고온 열저장을 위한 용융염 마이크로/나노 캡슐 합성 및 열성능 평가
Micro/nano-encapsulation of molten salt for high temperature thermal energy storage: synthesis and thermal performance evaluation
- 주제(키워드) 열저장 , 용융염 , 마이크로/나노 캡슐 , 열신뢰성
- 주제(DDC) 621.8
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 조병남
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000031410
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 연구에서는 고온 열저장을 목적으로 하는 용융염 마이크로/나노 캡슐을 합성하고, 합성 매개변수가 캡슐에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 열성능 평가를 통해서 용융염의 마이크로/나노 캡슐화에 따른 열저장 및 열전달 특성의 변화를 분석하였다. 용융염 마이크로 캡슐은 졸겔법을 이용하여 합성하였으며, 서로 다른 2가지 종류의 용융염(질산염 및 이원탄산염)을 코어 물질로 사용하여 각각 300 ℃와 500 ℃ 부근의 영역에서 사용할 수 있는 용융염 캡슐을 합성하였다. 합성 매개변수 영향을 분석한 결과, 질산염 마이크로 캡슐은 고농도 촉매조건에서 가장 견고한 쉘을 갖는 캡슐을 합성하였으며, 이원탄산염 마이크로 캡슐은 아세톤을 합성 용매로 사용하여 고온에서도 부서지지 않는 캡슐을 만들 수 있었다. 질산염 마이크로 캡슐과 이원탄산염 마이크로 캡슐은 코어로 사용된 각각의 용융염 보다 20.7, 39.9% 높은 열전도도를 가지며, 열성능 평가를 통해 열저장 용량이 현열매체 보다 110, 91.1% 증가한 것을 확인하였다. 용융염 나노 캡슐은 에멀젼 및 졸겔 공정을 기반으로 합성하였다. 코어 물질은 단일염부터 이원혼합염까지 서로 다른 상변화 온도를 갖는 물질을 사용하여 각각의 온도 영역에서 사용할 수 있는 용융염 캡슐을 합성하였다. 매개변수 분석을 통해 교반속도 및 계면활성제의 양이 합성되는 캡슐의 크기에 영향을 미치는 것이 확인되었으며, 최적의 합성 조건에서 약 420 nm의 평균 직경과 25 nm의 쉘 두께를 갖는 질산염 나노 캡슐이 합성되었다. 50회의 열주기 반복을 통해 나노 캡슐의 우수한 열신뢰성을 확인하였으며, 이 나노 캡슐은 용융염의 잠열을 바탕으로 현열매체 대비 64.6% 높은 열저장 용량을 갖는 것으로 확인되었다. 용융염을 마이크로/나노 캡슐화함으로써 고온에서의 열안정성 및 열신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 이 마이크로/나노 캡슐들은 용융염의 높은 상변화 엔탈피를 이용한 고밀도의 열에너지 저장이 가능하다. 따라서, 용융염 마이크로/나노 캡슐을 고온 축열 물질로 활용한다면 우수한 열저장 및 열전달 성능을 바탕으로 열에너지 저장 기술을 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.
more초록/요약
In this study the synthesis techniques for the molten salt micro/nano-capsules for high temperature thermal energy storage (TES) were developed, and furthermore, the effects of synthesis parameters on the characteristics of the micro/nano-capsules were investigated. In addition, the heat storage/transfer characteristics of the micro/nano-capsules were examined by thermal performance evaluation. In the process of microencapsulation, two different molten salts, nitrate and carbonate eutectic, were utilized as the core materials for TES at intermediate (300 ℃) and high (500 ℃) temperatures, respectively. Both cores were microencapsulated via a sol-gel process into SiO2 that has high thermal stability above the melting point of the molten salts. As the results of the parametric study for each microencapsulation, robust nitrate microcapsules were synthesized under with high concentration of the catalytic condition, and sustainable carbonate eutectic microcapsules were constructed using acetone as the sol-gel solvent. The thermal conductivity of the molten salts, nitrate and carbonate eutectic, were also increased by 20.7, and 39.9%, respectively. In addition, the heat storage capacity of the microcapsules also enhanced by 110, and 91.1% compared to the solar salt that is a widely-used sensible heat storage material. Molten salt nanocapsule were synthesized based on the emulsification and sol-gel process. Single nitrate salts and binary nitrate salt eutectic that can be used in a spacious range of 200 to 300 ℃ were nanoencapsulated in this study. It was found that the stirring intensity and the dosage of the surfactant significantly affect the size of molten salt capsules. The mean diameter of the nanocapsule synthesized under the optimal condition was estimated to be 420 nm with very thin shell thickness that is about 25 nm. In spite of the thin shell, the nanocapsules maintained their phase change performance in repeated thermal cycles over 50 times. Furthermore, the nanocapsules has 64.6% increased thermal energy storage capacity, comparing to that of a sensible heat storage material (Therminol 66) owing to the large latent heat of the core material. Conclusively, micro/nano-encapsulation can improve the thermal stability and thermal reliability of the molten salt at the high temperature, and additionally, they enable to store thermal energy with high energy density. Finally, the molten salt minco/nano-capsules that have high energy storage density and outstanding thermal performance can improve the thermal energy storage technology.
more목차
제 1 장 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 연구 동향 3
1.3 연구 목적 4
제 2 장 재료 및 실험 장비 5
2.1 재료 5
2.1.1 질산염 마이크로 캡슐 5
2.1.2 이원탄산염 마이크로 캡슐 6
2.1.3 질산염 나노 캡슐 6
2.2 실험 장비 및 방법 7
2.2.1 DSC 분석 7
2.2.2 SEM 및 TEM 분석 10
2.2.3 PSA 분석 10
2.2.4 FTIR 분석 10
2.2.5 LFA 분석 11
2.2.6 TGA 분석 11
제 3 장 질산염 마이크로 캡슐 12
3.1 합성 방법 12
3.2 매개변수의 영향 13
3.2.1 전구체 양의 영향 13
3.2.2 촉매 양의 영향 20
3.2.3 합성 시간의 영향 29
3.2.4 계면활성제의 영향 33
3.3 열성능 평가 37
3.4 용융염 캡슐의 대량생산 가능성 44
3.5 요약 52
제 4 장 이원탄산염 마이크로 캡슐 53
4.1 이원탄산염 조성 선정 53
4.2 합성 방법 55
4.3 매개변수의 영향 57
4.3.1 용매 종류의 영향 57
4.3.2 전구체 분할 투입의 영향 72
4.4 열성능 평가 76
4.5 요약 85
제 5 장 질산염 나노 캡슐 86
5.1 합성 방법 86
5.2 매개변수의 영향 89
5.2.1 교반 속도의 영향 89
5.2.2 계면활성제 양의 영향 96
5.3 전구체 양의 영향 102
5.4 열성능 평가 106
5.5 다양한 조성의 질산염 캡슐 116
5.6 요약 118
제 6 장 결 론 119
참고 문헌 121
Abstract 128
