KR101877869B1 - 열화학 물질을 이용한 축열 및 방열 장치, 이를 이용한 축열 및 방열 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열화학 물질을 이용한 축열 및 방열 장치, 이를 이용한 축열 및 방열 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가역적인 화학 반응에서의 에너지 변화를 이용하여 열을 저장하거나, 방출할 수 있는 축열 및 방열 장치, 이를 이용한 축열 및 방열 방법에 관한 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 무기산화물, 무수염 등의 열화학 물질(Thermochemical material, TCM)을 축열 및 방열 장치에 적용함으로써, 가격이 저렴하면서도 인체에 안전한 물질을 사용한 축열 및 방열이 가능하다.
또한, 상기 열화학 물질은 높은 열저장 밀도를 나타내므로 축열 및 방열 장치의 효율성을 향상시키는데도 효과적이며, 태양열발전장치에서 야간에도 지속적으로 발전이 가능하도록 주간에 열을 저장하거나, 경제성문제로 배관이 연결되지 않아 열을 이송할 수 없는 지역에 열을 공급하기 위한 운송형 열저장장치를 활용하여 원격지 열수요처에서의 음식물 쓰레기 건조, 비닐하우스 난방 및 유리온실 난방 등의 다양한 분야에 널리 응용이 가능하다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 무기산화물, 무수염 등의 열화학 물질(Thermochemical material, TCM)을 축열 및 방열 장치에 적용함으로써, 가격이 저렴하면서도 인체에 안전한 물질을 사용한 축열 및 방열이 가능하다.
또한, 상기 열화학 물질은 높은 열저장 밀도를 나타내므로 축열 및 방열 장치의 효율성을 향상시키는데도 효과적이며, 태양열발전장치에서 야간에도 지속적으로 발전이 가능하도록 주간에 열을 저장하거나, 경제성문제로 배관이 연결되지 않아 열을 이송할 수 없는 지역에 열을 공급하기 위한 운송형 열저장장치를 활용하여 원격지 열수요처에서의 음식물 쓰레기 건조, 비닐하우스 난방 및 유리온실 난방 등의 다양한 분야에 널리 응용이 가능하다.
Description
본 발명은 열화학 물질을 이용한 축열 및 방열 장치, 이를 이용한 축열 및 방열 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가역적인 화학 반응에서의 에너지 변화를 이용하여 열을 저장하거나, 방출할 수 있는 축열 및 방열 장치, 이를 이용한 축열 및 방열 방법에 관한 것이다.
자연계로부터 무한히 얻을 수 있는 신재생에너지들은 지속적으로 사용하는데 한계가 있다. 이러한 신재생에너지는 낮과 밤의 시간적 차이, 계절 등 기후적 원인에 의하여 사용이 제한되거나 사용하지 않은 채 소모되는 경우가 많다. 태양에너지를 열원으로 사용하는 경우 주간 또는 하계 시 태양에너지의 강도가 가장 높은 반면에 야간 또는 동계 시 태양에너지를 직접적으로 사용하는 것은 불가능한 특성을 나타낸다. 플랜트 시설에서 발생되는 폐열의 경우 필요 시 직접적으로 사용하는 장점은 있으나 불규칙적으로 생산되어 활용이 어렵거나 하계 시와 같이 열의 수요가 제한적인 경우 폐열의 재사용 없이 버려지는 것이 일반적이다.
우리나라의 경우 난방시 에너지 사용증대에 따라 국가적으로 소모되는 에너지 비용이 지속적으로 상승하고 있으며 비용적인 측면과 환경적인 측면을 고려하여 신재생에너지의 사용을 장려하고 있어 에너지 효율을 높일 수 있는 기술적인 부분에 대한 관심이 증대되고 있는 실정이다.
따라서 잉여 열에너지가 발생하는 시기에 열에너지를 축적하여 열 에너지의 사용률이 가장 높은 시기에 축적된 열에너지를 사용할 수 있도록 하여 에너지 사용효율이 높은 친환경적 시스템이 필요하다.
축열 시스템을 통한 열에너지의 효율적인 저장 및 활용 기술은 다양한 범위에 걸쳐 연구되어 왔다. 상기 축열 시스템은 열에너지의 저장을 통하여 과잉 열원의 회수, 에너지의 공급과 수요의 시간적 불일치를 해소하기 위한 열원의 안정적 확보와 공급을 목적으로 하며, 다양한 방법으로 적용될 수 있고 관련 분야에서 상업적인 목적으로도 널리 응용된다.
