상변화 재료

Phase-change material
초산나트륨 가열 패드.아세트산나트륨 용액이 결정되면 따뜻해진다.
'히팅 패드'가 작동하는 모습을 보여주는 비디오

상변화물질(PCM)은 상전이 시 유용한 열 또는 냉각을 제공하기 위해 충분한 에너지를 방출/흡수하는 물질이다.일반적으로 물질의 처음 두 가지 기본 상태, 즉 고체 상태와 액체 상태 중 하나에서 다른 상태로 전환됩니다.또한 결정의 적합성과 같은 물질의 비고전적 상태 간에도 상전이 있을 수 있으며, 여기서 물질은 하나의 결정 구조에 부합하는 것에서 다른 결정 구조에 부합하는 것으로, 더 높거나 더 낮은 에너지 상태일 수 있습니다.

고체에서 액체로 상전이할 때 방출/흡수되는 에너지는 일반적으로 용해열이 체감 열보다 훨씬 높습니다.예를 들어 얼음이 녹으려면 333.55J/g가 필요하지만 4.18J/g만 추가하면 물은 1도 더 상승합니다.따라서 물/얼음은 매우 유용한 상변화 물질이며 적어도 아케메네스 제국 시대부터 겨울에 차갑게 보관하여 여름에 건물을 서늘하게 하는 데 사용되어 왔습니다.

PCT는 상변화온도(PCT)에서 용해 및 응고함으로써 합리적인 열 저장에 비해 많은 양의 에너지를 저장하고 방출할 수 있습니다.물질이 고체에서 액체 또는 그 반대로 변화할 때 열이 흡수되거나 방출됩니다. 따라서 PCM은 잠열 저장(LHS) 물질이라고 합니다.

상변화 물질에는 두 가지 주요 종류가 있습니다. 석유, 식물 또는 동물에서 유래한 유기(탄소함유) 물질과 소금 하이드레이트가 있습니다. 소금 하이드레이트는 일반적으로 바다 또는 광물 퇴적물의 천연 소금을 사용하거나 다른 과정의 부산물이다.세 번째 클래스는 고체에서 고체 위상 변화입니다.

PCM(추진 제어 모듈)은 에너지 저장 및/또는 안정적인 온도가 필요한 다양한 상용 애플리케이션에서 사용됩니다. 여기에는 발열 패드, 전화 교환 박스용 냉각 장치, 의류 등이 포함됩니다.

가장 큰 잠재 시장은 건물의 냉난방 시장이다.이 응용 분야에서 PCM은 재생 가능 전기 비용의 점진적인 감소와 이러한 전기의 간헐적 특성으로 볼 때 잠재력을 가지고 있다.이로 인해 피크 수요와 공급 가용성 사이에 불일치가 발생할 수 있습니다.북미, 중국, 일본, 호주, 남유럽 및 기타 여름이 더운 선진국에서는 정오가 피크 공급이고 피크 수요는 17:00~20:00이다.이것에 의해, 서멀 스토리지 미디어의 기회가 생깁니다.

고액상변화물질은 보통 액체상태로 저장하기 위해 최종 어플리케이션에 설치하기 위해 캡슐화된다.일부 용도에서는, 특히 섬유에의 편입이 필요한 경우에는, 상변화 재료가 마이크로 캡슐화된다.마이크로 캡슐화를 사용하면 PCM 코어가 녹았을 때 작은 기포 형태로 물질이 고체 상태를 유지할 수 있습니다.

특성 및 분류

액체→고체, 고체→고체, 고체→기체 및 액체→기체로부터의 물질 상태 변화를 통해 잠열을 얻을 수 있다.그러나 PCM에는 고체→고체 및 액체→고체 상 변화만이 실용적입니다. 액체-기체 상 변화는 고체-고체 상 변화보다 변환 열이 높지만, 액체→기체 상 변화에는 많은 양의 물질이나 고압이 필요하기 때문에 열 저장에는 실용적이지 않습니다.고체-고체 위상 변화는 일반적으로 매우 느리고 상대적으로 변환 열이 낮습니다.

