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Heat storage materials and heat transfer characteristics in latent heat storage systems = 상변화 물질을 이용한 축열시스템에서 축열재와 열전달 특성 연구
서명 / 저자 Heat storage materials and heat transfer characteristics in latent heat storage systems = 상변화 물질을 이용한 축열시스템에서 축열재와 열전달 특성 연구 / Byung-Chul Shin.
저자명 Shin, Byung-Chul ; 신병철
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 1990].
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The performance for thermal energy storage of the salt hydrates by using a thickener and a nucleating agent has been investigated. A super-absorbent polymer made from an acrylic acid copolymer is proposed as an effective thickener to prevent the undesirable phase separation of the salt hydrates. The addition of 2.9 wt% of super-absorbent polymer is found to be an effective addition to prevent the phase separation of a sodium sulfate decahydrate (Glauber's salt = $Na_2SO_4$.$10H_2O$) over 100 thermal cycling tests. The phase separation of disodium phosphate dodecahydrate ($Na_2HPO_4$.$12H_2O$) can be prevented by the addition of 3.4 wt% super-absorbent polymer. However, the super-absorbent polymer is found to be not an effective thickener to prevent phase separation of calcium chloride hexahydrate ($CaCl_2$.$6H_2O$) and sodium thiosulfate pentahydrate ($Na_2SO_3$.$5H_2O$). The supercooling of thickened Glauber's salt is reduced from 18°C to 3~4°C by using 1.9 wt% borax as a nucleating agent. Three kinds of powdered forms of carbon (1.3~6.7μm), copper (1.5~2.5μm) and titanium oxide (2~200μm) reduce the supercooling of thickened disodium phosphate dodecahydrate. However, the phase change of thickened $Na_2HPO_4$.$12H_2O$ with aluminum powders (8.5~20μm) takes place in a wide temperature range during the heat storage, and it supercools to 25°C during the heat recovery stage. Thermophysical properties have been measured by using a thermal analyzer (Dupont 990) and a differential scanning calorimeter (DSC, Dupont 910). The obtained values of the latent heat, thermal conductivity and heat capacities for the mixture of 94% sodium sulfate decahydrate, 3% super-absorbent polymer and 3% borax by weight, are 227 J/g, 0.64 W/m.K, 3.4 J/g.K in the solid and 4.6 J/g.K in gelded state, respectively. For the mixtures of disodium phosphate dodecahydrate, super-absorbent polymer and the respective nucleating agents such as carbon, copper and TiO2, the latent heat greatly reduces to 40~50% of pure $Na_2HPO_4$.$12H_2O$ by the formation of heptahydrate. For the high temperature latent heat storage materials, the phase transition temperature and corrosion tendency of the inorganics have been determined. Carbonate eutectics are the most promising latent heat storage materials for industrial usage based on their low cost and excellent thermophysical properties at moderately high temperatures. Fluoride eutectics have severe corrosion and creeping tendencies on the metal container. The mixtures of nitrate and nitrite are very stable, but less attractive ones as the