그러나, 종래의 축열 시스템은 물이나 파라핀과 같이 단일 물질을 이용한 현열 방식 또는 상변화 방식을 이용하여 축열하고 있으나, 이러한 물질들은 낮은 열저장 밀도로 인한 부피가 증가하게 되어 체적당 효율이 떨어지는 문제점을 갖는다.
또한, 단일 물질의 열용량을 열저장에 사용함에 따라, 축열 후에도 지속적인 열 손실이 발생하며, 이로 인해 수요처와 적시에 연계되지 않는 경우에는 사용효율이 낮아지는 단점을 가지고 있다.
따라서, 종래의 축열 방식은 축열 시스템의 열저장 물질로서의 단점을 불규칙적인 신재생열 또는 폐열 생산과 수요처의 사용시점을 일치시키기 어려워 이에 대한 연구가 추가로 필요한 실정이다. (특허문헌 1, 비특허문헌 1)
비특허문헌 1: Thermal Energy Storage-IEA-ETSAP and IRENAⓒ Technology Brief E17 -January 2013
따라서, 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 가격이 저렴하고 인체에 안전한 물질이며, 높은 열저장 밀도를 갖는 무기산화물, 무기수산화물, 무수염 및 염수화물을 이용한 열화학 물질(Thermochemical material, TCM)이 적용된 축열 및 방열 장치를 제공하는 것이다.
또한, 상기 축열 및 방열 장치를 이용할 때 하나의 열화학 물질을 이용하는 것보다 열저장 및 열활용 효율이 향상된 축열 및 방열 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 대표적인 일 측면에 따르면, 열 공급조 제1 열화학 물질을 포함하는 제1 반응조 및 상기 제1 열화학 물질 보다 낮은 활성화 에너지를 갖는 제2 열화학 물질을 포함하는 제2 반응조를 포함하며, 상기 열 공급조는 상기 제1 반응조 및 제2 반응조와 연결되어 열교환이 이루어지고, 상기 제1 반응조와 제2 반응조는 서로 연결되어 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 축열 및 방열 장치에 관한 것이다.
상기 제1 반응조 및 제2 반응조는 상기 열 공급조로부터 열을 전달 받고 열 전달 매체를 포함하는 열 교환부 및 상기 열 교환부로부터 열을 전달 받고 열화학 물질을 포함하여 화학 반응이 일어나는 반응부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열화학 물질은 제2 열화학 물질 보다 높은 열저장 밀도(GJ/m3)를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열화학 물질의 열저장 밀도(GJ/m3)는 3 내지 6인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 열화학 물질은 하기 반응식 1의 화학 반응에 의해 축열 시에는 무기수산화물이고, 방열 시에는 무기산화물인 것을 특징으로 한다.
[반응식 1]
MO + H2O ↔ M(OH)2
(단, 상기 식에서 M은 Mg 또는 Ca이다.)
상기 제1 열화학 물질은 MgO, CaO, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 열화학 물질의 열저장 밀도(GJ/m3)는 1 내지 3인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 열화학 물질은 하기 반응식 2의 흡착 및 탈착반응에 의해 축열 시에는 염수화물이고 방열 시에는 무수염인 것을 특징으로 한다.
[반응식 2]
M1-A + H2O ↔ M1-A·H2O + Heat
(단, 상기 식에서 M1은 Mg, Ca, Al, 또는 Fe 이며, A는 SO4, 또는 Cl 이다.)
상기 제2 열화학 물질은 MgSO4, MgCl2, CuSO4, CaCl2, CaSO4, Al(SO4)2, MgSO4-xH2O, MgCl2-xH2O, CuSO4-xH2O, CaCl2-xH2O, CaSO4-xH2O 및 Al(SO4)2-xH2O 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 축열 및 방열 장치는 반응조와 연결된 열 교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 축열 및 방열 장치를 이용한 축열 방법에 있어서, 열 공급조로조터 제1 반응조로 열이 공급되는 열공급단계, 상기 열이 공급된 제1 반응조에서 화학 반응이 일어나 1차 축열하는 단계 및 상기 제1 반응조에서 축열되고 남은 열을 공급받아 제2 반응조에서 탈착 반응이 일어나 2차 축열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축열 방법에 관한 것이다.