처음에 고액 PCM은 SHS(Sensible Heat Storage) 재료처럼 작동하며 열을 흡수하면 온도가 상승합니다.그러나 기존의 SHS 재료와 달리 PCM은 상변화 온도(융점)에 도달하면 모든 재료가 녹을 때까지 거의 일정한 온도에서 대량의 열을 흡수합니다.액체 물질 주변의 주변 온도가 떨어지면 PCM(추진 제어 모듈)이 응고되어 저장된 잠열을 방출합니다.-5 ~ 190°[1]C의 필요한 온도 범위에서 다수의 PCM을 사용할 수 있습니다.20~30°C 사이의 인체 쾌적 범위 내에서 일부 PCM은 200kJ/kg 이상의 잠열을 저장하여 매우 효과적입니다. 단, 석조 건축의 경우 약 1kJ/(kg*°C)의 비열 용량이 있습니다.따라서 10°C의 온도 변동이 허용될 경우 [2]저장 밀도는 kg당 석조보다 20배 더 클 수 있습니다.그러나, 석공의 질량은 PCM의 질량에 비해 훨씬 높기 때문에 이 (질량당) 열용량은 어느 정도 상쇄됩니다.석조 벽의 질량은 200kg/m이므로2 열 용량을 두 배로 늘리려면 10kg/m의2 PCM이 추가로 필요합니다.

Image of 3 layers of ENRG Blanket, an organic PCM encapsulated in a poly/foil film.
[3] 예를 들어 건물 내에서의 내구성을 위해 폴리/포일 캡슐화에 포함된 유기 바이오 기반 PCM은 HVAC 에너지 소비를 줄이고 탑승자의 쾌적성을 향상시킵니다.

유기 PCM

탄화수소, 주로 파라핀(CH)과n2n+2 지질이지만 설탕 알코올도 [4][5][6]있습니다.

  • 이점
    • 과냉각 없이 동결
    • 조화롭게 녹일 수 있는 능력
    • 자기핵형성성
    • 기존 건축재료와의 호환성
    • 분리 없음
    • 화학적으로 안정적
    • 안전 및 비반응
  • 단점들
    • 고체 상태에서의 열전도율이 낮다.동결 사이클 중에는 높은 열 전달 속도가 필요합니다.나노 복합 재료는 열전도율이 최대 216%[7][8]까지 상승하는 것으로 확인되었습니다.
    • 체적 측정 잠열 저장 용량이 낮을 수 있습니다.
    • 인화성.이는 특수 격납 장치를 통해 부분적으로 완화될 수 있습니다.

무기질

소금 하이드레이트(MNxy·nHO2)[9]

  • 이점
    • 대용량 잠열 저장 용량
    • 가용성과 저비용
    • 선명한 융점
    • 높은 열전도율
    • 높은 융해열
    • 불연성
    • 지속 가능성
  • 단점들
    • 사이클링 시 부적절한 용해 및 상분리를 방지하기가 어려우며, 잠열 엔탈피의 [10]상당한 손실을 초래할 수 있습니다.
    • 금속과 [11][12][13]같은 다른 많은 물질에 부식될 수 있습니다.이는 특정 금속-PCM 쌍 또는 비반응성 플라스틱에 소량의 캡슐화만 사용하여 해결할 수 있습니다.
    • 일부 혼합물에서 부피 변화가 매우 높음
    • 초냉각은 고액 전환 시 문제가 될 수 있으며 반복 사이클링 후 작동하지 않을 수 있는 핵생성제를 사용해야 합니다.
Infinite R Energy Sheet
예: 장기적인 열안정성을 위한 핵생성 및 겔화제와 열가소성 호일 매크로 캡슐화 물리적 내구성을 갖춘 공정염 하이드레이트 PCM.건물의 HVAC 에너지 [14]절약을 위한 수동 온도 안정화를 위해 적용됨.

흡습성 재료

많은 천연 건축 자재는 흡습성, 즉 물을 흡수하고 방출할 수 있습니다(물 증발).프로세스는 다음과 같습니다.

