잠열 미립자 슬러리를 열매(熱媒)로 하는 냉방기의 운전특성

황인범, 이재구*, 이효진, 김석종**

대전산업대학교 건축설비공학과, 한국에너지기술연구소*, 혜천국민쏠라**

Working Properties of Air Conditioner with Heat Medium of PCM Slurry

In-Bum Hwang, Jae-Goo Lee*, Hyo-Jin Lee, Suk-Jong Kim**

Dept. of Architectural Equipment & Engineering, Taejon National University of Technology, Energy Environmental Division, Korea Institute of Energy Research(KIER)*, Haechun Kukmin Solar Co., Ltd.**

서론

1950년대 압력에 감응하는 감압복사지(carbonless copy paper)가 처음 소개된 이후 마이크로캡슐화(microencapsulation)기술에 관한 지속적인 관심과 활발한 연구활동이 오늘날까지 계속되어 그 기술범위 및 활용용도가 급속도로 확장되어지고 있다. 이러한 추세에 발맞추어 최근 국내에서도 이러한 캡슐제품이 일부 실용화되기에 이르렀는데, 제약 및 식품, 방향(芳香)산업 등에서 활용되고 있는 캡슐화기술의 대부분은 외부물질에 의하여 보호되고있던 내부 활성물질들을 일정 조건에서 서서히 방출시키도록 하는 서방성 조절기능이나 외압에 의해 벽물질이 터지도록 하는 감압(感壓)기능을 부여하는 데 주목적을 가지고 있다. 이러한 면에서 살펴볼 때, 잠열물질간의 응집을 방지하는 동시에 미립자 고유의 특성을 활용함으로써 열 저장 및 수송효과를 극대화하기 위한 목적으로 제조된 잠열미립자와는 그 기능적으로 구분된다. 실제 냉방설비의 열매(熱媒)로 잠열미립자를 이용하기 위해서는 장기적인 온도변화 및 강제 순환 시에도 내부물질의 방출이 발생되지 않도록 하는 캡슐 안정성의 유지가 전제되어야 하기 때문인데, 현재까지는 크기가 5mm∼90mm정도인 볼(ball)형태의 축열재만이 개발되어 일부 축열 저장조에 이용되고 있을 뿐, 잠열미립자의 캡슐화에 의한 열 매체의 대체연구 및 평가시도는 이루어지지 않았다.

국내의 에너지 이용형태를 공급측면에서 살펴보면 국내 전력생산이 원자력 발전설비 및 대형 발전소에 집중되어있는 부하추종형태이므로 설비운전 및 생산공급이 어렵다는 문제점이 있으며, 수요측면에서는 하절기 냉방 사용의 급격한 증가로 인해 전력부하가 일정시기에 집중·편재되는 문제점을 가지게 된다. 따라서 전력부하 평준화를 위한 열 저장기술의 필요성이 심각하게 대두되고 있는 한편, 냉방수요의 현격한 증가에 따라 기존 시스템의 변경 없이도 공급열량을 보다 증가시킬 수 있는 신기술의 개발도 함께 요구되는 실정이다. 현재의 냉방 시스템에서는 현열에 의한 축열 및 열 수송방식을 채택하고 있으므로 그 효율 면에서는 어느 정도의 한계에 이르렀는데, 이러한 현열 온도차를 이용하는 수축열 방식은 이송 배관내부의 기술적인 문제점은 적은 반면, 냉열 밀도가 작아 수송 및 저장량이 증가하게 되면 저장조 대형화 및 배관크기 증가에 따른 설비비용의 증가가 동반될 수밖에 없다는 문제를 가진다. 잠열미립자 슬러리를 매체로 하는 냉방기술은 열 저장 및 동적인 열 공급측면에서 현열방식보다 2배 이상의 고효율을 기대하는 것이 가능한 것으로써, 축열시스템에 의한 전력부하 평준화 촉진은 물론, 냉방열 운전손실의 최소화를 보장하므로 경제적인 에너지 이용과 동시에 온실가스 저감을 위한 새로운 열 저장 및 이송매체로 기대될 수 있다.

따라서 본 연구에서는 5.8℃에서 상변화를 일으키는 테트라데칸(tetradecane)을 내부물질로 하고 멜라민-포르말린 수지를 벽물질로 하는 냉방용 잠열미립자를 대량으로 제조하고 이를 자체설계로 제작된 냉방 시스템에 열 매체로 적용, 다양한 조건에서의 운전특성을 고찰·평가함으로써 현열 온도차에 의존하는 기존 냉방시스템의 열 저장 및 수송효율을 획기적으로 향상시키고자 하였다.