상기 1차 축열단계에서 축열되기 위해 공급되는 열의 온도는 300 내지 1000℃인 것을 특징으로 한다.
상기 2차 축열단계에서 축열되기 위해 공급되는 열의 온도는 100 내지 300℃인 것을 특징으로 한다.
상기 제2 반응조에서 발생한 열은 열 공급조로 순환되어 재사용이 가능한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 대표적인 일 측면에 따르면, 상기 축열 및 방열 장치를 이용한 방열 방법에 있어서, 수분 공급조로부터 제2 반응조로 수분이 공급되는 수분공급단계, 상기 수분이 공급된 제2 반응조에서 흡착 반응이 일어나 1차 방열하는 단계 및 상기 제2 반응조로부터 수분과 열을 공급받아 제1 반응조에서 화학 반응이 일어나 2차 방열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방열 방법에 관한 것이다.
본 발명의 여러 구현예에 따르면, 무기산화물, 무수염 등의 열화학 물질(Thermochemical material, TCM)을 축열 및 방열 장치에 적용함으로써, 가격이 저렴하면서도 인체에 안전한 물질을 사용한 축열 및 방열이 가능하다.
또한, 상기 열화학 물질은 높은 열저장 밀도를 나타내므로 축열 및 방열 장치의 효율성을 향상시키는데도 효과적이며, 태양열발전장치에서 야간에도 지속적으로 발전이 가능하도록 주간에 열을 저장하거나, 경제성문제로 배관이 연결되지 않아 열을 이송할 수 없는 지역에 열을 공급하기 위한 운송형 열저장장치를 활용하여 원격지 열수요처에서의 음식물 쓰레기 건조, 비닐하우스 난방 및 유리온실 난방 등의 다양한 분야에 널리 응용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 축열 및 방열 장치의 축열 시 공정을 도시화한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 축열 및 방열 장치의 방열 시 공정을 도시화한 공정도이다.
도 3은 각 물질에 따른 반응기재, 열저장 밀도 및 열저장 온도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 반응조(200)에서 일어나는 열화학 물질의 반응을 도시화한 모식도이다. 흡착반응은 경계면에서 용질분자가 고체표면의 계면에 머무는 것이고, 탈착반응은 경계면에서 흡착된 물질이 떨어져 나가는 것을 의미하며, 화학 반응은 물질의 재배열에 따라 새로운 물질이 생성되는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 반응조(200)에서 일어나는 화학 반응 중에서 무기산화물인 산화마그네슘에 물이 공급된 후에도 일정 시간동안의 반응지연 후 급격한 반응이 일어나는 것을 반응 시간에 따른 열저장 밀도를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 반응조(200)에서 일어나는 흡착 반응 중에서 무수염인 황산마그네슘은 물이 공급되는데 따라 신속한 방열이 일어나는 것을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 축열 및 방열 장치의 방열 시 공정을 도시화한 공정도이다.
도 3은 각 물질에 따른 반응기재, 열저장 밀도 및 열저장 온도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 반응조(200)에서 일어나는 열화학 물질의 반응을 도시화한 모식도이다. 흡착반응은 경계면에서 용질분자가 고체표면의 계면에 머무는 것이고, 탈착반응은 경계면에서 흡착된 물질이 떨어져 나가는 것을 의미하며, 화학 반응은 물질의 재배열에 따라 새로운 물질이 생성되는 것을 의미한다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 반응조(200)에서 일어나는 화학 반응 중에서 무기산화물인 산화마그네슘에 물이 공급된 후에도 일정 시간동안의 반응지연 후 급격한 반응이 일어나는 것을 반응 시간에 따른 열저장 밀도를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예에 따른 반응조(200)에서 일어나는 흡착 반응 중에서 무수염인 황산마그네슘은 물이 공급되는데 따라 신속한 방열이 일어나는 것을 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열 공급조, 제1 열화학 물질을 포함하는 제1 반응조 및 상기 제1 열화학 물질 보다 낮은 활성화 에너지를 갖는 제2 열화학 물질을 포함하는 제2 반응조를 포함하며, 상기 열 공급조는 상기 제1 반응조 및 제2 반응조와 연결되어 열교환이 이루어지고, 상기 제1 반응조와 제2 반응조는 서로 연결되어 열교환이 이루어지며, 상기 열 공급조는 수분 공급조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 축열 및 방열 장치가 개시된다.
