KR930009901B1 - 냉축열용 잠열 축열재 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

냉축열용 잠열 축열재

본 발명은 에너지 저장에 이용되는 잠열 축열재에 관한 것으로서, 더욱 상세히 설명하면, 고흡수성 고분자물질을 냉방을 주 목적으로 하는 축열재인 물에 첨가함으로써 과냉각을 억제하여 축열효율을 증대시키는 축열재에 관한 것이다.

에너지의 공급측과 사용측간에 수요-공급상의 시간적 또는 양적 불일치가 발생하면 에너지가 비효율적으로 낭비된다. 이를 방지하기 위하여 과잉의 에너지를 잠시 저장하였다가 에너지 공급이 부족할때에 저장된 에너지를 회수하여 사용하면 에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있다.

이러한 에너지 저장에는 여러가지 방법이 있으나, 가장 널리 사용되고 있는 방법은 에너지를 열의 형태로 저장하였다가 열의 형태로 회수하여 사용하는 열적저장 방법이며, 열적저장은 저장매체의 열용량을 이용하는 현열저장과 저장매체의 잠열을 이용하는 잠열저장 방법으로 구분된다. 잠열저장 방법은 현열저장 방법에 비해 단위 부피 및 단위 무게당 에너지 저장 용량의 크기 때문에 많이 연구되고 있으며, 필요한 온도 범위에 따라 그 온도 구간에서 상변화가 발생하는 잠열 축열재를 개발하여 사용하고 있다.

20℃이하의 냉열은 냉방, 식품산업, 낙농산업, 산업용 냉동기의 부하개선 등 용도가 다양하며, 생활수준의 향상과 함께 그 수요가 급격히 증가하고 있다. 최근들어 우리나라도 최대전력 수요가 여름철에 나타나고 있는데 이는 주로 냉열의 수요증가에 기인한 것이라 여겨지고 있다. 따라서 여름철의 부하평준화를 위한 냉열저장시스템이 필요하며 이와같은 목적으로 사용되는 고전적이고 범용인 방법으로 물을 냉각 혹은 결빙시켰다가 필요시에 그 냉열을 사용하는 방법이 있다. 그러나 물을 냉축열재로 사용할 경우 결빙을 시키지 않고 0℃근처까지만 냉각시켰다가 다시 열을 회수하는 현열 시스템인 경우 축열재인 물의 소요량이 많아져 축열용기의 부피가 증가하는 단점이 있으며, 잠열을 이용하기 위하여 결빙시키면 축열용기의 부피는 줄일 수 있으나 과냉각이 문제가 된다. 또한 20℃이하의 융점을 가진 무기염을 축열재로 사용할 경우 과냉각이나 상분리 현상이 문제가 된다.

상분리 현상이란 잠열재가 용융, 고화를 반복함에 따라 무수염이 분리되어 침전되는 현상을 말하며, 상분리가 일어나는 주요한 원인은 축열재가 비조화 용융점을 갖고 있기 때문이다. 비조화 용융점을 갖는 물질은 용융점에서 무수염이 결정수에 모두 용해되지 않으며, 용해되지 못한 무수염은 밀도가 커져 침전되고, 용융과 고화가 반복될수록 침전량이 많아져 결국 열저장 용량이 감소된다. 상분리 현상을 방지하기 위해서는 용융온도에서 무수염이 결정수에 모두 용해되는, 즉 조화 용융점을 가진 물질을 선택하여 사용하면 되지만 조화 용융점을 가진 물질은 그리 많지않아, 필요한 온도 구간에서 상변화하고 잠열량이 커야 한다는 잠열 축열재의 필요조건을 모두 만족시키지 못하는 경우가 많다. 이와 같은 이유에서 비조화 용융점을 갖는 물질이 축열재로 사용되는 경우가 많으며, 이 경우 상분리 현상을 억제하기 위한 조치가 필요하다.

과냉각 현상이란 용융점 이하로 온도가 내려가도 상변화가 발생하지 않고 잠열도 방출하지 않는 현상으로서, 저장된 열을 효율적으로 회수, 사용하는데 방해 요인이 된다. 과냉각 현상을 억제하기 위하여 주로 사용되는 방법은 조핵제를 사용하는 방법이다. 조핵제로는 잠열재의 결정과 비교하여 원자의 배열이나 격자의 크기가 유사한 물질이 주로 사용되며 이를 결정핵으로 사용하면 잠열재의 결정화가 촉진되므로 과냉각 현상을 억제할 수 있다.

그러나 조핵제는 잠열재의 용융액 보다 밀도가 커 침전이 일어나는 경우가 많고 이 경우 침전이 진행됨에 따라 조핵효과가 감소된다.

본 발명은 이와 같은 문제점들이 해결된 새로운 냉축열용 잠열 축열재를 개발하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 냉축열용 잠열 축열재는 값싸고 쉽게 구입이 가능한 물(H₂O)에 고흡수성 고분자를 일정량 첨가하여 제조되며 이와같이 제조된 축열재는 순수한 물에 비하여 과냉각이 억제되어 축냉시 열교환 효율을 증대시킬 수 있다. 이 경우 축열재의 주성분은 물로써 무기염에서 흔히 나타나는 상분리 현상은 없다.

