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빙축열 시스템


빙축열 시스템은 얼음을 이용하여 축열 하는 시스템이다. 

물이 얼음으로 상변화할 때 필요한 열량을 잠열량이라 부르며, 약 333 kJ/kg이다. 이는 액체상태의 물을 1도 상승할 때 필요한 현열량에 비해 현저히 크다.

  1. 장점
  2. 단점
    • 빙축열 시스템은 얼음을 만들기 위해 낮은온도까지 물의 온도를 낮춰야 하기 때문에, 수축열 시스템의 비해 소비동력이 많고 냉동기 성적계수(COP)은 낮음
    • 빙축열 시스템의 축열조는 대부분 그 내부에 제빙코일이나 캡슐 등이 차있어서, 동절기 난방용 축열조로 겸용하기 힘듦


빙축열 시스템의 구분[편집]

빙축열 시스템은 다양하게 구분할 수 있으나, 국내에 보급되고 있는 빙축열 시스템은 크게 세 종류로 구분할 수 있다.

관외착빙형[편집]



[각주:1]


관외착빙형(Ice-on-coil type)은 축열조 내 관(coil)을 설치하고 물을 채운 다음, 냉매 또는 브라인을 순환시켜 관 외벽에 얼음을 형성하며 축열하는 방법이다. 장치의 구성이 간단하고 유지관리가 비교적 용이하다.

해빙방법에 따라 내융형(static-indirect contact type)과 외융형(static-direct contact type)으로 구분된다.


  1. 장점
    • 외융형의 경우, 해빙 시 냉수를 직접 순환시킬 수 있어 별도의 열교환기가 필요하지 않음
  2. 단점
    • 비교적 두꺼운 얼음층에 의해 제빙효율이 저하됨
    • 불완전한 해빙이 이루어지거나 브릿징(bridging)이 발생하는 경우, 열적 성능이 크게 떨어짐
    • 해빙성능도 좋지 않아 부하추종성이 낮음


캡슐형[편집]

캡슐형(Capsule type)은 구형 또는 판형 용기(캡슐) 안에 충전재를 넣고 밀봉하여 축열하는 방법이다. 일반적으로 용기의 재질은 PE이며, 충전재는 물과 과냉방지를 위한 소량의 조핵제이다.

용기의 형태에 따라 구형(ice ball type)과 판형(ice lens type)으로 크게 나뉜다.



아이스슬러리형[편집]

아이스슬러리형(Ice slurry type)은 물 또는 수용액에 수십 μm에서 수 mm 크기의 작은 얼음 입자가 섞여 있는 아이스슬러리를 별도의 제빙기로 만들어 축열하는 방법이다.


활용 측면에서 물만 이용하는 방법이 바람직하나, 아이스슬러리 제빙의 안정성을 향상시키고 융점을 낮추며 유동성을 증가시키기 위해, 5~10%의 브라인이나 에탄올과 같은 첨가제를 섞는 것이 일반적이다.

  1. 장점
    두꺼운 얼음층이 형성되지 않아,
    • 융해속도가 빠름
    • 제빙효율이 높음
    • 방열효율이 우수함
    제빙방법이나 첨가제의 종류 및 농도를 조절이 가능하여,
    • 얼음 입자 크기나 제빙온도 등을 조절이 됨
    유동성이 있어 부하 측으로 직접 수송이 가능하여,
    • 냉열수송 배관 및 펌프동력을 줄일 수 있음
    • 각종 산업용 냉장·냉각 시스템의 브라인이나 냉매 대신 적용 가능함


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2014. 10. 27 작성



  1. http://goo.gl/RkEOsp [본문으로]

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상변화 물질


상변화물질(PCM, Phase change material)은 물질의 상태가 변화하면서 많은 열을 흡수 또는 방출할 수 있는 물질을 의미한다. 주로 잠열을 이용하며, 축열 물질이라고 불리기도 한다.


PCM의 종류[편집]

PCM은 파라핀(Paraffin)과 같은 유기물질, 수화물과 같은 무기물질, 자연에서 얻을 수 있는 식물성 물질로 분류할 수 있다.

유기물질의 예로는 탄소와 수소로 이루어진 하이드로카본 계열의 테트라데칸 ,옥타데칸,노나데칸 등의 물질이 있으며, 무기물질의 예로는 수화물형태의 염화칼슘등이 있다.

미국 항공우주국(NASA)의 연구에 의하면 실질적으로 적용 가능한 PCM은 100~200여 종으로 보고되고 있다.

