KR20000031071A - Heat storage system using fine latent ash - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미립잠열재를 이용한 축열시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 축열용량이 큰 특정 잠열물질을 캡슐화하고, 이를 축열재로한 축열시스템에 관한 것으로 다수의 열교환용 핀의 부착되고 소정위치에 교반기(9)가 착설된 축열조(1)와, 상기 축열조(1)와 패쇄회로를 구성하여 열교환을 하는 열원공급장치(2)와, 상기 축열조(1)에서 열교환된 슬러리 및 냉각수를 적의 혼합하는 슬러리밸브(3)을 통해 고농도 슬러리라인(5)에 유입된 슬러리가 냉각수 공급탱크(7)에서 공급되는 냉각수를 조절하는 냉각수밸브를 통해 다시 상기 슬러리를 희석하는 혼합용 믹서(11)를 거쳐 저농도 슬러리라인(6)에 유입되어 수요자에 공급되는 시스템을 구비하고, 상기 슬러리는 액상잠열물질을 우레아(Urea) , 멜라민(Melamine), 가교결합된 나이론(cross-linked Nylon) 및 젤라틴(Gelatin)을 사용하여 입경 100㎛이하로 마이크로 캡슐하여 얻은 미립잠열재에 물과 물의 결빙방지제를 혼합한 것을 사용함을 특징으로 한다.The present invention relates to a heat storage system using a particulate latent heat material, and more particularly, to a heat storage system using encapsulated specific latent heat material having a large heat storage capacity, and having a heat storage material as a heat storage material. A heat storage supply unit (2) on which the heat storage tank (1) is installed, a heat source supply device (2) for forming a closed circuit with the heat storage tank (1), and a slurry for mixing the heat exchanger (1) and the coolant with the heat The slurry introduced into the high concentration slurry line 5 through the valve 3 is passed through the mixing mixer 11 for diluting the slurry through the cooling water valve for controlling the cooling water supplied from the cooling water supply tank 7. A system that flows into line (6) and is supplied to the consumer, and the slurry contains liquid latent materials such as urea, melamine, cross-linked nylon and gelatin (G). It is characterized by using a mixture of water and water freezing inhibitor to the fine latent material obtained by microcapsules with a particle diameter of less than 100㎛ using elatin).
이렇게 구성된 본 발명은 심야전력을 이용한 열저장 기능을 이용할 경우 운영비의 절감뿐만 아니라 여름철 냉방에 이용할 경우 전력의 분산효과를 아울러 얻을 수 있는 유용한 발명이다.The present invention configured as described above is a useful invention that can not only reduce operating costs when using the heat storage function using the late-night power, but also obtain the power distribution effect when used for cooling in the summer.
Description
본 발명은 미립잠열재를 이용한 축열시스템에 관한 것으로, 보다 자세하게는 축열용량이 큰 특정 잠열물질을 캡슐화하고, 이를 축열재로한 축열시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a heat storage system using a particulate latent heat material, and more particularly, to a heat storage system in which a specific latent heat material having a large heat storage capacity is encapsulated and used as the heat storage material.
현재 지구상에 잔존하는 에너지의 양을 따져보면 석유는 약 70∼100년, 석탄은 300년간 사용할 수 있을 것으로 추정되고 있다. 따라서 세계 선진국에서는 석유 및 석탄을 대체하기 위한 신 에너지 개발에 박차를 가하고 있으며, 기존의 에너지를 절약하기 위한 무수한 연구가 수행되어 오고 있다. 그러나 대체 에너지원의 개발이 모든 에너지 문제를 일순간 해결해 줄 수 있는 것이 아니며 또한, 대체 에너지 자체에도 여러 제반 문제점이 존재하여 상용화에는 아직 요원한 실정이라 기존의 자원을 최대로 절약하는 방법 및 장치의 개발이 시급한 과제로 요구되고 있는 실정이다.Given the amount of energy remaining on Earth, oil is estimated to be available for 70 to 100 years and coal for 300 years. Therefore, the world's advanced countries are speeding up the development of new energy to replace oil and coal, and countless studies have been conducted to save energy. However, the development of alternative energy sources is not able to solve all energy problems at once, and there are many problems in alternative energy itself. It is a situation that is urgently required.
특히 우리나라와 같이 자원이 부족하고 에너지소비가 급격히 증가하는 개발도상국가에서는 필요한 발전설비의 건설이 항상 부족하기 때문에 여름철과 같은 에너지수요가 집중되는 시간대의 급격한 전력수요에 대처하지 못하여 급기야는 제한 송전을 위한 비상 전력수급대책이 요구되고 있는 실정이다. 이를 해결하기 위한 에너지 절약의 방법에는 사용을 최대한 억제하여 절약하는 것과, 같은 양을 사용하면서 에너지의 손실을 최대로 억제하는 방법이 있다. 그러나 전자의 경우에 산업전반에 걸친 절약이 요구되는 관계로 실제 생산성에 문제가 야기될 수 있는 원시적인 방법이라 근본적인 문제해결책이 될 수 없으며, 따라서 현재 각 국에서는 에너지 효율을 극대화 할 수 있는 고효율장치를 개발함으로서 산업발전 속도에 전혀 영향을 미치지 않고 효율적으로 에너지를 절약할 수 있는 후자의 방법이 선호되고 있다.In particular, in developing countries where resources are scarce and energy consumption is rapidly increasing, as in Korea, there is always a lack of construction of necessary power generation facilities. Therefore, it is not possible to cope with the rapid power demand in the time zone where energy demand is concentrated, such as summer season. Emergency power supply and demand measures are required. In order to solve this problem, there is a method of saving energy by restraining the use as much as possible and minimizing the loss of energy while using the same amount. However, in the case of the former, it is a primitive method that can cause problems in actual productivity because the industry-wide savings are required. Therefore, high efficiency devices that can maximize energy efficiency in each country are currently available. The latter method is preferred because it can efficiently save energy without affecting the speed of industrial development.