본 발명에 따른 축열 및 방열 시스템은 두 가지 이상의 화학 물질이 서로 결합하거나 또는 분리하는 화학 반응을 통해 발생하는 열을 이용한 것으로, 열화학 물질(Thermochemical material, TCM)을 축열 및 방열 장치에 적용한 것이다.
즉, 본 발명은 상기 열화학 물질을 축열 및 방열 장치에 적용하여, 단일물질을 사용하여 축열하는 현열 또는 상변화 열저장과 달리 두가지 물질을 분리시키는 축열과정을 거친 후에는 열화학 물질의 반응을 차단하면 장기간 동안 열의 손실이 발생하지 않으므로, 생산시기가 불규칙적인 신재생에너지 열원이나 산업체 폐열원에서 발생시마다 저장해 모아두는 것이 가능하며, 수요처에서 필요시마다 두가지 물질을 결합하는 과정을 통해 방열시켜 사용함으로써 공급과 수요의 불일치를 해결할 수 있다. 또한, 가격이 저렴하고 인체에 안전한 물질로서 높은 열저장 밀도를 갖는 특성으로 인하여 축열 및 방열 장치의 효율성을 향상시키는데 효과적이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 열 공급조는 열이 공급되는 공급원으로써 용도에 따라 공급원은 다양할 수 있으며, 반응조로부터 반응되고 남은 열이 재순환되어 사용될 수도 있다.
상기 수분 공급조는 수분을 공급하는 유닛으로, 반응조로부터 발생하는 수분이 재순환되어 사용될 수도 있다.
상기 반응조는 제1 반응조와 제2 반응조로 이루어지는데, 상기 제1 반응조와 제2 반응조에는 반응 온도대가 다르고 반응기재가 다른 두 종류의 물질을 각각 투입하여 반응 온도대가 높은 물질을 먼저 축열한 후에 남은 열을 반응 온도가 낮은 물질에 투입하여 축열함으로써, 화학 반응을 통한 열저장의 단점을 보완하고 효율을 향상시키는데 효과적이다.
상기 제1 반응조 및 제2 반응조는 상기 열 공급조로부터 열을 전달 받고 열 전달 매질을 포함하는 열 교환부 및 상기 열 교환부로부터 열을 전달 받고 열화학 물질을 포함하여 화학 반응이 일어나는 반응부를 포함할 수 있다.
또한, 방열 시에는 반응 온도대가 낮고 반응속도가 빠른 무수염을 먼저 반응시키고, 이때 방출된 열을 이동시켜 반응 온도가 높은 물질인 무기산화물의 활성화를 촉진하여 신속하게 방열하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명은 무기산화물과 같이 반응 온도대가 높은 물질은 열저장 밀도가 높으나, 높은 활성화에너지를 필요로 하고, 반면에 무수염과 같은 반응 온도대가 낮은 흡착 물질은 열저장 밀도가 낮으나, 낮은 활성화에너지로 인하여 반응이 즉각적으로 일어나는 특성을 이용한 것으로, 각 물질의 단점을 보완하고 장점을 극대화시킬 수 있다.
상기 제1 열화학 물질은 제2 열화학 물질 보다 높은 열저장 밀도(GJ/m3)를 갖는 것이 바람직한데, 열저장 밀도(GJ/m3)는 3 내지 6인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 무기산화물 또는 무기수산화물로 MgO, CaO, Mg(OH)2 및 Ca(OH)2 중에서 선택된 1종 이상인 것이다.
상기 제2 열화학 물질은 열저장 밀도(GJ/m3)는 1 내지 3인 것으로서, 무수염 또는 염수화물인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 MgSO4, MgCl2, CuSO4, CaCl2, CaSO4, Al(SO4)2, Al(SO4)2, MgSO4-xH2O, MgCl2-xH2O, CuSO4-xH2O, CaCl2-xH2O, CaSO4-xH2O 및 Al(SO4)2-xH2O 중에서 선택된 1종 이상이다.
특히, 제1 열화학 물질로는 MgO과 Mg(OH)2를 사용하고, 제2 열화학 물질로는 MgSO4와 MgSO4-xH2O를 사용하였을 때 열저장 효율이 더욱 향상되었음을 확인하였다.