latent heat storage material due to their low latent heat capacity. Heat transfer characteristics of the mixture (94% Glauber's salt, 3% super-absorbent polymer and 3% borax, by weight) have been determined in a tube bundle heat exchanger. Each tube contained 450g of heat storage material and the total weight in the exchanger was 20.7kg with a latent heat capacity of about 1.3 kW-hr. The inlet water temperature varied from 40 to 55°C in the heat storage stage and 9 to 18°C in the heat recovery stage, respectively. The heat transfer water flow rates varied from 6 to 12 1/min. The mixture melts in the temperature range of 28~32°C, and freezes at 29~31°C without supercooling over 100 thermal cycles. The heat transfer processes of both the heat storage and the heat recovery have been significantly affected by the thermal stratification of heat transfer fluid at the low Reynolds number (124~249). The heat flux and the average heat transfer coefficients based on the tube surface are 4~0.5 kW, 130~210 kW/$m^2$.K during the heat storage period, and 3~0.5 kW, 130~140 W/$m^2$.K during the heat recovery stage, respectively. The heat recovery efficiency is found to be in the range of 62~75% of the theoretical value, but it is 96~97% based on the actual amount of heat storage. The heat storage and release characteristics of the ternary carbonate eutectic (32.1% $Li_2CO_3$, 34.5% $K_2CO_3$ and 33.4% $Na_2CO_3$, by weight) have been determined, and the obtained results are compared with the theoretical analysis. A 150 mm diameter × 125 mm height cylindrical heat storage container was constructed from a 316-stainless steel, and 28 mm internal diameter × 1 mm thickness heat transfer tube which was installed at the center of storage unit. This storage container was placed in an 8-kW electric heater unit. The present three component carbonate eutectic is found to be a suitable heat storage material for high temperature applications since it exhibits a distinct phase change temperature without phase separation or supercooling over 50 thermal cycles of the heat storage and release. In the complete melted state of the heat storage material, the temperature difference in the radial direction is absent but there is a temperature difference along the axial direction. The axial temperature difference during the heat recovery stage can be reduced considerably with the downward flow of heat transfer fluid. The present carbonate eutectic has the heat conductivity of 1.41 W/m.K, and the average heat transfer coefficient ranges from 34 to 51 W/$m^2$.K at the given air flow rates. In the heat release stage, the temperature distribution and the solidification front velocity have been well represented by the approximate solutions of Megerlin. The moving speed of solid-liquid interface and the energy recovery rate increase with an increase in the Biot number. Whereas, the temperature of recovered thermal energy reduces considerably with the Biot number. The corrosion rate of 316-stainless steel heat transfer tube and container is found to be negligibly small.