상기와 같이 효율적으로 에너지를 절약하는 방법중 특히, 심야전력을 이용하는 방법이 있는데 이는 여름철 전력수요의 상당 부분이 냉방기의 동시가동으로 인한 전력수요의 집중(Peak Load)으로 발생되고 있는 만큼, 수요집중을 가능한 분산시키기 위하여 개발된 장치가 심야전력을 이용하는 방법인데, 이는 전력수요가 적은 심야에 축열장치를 이용하여 에너지를 저장한 후 전력수요가 집중되는 시기에 사용하는 것으로 심야전력은 일석이조의 장점을 갖추고 있는데, 그 하나는 전력의 값이 일반전기의 1/3 수준이라는 점과, 둘째로는 주간의 집중수요를 분산시킬 수 있는 장점을 들 수 있다. 이와같이 심야전력을 이용하기 위한 축열장치(Heat Storage)는 다양한 형태로 제안되어 있는데, 예를 들어 한국특허공고 제92-7298호인 "잠열축열재 및 그를 사용하는 6각 7점 배열배관 잠열축열조"에는 축열용량이 현열재인 물보다 5배 정도 큰 잠열축열재 및 그를 사용하는 열교환 축열조에 관하여 개시되어 있고, 한국특허공고 제96-7984호에는 축열율을 높이기 위해 완전결빙과 해빙문제를 해결하기 위한 빙축열식 냉방시스템이 개시되어 있고, 한국특허공고 제96-10655호에는 강도가 강하면서도 양호한 열전도율을 가지는 빙축열조에 대해 개시되어 있으며 또한 한국 실용신안공보 제96-2082호에는 상기 축열냉방시스템에 있어서 특히 축열재 주입용튜브구조에 대해 개시되어 있다.Among the methods for efficiently saving energy as described above, there is a method of using late-night power, which is a large part of summer's electric power demand due to peak load due to simultaneous operation of air conditioners. The device developed to disperse the energy as much as possible uses the late-night power, which is used at the time when the power demand is concentrated after storing the energy using the heat storage device in the low-power night time. One of them is that the value of electric power is about one third of that of general electricity, and secondly, it can disperse the concentration demand during the day. As described above, a heat storage device using heat power is proposed in various forms. For example, Korean Patent Publication No. 92-7298 describes a "latent heat storage material and a hexagonal heat storage heat storage tank using the same." A latent heat storage material and heat exchange heat storage tank using the same have a heat storage capacity of about 5 times larger than water as a heat storage material, and Korean Patent Publication No. 96-7984 discloses ice storage heat to solve the problem of complete freezing and thawing in order to increase the heat storage rate. A cooling system has been disclosed, and Korean Patent Publication No. 96-10655 discloses an ice heat storage tank having strong strength and good thermal conductivity, and Korean Utility Model Publication No. 96-2082 discloses a heat storage cooling system in particular. A re-injection tube structure is disclosed.
상기 종래 고안중 특허공고 제96-7984호는 도 8에 도시된 바와 같이, 내부에 유입되는 브라인을 냉동시키는 냉동기와, 상기 냉동기에서 냉각된 브라인을 순환시키는 브라인펌프와, 상기 브라인펌프에 연결되며 빙축열조의 내부에 장착되어 저장된 물을 효과적으로 결빙하도록 된 빙축열조로 구성되는 브라인냉동사이클과; 상기 브라인냉동사이클의 빙축열조내에 설치되는 부동액해빙판부와, 상기 결빙된 얼음을 해빙하기 위한 해빙판부의 일측 관로는 온도가 실내공기에 의하여 상승되도록 설치되며, 실외에 해빙된 부동액을 저장하기 위한 팽창탱크와, 상기 팽창탱크의 빙축열조의 내부에 설치되어 결빙된 물을 해빙시켜 수로를 형성시키는 해빙용 부동액해빙판부에 연결되고, 타단이 해빙용 부동액해빙판부에서 냉각된 부동액을 팬코일유닛에 유입되도록 관로중에 해빙용 부동액순환펌프가 설치된 부동액사이클과; 상기 빙축열조에 연결되어 이 빙축열조에서 유출되는 냉수를 차단할 수 있도록 한 게이트밸브와; 해빙된 수로를 통하여 흐르는 냉수를 순환시키기 위한 냉수순환펌프와; 상기 운전 정지시 냉수순환펌프가 정지되어도 역방향으로 흐르지 않도록 냉수펌프 전후에 설치되는 체크밸브와; 냉수순환펌프를 걸쳐서 순환된 팽창 냉수를 저장하기 위한 냉수팽창탱크와; 상기 냉수팽창탱크와 연결형성되며 순환된 냉수를 열교환 하기 위한 공기조화기와; 상기 공기조화기와 빙축열조 사이에 설치되며 공기조화기에서 유입되는 냉수의 수위를 조절하여 빙출열조에 저장된 물의 수위가 더 이상 상승할 수 없도록 플로트 및 조절밸브가 설치된 냉각보조탱크로 이루어진 냉수사이클로 구성된 것을 특징으로 하는 빙축열식 냉방시스템으로 구성된다. 따라서, 이는 상부에 개구부가 형성된 빙축열조의 내부에 저장된 물을 결빙시키는 브라인냉동사이클과, 상기 결빙된 물을 부분적으로 해빙시켜 수로를 형성시키는 해빙용 부동액사이클과, 이 수로를 통하여 해빙된 냉수를 순환시키는 냉수사이클로 구성함으로써, 심야의 값싼 전력을 이용하여 빙축열조에 저장된 물을 브라인냉동사이클을 작동시켜 결빙시키고, 온도가 올라간 낮에 더운 실내공기를 이용하여 부동액순환사이클을 작동시켜 가열된 부동액을 빙축열조의 내부에 결빙된 얼음과 열교환시켜 해빙하여 수로를 형성시키며, 상기 형성된 수로를 통하여 흐르는 냉수를 냉수사이클을 작동시켜 실내에 설치된 공기조화기에서 열교환되도록 하여 냉방효과를 얻는 것으로 빙축열조에 보조탱크가 설치되어 있으므로, 빙축열조의 상부에 개구부를 형성시킬 수 있고, 상기 개구부로 인하여 동파가 방지되며, 완전결빙시키므로 출열율이 높아 빙축열조의 체적을 많이 줄여줄 수 있으며, 빙축열조에 별도로 설치된 해빙용 부동액사이클이 수로를 형성시킬 수 있어 냉수가 순환하여 방냉할 수 있는 것이다.The prior art Patent Publication No. 96-7984, as shown in Figure 8, is connected to the brine pump for freezing the brine flowing into the inside, the brine pump for circulating the brine cooled in the freezer, and the brine pump A brine refrigeration cycle comprising an ice storage tank mounted inside the ice storage tank to effectively freeze stored water; An anti-freeze thawing plate portion installed in the ice storage tank of the brine refrigeration cycle, and one side of the thawing plate portion for thawing the frozen ice is installed so that the temperature is raised by indoor air, and the expansion for storing the antifreeze liquid thawed outdoors It is connected to the antifreeze ice plate for thawing