[논문]상변화물질(PCM)을 이용한 열교환기용 동파방지밸브에 관한 실험적 연구

윤재호; 김종하; 정순영; 양윤섭; 김성현; 송덕용

doi:10.7836/kses.2012.32.6.127

상변화물질(PCM)을 이용한 열교환기용 동파방지밸브에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Freezing Protection Valve Using Phase Change Material(PCM) for the Heat Exchanger 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.32 no.6, 2012년, pp.127 - 133

윤재호 (한국생산기술연구원) , 김종하 (한국생산기술연구원) , 정순영 (한국생산기술연구원) , 양윤섭 (원광대학교 산학협력단) , 김성현 (성지공조기술) , 송덕용 (성지공조기술)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is an experimental study on the freezing protection valve used for solar water heating, air-conditioning systems, and plumbing systems. When the phase change occurs from liquid to solid, most of the substances except water volumetrically shrink. And referred to as PCM(Phase Change Material) a substance with such properties, the phase change temperature varies depending on the material. To prevent the freezing of the plumbing system, such as air-conditioning system in the winter season, we developed a several types of freezing protection valve using PCM whose freezing temperature are $2-4^{\circ}C$. The working principle of the freezing protection valve is that the fluid inside the pipe is released to prevent the system-collapse when fluid temperature reaches the freezing temperature of the PCM. And then the valve is closed and returned to the original position automatically when the temperature of the operating fluid rises. In this paper, the operating temperatures, discharge flow rate and the response characteristics of the valve during the operation are tested and investigated. From the results of this research the freezing protection valves employing PCM are expected to be commercialized in the near future.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 밸브작동시 교체가 필요하지 않은 상변화 물질(PCM :PhaseChange Material)^(4-5)을 이용한 동파방지 밸브를 개발하였으며. 상변화 물질의 특성, 밸브의 구조, 동파방지 밸브 작동 온도, 밸브의 열교환기에의 적용, 물 배출량 등에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 겨울철 배관의 동파 문제를 해결하기 위하여 상변화 물질(PCM)을 이용한 동파방지밸브를 개발하였으며, 실험적 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 외기온도를 감지하여 배관 내부가 동결온도 이하로 내려갈 경우 밸브가 작동하는 배관 외부 설치용 동파방지밸브와 배관 내부의 온도를 감지하여 밸브가 작동하는 배관 내부 설치형 동파방지밸브를 설계, 제작하고 성능시험을 수행하였다.

