폴리에틸렌글리콜을 이용한 잠열저장시스템의 개발

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

곽기열, 성기범, 이송근, 김종엽, 황태조*, 장명규*, 김정수*

고려대학교 화학공학과, 충남대학교 고분자공학과*

Development of latent heat storage system using PEG

Kiyuel Kwak, Kibum Sung, Songgun Lee, Chongyoup Kim

Taejo Hwang*, Myungkyu Chang*, Jungsoo Kim*

Department of Chemical Engineering, Korea University

Department of Polymer Science & Engineering, Chungnam National University*

서론

태양열의 이용에서 가장 중요한 문제의 하나로서 태양열의 축열시스템을 들 수 있다. 즉 태양은 주간에 뜨나, 열에너지 공급하는 시간은 주간 중에서도 비교적 제한된 시간대 뿐이고 우리가 에너지를 요구하는 시간은 주간보다도 주로 야간시간대 이므로 적절한 축열 장치 없이는 태양열 이용은 바로 한계에 달하게 된다.

이러한 태양열을 효과적으로 이용함으로써, 대체에너지로서의 역할을 기대하기 위하여 축열 시스템 및 이에 필요한 열저장재 개발이 절실히 요구된다. 이러한 목적을 위하여 기존에 많은 관심의 대상이 되어온 망초, 염화칼슘, 초산소다 등을 이용한 무기수화물 잠열재는 융점조절이 거의 불가능하고, 과냉과 퇴화의 문제로 인해 실용화 되지 못하고 있다. 이는 물질 자체의 문제뿐만 아니라 이를 사용하는 방법에 따라 그 기능 및 수명이 달라지기 때문이다. 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 잠열재로서 폴리에틸렌글리콜[(-CH2-CH2-O-)n]을 들 수 있다. 폴리에틸렌글콜(PEG)은 분자량에 따른 자유로운 융점조절이 가능하고, 단일성분으로 상변화시 과냉이 거의 없으며, 퇴화의 억제가 용이한 장점이 있다. 또한 잠열량이 40cal/g 정도로 비교적 높다. 반면에 무기잠열재보다 가격은 비싸지만, 인체 무해성, 취급의 용이성들을 고려한 총 비용면에서는 경쟁력이 있을것으로 생각된다. 본 연구팀은 현재까지 PEG를 잠열재로 운용하여 사용가능성을 입증하는 실험을 수행해 왔으며, 그 결과 융점조절과 퇴화방지 등의 방법을 개발하여 왔다.

본 실험에서는 축열조 시스템의 개발을 위하여 pilot규모로 약 20MJ의 열량(PEG 100kg)을 50∼60℃에서 저장할 수 있는 축열조를 설계·제작하였고, 효율적 운용을 위한 최적의 조건 도출을 위해 실험하였다. 본 연구의 결과 PEG는 태양열 축열용 잠열저장재로 사용하기에 적합함을 알 수 있었다.

실험

그림 1에는 실험장치의 개략도를 도시하였다. 순환유체는 열전달 효율이 우수하고, 용접이 필요없는 주름관을 사용하여 순환시켰다. 관과 관사이의 간격을 관의 직경의 4배로 한 zigzag형태로, 한 층에 3줄이 bending된 상태로 제작하였다. 주름관의 고정을 위해 두께가 2mm인 stainless steal판으로 17층의 주름관과 결합시켰다. 고정판이 결합된 주름관과 PEG 100kg이 들어갈 축열조는 가로×세로×높이가 70cm×20cm×85cm, 두께가 2mm인 stainless steal판으로 제작하였다. 순환유체의 등온유지에는 항온조를 사용하였다. 축열시스템의 작동 상태를 파악하기 위하여, 축열조내에 4개, 축열조 입·출구의 각각의 지점에 총 10개의 T type의 thermocouple를 설치하여 Data acquisition system(Hewlett Packard 34970A)을 이용하여 3분마다 자동측정 되도록 하였다. 1차로 제작된 장치를 개량하여 한 층에 주름관이 5줄로 bending된 모형으로 2차로 제작하여, PEG와 주름관의 표면적을 증가시킨 장치를 사용하여 실험하였다.

PEG는 산소와 접촉하면 퇴화하는 성질이 있으므로 산소와의 접촉을 효율적으로 차단하여야 한다. 산소와 지속적으로 접촉을 하게되면 항산화제와 같은 안정제를 첨가해야하나, 이 경우에도 궁극적으로는 안정제의 역할이 소진되면서 산화가 급격히 진행되게 된다. 진공을 사용하면 공기와의 접촉이 이론적으로는 차단이 가능하지만 실제적으로 비용이 너무 많이 들어, 실리콘 오일을 첨가하여 해결하였다. 실리콘 오일에 대한 실험적용은 이미 검증되었다. 축열조 내부의 산소를 제거하기 위해, 실리콘 호스로 축열조 하단부에서 질소퍼지를 하였다. 분자량 4000의 PEG 100kg을 축열조에 부었다.(개봉전 포장된 PEG무게와 개봉후 포장재 무게를 측정하였다.) 그 다음 silicone oil을 5kg을 부었다.(이때도 역시 각 oil통의 개봉 전후의 무게를 측정하였다.) 유량을 조정한 후 가열을 시작하였다. 열저장의 효과가 없을때까지 용융시켰다. 가열과정의 순환유체는 80℃를 유지시켰다.