the tank and installed inside the ice storage tank of the expansion tank to form a waterway by thawing frozen water, and the other end so that the antifreeze cooled in the antifreeze ice plate for thawing flows into the fan coil unit. An antifreeze cycle in which an antifreeze circulation pump for thawing is installed in the pipeline; A gate valve connected to the ice storage tank to block cold water flowing out of the ice storage tank; A cold water circulation pump for circulating cold water flowing through the thawed channel; A check valve installed before and after the cold water pump so that the cold water circulation pump does not flow in the reverse direction even when the cold water circulation pump is stopped; A cold water expansion tank for storing expanded cold water circulated over the cold water circulation pump; An air conditioner connected to the cold water expansion tank and configured to heat exchange the circulated cold water; It is installed between the air conditioner and the ice storage heat tank and consists of a cold water cycle consisting of a cooling auxiliary tank with a float and a control valve installed so that the water level of the water stored in the ice discharge heat tank can no longer rise by adjusting the level of cold water flowing from the air conditioner It consists of ice heat storage cooling system. Therefore, this is a brine refrigeration cycle for freezing the water stored inside the ice storage tank having an opening formed thereon, an antifreeze cycle for thawing the frozen water partially to form a channel, and the cold water thawed through the water channel. It consists of cold water cycle to make the water stored in the ice storage tank by using the cheap power of the late night to freeze by operating the brine refrigeration cycle, and to operate the antifreeze circulation cycle using hot indoor air during the day when the temperature rises Heat exchanged with ice frozen inside to thaw to form a waterway, and the cold water flowing through the formed waterway to operate the cold water cycle to obtain a cooling effect by the heat exchanger installed in the room by the auxiliary tank is installed in the ice storage tank Therefore, the opening at the top of the ice storage tank The freezing is prevented due to the opening, and because the complete freezing, high heat output rate can reduce the volume of the ice storage tank, and the antifreeze cycle for thawing installed separately in the ice storage tank can form a channel so that the cold water circulates. You can cool.
또한, 축열재로는 난방용으로는 파라핀(Paraffin)계의 축열매체를 이용하여 많은 양의 에너지를 저장할 수 있는 방법이 제안되어 있는데 그 형태를 살펴보면 축열제가 저장탱크에 액체상태로 저장되거나, 3∼5㎝ 소형의 캡슐에 축열재를 담고 이를 탱크에 다시 보관하여 에너지의 효율적 흡수를 위한 단위 면적당 축열제의 부피를 최대화하기 위한 장치들이 사용되고, 냉방용으로 사용되는 빙축열 장치에서는 잠열양이 일반 축열제에 비하여 상당히 높은 약 80㎉/㎏의 저장능력을 갖추고 있는 빙축열재가 사용되고 있다.In addition, as a heat storage material, a method of storing a large amount of energy by using a paraffin-type heat storage medium for heating is proposed. Looking at the form, the heat storage agent is stored in a liquid state in a storage tank, or 3 to 3 In order to maximize the volume of the heat storage agent per unit area for efficient absorption of energy by storing the heat storage material in a 5 cm small capsule and storing it in a tank, the amount of latent heat is generally used in the ice storage device used for cooling. Compared to the ice storage material, which has a storage capacity of about 80㎏ / ㎏, which is considerably higher, is used.
그러나 이들 종래의 축열재 및 이들을 사용한 축열장치에 있어서 단위 면적당 축열재의 부피가 커져 전반적인 저장용 축열조의 대형화를 요구하는 문제점이 있다.However, in these conventional heat storage materials and heat storage devices using them, there is a problem that the volume of heat storage material per unit area becomes large, requiring the enlargement of the overall storage heat storage tank.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점인 축열조의 대용량화를 해소하기 위한 것으로 적은 부피의 축열재를 사용하고도 고용량의 에너지를 저장할 수 있는 축열재와 이를 사용한 효율적인 축열시스템을 제공하기 위한 것이다.Therefore, the present invention is to solve the problem of the above-described problems of the prior art storage capacity of the heat storage tank to provide a heat storage material that can store a high capacity of energy even with a small volume of heat storage material and an efficient heat storage system using the same.
