are effective to reduce the daily temperature range, rather than the standard type. (2) The sheet type material has better capacity than the pipe type material to delay the increase in indoor temperature. (3) The building material mixing the phase change material can be useful to maintain indoor comfortably.