본 발명에서 사용한 고흡수성 고분자는 고분자 중량의 수백배 내지 수천배의 물을 흡수하는 특성을 지닌 고분자 물질로서, 일단 물을 흡수하면 평윤하여 겔을 형성함으로써 어느정도의 압력에 대해서는 물이 빠져 나오지 않는 우수한 보수성을 지니고 있다. 고흡수성 고분자물질은 전분, 카르복시메틸셀룰로즈, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴산 등 분자내에 다수의 친수성기를 가지고 있어 수용성 고분자로 알려져 있는 물질에 대하여 적당량 가교 결합을 도입함으로써 물과의 친수성은 그대로 유지하면서 물에 용해되지 않도록 제조한 고분자물질이다. 예컨데 전분-폴리아크릴로니트릴계 가수분해물, 전분-폴리아크릴산염계 가교물, 카르복시메틸세룰로스계 가교물, 비닐알콜-아크릴산소다 공중합체 가교물, 폴리아크릴산염 가교물, 이소부틸렌-말레인산 공중합체 가교물 및 폴리에틸렌옥사이드계 가교물을 중심으로 하는 고분자물질이 여기에 속한다. 고흡수성 수지는 우수한 흡수성 및 보수성을 이용하여 아기용 기저귀, 여성용 생리용품, 농원에 재료, 토목, 건축용 재료등으로 광범위하게 된다.

물을 고흡수성 고분자에 흡수시키면 삼차원의 그물모양으로 된 고분자의 친수기와 물이 결합하며 하이드로겔을 형성하며, 물이 얼음으로 전환될때 이 고분자물질이 결정생성의 핵으로 작용함에 따라 과냉각을 방지할 수 있다.

고흡수성 고분자와 결합된 물은 겔을 형성하여 쉽게 빠져나오지 않으므로 고체상태일때와 마찬가지로 액체상태에서도 일정한 형태로 유지하며, 고분자 물질이 완충작용을 함으로써 물이 얼음으로 변화할때 나타나는 부피증가 현상을 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예를 들어 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

[실시예 1]

증류수에 0.5wt%의 고흡수성 고분자를 첨가하여 제조한 축열재 100cc를 4.2㎝의 유리관에 넣고 -12℃의 항온조 속에 넣고 냉각시킨 결과 순수한 물의 경우 동일조건에서 냉각시작 2시간이 경과한 후에도 25%이상의 샘플에서 전혀 얼음이 생성되지 않았으며 얼음이 생성된 경우에도 평균 9.8℃의 과냉각을 나타내었다. 이에반하여 고흡수성 고분자가 첨가된 경우는 35%의 경우에는 과냉각이 전혀 나타나지 않았으며, 과냉각이 나타난 경우에도 평균 5.0℃의 과냉각 밖에 나타나지 않았다.

[실시예 2]

정유수에 조핵제인 Na₂SO₄. 10H₂O 또는 Na₂B₄O₇. 10H₂O를 첨가한 뒤 여기에 고흡수성 고분자를 약3wt%첨가하여 제조한 축열재를 실시예1에서와 동일한 방법으로 냉각 실험을 실시하였다. Na₂SO₄. 10H₂O 혹은 Na₂B₄O₇. 10H₂O가 추가로 첨가된 경우 고흡수성 고분자만이 첨가된 경우에 비하여 초기 3회의 냉각/가열 과정에서 전샘플에 대하여 과냉각 현상이 전혀 나타나지 않는 등 과냉가 감소현상이 현저하였으나 반복 수가 증가할수록 그 효과는 감소되었으며, 10회이상의 반복이 실시된 이후에는 고흡수성 고분자만이 첨가된 경우와 커다란 차이가 없었다.

[실시예 3]

증류수에 고흡수성 고분자가 첨가된 냉축열재를 직경 3.9㎝, 높이 42㎝의 구리관에 넣어 밀봉한 다음 이 구리관 39개를 길이 64㎝×높이 42㎝×폭 24㎝의 직육면체형 용기에 일정한 간격을 이루면서 수직으로 배치하여 총 1300Kcal의 잠열을 축열할 수 있는 축열조를 제작하였다.

이 축열조에 -9℃의 냉매를 흘리면서 시간의 경과에 따른 축열재의 냉각속도 및 축냉량을 조사하였다. 한편 다른 용기에는 순수물만을 축열재로 하는 축열용기를 제작하여 동일한 실험을 실시하였다. 실험결과 유리관에서 소규모로 실험한 경우보다 구리관을 사용함으로 인하여 더 성능이 우수하며 고흡수성 고분자를 첨가한 경우 과냉각이 전혀 관찰되지 않았다. 이와같은 사실은 축냉속도에서도 나타나는데, 동일 용량의 축열조를 동일조건의 냉매를 사용하여 축냉시킬 경우 고흡수성 고분자를 첨가하여 과냉각을 억제시킴으로써 순수물인 경우에 비하여 축냉시간을 단축시킬 수 있었다.

Claims (2)

1. 물에 고흡수성 고분자물질을 첨가한 것을 특징으로 하는 냉축열용 잠열 축열재.
2. 제 1 항에 있어서, 고흡수성 고분자물질이 전분-폴리아크릴산염계 가교물, 카르복시메틸셀룰로즈계 가교물, 비닐알콜-아크릴산 소다 공중합체 가교물, 폴리아크릴산염 가교물, 이소부틸렌-말레인산 공중합체 가교물 및 폴리에틸렌 옥사이드계 가교물중에서 선택된 것이 특징인 잠열 축열재.