[논문]MgO를 사용한 고온축열탱크의 성능특성에 관한 연구

조소앙; 신창훈; 이수상; 윤석훈

doi:10.7837/kosomes.2011.17.4.413

MgO를 사용한 고온축열탱크의 성능특성에 관한 연구
A Study on the Performance Characteristics of the High Temperature Heat Storage Tank using MgO Materials 원문보기

海洋環境安全學會誌 = Journal of the Korean society of marine environment & safety, v.17 no.4 = no.47, 2011년, pp.413 - 418

조소앙 ((주) 아이씨이) , 신창훈 ((주) 아이씨이) , 이수상 ((주) 아이씨이) , 윤석훈 (한국해양대학교 기관시스템공학부)

초록
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최근 화석에너지의 남용으로 인한 지구온난화문제가 인류가 해결해야 할 지상과제로 대두되고 있으며, 본 연구는 이러한 에너지문제의 해결에 도움이 될 수 있는 고온축열탱크의 개발과 그 성능특성에 관한 내용이다. 지금까지 이에 관한 연구는 그다지 활발하지 않았으며, 특히 고온축열탱크에 관한 연구는 매우 드문 실정이다. 본 연구의 목적은 비교적 열물성이 양호하며 가격이 저렴한 물질인 MgO를 현열축열재로 사용하는 고온축열탱크의 개발이다. 이를 위하여 분말 상태의 MgO를 이용하여 축열벽돌을 제작하고, 실험적 방법을 통하여 MgO를 축열재로 사용하는 고온축열탱크의 성능특성에 관하여 연구하였다. 본 연구를 통하여 현열축열재인 MgO의 고온축열 및 방열성능을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The global warming by abuse of fossil fuel is going to become an important problem which must be solved by human beings. This research is to develop a high temperature heat storage tank with high efficiency and to investigate the performance characteristics of this tank to help these energy problem. But the researches for this area have not been enough until now and specially the researches for high temperature heat storage tank are very few. For this research, heat storage bricks were made using MgO powder and studied about the performance characteristics of high temperature heat storage tank by experimental method. Through this research, it was confirmed that MgO can be used as a heat storage material for high temperature range.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구의 목적은 고효율의 고온축열시스템을 개발하는 것이다. 이를 위하여 고온축열재로서의 필요조건인 큰 열용량과 장시간 반복 사용 시에도 비교적 안정적인 열물성을 갖는 재료인 MgO를 고온축열재로 사용하였다.

