축열전문위원회 - 06 잠열축열재

:: 잠열축열재

Q) 잠열재란 무엇인가요?A) 고체에서 액체로 혹은 액체에서 고체로 상변화할 때 발생하는 잠열을 이용하는 물질(Phase Change Material, PCM)입니다. 현재 보급이 확대되고 있는 빙축열시스템은 잠열재로 상변화온도(0 ℃)에서 얼음이 녹아 물로 될 때의 잠열을 냉방에 이용합니다. 일반적으로 잠열재는 물, 수용액 그리고 화학잠열재로 나뉘어져 있으며 화학잠열재는 크게 유기물 계와 무기물 계로 나눕니다. 유기물 계에는 파라핀을 중심으로 대체로 밀도가 낮고 부피팽창이 작으며 부식성이 작습니다. 무기물 계에는 수화물 계가 주종이며 밀도가 높고 유기물 계에 비해 잠열량이 큽니다. 이러한 잠열재를 이용하여 열을 저장하는 재료를 잠열축열재라고 합니다.

Q) 왜 잠열축열재로 얼음이 사용되는가요?A) 물은 축열매체로서 갖추어야 할 조건을 잘 만족하고 있습니다. 구체적으로는 축열재로서의 물은 (1) 조달비용이 저렴하고 (2) 쉽게 구할 수 있으며 (3) 비교적 축열용량이 크고 (4) 독성, 폭발성이 없습니다. 더구나 얼음은 잠열축열재로서 80kcal/kg (333.6 kJ/kg)이라는 (5) 다른 잠열축열재에 비하여 큰 잠열값을 갖고 있는 데다가 (6) 극히 안정적이고 (7) 융점이 불변하며 냉각시의 과냉각현상을 제외하고는 (8) 상변화가 쉬운 특성 등을 가지고 있기 때문입니다.

Q) 아이스슬러리란 무엇인가요?A) 한마디로 죽 혹은 빙수와 같이 유동성을 갖는 미세한 얼음과 물의 혼합물을 말합니다. 아이스슬러리는 과냉각 상태의 물이나 부동액을 외력과 열전달을 적절히 조절함으로써 연속적으로 얻을 수 있습니다. 생성된 얼음입자는 직경이 수 십 μm 내지 수 mm 로 매우 미세하며 물 또는 부동액에 분산되어 운반이 용이하고 빙 표면적이 아주 크므로 융해시 열전달 효율이 매우 높은 잇점을 가집니다. 대체로 유동하고 있는 축열매체에서 생성되는 (동적형 제빙방식) 얼음입니다.

Q) 아이스슬러리형 시스템에서 나타나는 과냉각 현상이란 무엇인가요?A) 일반적으로 물질은 융점(또는 응고점)에서 융해하거나 응고합니다. 그런데 액상의 물질을 응고점보다도 낮은 온도까지 냉각하여도 좀처럼 고체로 되지 않습니다. 이러한 현상을 과냉각 현상이라 말하며 물을 포함하고 있는 물질에서 특히 잘 나타납니다. 즉 물 또는 수용액으로 얼음을 만들 때 과냉각 현상으로 인해 냉각온도를 동결점보다 한층 낮추어야 하므로 냉동기의 효율이 낮아지고 불균일한 모양의 얼음이 생성되는 원인이 됩니다. 과냉각되는 것을 개선하기 위해 일반적으로 조핵제나 물리적인 외력 등을 물이나 수용액에 가하고 있습니다.

Q) 공융염 계란 무엇인가요?A) Eutectic Salt System이라고 하며, 열역학적으로는 특정한 비율의 혼합 구성비로 된 2 종 이상의 성분을 포함한 혼합물로서 각 성분의 융점보다 낮은 공융점(eutectic temperature)에서 혼합물의 각 성분들이 동시에 녹는 특성을 가집니다. 성분과 같은 수 만큼인 종류의 결정이 용액과 공존할 때 용액은 각 성분의 어느 것에 대해서도 포화되어 있기 때문에 냉각시키면 온도가 저하하지 않고 각각의 결정이 혼합되어 생성됩니다. 이 결정혼합물과 용액은 조성이 같으며 냉각을 계속하면 마치 순수물질처럼 모든 용액이 결정화될 때까지는 온도가 내려가지 않습니다. 즉, 혼합결정의 용융 시 고체상의 침전이 생기지 않으므로 잠열재로 사용될 경우 퇴화가 없습니다.

Q) 공융용액이란 무엇인가요?A) 만약 어떤 일정한 용액조성비하에서 용액이 냉각될 경우, 부분적인 결정석출(동결)과정을 거치지 않고 단일물질처럼 한 점에서 액체-고체의 상변화 과정을 거친다면, 즉 동결개시부터 완료까지 농도변화없이 순수물질과 마찬가지로 일정한 온도에서 상변화한다면 이 용액을 공융용액(Eutectic Solution)이라 합니다. 또한 이 때의 상변화점을 공융점(Eutectic Point) 또는 공정점(Cryohydric Point)이라 합니다.2가지 이상의 혼합 또는 화합물로 이루어진 공융염의 경우, 공융점의 농도를 갖추고 있어야만 단일물질에서와 같이 일정한 상변화온도와 그 온도에서의 잠열량이 보장되어 질 수 있습니다. 주의해야 할 점은 일반적으로 공융용액에 대한 정의를 올바르게 인지하지 못하고 목표온도에서 부분적으로 상변화하는 물질을 공융용액이라고 인지하는 잘못으로 인해 실제 적용시 잠열량 미달 또는 적정온도 유지의 실패요인이 되고 있습니다.

Q) Peritectic 계란 무엇인가요?A) 화합물 또는 혼합물이 녹을 때 초기의 구성비와는 다른 구성비로 나누어지는 계로 한 쪽 성분의 경우는 양이 증가함에 따라 융점이 증가하지만, 다른 쪽 성분의 경우는 융점이 감소하는 특성을 보입니다. 대표적으로는 Na2SO4-10H2O 계로 고체상에서 [Na2SO4·10H2O (망초) + Na2SO4] 와 [얼음 + Na2SO4·10H2O] 로 분리됩니다.

Q) 포접화합물이란 무엇입니까?A) 기체수화물이라고도 하며 많은 냉매가 적절한 온도 및 압력 하에서 물과 반응하여 눈이나 유동성의 미세한 얼음결정을 생성합니다. 이 결정은 밀도나 융해잠열에 있어서 얼음과 비슷하고 가열 혹은 감압에 의한 물과 냉매로의 분리과정을 통해 냉열을 얻게 됩니다. 흔히 혼합과정에서 결정핵의 생성이 지연되는 과냉각현상이 나타나므로 조핵제를 첨가하고 있습니다. 초기에는 CFC계열 냉매를 주로 사용하였으나 규제에 의해 근래에는 대체냉매류로 전환되는 추세입니다. 포접화합물은 생성열은 물과 비슷하지만, 임계생성온도는 수화제의 종류에 따라 대략 5~15℃의 고온빙으로 냉방에 적합한 범위이며 슬러리 상태이므로 열교환이 용이합니다.

www.shop-dwg.co.kr