냉각과정에서는 순환유체의 온도를 40℃로 설정하였다. 축열조에서 나오는 순환유체가 radiator를 거쳐서 항온조의 bath로 향하도록 밸브의 방향을 바꿨다. 항온조의 냉각온도 범위가 40℃이상은 불가능하여, 축열조에서 나온 순환유체를 radiator에 선풍기 바람을 흘려 1차 냉각되도록 하였다. 더 이상의 열추출이 나타나지 않을때까지 냉각하였다. 이런 가열-냉각과정의 cycle를 유량에 따라서 반복하였다.

결과 및 고찰

그림 2와 3은 가열-냉각 과정의 전형적인 결과를 나타낸 그래프이다. 그림 2에서 가열과정에서는 초기 1시간 정도 온도가 현열에 의해 급격하게 상승하는 것을 관찰할 수 있었다. 그 이후에는 잠열에 의한 가열구간으로 기울기가 감소하는 것이 관찰된다. 한편 내부에 녹지 않은 PEG의 재배치로 인한 일시적인 온도감소가 관찰되기도 한다. 유량이 500cc/min 경우는 20시간 이후 부터는 더 이상의 열저장의 효과가 없음을 알 수 있다. 유량을 800cc/min∼100cc/min 으로 다르게 하면, 유량이 클수록 축열조를 나온(Tout) 순환유체의 온도가 Tm에 도달하는 온도가 빨라지며, 열저장 효과가 나타나지 않는 시간이 앞당겨짐을 확인 할 수 있었다. 한편 유량이 300cc/min 이하인 경우는, 축열조 내부의 최고온도가 다른 유량에 비해 5℃정도 낮은 70℃ 정도에서 열저장의 효과가 나타나지 않았다. 이는 작은 유량으로 인하여, 열전달의 효율이 좋지 않은 것으로 생각된다. 주름관 3줄과 5줄의 차이는 같은 유량에서 시간단축의 효과를 확인 할 수 있었다.

그림 3에서 순환유체를 40℃로 하여 유지시키면서 연속적으로 순환수를 공급할 때, 초기에는 축열조 하단은 입구온도와 같게된다. 중간 및 상단은 초기에 온도가 급하강하다가 일정온도를 유지하는 것을 볼 수 있다. 시간이 더 지나 융점 이상의 현열이 제거되고, 1℃ 정도의 과냉을 보이다가 결정화가 시작되는 것을 알 수 있다.  분자량 4000의 PEG 녹는점 60℃보다 10℃정도 낮은 온도에서 결정화가 시작되는 것을 알 수 있다. Tm보다 낮은 온도로 측정되는 이유는, PEG의 결정화 속도가 작기 때문으로 생각된다. 순환유체의 온도가 PEG의 융점보다 낮은 50℃에서 6시간 이상 지속되는 것을 볼 수 있다. 이 구간에서는 잠열에 의한 지속시간이고 PEG의 결정화가 느리게 진행되는 것을 말해준다. 냉각과정에서 기존의 3줄 시스템은 Tout의 최고온도가 50℃까지 측정되지 못했으나, 5줄 시스템에서는 측정되었다. 또한 지속구간이 확실하게 나타났으며, 그 시간도 더 길어졌음을 확인할 수 있었다. 유량에 따라서 가열-냉각과정의 cycle 시간이 24시간에서 80시간 이상까지 많은 차이를 보였다. 실험을 통한 결과는 유량이 500cc/min 일 때, Tout의 최고온도 지속시간이 가장 긴 것으로 관찰되었다. 한 층에 주름관이 3줄로 된 시스템보다는 5줄로 된 시스템이 효율이 더 좋은 것을 확인하였다. 관과 관사이의 간격은 기존보다 1/2정도 감소된 형태이다.

열은 가능한대로 높은 온도로 유지될 때 유용하게 사용할 수 있다. 순환유체의 유량을 크게하면 추출시간은 짧으나 순환유체가 충분히 덥혀지지 못한 상태로 나오게 되므로 유용성이 떨어진다. 유량이 작으면 열의 유용성은 좋으나 열추출시간이 너무 길어진다. 그림 4에는 무차원 시간 개념의 시간에 대하여 추출되는 순환수 온도를 도시하였다. x축에는 측정당시의 시간에, 실제유량을 1000으로 나눈 값을 곱하여 새로운 무차원의 시간을 의미하는 x축을 설정하였다. 그림에서 유량이 800cc/min인 경우에는 Tail이 너무 길어지지만, 500cc/min이내인 경우에도 충분히 열추출이 높은 온도에서 이루어짐을 알 수 있었다. 이러한 자료는 실제 system의 운용자료로서 사용될 수 있을 것이다. 반복실험 결과 PEG system은 화학적으로 충분히 안정한 것으로 판단되었다. 따라서 PEG 축열조는 태양열 축열시스템으로 활용가능한 것으로 판단된다.

1. 전체 system 사진(우측)과 주름관 사진(좌측)

그림 2. 가열과정의 전형적인 결과 (좌: 축열조내 온도   우: 순환유체 온도)

그림 3. 냉각과정의 전형적인 결과 (좌: 축열조내 온도  우: 순환유체 온도)

그림 4. 온도 vs (실제유량/1000)*시간 (좌: 가열과정    우:냉각과정)