물도 0°C 에서 변화하는 상변화 물질로 정의될 수 있다.

물을 예로 들면, 고체인 얼음은 액체상태의 물로 녹으며 상변화과정을 거치는데 이때 얼음은 녹으면서 주위로부터 많은 양의 열에너지를 흡수하여 저장하게되며 주위온도는 낮아지게 된다. 반대로 영하의 날씨에도 얼음으로 뒤덮힌 물속에서 물고기가 살 수 있는 이유는 물이 고체상태의 얼음으로 변하면서 많은 양의 잠열 에너지를 방출하기 때문이다.

PCM의 적용[편집]

PCM은 오주 비행선과 우주인을 외부온도 변화로부터 보호하기 위해 개발된 기술이며, 현재는 건물의 내장재 및 단열재, 기능성 침구, 디지털 기기의 방열재, 스키복 등에 적용되고 있다.

PCM 이용한 냉난방 시스템[편집]

상온용(5°C 축열) PCM을 이용한 축열시스템은 빙축열 대비 냉동기의 상온 운전이 가능하여, 동일 축열량을 저장할 경우 운전비 절감이 가능하다.

냉난방 겸용 잠열축열죠 개발과 이를 히트펌프와 연계하는 시스템 개발

자동차 공회전제한장치[편집]

자동차 공회전제한장치(ISG, Idle Stop and Go)는 차량 운행 중 냉열을 축열하여 신호대기와 같은 상황에서 팬 동력만으로 냉방을 제공하고 엔진을 정지하는 장치이다. 기존 냉방장치 가동을 위해 엔진을 가동했어야하나, ISG를 통해 7% 이상의 연료 사용을 절감할 수 있다.


PCM 생산[편집]

  • 일본 Nikko 석유화학



PCM의 성능 분석[편집]

상변화물질의 성능은 실험적 연구, 이론적 연구, 수치적 연구를 통해 분석할 수 있다. 실험적 연구를 제외한 이론적 연구와 수치적 연구에서는 해석이 어렵기 때문에 물리적 현상을 단순화 시킨다.

상변화 과정에서 PCM의 액상과 고상의 밀도차이로 인해, 캡슐 바닥면에 PCM의 고상이 가라앉거나 뜨는 현상이 관찰된다. 가라앉은 고상은 융해과정이 끝날 때 까지 캡슐 바닥면에 밀접해 있으나 캡슐 바닥면과 고상 사이의 유체의 압력에 밀려 캡슐 바닥면과 완전히 접촉되지 않고 살짝 떠 있게 된다. 이 때 캡슐 바닥면과 고상 사이의 유체를 통해 열전도 현상이 활발히 진행된다. 고상이 캡슐 바닥에 가라앚지 않았을 때보다 상변화 속도가 수십 퍼센트 더 빨라진다. 이러한 현상을 PCM의 밀도 변화를 고려한 unconstrained melting 효과라고 한다. 축열조의 전체적 시스템을 이론적·수치적으로 정확히 예측하기 위해 구현해야할 중요한 물리적 현상이다.



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2014. 10. 27 작성



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축열 시스템


축열(TES, Thermal Energy Storage)기술은 열에너지의 공급과 수요 사이에 나타나는 시간적, 양적, 질적 부하격차를 해소하기 위한 기술이다.

축열시스템은 심야시간대에 전기구동식 냉동기 또는 히트펌프를 이용하여 냉난방용 열 에너지를 생산하고 이를 축열조에 저장하였다가, 주간시간대에 저장된 열에너지를 이용하여 냉난방에 이용하는 설비이다. 

축열시스템은 전기에너지를 저장하였다가 공급하는 배터리(battery)와 같은 기능을 하기 때문에 thermal battery라고 부르기도 한다.

쉽게 예를 들어 설명하면, 낮시간 동안 생산되는 태양열을 밤에 난방으로 활용하기 위해서는 열을 저장해놓을 필요가 있다. 이렇듯 열을 저장하는 기술이 축열기술이다.

축열매체는 주로 물이나 얼음, 상변화물질(PCM)이 이용된다.