이는 상기 무수염은 상온에서 빠른 반응성을 가지고 있으나 반응 온도가 낮은 단점을 가지며, 상기 무기산화물은 반응 온도가 높으나 상온에서 느린 반응성을 가지고 있으므로, 본 발명에서는 상기 두 물질의 장점을 극대화하고 단점을 보완하기 위하여, 반응조를 두 개의 조로 분리하여 효율을 향상시킬 수 있기 때문이다.
상기 축열 및 방열 장치는 필요에 따라 반응조와 연결된 별도의 열교환기를 더 포함할 수 있다. 상기 열교환기는 반응조로부터 반응이 완료된 이후에 최종적으로 발생하는 잔열 또는 다량의 열을 배출하거나, 열 공급조에서 재사용 할 수 있도록 열 공급조와 연결될 수도 있다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 축열 및 방열 장치의 축열 시 공정을 도시화한 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 축열 및 방열 장치의 열공급조(100)는 반응조(200)의 유입 밸브와 연결되고, 수분을 회수하는 수분 회수 유닛을 더 포함할 수 있으며, 이를 통해 회수된 수분은 수분 공급조(101)로 투입되어 재사용할 수 있다.
상기 열공급조(100)와 연결된 반응조(200)는 제1 반응조(210)와 제2 반응조(220)가 서로 유출입 밸브로 연결된다.
축열 시에는 고온의 열을 열공급조(100)를 통해 제1 반응조(210)에 공급하여 화학 반응을 유도함으로써, 물과 함께 다량의 열이 발생되는데, 이때 발생된 열은 1차 축열되고 온도가 낮아진 열풍이 물과 함께 제2 반응조(220)로 전달되어 2차 축열 반응을 유도한다.
즉, 상기 제1 반응조(210)의 1차 축열로 인하여 온도가 낮아진 열풍은 제2 열교환부로 공급되어 제2 반응조(220)의 탈착 반응을 유도함으로써, 2 차 축열 공정을 수행한다.
하기 반응식 3, 4에서 보는 바와 같이, 상기 제1 반응조(210)에서 축열 시 발생하는 화학 반응에 있어서, 수산화마그네슘은 열과 반응하여 산화마그네슘과 물 분자를 내고, 여기서 남은 잔열은 제2 반응조(220)로 이동하여 황산마그네슘 수화물의 물분자를 탈착시킨다.
이때, 제1 반응조(210)에서는 하기 반응식 3의 화학 반응을 일으키기 위해 300 내지 1000℃ 온도의 열이 공급되고, 제1 반응조에서 낮아진 열은 제2 반응조(220)에서는 하기 반응식 4의 탈착 반응을 일으키기 위해 100 내지 300℃ 온도의 열을 공급하게 된다.
<반응식 3>
Mg(OH)2 + Heat → MgO + H2O
<반응식 4>
MgSO4-nH2O + Heat → MgSO4 + nH2O
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 축열 및 방열 시스템의 방열 시 공정을 도시화한 공정도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 축열 및 방열 장치의 수분 공급조(101)는 반응조(200)의 유입 밸브와 연결되고, 발생한 열과 물을 회수하는 회수 유닛을 더 포함할 수 있다.
방열 시에는 저온의 열이 물과 함께 제2 반응조(220)에 공급되어 흡착반응이 급격히 일어나게 되고, 발생된 열은 제1 반응조(210)로 공급되어 높은 활성화에너지를 물질의 화학 반응을 촉진시켜 다량의 열을 발생시킨다.
이때, 발생하는 화학 반응은 하기 반응식 5, 6에서 보는 바와 같으며, 이러한 반응은 축열 시에 발생하는 탈착 반응과는 반대의 과정으로 일어난다.
즉, 제2 반응조(220)에서는 하기 반응식 5의 반응이 일어나며, 60 내지 90℃ 온도의 열이 발생하고, 제1 반응조(210)에서는 하기 반응식 6의 반응이 일어나며 100 내지 200℃ 온도의 열이 발생하여 고온의 열을 방열할 수 있다.
따라서, 본 발명은 축열 시 열을 효과적으로 사용하며 방열 시에는 신속한 열사용이 가능하므로 효율적이며 보다 경제적인 시스템을 제공할 수 있다.
<반응식 5>
MgSO4 + nH2O → MgSO4-nH2O + Heat
<반응식 6>
MgO + H2O → Mg(OH)2 + Heat
도 3은 각 물질에 따른 열저장 밀도와 열저장 온도를 측정한 결과를 나타낸 것으로, 하기 표 1에 정확한 수치를 나타내었다.