특히 본 발명은 특정온도에서 상변화하는 물질(Phas Change Matarials; 이하 PCM이라 칭함)인 잠열재를 핵(Core)으로 하여 이들 PCM물질을 피막함에 의하여 PCM의 잠열을 용이하게 이용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에서 사용되는 PCM물질은 상용화 되어 있기 때문에 구입 및 이용이 수월하며 본 발명의 주요한 과제로서는 PCM물질을 감싸는 미립캡슐화(Microencapulation)기술과 용도에 맞는 적절한 물질을 선정하는 것이 매우 중요한 과제이다. 미립캡슐화를 하기 위해서는 다양한 물질이 선정될 수 있으나, PCM물질의 용융 및 응고하는 과정에서의 수축 및 팽창을 흡수할 수 있어야 하며 주어진 용융점 이상에서 견딜 수 있는 특성을 가지고 있어야 하는데 본 발명은 이러한 기술을 제공하는 것이다.In particular, the present invention provides a method that can easily utilize the latent heat of the PCM by coating the PCM material using the latent heat of the material (Phas Change Matarials (PCM)) as a core (Core) at a specific temperature It is. Since the PCM material used in the present invention is commercialized, it is easy to purchase and use, and as the main problem of the present invention, it is very important to select an appropriate material suitable for the microencapulation technology and the use of the PCM material. To encapsulate, various materials can be selected, but it must be able to absorb shrinkage and expansion in the process of melting and solidifying PCM material and have the characteristics to withstand above a given melting point. To provide.
도 1은 본 발명의 일구성인 축열시스템,1 is a heat storage system of one configuration of the present invention,
도 2는 본 발명의 또다른 구성인 축열시스템,2 is a heat storage system which is another configuration of the present invention,
도 3은 본 발명의 미립잠열재의 개략도,3 is a schematic view of the latent particulate material of the present invention,
도 4는 미립잠열재의 광학 현미경 사진,4 is an optical micrograph of the latent latent material,
도 5는 미립잠열재의 입도분포,5 is a particle size distribution of the latent particulate material,
도 6은 축열조의 개략도,6 is a schematic view of a heat storage tank,
도 7은 자연대류에 의한 혼합속도 벡터의 비교도,7 is a comparison of the mixing speed vector by natural convection,
도 8은 종래 빙축열식 냉방시스템이다.8 is a conventional ice heat storage cooling system.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 --- 축열조 2 --- 열원공급장치1 --- Heat storage tank 2 --- Heat source supply device
3 --- 슬러리 4 --- 냉각수밸브3 --- slurry 4 --- coolant valve
5 --- 고농도 슬러리라인 6 --- 저농도 슬러리라인5 --- High concentration slurry line 6 --- Low concentration slurry line
7 --- 냉각수 공급탱크 8 --- 냉각수 공급펌프7 --- Chilled water supply tank 8 --- Chilled water supply pump
9 --- 교반기 10 --- 입자9 --- Stirrer 10 --- Particles
11 --- 혼합용 믹서 12 --- 열교환 코일11 --- Mixing Mixer 12 --- Heat Exchanger Coil
13 --- 공급수펌프13 --- Supply water pump
도 1은 본 발명의 일구성인 잠열재 순환용 축열시스템을 도시한 것으로, 본 발명은 다수의 열교환용 핀의 부착되고 소정위치에 교반기(9)가 착설된 축열조(1)와, 상기 축열조(1)와 패쇄회로를 구성하여 열교환을 하는 열원공급장치(2)와, 상기 축열조(1)에서 열교환된 슬러리 및 냉각수를 적의 혼합하는 슬러리밸브(3)을 통해 고농도 슬러리라인(5)에 유입된 슬러리가 냉각수 공급탱크(7)에서 공급되는 냉각수를 조절하는 냉각수밸브를 통해 다시 상기 슬러리를 희석하는 혼합용 믹서(11)를 거쳐 저농도 슬러리라인(6)에 유입되어 수요자에 공급되는 시스템을 구비하고, 상기 슬러리는 액상잠열물질을 우레아(Urea) , 멜라민(Melamine), 가교결합된 나이론(cross-linked Nylon) 및 젤라틴(Gelatin)을 사용하여 입경 100㎛이하로 마이크로 캡슐하여 얻은 미립잠열재에 물과 물의 결빙방지제를 혼합한 것을 사용함을 특징으로 한다.1 illustrates a heat storage system for circulating latent heat material, which is one configuration of the present invention. The present invention relates to a heat storage tank 1 in which a plurality of heat exchange fins are attached and a stirrer 9 is installed at a predetermined position, and the heat storage tank ( 1) flows into the high concentration slurry line (5) through a heat source supply device (2) for heat exchange by configuring a closed circuit, and a slurry valve (3) for mixing the slurry and cooling water heat-exchanged in the heat storage tank (1) as appropriate. The slurry is supplied to the low-concentration slurry line (6) and supplied to the consumer through the mixing mixer (11) for diluting the slurry through a cooling water valve for controlling the cooling water supplied from the cooling water supply tank (7). , The slurry is a liquid latent material obtained by microencapsulating a latent liquid material with a particle diameter of less than 100㎛ using urea (Urea), melamine (Melamine), cross-linked nylon and gelatin (Gelatin) And aquatic It is characterized by using a mixture of anti-icing agent.