  1. 축열 기술의 장점
    • 에너지 이용효율을 향상시키는데 기여함
    • 축열시스템은 주간시간대 냉난방용 전력소비를 크게 감소시켜 국가적 전력부하 평준화
    • 설계 시, 공조설비의 용량 축소 가능
    • 공조설비의 정격운전이 가능
      • 공조설비의 수명 연장
      • 공조설비의 효율 향상
      • 공조설비의 에너지 효율 향상
  2. 축열 기술의 단점
    • 상당한 규모의 축열조 설치 필요
    • 운전관리 상태에 따라 열적 성능 운전비용이 달라짐


축열시스템은 대용량 2차전지를 이용한 전력부하 평준화보다 기술적·경제적으로 유리할 수 있다. 예를 들어, 지름 3m에 높이 5m인 축열조를 갖는 빙충진률 80%인 빙축열 시스템은, 총괄 COP 3.5인 냉방설비를 이용하여 냉방하는 경우와 비교할 때 약 870 kWh의 전력 저장효과를 나타난다.



분류[편집]

열매체에 따른 분류는 다음과 같다.

수축열 시스템[편집]

수축열 시스템은 물을 이용하여 축열 하는 시스템이다. 

축열매체로서 물은 질량대비 열용량이 크고, 안정적이며, 저렴하고, 냉난방 공조용으로 사용하기에 적합한 작동온도를 가지고 있다. 


  1. 수축열 시스템의 장점
    하절기 냉방용으로 사용하던 수축열조를 동절기 난방용으로도 활용할 수 있기 때문에,
    • 수축열조의 활용도가 높음
  2. 수축열 시스템의 단점
    수축열 시스템은 현열축열을 주로 하기 때문에,
    • 축열조 부피가 큼
    • 축열조 설치공간에 제약이 있는 도심지에서는 적용하기 어려움
    • 축열조 내 온도성층화 형성에 유의해야 함


빙축열 시스템[편집]

빙축열 시스템은 얼음을 이용하여 축열 하는 시스템이다. 
물이 얼음으로 상변화할 때 필요한 열량을 잠열량이라 부르며, 약 333 kJ/kg이다. 이는 액체상태의 물을 1도 상승할 때 필요한 현열량에 비해 현저히 크다.(수치적으로 표현할 것)


  1. 빙축열 시스템의 장점
    잠열축열 시스템이라,
    • 수축열 시스템보다 부피가 작다.
  2. 빙축열 시스템의 단점
    빙축열시스템은 얼음을 만들기 위해 낮은온도까지 물의 온도를 낮춰야 하기 때문에,
    • 수축열 시스템의 비해 소비동력이 많고 냉동기 성적계수(COP)은 낮음
    빙축열시스템의 축열조는 대부분 그 내부에 제빙코일이나 캡슐 등이 차있어서,
    • 동절기 난방용 축열조로 겸용하기 힘듦


축방열 방법에 따른 축열 시스템은 다음과 같이 분류한다.

축방열 방법에 따른 축열 시스템
축방열방법축열매체
대분류중분류소분류
수축열 시스템온도성층형-물 수용액
혼합형
기타 수축열
빙축열시스템관외빙착형내융형전열관의 종류 및 형태얼음(물)
외융형
캡슐형캡슐 재질 및 형태
아이스슬러리형슬러리 제빙기 종류
하베스트형제빙기 종류
기타 수축열-
잠열축열시스템관외빙착형내융형전열관의 종류 및 형태잠열재
외융형
캡슐형캡슐 재질 및 형태Clathrate
포접화합물형-잠열재
기타 잠열축열--
기타축열시스템상기이외--
혼합축열시스템2가지 이상--


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2014. 10. 27 작성



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부하 예측 모델


변동하는 기후에 따른 냉난방부하의 예측을 위해 TRNSYS, DOE-2, BLAST, ESP 등의 건물 에너지 시뮬레이션 프로그램들이 개발되어 이용되고 있다. 시뮬레이션 툴은 복잡한 계산 수행을 통해 높은 수준의 신뢰성을 가지고 있으나, 모델링에 있어서 많은 양의 건물 정보가 요구되며, 사용하기에 어려움이 따른다. 반면 단순화된 예측 기법은 계산의 정확성은 다소 낮지만, 사용하기 쉽고 구조적으로 간단하며, 적은 건물의 정보만으로도 예측이 가능한 장점이 있다.