태양열과 같은 천연에너지의 활용과 전력 수요량보다 공급량이 많은 심야전력을 효율적으로 이용하기 위해서 잠열 축열 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 난방용 잠열 축열재로 많이 연구되어온 망초 ($Na_2SO_4 \cdot 10H_2O$) 에 고흡수성 고분자를 증점제로 2.9 wt\% 첨가하면 비조화용융점에 의한 망초의 상분리를 완전히 방지할 수가 있었다. 증점된 망초에 조핵제로 borax를 1.9 wt\% 이상 첨가하면 18℃의 과냉각을 3 - 4℃ 까지 줄일 수가 있었다. 이와같은 조성을 갖는 잠열 축열재의 잠열량은 227 J/g, 열전도도는 0.64 W/m K, 열용량은 고체일때 3.4 J/g K, 겔상태에서 4.6 J/g K로 기존의 잠열 축열재보다 그 성능이 우수하였다. 인산염($Na_2HPO_4 \cdot 12H_2O$)에 고흡수성 고분자를 3.4 wt\% 이상 첨가 하면 상분리를 완전히 방지할수가 있었으며, 과냉각 방지를 위한 조핵제로는 카본, 구리, $TiO_2$ 등의 입자가 효과가 있었다. 그러나, 첨가물에 의해 인산염의 잠열량이 크게 감소하는 단점이 있었다. 난방은 물론 산업용으로 활용이 가능한 고온의 열에너지를 저장할 수 있는 무기공융혼합물의 특성을 연구하였다. 불화물은 가장 우수한 열특성을 갖고 있으나 부식성 및 creeping 현상에 의해 일반적인 잠열 축열재로 사용할 수가 없었다. 질산염은 600℃까지는 염의 안정성이 가장 좋으나 잠열량이 매우 작아서 현열 축열재로 사용이 바람직하였다. 탄산염은 열특성 및 가격면에서 가장 적합한 고온의 잠열 축열재였다. 개발된 잠열 축열재 (망초:증점제:조핵제 = 94:3:3 wt\%)를 이용하여 1.3 kW-hr 용량의 실제 축열장치에서 열전달 유체의 유량과 온도 변화에 따른 열전달 특성을 연구하였다. 축열 장치는 46개의 동관 (35 mm OD × 420mm length)으로 구성되어 있으며, 각각의 동관 캡슐에 450 g의 잠열 축열재를 채운후 밀봉하였다. 열전달 유체로 사용된 물의 유량 및 유입온도에 따라 28 - 32℃의 온도 범위에서 잠열의 축열이 이루어졌으며, 방열과정에선 전혀 과냉각 현상이 없이 29 - 31℃ 의 온도 범위에서 상전이가 일어났다. 열전달 속도는 열전달 유체의 유량보다는 온도 변화에 의해 더 큰 영향을 받았고, 유량이 적은 경우에 수직 방향으로 온도성층 현상이 발달하였다. 이 온도성층 현상에 의해서 축열과정에선 장치의 윗쪽부터, 방열과정에선 장치의 아랫쪽으로 부터 상전이가 일어났다. 열전달 유체의 유량 및 유입 온도에 따라 이론적인 최대 축열 가능량의 67 - 81\%를 축열할 수가 있었으며, 이론적으로 회수 가능한 최대 축열량의 62 - 75\%를 회수할 수가 있었다. 그러나, 실제로 축열된 양을 기준으로 하면 96 - 97\%의 회수율을 얻었다. 축열과정의 열전달 속도는 상전이가 일어나는 동안 0.5 -4 kW 이며, 열전달 유체의 유입온도가 40에서 50℃ 까지 증가함에 따라 2배까지 증가를 하였다. 방열과정의 열전달 속도는 상전이가 일어나는 동안 0.5 - 3 kW로 축열과정과 비슷하였다. 열전달 튜브의 표면에서 평균 열전달계수는 축열과정에서 130 - 210 W/$m^2$K, 방열과정에선 130 - 140 W/$m^2$K로 계산이 되었다. 축열과 방열량은 Stefan 수, Reynolds 수 및 Fourier 수의 상관식으로 표현할 수가 있었다. 탄산 공융혼합물 ($Li_2CO_3:Na_2CO_3:K_2CO_3$=32.1:33.4:34.5 wt\%) 에 대해서 축열과 방열과정의 열전달 특성을 연구하였다. 실험장치는 쉘-튜브 형태로 축열 용기의 내경은 150 mm, 높이가 125 mm, 열전달 튜브는 내경이 28 mm, 두께가 3.2 mm 인 스테인레스 스틸로 제작하였다. 공융혼합물의 무게는 3.8 kg으로 잠열에 의한 축열량은 1.3 kW-hr이며, 열전달 유체로는 상온의 공기를 사용하였다. 탄산공융혼합물은 395 - 400℃의 온도에서 잠열축열이 이루어지며, 397℃의 일정한 온도에서 과냉각 현상이 없이 잠열의 방출이 이루어졌다. 축열과 방열과정에선 용융염의 대류현상으로 인하여 수직방향으로 온도성층 현상이 나타났으며, 열전달 유체를 장치의 상부에서 하부로 흐르게 하면 온도성층 현상은 상당히 줄어들었다. Biot 수의 증가에 따라 상전이 경계면의 이동속도와 열에너지의 회수율은 증가하지만 회수되는 열에너지의 온도가 크게 감소하는 단점이 있었다. 정상상태의 열전달 식으로 부터 계산된 고체상태의 열전도도는 1.41 W/m K로 이론에 의해 예측한 값과 잘 일치하였으며, 총괄열전달계수는 공기 유량에 따라 34 - 51 W/$m^2$K 의 값을 갖는다. 방열과정에서 상전이 경계면의 이동속도 및 온도 분포는 근사해를 이용해서 예측한 값과 잘 일치하였다. 탄산염의 공융혼합물은 약 750 시간의 조업후에도 316-stainless steel 에 대한 부식성은 관찰되지 않았다. 그러나, 방열과정에서 탄산염의 밀도 변화에 의해 형성되는 공동(cavity)은 열전달 속도를 크게 감소시킬 수가 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCE 9008
형태사항 xviii, 278 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 Includes appendix
저자명의 한글표기 : 신병철
지도교수의 영문표기 : Sang-Done Kim
공동교수의 영문표기 : Won-Hoon Park
지도교수의 한글표기 : 김상돈
공동교수의 한글표기 : 박원훈
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 화학공학과,
서지주기 Reference : p. 241-253
주제 Heat storage.
Polymer colloids.
상전이. --과학기술용어시소러스
열역학. --과학기술용어시소러스
고분자. --과학기술용어시소러스
Phase and rule equilibrium.
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