제안 방법

공급열량 1 kW의 조건으로 축열탱크 온도가 500 ℃에 도달하도록 축열한 상태에서, 전기에너지의 공급을 중단한 후 송풍기를 가동하여 축열탱크 내부에 강제대류를 발생시켜 축열탱크의 방열실험을 실시하였다. 이후 닥트출구로 토출되는 공기온도가 100 ℃로 하강할 때까지의 시간에 따른 온도변화 양상을 각각의 열전대 위치(n₁∼n₁₂)별로 측정하여 축열재와 공기와의 열전달율을 계산하였다.
이를 위하여 고온축열재로서의 필요조건인 큰 열용량과 장시간 반복 사용 시에도 비교적 안정적인 열물성을 갖는 재료인 MgO를 고온축열재로 사용하였다. 분말상태의 MgO를 일정 크기의 축열벽돌로 제작하고, 이를 이용하여 반복적인 축열성능실험을 수행하여 고온축열재로서의 타당성을 연구하였으며, 방열시 축열탱크의 열에너지 방출특성을 분석하여 최적의 방열시간과 방열조건 등을 구명하였다.
⑥은 고온축열탱크의 열손실을 최대한 억제하기 위한 단열재로서 Al₂O₃울, 미네랄울, 스테인리스 스틸 박판이 복합적으로 사용되었다. 스테인리스 스틸 박판은 복사열전달을 억제하기 위한 목적으로 축열탱크의 가장 안쪽 면에 배치하였고, 고온단열재인 Al₂O₃울은 스테인리스 스틸 박판 다음에 배치하였으며, 미네랄울을 축열탱크의 가장 외부 면에 배치하였다. 축열 중 열에너지는 대류열전달에 의하여 축열탱크의 상부로 이동하기 때문에 축열탱크 상부는 단열재의 두께를 150 mm으로 설계하였고 그외 부분은 100 mm로 하였다.
이후 닥트출구로 토출되는 공기온도가 100 ℃로 하강할 때까지의 시간에 따른 온도변화 양상을 각각의 열전대 위치(n1∼n12)별로 측정하여 축열재와 공기와의 열전달율을 계산하였다.
이후 축열탱크 내부 축열재의 온도가 200 ℃로 하강할 때까지의 시간에 따른 온도변화를 각 지점의 열전대 위치(n1∼n12)별로 측정하여, 축열탱크에 축열된 열에너지가 목적하는 소정의 시간까지 어느 정도 손실 없이 저장될 수 있는지를 측정하였다.
축열탱크의 단열실험을 수행하기 위하여, 1 kW의 공급전력으로 축열탱크의 축열재 온도가 500 ℃에 도달할 때까지 축열한 상태에서 전기에너지의 공급을 중단하였다. 이후 축열탱크 내부 축열재의 온도가 200 ℃로 하강할 때까지의 시간에 따른 온도변화를 각 지점의 열전대 위치(n₁∼n₁₂)별로 측정하여, 축열탱크에 축열된 열에너지가 목적하는 소정의 시간까지 어느 정도 손실 없이 저장될 수 있는지를 측정하였다.
축열탱크의 축열실험은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 축열재적층부, 축열탱크 상부와 옆면부 및 송 · 배풍 닥트부에 직경이 1 mm인 12개의 시스열전대(sheathed thermocouple, K type, n1∼n12)를 설치하여 축열 과정시 시간에 따른 각 부분의 온도를 Fig. 2의 데이터로거(Data logger, YOKOGAWA MV2000)를 이용하여 측정 · 처리하였다.

대상 데이터

이 축열재 한 블럭의 크기는 250 × 170 × 50 mm이다. ⑥은 고온축열탱크의 열손실을 최대한 억제하기 위한 단열재로서 Al₂O₃울, 미네랄울, 스테인리스 스틸 박판이 복합적으로 사용되었다. 스테인리스 스틸 박판은 복사열전달을 억제하기 위한 목적으로 축열탱크의 가장 안쪽 면에 배치하였고, 고온단열재인 Al₂O₃울은 스테인리스 스틸 박판 다음에 배치하였으며, 미네랄울을 축열탱크의 가장 외부 면에 배치하였다.
따라서 본 연구의 목적은 고효율의 고온축열시스템을 개발하는 것이다. 이를 위하여 고온축열재로서의 필요조건인 큰 열용량과 장시간 반복 사용 시에도 비교적 안정적인 열물성을 갖는 재료인 MgO를 고온축열재로 사용하였다. 분말상태의 MgO를 일정 크기의 축열벽돌로 제작하고, 이를 이용하여 반복적인 축열성능실험을 수행하여 고온축열재로서의 타당성을 연구하였으며, 방열시 축열탱크의 열에너지 방출특성을 분석하여 최적의 방열시간과 방열조건 등을 구명하였다.
2는 본 실험장치인 고온축열탱크의 설계도와 사진이다. 축열탱크의 최대공급열량은 1 kW, 내부체적은 닥트부를 포함하여 0.067 ㎥로 설계하였다. Fig.

성능/효과

(1) 본 연구를 통하여 MgO라는 현열축열재를 이용한 고온축열탱크의 성능을 확인할 수 있었으며, MgO는 다른 축열재에 비하여 매우 경제적인 물질이므로 경제성 또한 충분히 확보활 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 고온축열탱크(max. 500 ℃)의 방열성능 실험결과, 배풍닥트를 통해 배출되는 고온의 열풍(100 ℃ 이상)은 송풍기의 송풍조건이 8 m/s(송풍량 0.6 ㎥/min.)일 경우에 70 min. 이상 유지되었다.
본 그림과 같이 공급전력이 비교적 소량인 600 W 이하의 경우에는 축열재의 축열효율이 크게 감소하였으며, 이러한 현상은 작은 가열량으로 인하여 축열시간이 증가함에 따른 외부손실량의 증가 때문이다. 따라서 축열탱크의 축열능력에 따라서 일정 크기 이상의 공급열량이 공급될 때 최적의 축열효율을 달성할 수 있음을 알 수 있다.