도 3 및 하기 표 1를 참조하면, 종래의 축열 시스템에서 단일물질로 사용되는 물이나 파라핀의 경우에는 열저장 밀도가 0.2 GJ/m3로 현저히 낮은 것을 알 수 있다.
반면에, 본 발명에서 언급하고 있는 무기산화물이나 무수염인 CaO, MgO, MgSO4, CaSO4의 경우에는 열저장 밀도가 2.6 내지 4.5로, 종래에 비하여 약 3 내지 23배에 해당하는 것을 확인할 수 있다.
| 물질명 | 반응기재 | 열저장밀도 (GJ/m3) |
열저장온도 (℃) |
| CaO | 화학 반응 | 4.5 | 550 |
| MgO | 화학 반응 | 3.4 | 300 |
| MgSO4 | 흡착/탈착반응 | 2.6 | 125 |
| CaSO4 | 흡착/탈착반응 | 1.6 | 90 |
| Paraffin (상변화 축열시) |
상변화 | 0.2 | 60 |
| Water (현열 축열시) |
현열 | 0.2 (△T=50℃) |
0-100 |
| Al2O3 (현열 축열시) |
현열 | 0.4 (△T=120℃) |
300-400 |
도 5는 산화마그네슘의 반응 시간에 따른 열저장 밀도를 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프로, 물이 공급되어도 활성화에너지 구간이 높아 반응시간이 지연이 발생하므로, 물 공급이 중단된 후 일정시간이 지나서야 발열반응이 발생하는 것을 알 수 있다. 즉, 화학 반응에 의한 반응 시작 시간이 느리나, 반응조건이 충족되면 반응이 급격히 확산되어 다량의 열이 발생한다.
도 6은 황산마그네슘에 물을 공급 또는 중지함에 따라 실시간으로 방열이 일어나거나 멈추는 것을 온도 변화로 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프로, 물이 공급되는 동안에 반응이 있다가 물의 공급이 중단되면 반응이 바로 중지되는 것을 알 수 있다. 즉, 흡착 반응에 의한 빠른 반응과 발열이 발생한다.
따라서, 본 발명의 여러 구현예에 따르면, 무기산화물, 무기수산화물, 무수염 및 염수화물 등의 열화학 물질(Thermochemical material, TCM)을 축열 및 방열 장치에 적용함으로써, 가격이 저렴하면서도 인체에 안전한 물질을 사용한 축열 및 방열이 가능한 것을 알 수 있다.
또한, 상기 열화학 물질은 높은 열저장 밀도를 나타내므로 축열 및 방열 장치의 효율성을 향상시키는데도 효과적이며, 태양열발전장치에서 야간에도 지속적으로 발전이 가능하도록 주간에 열을 저장하거나, 경제성문제로 배관이 연결되지 않아 열을 이송할 수 없는 지역에 열을 공급하기 위한 운송형 열저장장치를 활용하여 원격지 열수요처에서의 음식물 쓰레기 건조, 비닐하우스 난방 및 유리온실 난방 등의 다양한 분야에 널리 응용이 가능하다.
100; 열 공급조
101; 수분 공급조
200; 반응조
210; 제1 반응조
211; 제1 열교환부
212; 제1 반응부
220; 제2 반응조
221; 제2 열교환부
222; 제2 반응부
101; 수분 공급조
200; 반응조
210; 제1 반응조
211; 제1 열교환부
212; 제1 반응부
220; 제2 반응조
221; 제2 열교환부
222; 제2 반응부
Claims (16)
- 삭제
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- 열 공급조;
제1 열화학 물질을 포함하는 제1 반응조; 및
상기 제1 열화학 물질 보다 낮은 활성화 에너지를 갖는 제2 열화학 물질을 포함하는 제2 반응조;를 포함하며,
상기 열 공급조는 상기 제1 반응조 및 제2 반응조와 연결되어 열교환이 이루어지고,
상기 제1 반응조와 제2 반응조는 서로 연결되어 열교환이 이루어지며,
상기 열 공급조는 수분 공급조를 더 포함하며,
상기 제1 열화학 물질은 축열 시에는 무기수산화물이고, 방열 시에는 무기산화물이고,
상기 제2 열화학 물질은 축열 시에는 염수화물이고, 방열 시에는 무수염인 것을 특징으로 하는 축열 및 방열 장치를 이용한 축열 방법에 있어서,
열 공급조로조터 제1 반응조로 열이 공급되는 열공급단계;
상기 열이 공급된 제1 반응조에서 화학 반응이 일어나 1차 축열하는 단계; 및
상기 제1 반응조로부터 물과 열을 공급받아 제2 반응조에서 탈착 반응이 일어나 2차 축열하는 단계;로 이루어지며,
상기 1차 축열단계에서 축열되기 위해 공급되는 열의 온도는 300 내지 1000℃인 것을 특징으로 하는 축열 방법.
