축열용 PCM 나노유체의 마이크로 캡슐 합성
Synthesis of PCM-based nanofluid micro capsule
초록/요약
본 연구에서는 상변화물질(Phase change material, PCM)의 캡슐화율 및열저장 특성에 영향을 주는 인자들을 분석하고, PCM 나노유체의 캡슐화에 따른 열저장 및 열전달 특성의 변화를 실험을 통해 확인하였다. 캡슐의 코어 물질로 녹는 점이 낮고 잠열이 큰 옥타데칸(Octadecane)을 사용하였고, 물에 대한 용해도가 낮고 열적 안정성이 큰 탄산칼슘(CaCO3)을 쉘로 사용하였다. Oil Phase의 옥타데칸을 증류수 (Water Phase)에 분산하여 자가조립 방법(Self-Assembly Method)으로 캡슐을 합성하였다. PCM 캡슐의 합성 과정에서 계면 활성제의 농도(%)와 옥타데칸의 질량 (g)과 교반 RPM을 변화하여 각 파라미터들의 영향을 조사하였다. 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 PCM 캡슐의 열물성을 측정하였고, 전자주사현미경(SEM)을 통해 캡슐의 형상과 크기를 확인하였다. 계면활성제의 농도가 0.67 % 일 때 캡슐화율은 19 %, 옥타데칸의 질량이 0.6 g 일 때 캡슐화율은 28 %로 확인되었다. RPM에 따른 캡슐화율은 1200 rpm일 때 32 %로 확인되었다. PCM 코어의 열물성 향상을 위해 실리카 나노 입자를 계면활성제(Span 80)을 이용하여 PCM 나노유체(nanofluid)를 합성하였고, 이를 캡슐화하여 PCM 나노유체 캡슐을 합성하였다. PCM 나노유체의 열전도도는 PCM에 비해 39.7 % 향상되었다. PCM 나노유체를 코어로 한 PCM 나노유체 캡슐은 75.1 %의 열전도도 증가를 나타내었다. 또한, 나노유체 캡슐의 비열은 순수 옥타데칸에 비해 실리카 나노입자의 함유량이 3 % 일 때, 고체 상태에서 40.7 %, 액체 상태에서 39 % 감소하는 것이 확인되었다. 열저장 물질로 사용되는 Solar Salt와 PCM 캡슐의 열저장 용량을 비교하였다. PCM 캡슐의 열저장 용량이 Solar Salt에 비해 약 24.9 %, PCM 나노유체 캡슐은 16.7 % 향상됨을 확인하였다. 부피당 TES 성능을 Solar Salt와 비교하면, PCM 캡슐은 4.1 %, PCM 나노유체 캡슐은 25.7 %의 향상을 확인하였다. PCM 캡슐 및 PCM 나노유체 캡슐을 통해 고밀도의 안전한 열저장이 가능하고, 이를 통해 태양열, 지열 및 폐열 등의 다양한 재생에너지원의 활용이 가능할 것으로 기대된다.
more초록/요약
In this study, factors affecting the encapsulation ratio and heat storage characteristics of Phase Change Materials (PCM) were analyzed and the changes in heat storage and heat transfer characteristics were confirmed through experiments. A low melting point, high latent heat octadecane, and a high thermal stability carbonate calcium (CaCO3) were used as a shell. The octadecane was distributed in distilled water and the capsule was synthesized by self-assembling method. During the synthesis of PCM capsules, the optimal encapsulation conditions were found by varying the concentration of surfactants (%) and the mass (g) and stirring RPM of octadecane. The thermal properties of PCM capsules were measured using a Differential Scanning Calorimetry (DSC), and the shape and size of the capsules were confirmed through the Scanning Electron Microscope (SEM). Encapsulation rate was 19 % when the surfactant concentration was 0.67%, and 28% when octadecane mass was 0.6 g. Encapsulation rate according to RPM was 32 % at 1200 rpm. To improve the thermal properties of the PCM core, silica nanoparticles were synthesized using a surfactant (Span 80) and then encapsulated to synthesize the PCM nanofluids capsule. The thermal conductivity of PCM nanofluids was improved by 39.7% over PCM. The PCM nanofluids capsules with PCM nanofluids as cores showed a 75.1 % increase in thermal conductivity. Furthermore, the meanness of nanofluids capsules has been found to decrease compared to pure octadecane. The heat storage capacity of the Solar Salt and PCM capsules used as heat storage materials was compared. We found that the PCM capsule's heat storage capacity was approximately 24.7 % higher than that of Solar Salt and the PCM nanofluids were 16.7 %. It is expected that high-density and safe heat storage will be possible through PCM Capsules and PCM Nanofluids Capsules, which will enable the use of various renewable energy sources such as solar, geothermal, and waste heat. Compared to TES performance per volume, PCM Capsules Show 4.1 %, PCM nanofluid Capsules shows 25.7 % improvement over Solar Salt.
more목차
제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 3
1.3 연구 목적 4
제 2 장 재료 및 합성 5
2.1 재료 5
2.2 합성방법 6
2.2.1 마이크로 캡슐 6
2.2.2 PCM 나노유체 캡슐 7
제 3 장 실험 9
3.1 DSC 분석 9
3.2 SEM 및 PSA 분석 10
3.3 FT-IR 분석 10
3.4 LFA 분석 11
제 4 장 PCM 캡슐 12
4.1 순수 옥타데칸 12
4.2 Parametric Study 18
4.2.1 계면활성제의 농도에 의한 영향 18
4.2.2 옥타데칸의 양에 의한 영향 22
4.2.3 교반 RPM에 의한 영향 25
제 5 장 PCM 나노유체 캡슐 29
5.1 PCM 나노유체 29
5.2 PCM 나노유체 캡슐 33
제 6 장 결론 40
참고 문헌 41