  • 응축(기체와 액체) δH < 0, 엔탈피의 감소(발열 과정)는 열을 방출한다.
  • 기화(액체 대 기체) δH > 0, 엔탈피의 증가(흡열 공정)는 열을 흡수(또는 냉각)한다.

이 프로세스는 소량의 에너지를 방출하지만, 표면적이 크면 상당한(1-2°C)의 난방 또는 건물 내 냉방이 가능합니다.해당 소재는 양털 단열재, 흙/점토 렌더 마감재입니다.

솔리드 PCM

대량의 열을 흡수 및 방출하면서 고체/고체 상 전이를 겪는 PCM의 전문 그룹입니다.이러한 재료는 고정적이고 명확한 온도에서 결정 구조를 하나의 격자 형태에서 다른 격자 형태로 변경하며, 변환에는 가장 효과적인 고체/액체 PCM에 필적하는 잠열이 수반될 수 있습니다. 이러한 재료는 고체/액체 PCM과 달리 과냉각 방지를 위해 핵을 형성할 필요가 없기 때문에 유용합니다.또한 고체/고체상 변화이므로 PCM의 외관에는 눈에 띄는 변화가 없으며, 격납용기, 누출 등의 액체 취급에 문제가 없습니다.현재 솔리드 PCM 솔루션의 온도 범위는 -50°C(-58°F)에서 +175°C(347°F)[15]까지입니다.

선택 기준

상변화 재료는 다음과 같은 열역학적 [16]특성을 가져야 합니다.

  • 원하는 작동 온도 범위 내에서의 용해 온도
  • 단위 부피당 높은 잠열 융해
  • 고비열, 고밀도, 고열 전도율
  • 상변환 시 작은 부피변화와 작동온도에서의 작은 증기압력으로 격납용기 문제 감소
  • 합동 용융

운동 특성

  • 액상의 과냉각 방지를 위한 높은 핵 형성 속도
  • 높은 결정 성장률로 스토리지 시스템의 열 회수 수요를 충족할 수 있습니다.

화학적 성질

  • 화학적 안정성
  • 완전한 가역 동결/융해 사이클
  • 동결/융해 사이클이 많아도 열화 없음
  • 비부식성, 무독성, 불연성, 비폭발성 재료

경제적 재산

  • 저비용
  • 유용성

상변화물질의 열물리학적 특성

상변화 재료의 주요 열물리학적 특성은 다음과 같습니다.녹는점(Tm), 융해열(δHfus), 비열p(고체와 액상의), 밀도(θ) 및 열전도율.부피 변화 및 부피 열 용량과 같은 값은 여기에서 계산할 수 있습니다.

테크놀로지, 개발 및 캡슐화

가장 일반적으로 사용되는 PCM은 소금 하이드레이트, 지방산 및 에스테르 및 다양한 파라핀(옥데칸 등)입니다.최근에는 이온성 액체도 새로운 PCM으로 조사되었다.

대부분의 유기용액은 무수성이기 때문에 공기에 노출될 수 있지만 염분계 PCM용액은 모두 캡슐화해 수분증발이나 흡수를 방지해야 한다.두 유형 모두 특정 장점과 단점을 제공하며, 올바르게 적용되면 일부 단점이 특정 애플리케이션에 장점이 됩니다.

그것들은 19세기 후반부터 열 저장 용도의 매체로 사용되어 왔습니다.그것들은 철도 및 도로[19] 용도의[18] 냉동 운송과[17] 같은 다양한 용도로 사용되어 왔으며, 그 물리적 특성은 잘 알려져 있다.

그러나 얼음 저장 시스템과 달리 PCM 시스템은 새로운 용도 또는 대체적인 개조 용도로 기존의 워터 냉각기와 함께 사용할 수 있습니다.양온도 상변화를 통해 원심 및 흡수식 냉각기는 물론 기존의 왕복식 및 나사식 냉각기 시스템 또는 냉각탑 또는 드라이쿨러를 사용하여 TES 시스템 충전을 위한 환경 조건을 낮출 수 있습니다.