제안 방법

(1) 상변화 물질의 특성시험 결과로부터 2～3℃에서 상변화하는 물질을 선정하였고 이를 이용하여 배관 외부 설치형과 배관내부 설치형 동파방지밸브를 개발하였으며 외기온도 변화에 따른 동파방지밸브의 작동특성을 확인하였다.
시간이 경과됨에 따라 상변화 물질은 고체 상태에서 액체 상태로 변화가 명확하게 드러나는 것을 확인하였다. 그러나 4℃와 5℃의 온도차이가 존재하는 것을 확인하고 정확한 융해 상변화 온도를 찾기 위해 4.5℃의 온도조건에서 실험을 실시하였다. 이때는 상변화 물질이 액체 상태와 고체 상태가 공존하는 현탁액 상태를 나타내며 이는 상변화 물질의 온도가 4.
동파방지시험은 배관 내부에 공급수 압력을 1.8kg/cm2, 외기온도 조건을 15℃에서 2℃로 설정하여 항온항습챔버 내부의 온도를 낮추고 배관 내부의 물 온도가 2∼3℃로 될 때까지 항온항습챔버 내부 온도를 조절하여 동파방지밸브의 작동여부를 판단하였다.
배관 내부의 물이 정지 상태이거나 순환할경우 배관의 물 온도가 동결점 온도 이하로 낮아지면 배관 내부에 얼음이 생성되어 동파가 발생될 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위하여 배관 내부 설치형 동파방지밸브를 설계, 제작하였으며, Fig.2는 배관 내부 설치형 동파방지밸브를 나타낸다. 배관 내부 설치형 동파방지밸브의 크기는 직경 54mm, 길이 196.
배관 내부 설치형 동파방지밸브 성능시험은 외부 설치형 동파방지밸브와 동일하게 항온항습챔버 내부에 넣어 항온항습챔버 내부의 온도를 1℃로 설정하여 배관 내부의 물 온도를 하강시키면서 동파방지밸브의 특성을 시험하였다.
배관 외부 설치형 동파방지밸브 성능시험은 동파방지밸브를 물탱크에 설치하고 이를 항온항습챔버에 넣고 내부 온도를 –10℃로 설정하여 1시간을 유지한 후 다시 항온항습 챔버 내부 온도를 30℃로 설정하여 30분을 유지하는 반복시험을 하였다.
1은 배관 외부 설치형 동파방지밸브를 나타낸다. 배관 외부 설치형 동파방지밸브의 크기는 직경 30mm, 길이 94.2mm의 원통형 구조이며,동파방지 밸브에 설치된 상변화 물질은 밸로우즈 내부에 넣어 상변화 물질의 수축 또는 팽창이 밸로우즈의 길이를 변화시키고 밸로우즈가 피스톤을 작동하여 밸브를 개폐하도록 하였다. 외기온도가 하강하면 밸로우즈 내의 상변화 물질이 수축하여 밸브를 개방시키고,외기온도가 상승하면 상변화 물질이 팽창하여 밸브를 닫히도록 하는 구조이다.
배관의 내부 및 항온항습챔버 내부의 온도는 RTD로 측정하였고 배관 내부 압력을 측정하기 위하여 압력센서(0～20kg/cm²⁾를 설치하여 측정하였다. 시험에서 측정된 온도, 압력 데이터는 MV100에 의해서 2초 간격으로 데이터가 저장되고 내부의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 공급수 라인에 압력조절기를 설치하였다.
5는 상변화 물질의 융해 실험결과를 나타낸 그래프이다. 본 실험에서는 수조온도를 초기에 4℃에서 시험을 수행하였으나 상변화 물질이 융해되지 않아 수조의 온도를 5℃로 상승시켜 실험을 수행하였다. 시간이 경과됨에 따라 상변화 물질은 고체 상태에서 액체 상태로 변화가 명확하게 드러나는 것을 확인하였다.
본 연구에서 개발한 동파방지밸브를 공조용 핀-튜브 열교환기에 적용하여 실증 실험을 수행하였다. 상변화를 이용한 동파방지밸브를 공조용 핀-튜브 열교환기(Fig.
을 이용한 동파방지 밸브를 개발하였으며. 상변화 물질의 특성, 밸브의 구조, 동파방지 밸브 작동 온도, 밸브의 열교환기에의 적용, 물 배출량 등에 대한 연구를 수행하였다. 이러한 실험결과를 바탕으로 상변화 물질을 이용한 동파방지밸브의 특성에 대한 데이터를 확보하였으며, 동파방지밸브의 상용화를 위한 시제품을 제작하고 특성시험을 수행하였다.
상변화를 이용한 동파방지밸브를 공조용 핀-튜브 열교환기(Fig.9)의 입 · 출구 헤더에 부착하여 실제 조건과 유사한 환경인 -2℃로 조정된 대형 챔버 내에서 실시하였다.
를 설치하여 측정하였다. 시험에서 측정된 온도, 압력 데이터는 MV100에 의해서 2초 간격으로 데이터가 저장되고 내부의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 공급수 라인에 압력조절기를 설치하였다.
상변화 물질의 특성, 밸브의 구조, 동파방지 밸브 작동 온도, 밸브의 열교환기에의 적용, 물 배출량 등에 대한 연구를 수행하였다. 이러한 실험결과를 바탕으로 상변화 물질을 이용한 동파방지밸브의 특성에 대한 데이터를 확보하였으며, 동파방지밸브의 상용화를 위한 시제품을 제작하고 특성시험을 수행하였다.
실제로 동파방지밸브가 작동할 때, 배관으로부터 물이 배출되는데, 이때 시간당 물의 배출량이 동파방지밸브의 중요한 특성이 된다. 이를 측정하기 위하여 배관의 압력을 1.8 kg/cm²로 유지하고 밸브 개방 간극에 따른 배출량을 측정하였다. Fig.
7은 배관 내부 설치형 동파방지밸브의 작동을 시간에 따른 압력 및 온도로 나타낸 것이다. 항온항습챔버 내부온도를 1℃로 일정하게 유지할 경우 배관 내부 물 온도가 하강하였으며, 배관 내부 물 온도가 3℃에서 동파방지밸브가 작동하여 물이 배출될 때 배관 내부 압력이 1.8kg/cm²에서 0kg/cm²로하강하였다. 이 때 물이 배출되고 공급수가 보충되어 배관 내부 물 온도가 상승하게 된다.

