초고온 상변화 물질을 이용한 열회수장치 개발:Part I 축열재 모듈의 열전달 현상 해석

Development of a Heat Regenerator Using High Temperature Phase Change Material : Part I Prediction of Heat Transfer Phenomena in a Single Module of Phase Change Material

본 연구에서는 초고온 잠열 축열재를 이용한 에너지 저장 시스템을 개발하기 위한 첫 단계로 에너지 저장 시스템 내부를 구성하는 단일 축열재 모듈에 대한 축방열 특성에 관한 수치모델을 개발하였다. 잠열축열재는 Si와 Al이 각각 96.8%와 2.7%인 합금으로 Ca, Fe 및 Ti 등의 불순물을 함유하고 있으며, 그것을 둘러 싼 캡슬은 SiC와 흑연이 각각 58%와 42%인 합금으로 융점은 약 1673 K다. 재료분석 결과에 준하여 수치모델 개발에 필요한 물리·화학적 데이타를 참고문헌으로부터 인용하였으며 유체의 온도와 속도를 축열재의 축방열 특성에 관한 변수로 사용하였다. 상전이에 관한 해석은 겉보기 열용량 법(apparent capacity method)과 postiterative 법의 장점들을 이용하여 해석하였다. 수치해석 결과 가스의 온도가 실제 조업에 가까운 1773 K의 경우 잠열재가 축방향으로 빨리 용융되고 상대적으로 가스의 온도가 높아 온도 차이가 큰 3000 K의 경우 잠열재가 반경방향으로 빨리 용융되는 현상이 일어났다. 가스의 유속은 온도에 관계없이 느린 경우에만 용융시간에 영향을 주고 빠른 경우에는 융용시간이나 용융형태에 거의 영향을 주지 못하며, 유속이 느릴수록 축열재 내부 온도구배의 앞·뒤 비대칭성이 심해지는 것이 예측되었다.

A mathematical model has been developed to describe heat transfer phenomena in a PCM (phase change material) module for development of an energy recovery system. The PCM module, melting point of which is around 1673 K, consists of silicon(96.8%), aluminium(2.7%) and marginal amounts of impurities such as Ca, Fe and Ti. The module is covered by a capsule that consists of SiC(58%) and graphite(42%). Physical properties that are required for model predictions were cited from the references. The apparent capacity method and the postiterative method wert used in the mathematical model to describe the phase changing mechanism. Temperature and velocity of fluid are the major variables in the model calculation. For the gas temperature of 1773 K that simulates real operating conditions, the prediction shows that PCM is rapidly melted to axial direction. However, for the gas temperature of 3000 K that is higher than the real conditions, PCM is melted rapidly to the radial direction. The gas velocity has no influence on the melting phenomena of the PCM except when the gas velocity is relatively low. At the low gas velocity asymmetry of the temperature profiles in PCM is obtained.