이론

잠열(Latent Heat) 축열재는 물질이 기화, 용융, 승화 현상과 같이 상변화 하는 동안에 열을 방출하거나 흡수하는 성질을 이용하는 것으로, 이중 고체-액체 상변화시의 잠열을 이용하는 축열재를 흔히 PCM(Phase Change Material)이라 한다. 잠열을 이용하면 현열보다 장시간에 걸쳐 일정온도를 유지할 수 있는데, 식품보관의 적정온도 이하 보관을 위해서 얼음을 사용하는 경우 얼음이 상변화하여 용융될 때까지 많은 양의 열(334J/g)이 요구되므로 그만큼 오랜 기간동안 용융점(0℃) 근처의 온도를 유지할 수 있다. 잠열 축열재는 물질의 특성에 따라 유기물, 무기물, 공융염 등으로 분류된다. 무기물은 수화물 형태, 염 및 금속 등이 있고, 유기물은 파라핀 및 지방산과 폴리알코올 등이 있다. 대표적으로 사용되고 있는 상변화물질 중 유기물의 잠열량은 125∼220J/g 정도로서 상대적으로 낮은 값임에 비하여, 무기염 수화물들의 잠열량은 250∼400J/g에 이르는 높은 값을 지니고 있다. 상분리 현상은 부분적으로 비가역적인 특성을 지니므로 반복하여 사용하게 되면 PCM 자체의 물성이 현저하게 저하되기도 하며 과냉각현상의 발생으로 응고가 고르게 일어나지 못해 많은 열 손실이 수반되기도 하는데, 이를 제거하기 위해서는 염 수화물의 결정구조와 비슷한 결정구조를 가지는 조핵제(nucleating agent)나 과냉각 억제제를 첨가하기도 한다.

이러한 상변화 물질을 이용하여 축열 밀도를 증가시키게 되면 축열조의 크기를 감소시킬 수 있어 여러 가지 유리한 특성을 얻을 수 있지만, 상변화 물질만을 독립적으로 사용하는 경우 반복되는 용융·응고과정에서 물질의 응결이 발생되거나 시스템 내부에 물질자체가 부착되는 등의 문제가 발생된다. 또한 대부분의 상변화 물질들이 조작조건에서 비교적 높은 점성을 나타내며 경우에 따라서는 심각한 부식특성을 수반할 수 있으므로, 물질 고유의 특성을 그대로 유지시키면서도 다른 물질이나 장비와의 직접 접촉을 막을 수 있는 캡슐화 방법이 절실하게 요구되어진다. 마이크로캡슐형 잠열미립자란 특정 온도에서 상변화를 일으키는 이러한 잠열물질을 신축성이 뛰어나고 화학적으로 안정적인 고분자 수지로 코팅하여 10□m이하의 구형입자로 제조한 것을 말한다. 이러한 미립자를 물과 같은 작동유체에 혼합하여 슬러리 형태로 조제하여 사용하게 되면 우수한 열 저장 기능을 기대할 수 있는 것은 물론, 수요발생지로 고밀도의 열을 직접 수송할 수 있어 새로운 에너지 절약 기술로의 활용 또한 크게 기대할 수 있다.

마이크로캡슐형 잠열미립자는 아이스슬러리와 같은 에멀젼 형태의 열 매체가 가지는 취약점을 보완고자 하는 의도에서 출발되었는데, 잠열미립자 슬러리를 열 매체로 사용하게 되면 고-액 상변화물질이 반복되는 상변화 과정에서도 물질간에 뭉쳐지는 것을 방지할 수 있으며, 별도의 슬러리 제조설비가 필요하지 않아 얼음이나 파라핀을 이용하는 경우보다 시스템 설비 자체가 간단해지기 때문이다. 실제적으로 300RT급 터보냉동기에서 냉열 매체를 0℃로 제조할 때 냉동기성적계수(COP)는 2.9인 반면, 이러한 매체의 온도를 5℃로 변환시키는 경우에는 그 값이 4.97로 향상되어졌다. 따라서, 년간 축열조 가동일 150일, 축열량 117MJ/일로 가정할 때, COP 향상에 따른 에너지 절감량은 약 48%에 이르게 된다.