도 2는 본 발명의 또다른 구성인 냉각수 순환용 축열시스템으로, 이는 다수의 열교환용 핀의 부착되고 소정위치에 교반기(9)가 착설된 축열조(1)와, 상기 축열조(1)와 패쇄회로를 구성하여 열교환을 하는 열원공급장치(2)와, 상기 축열조(1)에서 열교환된 냉각수가 공급수펌프(13)로 가압되어 수요자에 공급되는 시스템을 구비하고, 상기 슬러리는 액상잠열물질을 우레아(Urea) , 멜라민(Melamine), 가교결합된 나이론(cross-linked Nylon) 및 젤라틴(Gelatin)을 사용하여 입경 100㎛이하로 마이크로 캡슐하여 얻은 미립잠열재에 물과 물의 결빙방지제를 혼합한 것을 사용함을 특징으로 한다.2 is a heat storage system for cooling water circulation, which is another configuration of the present invention, which includes a heat storage tank 1 having a plurality of heat exchange fins attached thereto and a stirrer 9 installed at a predetermined position, and the heat storage tank 1 and a closing circuit. A heat source supply device 2 for exchanging heat, and a system in which the coolant heat-exchanged in the heat storage tank 1 is pressurized by the supply water pump 13 and supplied to the consumer, and the slurry is a liquid latent liquid urea. (Urea), melamine, cross-linked nylon and gelatin using microcapsules obtained by microcapsules having a particle size of 100 μm or less, using a mixture of water and water freezing agent. It is characterized by.
도 3은 본 발명에 따른 미립잠열재를 개략적으로 도시한 것으로 핵인 PCM물질은 냉방의 경우에는 0∼6℃의 범위에 적용할 수 있는 잠열물질로 테트라데칸(Tetradecane)과 같은 순수파라핀이나 혼합파라핀 및 얼음(물) 등을 이용하며, 난방용으로는 50∼80℃의 범위에서 상변화를 일으키는 파라피왁스(Paraffin Wax)를 사용하고, 마이크로캡슐의 외부 피막물질로는 내부 물질이 손실되거나 피막이 손상되지 않으며, 화학적 및 온도에 따른 열화특성이 적은 물질인 우레아(Urea), 멜라민(Melamine), 가교결합된 나일론(Cross-linked Nyion)과 젤라틴(Gelatin)을 사용하였다. 캡슐화방법으로는 계면중합법, In-Situ중합법 및 코아세르베이션방법을 사용하여 입경 100㎛이하로 마이크로캡슐화 한다. 현재까지 액상물질의 마이크로캡슐화 방법으로 이용되고 있는 In-Situ방법은 캡슐을 한 번에 대량으로 만들 수 있는 장점이 있지만 반응시간이 오래 걸리고, 캡슐을 만드는 반응온도가 사용하는 물질의 경화온도에 따라 달라지는데 보통 상온이상이므로 반응온도가 높아서 온도조절을 위한 추가비용이 요구된다. 따라서, 본 발명에서는 고분자를 중합하는 유화중합의 방법을 응용하여 기름에 녹는 소수성물질과 물에 녹는 친수성 물질간의 중합이 파라핀류의 기름방울과 물과의 계면에서 일어나게 하는 계면중합에 의한 상전이 물질을 마이크로캡슐화하여 고효율의 열저장을 위한 난방 및 냉방에 필요한 잠열 미립자 캡슐의 물성을 쉽게 조절할 수 있는 마이크로캡슐의 제조방법을 이용하였는데, 이는 0.3wt%트윈(Tween)80 수용액 320㎖에 내부상인 테트라데칸을 24㎖에 TDI 2.4g을 첨가하여 만든 혼합용액을 분산시키며, 교반을 5분 동안 한 후 준비된 DETA(4.27g∼11.39g)과 TETA(5.39g∼6.80g)를 교반 속도를 유지하면서 첨가하여 30분 동안 상온상에서 반응시켜 캡슐벽을 형성시키되, 캡슐벽의 물성을 조절하기 위하여 3가/4가 아민혼합물 중 두 아민(triamine/tetramine)의 비가 1:0.5∼1:4인 것을 특징으로 하는 계면중합법에 의해 마이크로캡슐을 제조하였다. 이와같이 제조된 미립잠열재의 크기는 대부분 50∼10㎛의 분포를 가지고 있다. 도 4에 미립잠열재 입자의 광학현미경으로 관찰한 형태를 나타내었다.Figure 3 schematically shows a particulate latent heat material according to the present invention, the core PCM material is a latent heat material that can be applied in the range of 0 ~ 6 ℃ in the case of cooling pure paraffin or mixed paraffin such as tetradecane (Tetradecane) And ice (water), etc., and for heating, Paraffin Wax, which causes a phase change in the range of 50 to 80 ° C., is used, and as the outer coating material of the microcapsules, the inner material is lost or the film is damaged. Urea, melamine, cross-linked nylon and gelatin, which have low chemical and temperature deterioration characteristics, were used. The encapsulation method is microencapsulated to a particle size of 100㎛ or less by using the interfacial polymerization method, In-Situ polymerization method and coacervation method. In-Situ method, which has been used as a microencapsulation method of liquid materials, has the advantage of making a large amount of capsules at one time, but takes a long reaction time, and the reaction temperature for making capsules depends on the curing temperature of the material used. It is usually above room temperature, so the reaction temperature is high and additional cost for temperature control is required. Therefore, in the present invention, by applying the emulsion polymerization method of polymerizing a polymer, a phase transition material by interfacial polymerization that causes the polymerization between a hydrophobic material soluble in oil and a hydrophilic material soluble in water to occur at the interface between oil droplets of paraffins and water. Microcapsule was used to prepare microcapsules that can easily adjust the physical properties of latent heat particulate capsules required for heating and cooling for high efficiency heat storage. This is tetradecane, an internal phase in 320 ml of 0.3wt% Tween80 aqueous solution. Was dispersed in a mixture solution made by adding 2.4 g of TDI to 24 ml, and after stirring for 5 minutes, the prepared DETA (4.27 g to 11.39 g) and TETA (5.39 g to 6.80 g) were added while maintaining the stirring speed. 30 minutes at room temperature to form a capsule wall, the ratio of two amines (triamine / tetratramine) in the trivalent / tetravalent amine mixture 1: 0.5 to 1: 4 to control the physical properties of the capsule wall Microcapsules were prepared by the interfacial polymerization method, characterized in that. The size of the particulate latent material prepared in this way has a distribution of 50 ~ 10㎛. Figure 4 shows the form observed with an optical microscope of the latent particles of particulate matter.