PCM 기술에 의해 제공되는 온도 범위는 중온 및 고온 에너지 스토리지 애플리케이션과 관련하여 빌딩 서비스 및 냉동 엔지니어에게 새로운 지평을 제공합니다.이 열 에너지 적용 범위는 태양열 난방, 온수, 발열 제거(냉각탑 등) 및 건식 냉각 회로 열 에너지 저장 애플리케이션입니다.

PCM(추진 제어 모듈)은 열 순환 시 고액 사이에서 전환되므로 캡슐화는[20] 당연히 스토리지 선택이 되었습니다.

  • PCM 캡슐화
    • 매크로 캡슐화: 대부분의 PCM의 열전도율이 낮기 때문에 대용량 콘테인먼트를 사용한 매크로 캡슐화의 초기 개발은 실패했습니다.PCM은 용기 가장자리에서 응고되어 효과적인 열 전달을 방해하는 경향이 있습니다.
    • 마이크로 캡슐화:반면 마이크로 캡슐화에서는 이러한 문제가 나타나지 않았다.이를 통해 PCM을 콘크리트와 같은 건축 자재에 쉽고 경제적으로 통합할 수 있습니다.마이크로 캡슐 PCM은 휴대용 열 저장 시스템도 제공합니다.마이크로사이즈 PCM에 보호피막을 입힘으로써 입자를 물 등의 연속상 내에 부유시킬 수 있다.이 시스템은 상변화 슬러리(PCS)로 간주할 수 있습니다.
    • 분자 캡슐화는 Dupont de Nemours에 의해 개발된 또 다른 기술로, 폴리머 화합물 내에서 매우 높은 농도의 PCM을 가능하게 합니다.5 mm 보드(103 MJ/m3)에 대해 최대 515 kJ/m의2 저장 용량을 허용합니다.분자 캡슐화를 통해 PCM 누출 없이 재료를 천공하고 절단할 수 있습니다.

상변화 물질은 작은 용기에서 가장 잘 작동하기 때문에 보통 셀로 나뉩니다.셀은 얕은 용기 형상의 원리를 기반으로 정적 헤드를 줄이기 위해 얕습니다.포장재는 열이 잘 전달되어야 하며 상변화가 발생함에 따라 저장재의 부피가 자주 변화해도 충분히 견딜 수 있을 만큼 내구성이 있어야 합니다.또한 벽면을 통과하는 물의 통로를 제한하여 재료가 마르지 않도록 해야 합니다(또는 흡습성이 있는 경우에는 물이 빠지지 않도록 해야 합니다).또한 포장은 누출 및 부식에도 견딜 수 있어야 합니다.상온 PCM과의 화학적 호환성을 나타내는 일반적인 포장재로는 스테인리스강, 폴리프로필렌 및 폴리올레핀이 있습니다.

PCM에서는 카본나노튜브, 흑연, 그래핀, 금속, 금속산화물 등의 나노입자를 분산시킬 수 있다.나노 입자를 포함하면 PCM의 열전도율 특성뿐만 아니라 잠열 용량, 과냉각, 상변화 온도 및 지속 시간, 밀도 및 점도를 비롯한 다른 특성도 변화한다는 점에 유의해야 합니다.NePcm라고 [21]하는 PCM의 새로운 그룹.NePCM을 금속 발포재에 첨가하여 보다 높은 열전도성 [22]조합을 구축할 수 있습니다.

서멀 컴포지트

열복합재란 상변화물질(PCM)과 기타(일반적으로 고체) 구조의 조합을 말합니다.간단한 예로는 파라핀 왁스에 담근 구리 메시가 있습니다.파라핀 왁스 내의 구리 메시는 열 복합 재료라고 불리는 복합 재료로 간주될 수 있습니다.이러한 하이브리드 재료는 특정 전체 또는 부피 특성을 달성하기 위해 생성됩니다(예: 표면적 대 부피 비율을 증가시키기 위해 파라핀을 별개의 이산화규소 나노구로 캡슐화함으로써 더 높은 열 전달 속도를 얻을 수 있습니다).