실험

1) 시약 및 기구

내부 잠열물질로는 융점이 대략 5.8℃에 이르는 테트라데칸(tetradecane, ACROS in USA)을 사용하였고, 외부물질로는 멜라민과 포르말린이 공중합된 아미노계 수지를 사용하였다. 삼성정밀화학(주)으로부터 멜라민 단량체가 무상 제공되었으며 SMA(Styrene-maleic anhydride-monomethyl maleate polymer, MOSANTO, USA) 및 Homomixer(ME100LC, ROSS, USA)를 이용하여 유화(乳化)조작이 수행되었다.

2) 잠열미립자 대량합성

일정량의 SMA를 90℃이상의 온도에서 일정시간 용해시켜 5wt%의 SMA 수용액 50kg을 조제한 후 테트라데칸과 혼합하고, Homomixer를 사용, 10000rpm에서 11분에 걸쳐 유화시켰다. 자체적으로 설계·제작된 100L급 회분식(batch) 반응기에 미리 준비해둔 prepolymer 상태의 멜라민-포르말린 수지와 상기 공정을 통하여 조제된 유화용액을 함께 넣고 강하게 교반하면서 60℃에서 3시간 이상 반응시키면 총 질량 50kg의 잠열미립자 슬러리를 얻을 수 있는데, In-situ 중합법을 통한 이러한 중합과정을 동일조건에서 수 회 반복함으로써 연속적인 잠열 미립자 생산도 가능하다.

3) 특성분석

상기 공정을 통하여 제조된 캡슐 슬러리 및 분말의 형태분석을 위해서 광학현미경(Olympus BX50)을 사용하였으며 캡슐 분말의 크기 및 크기분포 분석을 위해서는 FA particle analyzer(FRITSCH), 캡슐의 열적특성 분석을 위해서는 시차주사열량분석기(DSC550, Instrument Specialists, Inc.)를 각각 사용하였다.

4) 냉방기 운전

잠열 미립자를 열 매체로 하는 실제 냉방설비의 운전특성을 평가하기 위하여 800×800×100mm크기의 Stack 8개를 내부에 장착한 1m3 규모의 축열조와 냉동능력 2RT(1RT = 3320kcal/h)의 냉동기, Fan coil unit 및 기타 부수 장치 및 장비들로 구성된 5∼6평 규모의 심야전력용 냉방설비를 설계·제작하였다.

잠열물질의 상변화에 의한 축열효율을 향상시키기 위하여 내부 Stack에 총 400L의 순수 테트라데칸을 주입하였으며, 물을 열 매체로 하는 기존 시스템과의 비교·평가를 위하여 축열조 내에 물과 20wt%의 잠열미립자 슬러리를 교체하여 넣고 동일조건에서의 축·방냉실험을 수 회 반복하여 수행하였다. 축냉실험은 심야전력 활용시간과 동일한 오후 10시부터 다음날 오전 8시까지 총 10시간에 걸쳐 수행되었으며, 축냉실험 종료시점의 온도로부터 열 매체로 사용되는 슬러리 및 물의 온도가 12℃에 이를 때까지 진행되었다.

결과 및 토론

In-situ 중합법을 통하여 테트라데칸과 멜라민-포르말린 수지를 각각 내·외부물질로 하는 냉방용 잠열 미립자 슬러리를 제조한 후 실제 냉방설비의 열매(熱媒)로 대체·적용하여 조작시의 운전특성 및 효율을 평가하였다. 본 연구를 위하여 자체적으로 제작된 잠열미립자 제조용 대형 회분식 반응기 및 심야전력용 냉방설비는 각각 Fig. 1 및 Fig. 2와 같다.

Fig.  Reactor for MPCM Preparation

Fig.  Heat Storage & Transport System

Fig.  Cold Energy Charge & Discharge for Water and MicroPCM Slurry

Fig. 3은 축열조 내에 물과 20wt%의 잠열미립자 슬러리를 각각 채운 후 동일시간에 걸친 축냉실험과 일정온도(12℃)까지의 방냉실험을 수행한 결과를 보여주고 있다. 그림에서 알 수 있듯이 잠열 슬러리에 대한 축냉실험이 동일한 설비 및 조건에서 같은 시간에 걸쳐 진행되었음에도 불구하고, 실제 방냉실험에서 냉열을 축적하고 있는 시간은 물에 비하여 대략 80분 정도 긴 것으로 나타났으며 실내 냉방 가능시간 또한 대략 180분 가량 긴 것으로 나타났다.

참고문헌

1. Yasushi Yamagishi, Hiromi Takeuchi, and Alexander T. Pyatenko "Characteristics of Microencapsulated PCM Slurry as a Heat-Transfer Fluid" AICHE, 1999.