도 4에서 촬영한 입자를 말번입자사이즈측정기(Malvern Particle sizer)를 이용하여 도 5와 같이 입도분포를 측정하였다. 여기서 측정된 값은 도 5의 (a)의 경우 평균입경이 26.2㎛이고 (b)는 16.5㎛인 것으로 판명되었다.Particle size distribution was measured for the particles taken in FIG. 4 using a Malvern Particle sizer as shown in FIG. 5. The value measured here was found to be 26.2 μm in average particle diameter and 16.5 μm in case of (a) of FIG. 5.
상기와 같이 제조된 미립잠열재를 이용한 냉(0∼6℃)·난방용(50∼80℃) 축열시스템에 제공함에 있어, 이러한 미립잠열재를 축열조에서 슬러리(Slurry)(물+에틸렌 글리콜+미립잠열재)형태로 저장하게 되며 특히, 미립잠열재의 비율이 약 70Vol.%의 부피로 저장하게 된다.In providing the heat storage system for cooling (0-6 ° C.) and heating (50-80 ° C.) using the particulate latent heat material prepared as described above, the particulate latent heat material is slurry (water + ethylene glycol + fine particles) in the heat storage tank. Latent heat), and in particular, the ratio of the latent latent heat is stored in a volume of about 70 Vol.%.
이러한 미립잠열재를 포함한 슬러리를 사용한 축열시스템은 도 8에 도시한 빙축열시스템보다는 월등 우월하며 비교가 되지 않으며, 기존 잠열재를 사용한 시스템과 비교하면 기존의 잠열재를 1㎥의 원통형 저장탱크에 담았을 때 잠열재로 전달되는 전열면적은 열원이 통과하는 열교환기의 표면적이 전부이고 이를 1㎡으로 가정하고 비교하여 보면 표 1과 같다.The heat storage system using the slurry containing the particulate latent heat material is superior to the ice heat storage system shown in FIG. 8 and is incomparable. Compared with the system using the latent heat material, the latent heat material is contained in a cylindrical storage tank of 1㎥. The heat transfer area delivered to the latent heat material is the surface area of the heat exchanger through which the heat source passes, and it is assumed to be 1㎡ and it is shown in Table 1 below.
표 1 기존의 축열시스템과 본 발명의 미립축열시스템의 전열면적의 비교Table 1 Comparison of heat transfer area between the existing heat storage system and the particulate heat storage system of the present invention
주) 미립자의 크기를 평균 30㎛의 크기로 간주하여 계산된 결과임.Note) The result is calculated by considering the size of the fine particles as average 30㎛.
표 1에서 비교된 바와같이 nano-㎡의 표면적을 갖는 입자가 1㎥의 용기내에 약 1014개의 미립자 형태로 존재하고 있다.As compared to Table 1, particles having a surface area of nano-m 2 are present in the form of about 10 14 particulates in a 1 m 3 container.
본 발명의 축열시스템의 형태는 크게 두가지 용도에 의하여 각각의 시스템구성을 달리한다. 하나는 미립잠열재를 직접 수요자에게 보내어 직접 열교환을 하는 장치로 도 1에 개념적인 시스템의 구성이 나타나 있다. 또다른 것은 도 2에 보는 바와같이 축열조에 고농도의 미립잠열재가 저장되어 있고 냉각수가 축열조를 순환하면서 잠열재로부터 열을 공급받아 순수한 냉각수만 순환시키는 시스템이다.The shape of the heat storage system of the present invention is largely different system configuration by two uses. One is a device for direct heat exchange by sending particulate latent material directly to a consumer, and the configuration of a conceptual system is shown in FIG. 1. Another is a system in which a high concentration of latent latent ash is stored in the heat storage tank, and the coolant is supplied with heat from the latent heat material while circulating the heat storage tank to circulate only pure coolant.
특히 도 1에 도시된 미립잠열재 순환용 축열시스템에서 사용된 축열저장조는 다음과 같은 특징을 갖는다.In particular, the heat storage reservoir used in the heat storage system for particulate latent material circulation shown in Figure 1 has the following characteristics.
·축열조내에는 냉동기나 보일러로부터 냉·온열을 공급받을 수 있도록 열교환용 핀이 축열조 내부에 설치되어 있다.Heat storage fins are installed inside the heat storage tank to receive cold and hot heat from the freezer or boiler.
·미립잠열재가 작동유체와 항상 잘 융화되도록 하기 위하여 적절한 표면유화재 혹은 계면활성재(Surfactant)를 첨가하여 유체와 분리되지 않도록 하는 것으로, 실제 이용되는 표면유화제는 입자의 체류시간이 매우 짧기 때문에 지속적으로 혼합이 요구되므로 교반기를 이용 저속으로 혼합해 주어야 한다. 이때 입자의 표피물질이 파괴되지 않도록 매우 낮은 속도로 혼합해 주어야 한다.In order to ensure that the latent latent material is always compatible with the working fluid, an appropriate surface emulsifier or surfactant is added to prevent separation from the fluid. The surface emulsifier actually used has a very short residence time because Since mixing is required, the mixer should be mixed at low speed. At this time, it should be mixed at very low speed so that the epidermis of the particles is not destroyed.