CTF methodCLTD/SCL/CLFHCLMFLCC methodIHG method
대표 논문Wang and Xu (2008)McQuiston and Spitler (1992)Duanmu et al. (2013)Gong et al. (2013)Yoo et al. (2012)
개념외벽체를 통한 부하 계산을 위해 CTF계수를 이용하는 방법벽체의 구성물 및 구조, 건물 조건, 특성에 따라 미리 구해진 계수 값을 이용하는 방법설계 자료를 이용하여 건물의 부하를 예측하는 방법건물 외피부하에 보정계수를 적용하는 방법순간적인 열취득을 고려하여 건물 부하 예측
복잡성HighFairFairFairLow
사용 편이성FairGoodGoodGoodGood
입력 정보량FairFairLowLowLow
정확도HighFairFairFairLow
특징CTF 계수 값의 결정을 위해 벽체 구조 및 상세 열적 물성치 요구됨손쉬운 계산이 가능하나, 대상 건물에 대한 적절한 계수 선정이 중요실내외 온도차에 기인한 시간별 부하율에 따른 오차 발생 가능성 증가냉난방 기간 적절한 수준의 예측이 가능, 수정 및 보완이 용이함복사성분 고려 안됨. 냉낭부하 예측 오차 증가



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2014. 10. 27 작성




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자기냉동  Magnetocaloric refrigeration



Brief Description


Magnetocaloric technology operates on the magnetocaloric effect, a phenomenon in which a paramagnetic material exhibits reversible temperature change when exposed to a changing magnetic field.


자성재료에 자기장을 걸어주면 가열되고 가지장을 제거하면 냉각되는 현상인 자기열량효과(magnetocaloric effect, MCE)를 이용하여 저온을 생성하는 방법을 자기 냉동이라고 한다. 


즉, 자성을 띄는 물체에 외부 자기장의 변화를 주면 온도도 변화한다. 자기열량효과는 모든 자성을 띄는 재료에서 나타난다. 



Technology Description


Magnetic cooling operates on the magnetocaloric effect, a phenomenon in which a paramagnetic material exhibits reversible temperature change when exposed to a changing magnetic field. A magnetic cooling system applies a magnetic field to a paramagnetic material. This aligns randomly oriented electron spins in the paramagnetic material (A→B in Figure C-1), an exothermic process that raises the material’s temperature and causes it to reject heat to its surroundings (B→C). Upon removal of the magnetic field, the magnetic spins return to their randomized state, an endothermic process that cools the material (C→D). The material then absorbs heat from the space to be cooled (D→A). During this step, the paramagnetic material returns to its original state and the cycle starts again.


가지냉동은 자기장 변화가 생기면 온도의 변화가 생기는 자기열량효과를 이용한다. 자기냉동 시스템은 자기성 물질이 자기장에 존재할 때 적용한다. 


A→B : 처음에 자기성 물질은 무질서한 방향으로 전자 스핀하고 있는데, 이를 가지런하게 만든다. 외부에서 흡열을 하여 물체 온도 상승 (흡열)

B→C : 뜨거워진 물체가 외부공기로 발열 (발열)

C→D : 자기장을 제거하면, 자기 스핀은 다시 무분별한 상태로 돌아가고 물체는 냉각된다. (발열)

D→A : 외부공기보다 더 차가워진 물체는 외기로부터 열을 흡수한다. (흡열)


Figure C-1: Magnetic cooling cycle[각주:1]

Source: Goetzler et al. (2009)


The temperature gradient and subsequent capacity of magnetic cooling systems varies with the strength of the applied magnetic field. Dieckmann et al. (2007) report that existing permanent magnets suitable for air-conditioning applications can only produce a magnetic-field strength of up to 2 tesla (T), yielding a maximum temperature change of only 9°F. Although stronger magnetic fields could induce greater temperature changes (e.g., 10 T could produce a temperature change of 45°F), obtaining such strong magnetic fields would require superconducting electromagnets that draw significant power. This parasitic energy consumption could negate some or all of the efficiency gains associated with magnetic cooling.


Therefore, some type of regenerative cycle is necessary for magnetic cooling cycle to be viable for space cooling. One approach to accomplish this is the active magnetic regenerator cycle prototyped by Astronautics Corporation of America. This cycle uses a bed of magnetocaloric materials layered with materials having progressively higher Curie temperatures.11 By successively applying a magnetic field to the bed (and thus shifting the temperature gradient across the bed) and coordinating the flow of coolant, the temperature difference between the high and low sides is spanned regeneratively, and heat can be absorbed from the cold source (the cooling load) and rejected to the higher temperature sink (Boeder et al. 2006). Figure C-2 presents the concept of the active magnetic regenerator cycle.



Figure C-2: The active magnetic regenerator cycle[각주:2]

Source: Boeder et al. (2006)



캐나다와 불가리아 연구진이 Applied Physics Letters에 발표한 논문에서 다중강성 합성물 HoMn2O5를 이용하여 자기열량효과를 이용할 수 있다고 밝혔다. 

