[논문]식.의약품 저온 저장을 위한 <tex>$H_2O$</tex>-NaOH 혼합형 잠열재의 냉축 열특성

송현갑; 노정근; 문영모

식.의약품 저온 저장을 위한 $H_2O$-NaOH 혼합형 잠열재의 냉축 열특성
Thermal Characteristics of $H_2O$-NaOH Mixtures Type PCM for the Low Temperature Storage of Food and Medical Products 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.24 no.1, 2004년, pp.7 - 12

송현갑 (21 대체에너지 연구소) , 노정근 (충북대학교 농업기계과) , 문영모 (충북대학교 물리학과)

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Mixtures type PCM, $H_2O$-NaOH that has relatively large capacity of the latent heat and long duration of phase change temperature was developed and experimentally analyzed for the low temperature storage of the food and medical products. The results could be summarized as follows; 1. Borax as nucleating agent and acrylic polymer as thickening agent were added to $H_2O$ to prevent the supercooling and phase separation. 2. Phase change (solid$\leftrightarrows$liquid) duration of $H_2O$ added with NaOH was prolonged longer 50% than that of pure $H_2O$. 3. Phase change temperature of the latent heat material, $H_2O$-NaOH was $1.5\sim2^{\circ}C$ the maximum latent Heat was 279 kJ/kg at the NaOH addition of 1.3 wt.%. 4. The specific heat of $H_2O$-NaOH at the solid and liquid state was increased in proportion to the wt.% of NaOH, when NaOH of $1.15\sim1.60$ wt.% was added to $H_2O$, the specific heat of the solid state was increased from 3.19 kJ/kg to 5.84 kJ/kg and that of liquid state from 7.8 kJ/kg to 10.28 kJ/kg. 5. When NaOH of $1.15\sim1.60$ wt.% was added to $H_2O$, the total heat storage capacity composed of sensible and latent heat was $313\sim331.3$ kJ/kg and the maximum heat storage capacity was occurred at NaOH addition of 1.30 wt. %.

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문제 정의

본 연구에서 구성한 HzO-NaOH의 혼합형 냉 축열 잠열재의 열특성을 실험적으로 분석 하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

제안 방법

2wt.% 첨가함으로서 상분리 현상을 제거하였다.
(4) 상변화 온도 유지 시간을 증가시키기 위하여 물성이 안정된 물에 NaOH를 첨가하고 상변화 유지 시간을 실험적으로 규명하였다.
H₂O~NaOH 혼합형 상변화 잠열재의 열특성 분석을 위한 가열, 냉각 시스템과 잠열량 분석 시스템을 구성하였다. 혼합 잠열재의 재료로 수돗물과 순도 99.
함량을 단계별로 증가 시켰다. NaOH 첨가량 변화에 따른 열특성 변화를 분석하기 위하여 표 1과 같이 실험 변수를 설정하여 실험 조건 및 분석 아이템을 조합하였다.
가열, 냉각 온도와 잠열재의 온도 변화는 Hybrid- Recorder(다점 온도 기록장치)를 이용하였으며, 측정 간격은 20분으로 하여 자동 기록 되도록 하였다. 온도센서는 접촉형 T-type 열전대(Copper- Constantan Thermo couple)를 잠열재가 충진된 봉지 표면에 부착하여 다점온도 기록계에 연결하였다.
냉각을 위하여 -20±5°C의 냉동고를 이용하였고, 냉각 후 가열을 위하여 20土rc의 항온조를이용하였으며, 폴리에틸렌 필름에 알루미늄 필름을 합지한 0.01mm 필름으로 만든 240imx20C)ii]in x5mm (WxAH)의 봉지에 잠열재를 충진 밀봉하였다.
물의 상변화 불안정성을 Borax 와 Acrylic Polymer로 안정시킴과 동시에 물의 결빙온도(상변화 온도)를 조절하였고, 상변화 온도에서 지속적으로 잠열을 방출 할 수 있도록 하기 위한 상변화 온도 구간 조절제로서 NaOH를 첨가하여 제조한 H₂O-NaOH, 혼합 잠열재의 잠열량과 고상 및 액상의 비열을 그림 2와 같은 DSC-92를 사용하여 분석하였다.
앞에서 설명한 바와 같이 물의 상변화 불안정성을 안정시키고, 지금까지 실용화되고 있는 Ice- pack의 축냉 기간보다 더 길게 연장하기 위하여 NaOH 함량을 단계별로 증가 시켰다. NaOH 첨가량 변화에 따른 열특성 변화를 분석하기 위하여 표 1과 같이 실험 변수를 설정하여 실험 조건 및 분석 아이템을 조합하였다.
。을 주 잠열 재로 선택하고 과냉 현상과 상분리 현상으로 인한 물성의 불안정성을 안정시키고, 상변화 온도 구간을 증가시키는 방안을 구명하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
구성하였다. 혼합 잠열재의 재료로 수돗물과 순도 99.5% 이상의 NaOH, Borax, Acrylic Polymer 등을 혼합하였으며, 상변화 온도 구간 조절제의 함량에 따른 온도와 잠열량에 관한 실험적 분석을 수행하였다.

성능/효과

%에서 L60 wt.% 로 증가시킴으로서 313kJ/kg에서 331.3kJ/ kg 으로 증가하였으며 NaOH 1.30 wt, %에서 최대 값을 보였고 그 이상으로 NaOH 첨가량을 증가시킴에 따라 전열저장 용량은 감소하는 현상을 보였다.
2) 과냉과 상분리 현상을 안정시킨 후 NaOH를 첨가함으로서 상변화 잠열 구간을 기존의 Ice pack 보다 4 시간 더 길게 함으로서 잠열 구간을 50% 증가시킬 수 있었다.
3) H₂ONaOH 혼합형 잠열재의 상변화 온도는 L5〜2℃이었으며, 잠열량은 NaOH 1.3 wt.% 첨가 한 경우 가장 큰 279 kJ/kg 으로 나타났고, NaOH 첨가를 그 이상으로 증가시킴으로서 잠열량은 감소 현상을 보였다.
증가. 감소하였으나, 비열에 의하여 계산되는 현열의 열용량은 NaOH 농도 증가에 따라 증가하는 결과를 얻을 수 있으므로서, 잠열과 현열을 합한 전체 가용열량은 NaOH 농도 증가에 따른 감소량이 완화 될 것으로 판단된다. (그림 7참고)

참고문헌 (9)

송현갑. 1997. 자연에너지를 이용한 온실 난방시스템개발. 농수산 현장 애로 기술 개발 최종보고서
송현갑외 3인. 1997. '농산물 저온 저장을 위한 H2O-NaCI 혼합물의 축열특성', 한국태양에너지학회지, Vol. 17. No. 3. pp.23-34
이욱균외 2인, 2001. '3중관 튜브형 잠열 축열조에 서의 열전달 특성 연구', 한국태양에너지학회지, Vol. 21. No. 1. pp.71-82
스스끼외 1인. 199.2.2 '에너지 저장 시스템', 일본에너지자원학회
한국전력공사 영업처, 1992. 12. '빙축열 세미나자료'
방축설비제조업체 기술자료, 대우케리어 외 4개사
George A. Lane, 'Solar heat storage latent heat material', Co:CRC Press, Vol. 1, pp.115-152, 1983
Turnbull, D., Phase change solid state phys, 3, 225, 1956
Reiss, H., The statistical mechanical theoryof irreversible condensation. I, J. Chem.phys, 20, 1216, 1952

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