·저장조내의 입자밀도는 60% 이상으로 실제 공급되어지는 입자는 작동유체(물)와 혼합되어 약 20% 이하로 줄어들어야 하기 때문에 입자와 작동유체의 유량조절이 상호 호환적으로 유지되어야 한다. 이를 위해 슬러리 유량조절밸브와 냉각수 유량조절밸브가 서로 연동(interlock)되어 입자의 밀도에 따라 요구되는 냉각수의 공급량이 공급되어 이 두가지의 물질이 혼합용 믹서에서 혼합되어 수요자측의 냉·온방용 방열기에 공급되게 된다.· The particle density in the reservoir should be less than about 20% by mixing with the working fluid (water) to less than about 20%, so the flow rate control of the particles and working fluid should be kept compatible. To this end, the slurry flow regulating valve and the cooling water flow regulating valve are interlocked with each other to supply the required amount of cooling water according to the density of the particles. To be supplied.
·열이 공급된 후 입자의 회수를 위하여 저장조 직전에 입자와 냉각수를 분리할 수 있는 분리기가 설치되어 고농도의 입자만이 다시 저장로로 회수되어 열을 공급받은 후 재순환된다.• After the heat is supplied, a separator for separating the particles and the cooling water is installed just before the storage tank to recover the particles. Only high concentrations of particles are recovered to the storage furnace and supplied with heat and recycled.
·냉·온열의 공급은 기존의 장치와 연결되어 직접 열을 받아 잠열재에 공급할 수 있도록 하였다. 즉 냉열을 위해서는 냉동기와 연결하고, 온열을 위해서는 보일러에 연결하여 열을 공급받을 수 있도록 하였다.· The supply of cold and warm heat is connected to the existing equipment so that it can receive the heat directly and supply it to the latent heat material. In other words, it is connected to a freezer for cold heat, and connected to a boiler for heat to receive heat.
상기한 미립잠열재 순환용 축열시스템의 축열 및 방열과정은The heat storage and heat dissipation process of the heat storage system for circulating particulate latent material
① 미립잠열재가 60%이상 포함된 고농도 슬러리가 열원공급장치(2)로부터 공급된 열을 축열조(1)에서 열교환을 받고① The high concentration slurry containing at least 60% of the particulate latent heat is subjected to heat exchange in the heat storage tank 1 for the heat supplied from the heat source supply device 2.
② 슬러리 유량조절밸브(3)를 통과한 고농도 슬러리는 혼합용 믹서(11)에서 냉각수 유량조절밸브(4)를 통해 조절되어 공급된 냉각수와 포함되어 저농도 슬러리라인(6)을 통해 수요자측에 열을 공급한다. 이때 슬러리 유량조절밸브(3)와 냉각수 유량조절밸브(4)가 상호 연계되어 슬러리의 농도를 약 20%이하로 조절한다.② The high concentration slurry passed through the slurry flow regulating valve (3) is included with the cooling water supplied and controlled through the cooling water flow adjusting valve (4) in the mixing mixer (11) and heats to the consumer side through the low concentration slurry line (6). To supply. At this time, the slurry flow rate control valve 3 and the cooling water flow rate control valve 4 are connected to each other to adjust the concentration of the slurry to about 20% or less.
③ 열공급을 완료한 저농도 슬러리는 입자분리기(10)로 회주되어 냉각수와 고농도 슬러리로 분리되고 고농도 슬러리는 축열조(1)로 반입되어 다시 열을 공급받는다.③ The low concentration slurry, which has completed the heat supply, is circulated to the particle separator 10 to be separated into cooling water and the high concentration slurry, and the high concentration slurry is brought into the heat storage tank 1 to receive heat again.
또한, 도 2에 도시된 냉각수 순환용 축열시스템은 다음과 같은 특징을 갖는다.In addition, the heat storage system for cooling water circulation shown in FIG. 2 has the following characteristics.
· 축열조내에서는 냉동기나 보일러로부터 냉·온열을 공급받을 수 있도록 열교환용 핀이 축열조 내부에 설치되어 있다.Heat storage fins are installed inside the heat storage tank to receive cold and hot heat from the freezer or boiler.
· 미립잠열재의 농도가 70% 이상을 유지할 수 있기 때문에 내부에서 혼합용 믹서에 의하여 잠열재가 유체(물 혹은 기름)와 분리되지 않도록 교반기에 의하여 지속적으로 저어주도록 하였다. 또한 계면활성재를 이용하여 미립자의 분포를 골고루 유지되도록 하였다.Since the concentration of the latent latent ash can be maintained at 70% or more, the mixing mixer is continuously stirred by an agitator to prevent the latent latent ash from being separated from the fluid (water or oil). In addition, the surface of the fine particles was evenly maintained by using the surfactant.
· 잠열재로부터 열공급을 받기 위하여 열회수용 코일이 설치되어 있으며, 이 코일은 순환펌프와 연결되어 수요자측의 냉·온열 방열기에 직접 공급되도록 하였다.A heat recovery coil is installed to receive heat from the latent heat material, and this coil is connected to the circulation pump so that it can be directly supplied to the cold / thermal radiator on the consumer side.
· 회수된 냉각수는 계속적으로 재순환 되도록 연결되어져 있다.Recovered coolant is connected for continuous recirculation.
상기한 냉각수 순환용 축열시스템의 축열 및 방열과정은The heat storage and heat dissipation process of the heat storage system for cooling water circulation
① 미립잠열재가 70%이면 고농도 슬러리가 열원공급장치(2)로부터 직접열을 공급받아 축열조(1)내의 열교환코일(12)에서 냉각수로 열을 교환한 후 다시 열원공급장치(2)로 회수된다.① When the latent latent ash is 70%, a high concentration slurry is directly supplied from the heat source supply device 2, and the heat is exchanged with the cooling water in the heat exchange coil 12 in the heat storage tank 1, and then recovered to the heat source supply device 2 again. .