성능/효과

(2) 배관 외부 설치형 및 내부 설치형 동파방지 밸브의 외기온도조건에 따른 작동특성과 시간당 배출량 등을 실험하였으며, 동파방지밸브의 개방 간극에 따른 시간당 배출량은 개폐 길이 5mm에서 최대 7.7 ton/hr, 10mm에서 최대 12.5ton/hr이 됨을 알 수 있었으며 이는 실제 동파방지밸브의 설치시 중요한 설계변수로 활용될수 있을 것으로 판단된다.
(3) 본 연구를 통하여 개발된 동파방지밸브를 열교환기에 적용하여 실증 테스트를 수행 하여 검증하였으며, 동파방지밸브가 상용화 될 경우 겨울철 동파로 인한 막대한 산업적 피해를 예방할 수 있어 그 파급효과는 클 것으로 판단된다.
본 실험에서는 수조온도를 초기에 4℃에서 시험을 수행하였으나 상변화 물질이 융해되지 않아 수조의 온도를 5℃로 상승시켜 실험을 수행하였다. 시간이 경과됨에 따라 상변화 물질은 고체 상태에서 액체 상태로 변화가 명확하게 드러나는 것을 확인하였다. 그러나 4℃와 5℃의 온도차이가 존재하는 것을 확인하고 정확한 융해 상변화 온도를 찾기 위해 4.
4는 액체 상태에서 고체 상태로의 상변화 실험에서 상변화 물질의 과냉각 온도가 약 1℃로 나타났으며,이 후 고체로 상변화가 진행되었다. 외부 온도를 -3.5℃로 유지하여 상변화 물질의 이상영역의 온도는 평균 2℃부근을 유지하였으며 실험데이터로부터 상변화 물질의 상변화구간은 1～3℃구간임을 알 수 있었다.
5℃가 된 시점부터 실험 종료시까지 일정하게 유지 되었다. 이로서 상변화 물질의 융해온도는 4.5℃로 판단할 수 있었으며, 그 이상의 온도에서 상변화 물질의 융해가 완료된다는 것을알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동파란 무엇인가?	일반적으로 물은 온도가 0℃ 이하로 낮아지면 얼음으로 변화하고 이때 부피가 팽창하게 된다.따라서 물이 가득찬 밀폐된 공간에서 물이 얼음으로 변화될 경우 부피가 팽창하여 용기가 파괴되는 현상을 동파라 한다.
	배관의 동파를 방지하는 일반적인 방안은 무엇인가?	국내의 경우 겨울철 기온하강으로 인하여 가정용 및 산업용 상수도 배관에 동파사고가 빈번이 일어나 많은 경제적 손실을 발생시키고 있다.특히 배관의 동파를 방지하는 일반적인 방안으로 배관 외부에 열선을 감아 배관 내부의 온도가 동결 온도 이상을 유지하도록 하고 있으나 장시간 사용시 유지관리나 전기소비 등의 문제점이 있다.
	동파방지용 릴리프 캡의 장점과 단점은 무엇인가?	Air& Coil사(미국) (1)는 릴리프 캡 형태로 연질 금속을 캡에 설치하여 얼음이 생성되면서 배관 내부의 압력이 상승하는데,이때 압력으로 연질금속이 파열되도록 동파방지용 릴리프 캡을 제작하여 판매하고 있다.이 제품의 경우 구조가 간단하고 설치가 용이한 장점이 있지만,배관압력 상승에 따라 작동하여 물 배출량이 적게 됨으로 인해서 배출도중 배출수가 얼어 캡의 입구를 막아 배관의 동파로 이어지는 경우도 있다.

참고문헌 (5)

Air & Coil사(미국) 제품 카다로그
Thermo-Omega-Tech사(미국)제품 카 다로그
정순영, 윤재호, 김종하, 양윤섭, 김성현, 송덕용, "상변화물질(PCM)을 이용한 공기조화 시스템용 동파방지밸브 실험적 연구", 태양에너지학회 학술대회논문집, Vol.32, No2, 2012.11
사업화연계 기술개발사업 "상변화 물질을 이용한 동파방지밸브 사업화 기술 개발" 연구의 최종보고서, 지식경제부, 2012. 5.
부품소재전문기업기술지원사업 "배관용 동파방지밸브 개발 및 상용화 기술지원" 연구의 최종보고서, 지식경제부, 2009. 6.

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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