열전도율은 열복합재 생성으로 최대화를 목표로 하는 공통 특성입니다.이 경우, 상대적으로 전도성이 낮은 PCM에 전도성이 높은 고체(구리 메쉬나[24] 흑연 등)를 추가하여 열전도율을 [25]높임으로써 전체 또는 벌크(열) 전도율을 높이는 것이 기본 구상입니다.PCM(추진 제어 모듈)이 흐를 필요가 있는 경우는, 메쉬등의 다공질이어야 합니다.

항공우주 산업용 섬유 유리 또는 케블라 프리프레그와 같은 고체 복합 재료는 보통 섬유(케블라 또는 유리)와 매트릭스(접착제, 섬유 유지 및 압축 강도 제공)를 나타냅니다.서멀 컴포지트는 명확하게 정의되어 있지 않지만 매트릭스(고체)와 PCM(물론 조건에 따라 액체 또는 고체)을 나타낼 수 있습니다.그것들은 또한 지구의 작은 원소들을 발견하기 위한 것이다.

적용들

상변화 재료의 적용에는[1][26] 다음이 포함되지만 이에 한정되는 것은 아닙니다.

  • Flamco의 FlexTherm[27] Eco와 같은 열에너지 스토리지.
  • 솔라 쿠킹
  • 저온 에너지 배터리
  • '얼음창고'와 같은 건물의 컨디셔닝
  • 열 및 전기 엔진의 냉각
  • 냉각: 음식, 음료, 커피, 와인, 유제품, 그린하우스
  • 표면의[28] 얼음 및 서리 형성 지연
  • 의료용도: 혈액수송, 수술대, 냉열요법, 선천성 질식 치료Aravind, Indulekha; Kumar, KP Narayana (2015-08-02). "How two low-cost, made-in-India innovations MiraCradle & Embrace Nest are helping save the lives of newborns". timesofindia-economictimes.</ref>[29]
  • 부피가 큰 옷이나 의상 아래에서 몸을 식히는 것.
  • 폐열 회수
  • 오프피크시 전력사용률:온수 가열 및 냉각
  • 히트 펌프 시스템
  • 생물 기후 빌딩/아키텍처(HDPE, 파라핀)의 패시브 스토리지
  • 화학반응 시 발열온도 피크 평활화
  • 태양광 발전소
  • 우주선 열 시스템
  • 차량의 온열 쾌적성
  • 전자 장치의 열 보호
  • 식품 보온: 운송, 호텔 무역, 아이스크림 등
  • 의류에 사용되는 직물
  • 컴퓨터 냉각
  • 터빈 흡기 냉각(열 에너지 저장 장치 포함)
  • 열대 지역에 있는 통신 시설.기지국 서브시스템과 같은 전력 소모가 많은 장비에 의해 발생하는 열을 흡수함으로써 실내 공기 온도를 허용 가능한 최대 온도 이하로 유지함으로써 수용 시설의 고부가가치 기기를 보호합니다.기존 냉각 시스템에 정전이 발생할 경우 PCM은 디젤 발전기 사용을 최소화하므로 열대 지역의 수천 개의 통신 사이트에 걸쳐 엄청난 비용 절감 효과를 거둘 수 있습니다.

화재 및 안전 문제

일부 상변화물질은 물에 부유하여 비교적 무독성이 있습니다.다른 것들은 탄화수소나 기타 인화성 물질이거나 독성이 있다.따라서 PCM(추진 제어 모듈)은 화재 및 건물 규정과 음향 엔지니어링 관행에 따라 매우 신중하게 선택 및 적용되어야 합니다.화재 위험, 화염, 연기, 컨테이너에 보관 시 폭발 가능성 및 위험이 증가하므로 주거용 또는 정기적으로 점유되는 다른 건물 내에서 가연성 PCM을 사용하지 않는 것이 현명할 수 있습니다.상변화 재료는 전자제품의 열조절에도 활용되고 있다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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원천

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  • 상변화 재료 기반 수동 냉각 시스템 설계 주요 및 글로벌 적용 사례, Zafer URE M.Sc., C.Eng. MASHRAE 수동 냉각 애플리케이션

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