② 열을 얻은 냉각수가 공급수펌프(13)를 통해 수요자 측에 열을 공급한 후 다시 회수된다.② The coolant that is heated is recovered after supplying heat to the consumer through the feed water pump (13).
도 6의 원통형 축열조에 단일 튜브의 열공급원을 가정하여 본 시스템의 특성을 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 잠열재로의 열전달과정을 수식으로 풀어보았다.Assuming a heat source of a single tube in the cylindrical heat storage tank of Figure 6, the heat transfer process to the latent heat material using CFD (Computational Fluid Dynamics) was solved by the equation.
도 7에 도시된 바와같이 본 발명의 미립잠열재를 이용한 저장조와 순수 PCM물질만을 이용한 두가지 저장조의 특징을 살펴보면 미립잠열재를 이용한 저장조는 미립화된 PCM을 물이나 기타의 작동유체를 혼합하여 이용하고, 종래 저장조는 PCM을 이용할 경우 100%의 PCM을 저장조에 보관하든지, 혹은 표면적 확대를 위한 방법으로 직경이 3∼5㎝ 크기의 볼에 PCM을 주입하여 이용하는 경우가 보통이다. 그러나 종래 저장조의 경우를 살펴보면 100% PCM물질을 이용한 저장조는 열원으로부터 열이 전달되는 주요인자는 초기에 전도에 의하여 전달이 된 후 PCM이 용융됨에 따라 부분적인 대류현상에 의하여 열전달이 발생하게 된다. 이러한 과정에서도 PCM 자체의 밀도가 크기때문에 자체의 대류가 발생되더라도 매우 느린속도로 진행이 되기 때문에 융융지체로 인한 열손실이 크게 발생하게 된다. 반면에 본원 시스템은 미립잠열재를 작동유체인 물의 60∼70%의 부피비로 혼합되어 융융되어 있기 때문에 열원의 발생초기부터 대류와 전도에 의하여 열이 입자로 전달이 되며, 단위부피당의 넓은 표면적과 미세미립자(대략 100㎛미만)의 특성상 열손실이 없어 미립자 내부로 열이 전달될 수 있는 특징을 가지고 있다. 위의 수치해석결과에서 볼 수 있듯이 미립자를 이용한 저장조의 경우 혼합속도가 오더(Oder)크기로 약 100∼500배(미립자농도 및 작동유체의 종류에 따라 차이가 있음) 이상의 엄청난 차이가 남을 알 수 있었다.Referring to the characteristics of the two storage tanks using only the fine PCM material and the storage tank using the fine latent material of the present invention as shown in Figure 7, the storage tank using the fine latent material is used by mixing the atomized PCM with water or other working fluid In conventional storage tanks, 100% PCM is stored in a storage tank or PCM is injected into balls having a diameter of 3 to 5 cm as a method for expanding the surface area. However, in the case of the conventional storage tank, the storage tank using 100% PCM material is the main factor that heat is transferred from the heat source is initially transferred by conduction and then heat transfer occurs due to partial convection as the PCM melts. Even in this process, the PCM itself has a high density, so even if its convection occurs, it proceeds at a very slow speed, causing large heat loss due to the melted melt. On the other hand, in the present system, since the latent latent materials are mixed and melted at a volume ratio of 60 to 70% of water, which is the working fluid, heat is transferred to the particles by the convection and conduction from the beginning of the heat source, and the large surface area and fine per unit volume There is no heat loss due to the characteristics of the fine particles (less than about 100㎛) has the characteristic that heat can be transferred to the inside of the fine particles. As can be seen from the numerical results above, it can be seen that there is a huge difference in the mixing speed of the storage tank using fine particles by the order size from about 100 to 500 times (depending on the particle concentration and the type of working fluid). there was.
상기 표 1에서 비교한 바와같이 100% PCM물질을 이용하였을 경우와 비교하여 규모면에서 기존의 70% 크기에 열전달 효율면에서 약 10배의 성능을 갖추고 있기 때문에 축열기능 및 열공급측면에서 월등한 성능을 발휘하고 있다. 그러므로 열회수를 위한 축열조내의 열회수코일의 총길이도 상당히 단축될 수 있다. 특히 심야전력을 이용한 열저장 기능을 이용할 경우 운영비의 절감뿐만 아니라 여름철 냉방에 이용할 경우 전력의 분산효과를 아울러 얻을 수 있는 유용한 발명이다.Compared with the case where 100% PCM material is used as compared to Table 1, it has excellent performance in terms of heat storage function and heat supply since it has about 10 times the performance in terms of heat transfer efficiency in the existing 70% in terms of scale. Exerted. Therefore, the total length of the heat recovery coils in the heat storage tank for heat recovery can be significantly shortened. In particular, when using the heat storage function using the late-night power, it is a useful invention that can not only reduce the operating cost but also the power distribution effect when used for cooling in the summer.
Claims (2)
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| KR1019980046931A KR20000031071A (en) | 1998-11-03 | 1998-11-03 | Heat storage system using fine latent ash |
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|---|---|---|---|
| KR1019980046931A KR20000031071A (en) | 1998-11-03 | 1998-11-03 | Heat storage system using fine latent ash |
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| KR1019980046931A KR20000031071A (en) | 1998-11-03 | 1998-11-03 | Heat storage system using fine latent ash |
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-
1998
- 1998-11-03 KR KR1019980046931A patent/KR20000031071A/en not_active Application Discontinuation
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