후속연구

또한 닥트부(n₁₁, n₁₂) 온도는 축열탱크 내벽 온도가 400 ℃∼450 ℃의 온도범위에 있을 경우에도 21 ℃의 저온상태를 유지하고 있으며, 이러한 현상으로 미루어 볼 때 축열탱크로부터 하부 닥트부를 통한 열손실은 거의 무시해도 큰 문제가 없을 것으로 판단된다. 따라서 본 축열탱크의 상부 및 측면부의 단열설계와 닥트부의 설계는 바람직하나 축열탱크하부의 단열설계를 보강하는 것이 필요하다고 판단된다.
본 연구를 통하여 MgO의 고온축열성능을 확인하였으며, 차후 보다 다양한 실험조건에서의 반복실험을 통하여 경제성과 신뢰성을 담보할 수 있는 고온축열탱크의 개발이 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잠열축열재의 문제는?	그러나 저온축열탱크는 열용량이 작으므로 일정량 이상의 열에너지를 저장하기 위해서는 축열탱크의 크기를 크게 하거나 잠열축열재를 사용하여 크기를 줄일 수밖에 없다. 또한 잠열축열재는 장시간 사용 시 그 기능이 현저히 저하되어 일정한 시간 간격으로 새로운 축열재로 교환해야 하는 불편이 있을 뿐만 아니라 현재 사용되고 있는 대부분의 잠열 축열재는 독일 등 외국으로부터 수입한 것들로서 매우 고가이므로 경제성에도 문제가 많은 실정이다.
	저온축열탱크에 일정량 이상의 열에너지를 저장하기 위해서 축열탱크의 크기를 크게 하거나 잠열축열재를 사용하는 이유는?	현재까지 축열시스템에 관한 연구는 비교적 저온영역의 축열기술에 한정되어 왔으며, 이러한 연구결과들로 인하여 저온 축열탱크는 이미 상용화되어 많이 이용되고 있다(윤, 2005: 김과 강, 2006). 그러나 저온축열탱크는 열용량이 작으므로 일정량 이상의 열에너지를 저장하기 위해서는 축열탱크의 크기를 크게 하거나 잠열축열재를 사용하여 크기를 줄일 수밖에 없다. 또한 잠열축열재는 장시간 사용 시 그 기능이 현저히 저하되어 일정한 시간 간격으로 새로운 축열재로 교환해야 하는 불편이 있을 뿐만 아니라 현재 사용되고 있는 대부분의 잠열 축열재는 독일 등 외국으로부터 수입한 것들로서 매우 고가이므로 경제성에도 문제가 많은 실정이다.

참고문헌 (9)

김진수, 강용혁(2006), 고온축열기술개발동향, Solar Energy Vol.5, No.2, pp. 12-17.
박영태(1993), 열저장 시스템용 축열재에 관한 기초 연구, 경북산업대학논문집 제3집, pp. 55-56.
신병철, 김상돈, 박건유, 박정훈(1987), 고온 축열재료의 특성, Solar Energy, Vol.7, No.1, pp. 61-64.
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일본기계학회(1986), 전열공학자료 4판, p. 320.
천원기, 이재영(2003), 태양열 시스템의 활용성 제고를 위한 축열장치개발에 관한 실험적연구, Solar Energy Vol. 22, No. 1, pp. 31-35.
홍성안, 박원훈, 최형준(1988), 고온 축열 시스템의 개발에 관한 연구, Solar Energy, Vol.8 No.1, pp. 13-15.
Mao Aiming, 김기만, 한귀영, 서태범, 강용혁(2007), 태양열발전을 위한 고온축열물질의 열전달특성, Solar Energy, Vol. 27, No.3, pp. 63-68.
Yunus Cengel(2003), Heat Transfer A Practical Approach , 2nd Edition McGraw-Hill Korea, pp. 15-30.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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