[각주:3]

다중강성(multiferroic) 합성물인 HoMn2O5은 자기장이 변할때, 절연 행동을 보이는 물질이다. 

그러나 매우 놀랍게도, 연구진은 거대한 자기열량 효과가 자기장 영역의 내부와 외부로의 이동 없이도, 그저 단순히 HoMn2O5 결정을 일정한 자기장 내에서 회전시키는 것만으로 얻어질 수 있다는 것을 발견했다(이는 표준 자기열량 효과를 드러내는 물질에 해당한다.). 이 발견은 자기 냉각 기술을 개발하는 데 있어 매우 중요한 단계이며, 가정적으로나 산업적 응용을 위한 효율적인 “친환경적” 냉각 시스템 구축을 위한 발판이 될 것이다. “회전 자기 열량 효과를 이용한다는 것은 냉각 장비로 흡수된 에너지를 크게 줄일 수 있다는 의미이기도 하다. 이는 단순하고, 효율적인 소형 자기 냉각 시스템의 미래 구축에서 새로운 문을 열 것”이라고 Balli가 말했다. 다음 단계로, 연구진은 HoMn2O5 결정과 이에 관련한 물질에서의 회전 자기 열량 효과를 향상시키는 가능성을 탐구하려고 한다. [각주:4]



Technical Maturity and Current Developmental Status


Although many institutions have been working on the magnetocaloric effect for the past 40 years, equipment using the magnetic cooling cycle is not yet commercially available. According to research publications, including Dieckmann et al. (2007), Liu et al. (2009), and Gschneidner et al. (2008), current research efforts have focused on either: a) improving the cooling capacity of prototype systems using current magnetocaloric materials and permanent magnets; or b) identifying or developing new permanent magnets and magnetocaloric materials. Most of these efforts focus on near-room-temperature refrigeration applications.


A number of leading scientists and engineers from around the world have formed a working group on magnetic refrigeration in the IIR (International Institute for Refrigeration) to promote magnetic cooling as a viable, energy-efficient and environmentally friendly cooling technology. Leading RD&D entities include the Center for Neutron Research (Liu et al. 2009) at the National Institute of Standards and Technology (NIST), University of Maryland and Iowa State University.


DOE is funding a magnetic cooling project co-researched by Astronautics and Ames National Laboratory through the ARPA-e program (ARPA-e 2013). Past prototypes constructed by Astronautics have had COPs of approximately 2.0; however, the goal of this project is to develop a 1–ton magnetic air conditioner with a COP of 4.0 that can also fit within the envelope of a window A/C unit. According to lead researcher Dr. Steven Russek, although Astronautics has not yet integrated all the components into a fully-functioning prototype system, their work is converging nicely toward this goal. Astronautics is eager to work with an industrial partner to help propel its technology to commercialization (Russek 2013).


Two companies claim to be in the process of commercializing magnetic systems for refrigerators. One, the French firm Cooltech, has announced that it plans to launch a magnetic refrigeration system for retail cold counters by the end of 2013, while the other, Camfridge, is working with Whirlpool to launch a domestic refrigerator within two years (Gaved 2013). However, neither of these companies has published any documentation of their prototypes’ performance or shared their progress with other players in the magnetic cooling field (Russek 2013).



Barriers to Market Adoption


A potentially significant barrier to the market adoption of magnetic-cooling technology is the volatile nature of the global market for rare-earth magnets, as described further in the “Cost, Size, and Complexity” section below.



Energy Savings Potential


Potential Market and Replacement Applications

Magnetocaloric technology is technically applicable to all heating and cooling applications for residential and commercial buildings. This technology is also technically applicable to all climate regions and building types. Because the electron spin alignment in paramagnetic materials is reversible, magnetocaloric technology can be used for heat pumps as well as air conditioning.



Energy Savings


According to Gschneidner et al. (2008), the magnetic refrigeration system has the potential to reduce energy consumption by 20% over a conventional vapor-compression system.


If the prototype being developed by Astronautics succeeds in achieving an overall COP of 4.0, magnetocaloric cooling could save approximately 20% of energy compared to baseline vapor-compression technology. Dr. Russek asserts that this will represent the highest COP and largest cooling power ever demonstrated by magnetic cooling and that its COP could only improve with the use of better components (e.g., pumps).


