고체-고체 상변화 물질(PCM)은 열에너지 저장(TES) 분야에서 누액 방지, 캡슐화 요구사항 감소, 설계 유연성 등 여러 장점을 제공한다. 특히 펜타글리세린(PG) 및 펜타에리트리톨(PE)과 같은 유기 플라스틱 결정(OPC)은 높은 잠열과 조절 가능한 전이 온도를 갖지만, 결정상에서의 취약성, 제한된 가공성, 열 순환 중 거시적 변형 등의 문제로 실제 적용에 한계가 있었다.
본 연구는 섬유화되는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 바인더를 도입하는 재료 공학 전략을 제안한다. 전단 유도 PTFE 섬유화 및 정제(tableting) 공정을 통해 PG 및 PE 복합재를 제작했으며, OPC 매트릭스 내부에 상호 연결된 섬유 네트워크를 형성했다. 이 네트워크는 OPC의 고유한 고체-고체 열 저장 기능을 유지하면서 결정상에서 기계적 보강 및 연성 향상을 제공한다.
PTFE 강화 복합재는 반복적인 열 순환 조건에서 영구 변형 감소 및 팽창-수축 손상 완화와 함께 현저히 향상된 형상 안정성을 보였다. 상변화 온도와 잠열은 OPC 상에 의해 주로 결정되었으며, 과냉각 값은 해당 시스템에서 보고된 낮은 범위에 속했다. 추가적으로 열전도도 향상 및 흡습성 감소 효과도 확인되었다.
이 연구는 PTFE 섬유화를 통해 OPC의 핵심적인 재료 수준 병목 현상인 열 순환 중 거시적 형상 안정성 손실을 극복할 수 있음을 입증한다. 결과적으로 개발된 복합재는 보호 코팅 및 추가 보강을 포함한 미래 TES 통합 전략을 위한 기반 플랫폼을 제공한다.
상변화 물질(PCM)을 통합한 벽돌은 열용량을 향상시키는 것으로 알려져 있지만, 고온 환경에서 캡슐 형상이 미치는 영향은 충분히 연구되지 않았다. 본 연구는 스테인리스 스틸 폼으로 보강된 원통형 헵타데칸 PCM 캡슐이 통합된 열 스마트 벽돌(TSB)의 열 성능을 평가했다.
검증된 전산 유체 역학(CFD) 모델을 활용하여, 외부 최고 온도가 20~40°C로 변화하는 조건에서 간과되기 쉬운 중요한 매개변수인 캡슐 직경(2, 3, 4 cm)의 영향을 조사했다.
PCM-폼 캡슐은 기존 벽돌에 비해 실내 최고 온도를 최대 1.9°C 낮추고, 2~3시간의 열 지연을 유도하며, 열유속 진폭을 35~40% 감소시키는 것으로 나타났다. 특히, 외부 최고 온도가 40°C일 때 4cm 직경의 캡슐은 일일 전력 소비량을 130 kWh/day에서 90 kWh/day로 31% 절감했다.
결론적으로, 더 큰 PCM-폼 캡슐은 우수한 열 완충 효과를 제공하며, TSB가 고온 환경에서 에너지 효율과 열 쾌적성을 향상시키는 효과적인 수동형 솔루션임을 입증한다.
용융염 상변화 축열 시스템의 충전 속도는 상변화 물질의 낮은 열전도율로 인해 제한되는 문제가 있습니다. 본 연구는 이러한 한계를 극복하고자 엔탈피-다공성 방법을 활용하여 중저온 용융염 쉘-앤-튜브 열교환기를 수치적으로 분석했습니다.
연구는 환형 핀, 핀 개수, 핀 두께, 그리고 다중 튜브 결합이 용융 거동 및 축열 성능에 미치는 영향을 체계적으로 분석했습니다. 이를 통해 열전달 효율을 극대화하고 축열 시스템의 성능을 향상시키는 최적의 설계 인자를 도출하고자 했습니다.
환형 핀 도입 시 완전 용융 시간이 1392초에서 1105초로 20.6% 단축되었으며, 후기 단계의 열저항도 감소했습니다. 핀 개수를 4개에서 9개로 늘리면 용융 시간이 추가로 148초 단축되었으나, 자연 대류 제한으로 인한 성능 향상 둔화가 관찰되었습니다. 최적의 핀 두께는 2mm로 나타났습니다.
다중 튜브 설계와 결합 시 용융 시간은 928초로 33.3%까지 단축되어, 분산형 튜브와 환형 핀의 통합이 축열 성능을 크게 향상시킴을 확인했습니다. 이러한 결과는 환형 핀과 다중 튜브 결합이 열전달을 효과적으로 증진시키고 온도장 균일성을 개선하며 용융염 축열 속도를 가속화함을 보여줍니다.