- 삭제
- [청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]제11항에 있어서,
상기 2차 축열단계에서 축열되기 위해 공급되는 열의 온도는 100 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 축열 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 제1 반응조와 제2 반응조에서 발생한 수분은 수분 공급조로 순환되어 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는 축열 방법.
- 열 공급조;
제1 열화학 물질을 포함하는 제1 반응조; 및
상기 제1 열화학 물질 보다 낮은 활성화 에너지를 갖는 제2 열화학 물질을 포함하는 제2 반응조;를 포함하며,
상기 열 공급조는 상기 제1 반응조 및 제2 반응조와 연결되어 열교환이 이루어지고,
상기 제1 반응조와 제2 반응조는 서로 연결되어 열교환이 이루어지며,
상기 열 공급조는 수분 공급조를 더 포함하며,
상기 제1 열화학 물질은 축열 시에는 무기수산화물이고, 방열 시에는 무기산화물이고,
상기 제2 열화학 물질은 축열 시에는 염수화물이고, 방열 시에는 무수염인 것을 특징으로 하는 축열 및 방열 장치를 이용한 방열 방법에 있어서,
수분 공급조로부터 제2 반응조로 수분이 공급되는 수분공급단계;
상기 수분이 공급된 제2 반응조에서 흡착 반응이 일어나 1차 방열하는 단계; 및
상기 제2 반응조로부터 열을 공급받아 제1 반응조에서 화학 반응이 일어나 2차 방열하는 단계;로 이루어지며,
상기 제1 반응조와 제2 반응조에서 발생한 열은 열 공급조로 순환되어 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는 방열 방법. - 삭제
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|---|---|---|---|---|
| KR20220166612A (ko) | 2021-06-10 | 2022-12-19 | 한국에너지기술연구원 | 미립화 기술을 이용한 열화학 열저장장치 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6475862A (en) * | 1987-09-16 | 1989-03-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Heat accumulation type air conditioner |
| JPH11148788A (ja) * | 1997-11-17 | 1999-06-02 | Sekisui Chem Co Ltd | 蓄熱装置 |
| JP2012007822A (ja) * | 2010-06-25 | 2012-01-12 | Denso Corp | 化学蓄熱装置 |
| JP2013027084A (ja) * | 2011-07-19 | 2013-02-04 | Toyota Central R&D Labs Inc | 電源システム |
| JP2014152997A (ja) * | 2013-02-08 | 2014-08-25 | Toyota Industries Corp | 化学蓄熱装置 |
| JP2015108471A (ja) * | 2013-12-04 | 2015-06-11 | 株式会社豊田自動織機 | 化学蓄熱装置 |
-
2015
- 2015-11-12 KR KR1020150158784A patent/KR101877869B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6475862A (en) * | 1987-09-16 | 1989-03-22 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Heat accumulation type air conditioner |
| JPH11148788A (ja) * | 1997-11-17 | 1999-06-02 | Sekisui Chem Co Ltd | 蓄熱装置 |
| JP2012007822A (ja) * | 2010-06-25 | 2012-01-12 | Denso Corp | 化学蓄熱装置 |
| JP2013027084A (ja) * | 2011-07-19 | 2013-02-04 | Toyota Central R&D Labs Inc | 電源システム |
| JP2014152997A (ja) * | 2013-02-08 | 2014-08-25 | Toyota Industries Corp | 化学蓄熱装置 |
| JP2015108471A (ja) * | 2013-12-04 | 2015-06-11 | 株式会社豊田自動織機 | 化学蓄熱装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220166612A (ko) | 2021-06-10 | 2022-12-19 | 한국에너지기술연구원 | 미립화 기술을 이용한 열화학 열저장장치 |
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