PCM (Phase change material)의 원리, 선정기준, 활용예시

- PCM이란

- 원리와 특징

- Material 분류

- Material 선정 기준

- PCM의 활용

 

 PCM이란

 

Phase change material (PCM)

Using the latent heat(잠열) – 열을 축적하거나 저장한 열에너지를 방출

https://en.wikipedia.org/wiki/Phase-change_material#/media/File:Handwaermer12.jpg

 

 원리와 특징

 

<원리>

에너지의 출입으로 화학적 결합이나 형성 같은 화학적 반응이 아닌, 분자의 물리적 배열이 바뀌게 된다.

그렇기에 분자간의 결합력/구조에 따라 잠열의 양이 결정.

흡열/발열 반응(원자/분자가 편해지는 방향으로의 반응 = 발열)

(( 원자/분자의 편해짐 등에 대한 개념은 온도와 자유도에 대해 알아야 한다. ))

2020.01.14 - [정리, 공부/기계공학 & 시스템설계] - [열전달] 열과 온도의 개념, 열전달의 필요 이유

[열전달] 열과 온도의 개념, 열전달의 필요 이유

 

<특징>

PCM 물질은 빠른 온도변화에는 적절하지 않다. 주기적이고 느린 온도 변화에 대한 응용이 더욱 용이하다.

열을 뽑아낸다기 보다는, 열을 받아드리고 자연스레 방출한다는 느낌? ~ 상의 변화를 통해

~ 주변의 온도가 PCM물질의 상변화 온도(보통 용융점) 보다 높아지려 하면 그 열을 흡수해 상변화를 하며 에너지 축적

~ 주변의 온도가 PCM물질의 상변화 온도(보통 응고점) 보다 낮아지려 하면 가지고 있던 열을 방출해 상변화를 하며 에너지 방출

그렇기에 PCM물질과 접해있는 물질/시스템/공간의 경우 외부의 열흐름에 따른 온도변화가 비교적 더디고 온도가 상당시간 유지된다.

 

그러다 열용량을 넘어서는 열에너지의 이동이 있으면, 이후는 기존의 열흐름에 따른 온도 변화를 억제하던 제 역할을 못 하는 상태가 된다.

 

https://www.aiaaustin.org/event/phase-change-materials-pcm-high-performance-enclosures

 

 Materials 분류

 

물질: 유기물질 + 무기물질

유기물질: 탄소 + 수소: 탄화수소계열의 테트라데칸, 옥타데칸, 노나데칸 등

무기물질: 6개의 물 분자가 결합된 수화물형태의 염화칼슘 등

 

 

1. 유기물 (Paraffin wax, Dodecanol 등) =
   • 화학적으로 안정하다.
   • 상분리가 잘 일어나지 않고 넓은 온도 범위를 가지고 있다.
   • 열 전도성이 떨어지며 낮은 잠열 용적과 불에 취약한 성질을 가지고 있다.
2. 무기물 (CaCl2 6H20, Mn(NO3)2 6H20 등) =
   • 염 수화물 및 금속류로 분류할 수 있다.
   • 단위체적당 높은 잠열을 가지고 있다.
   • 유기화합물에 비해 가격 면에서 저렴하며 비인화성 물질이다.
   • 과냉이나 부식으로 인해 상변화 성질에 영향을 받을 수 있다.
   • 장기간 사용하게 되면 고상과 액상의 층이 형성되어 수명이 단축되는 단점이 있다.
3. 공용 PCM은 둘 이상의 성분으로 구성된 혼합물로 급격한 녹는점을 가지는 장점이 있다.

 

 

 

 Material 선정 기준

 

 

• Application에 맞는 녹는점을 가지고 있는지
• 비열량/용융엔탈피가 큰지 (에너지 축척량, 축열용량_Heat storage capacity)
• Higher energy density (잠열밀도)
• (반복에도) 화학적으로 안정한지 & 반응이나 부식이 없을수록 & 물리적으로 안정한지
• 부피팽창 (Volume expansion)이 적을수록, 낮은 기체압력
• 과냉각 (supercooling & superheating)이 적을수록? 왜?
• 과냉각 현상이 없는 높은 결정성장률의 분자특성
• 그 외 (과열현상 시 문제 발생? 환경 친화적인지, 용기와의 안정성, 화재 위험, 전기화학적 안정성, 경제성, 구입/구하기 용이함)

 

축열용량 (Heat storage capacity)

PCM인 잠열파라핀의 비열량는 약 2.1 kJ/(kg · K) 입니다. 용융엔탈피는 120 - 160 kJ/kg로서 유기화합물 중에는 아주 높은 편에 속합니다.

 

물리적 안정성 (Stability)

수명동안 축열용량, 용융/응결온도 등 열역학적 특성이 변하지 않는 PCM이 이상적.

잠열파라핀계열은 다른 잠열재와 달리 수명이 길고 안정적인 상변화사이클을 보여준다.

(분자간에, 열전달매체 간에, 지지물질 상호간에 화학반응이 없어야 한다.)

 

반응성 & 부식 (Corrosion)

다른 물질과 반응하지 않아야 하고 + 축열저장소 내에서 부식되거나 마이너스 효과를 내서도 안된다.

(파라핀은 자동차산업에서 부식방지 물질로 사용되고 있기도 하다.)

 

열전도도 (Heat conductivity)

(특정 온도로 유지해야 하는 경우)음식물운반 같은 분야에는 적용되지 않지만, 열에너지의 효율적인 입출입을 위해서 PCM의 열전도도가 높아야 한다. 파라핀을 사용한 PCM의 경우, 열전도도가 낮은데, 이를 높이기 위해 여러가지 나노 파티클을 넣어 실험하고 있다.

 

부피팽창 (Volume expansion)

상변화에서 밀도 변화, 부피 변화는 적어야 한다.

밀폐용기에 넣어 사용하는 경우, 압력발생을 막아야 한다. 

순수 PCM이 가진 체적변화율을 고려해야 한다.

 

과냉각 (Supercooling)

응용점이 어는점보다 높은 경우 과냉각이 발생할 수도 있다.

과냉각은 물이 0도 이하에서 얼지 않고 액체상태로 존재하는 경우와 같다.

과냉각 현상 = 잠열축적 능력의 손실

 

환경친화적

파라핀은 환경에 영향 X, 물에 대해 비오염물질, 100%재활용 가능, 무 독성, 건강에 무해

 

 

PCM의 활용

 

(학급 교실의)냉난방 효율의 향상

(음식물) 온도변화에 민감한 물질의 장기 보관/이동

열의 효율적 방출 (device)

배터리 등의 에너지 저장

https://www.pcmproducts.net/PCM_Product_Application_Development.htm