Cost, Size, and Complexity


A credible projection of costs for magnetocaloric technology in HVAC applications is not currently available given the early stage of development. However, Dieckmann et al. (2007) and other publications note that the permanent magnets used to induce the magnetocaloric effect account for a significant portion of the cost of the prototype systems developed so far. Political factors (e.g., trade restrictions by China, which accounts for 95% of the world’s supply of rare-earth metals (Bell 2012)) are undeniably affecting market stability, but perhaps a more important factor is the increased demand for neodymium from other sectors. Witkin (2012) notes that increased demand of neodymium magnets for hybrid vehicles, electronics, and wind turbines is causing the shortage of neodymium worldwide, causing stakeholders to push for alternative materials. DOE’s ARPA-e program is funding several such projects under its Rare Earth Alternatives in Critical Technologies (REACT) grant program. However, RD&D efforts to improve the magnetocaloric materials and heat exchangers of magnetocaloric systems should allow the required size of the magnet to shrink, thus reducing the need for rare-earth materials (Russek 2013). According to Russek, magnetocaloric materials themselves are extremely inexpensive.


Although the prototype being developed by Russek’s team is supposed to fit within the envelope of a 1–ton unit, it is currently closer to the size of a 3–ton unit due to the size of the heat exchangers that were required to utilize a relatively small magnet. However, further development work could optimize these components and thus drive down the overall system size.


The magnetocaloric system requires several moving parts, including an electric motor to drive the active regenerator cycle and pumps to circulate the heat transfer fluid (Russek 2013).



Peak-Demand Reduction and Other Non-Energy Benefits


Because magnetocaloric systems are projected to operate at higher efficiencies than conventional systems, they could provide a commensurate reduction in peak demand.

Russek (2013) asserts that the pumps and motor utilized in his team’s prototype are significantly quieter than the parts found in a vapor-compression system.



Next Steps for Technology Development


Researchers have investigated magnetic cooling for many years but are seeing recent improvements through technological breakthroughs in materials science and related fields. These advances can continue the development of the magnetic cooling cycle by reducing the cost of magnetic materials. Assuming researchers can address this central challenge, magnetocaloric technology will become a more attractive option for HVAC applications.


Moreover, although magnetocaloric technology can technically be used in space-heating applications, we were unable to locate any documentation of any space-heating prototypes or performance data. Testing will reveal the capabilities of magnetocaloric technology in space-heating applications.

Table C-3 presents the potential next steps to advance magnetocaloric technology.



자기열량효과 측정방법


자기열량효과는 온도와 자기장 변화의 함수로 단열온도변화 또는 등온 자기엔트로피변화로 측정, 계산된다. 


1. 직접측정법 

자기장 변화에 따른 온도변화를 측정하는 방법


2. 간접측정법 

자기장 변화, 온도 변화에 따른 자화(magnetization)나 열용량(heat capacity) 측정 방법


      • 단열된 재료를 자기장에 노출시켜 온도변화를 직접 측정하는 방법
      • 자화를 측정하여 Maxwell 관계식을 이용하여 자기엔트로피 변화를 계산하고, 자기장이 없을 때의 열용량을 가정한 후 단열온도변화를 계산하는 방법
      • 자기장 없을 때와 있을 때의 열용량 변화량과 자기엔트로피 변화량을 계산하는 방법






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2014. 05. 26 작성



  1. Non-Vapor Compression HVAC Report, DOE [본문으로]
  2. Non-Vapor Compression HVAC Report, DOE [본문으로]
  3. http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=247001&cont_cd=GT [본문으로]
  4. http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=247001&cont_cd=GT [본문으로]

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난류관 냉방기 Vortex-Tube Cooling


Brief Description

Vortex tubes separate compressed air into hot and cold airstreams for process cooling applications


[각주:1]


Background


Technology Description

Vortex tube cooling cycle utilizes compressed air and several geometric features to generate separate hot and cold air streams that can provide usable heating and cooling. Originally characterized in the early 20th century, compressed air enters the vortex tube through a tangential nozzle and rotates down the tube at high RPM to produce a hot air stream at the tube walls and a cold air stream in the center. A nozzle at one end of the tube directs the hot outer airstream out of one side of the tube and directs the cool gas to the other end of the tube. The temperature difference between the incoming air and existing air streams can be +/-60°F or greater at 100 psig, and adjustable with inlet pressure and nozzle position. Figure A-2 provides a diagram of a vortex-tube cooler.


[각주:2]

Figure A-2: Schematic of a vortex-tube cooler

Source: Gao (2005)



[각주:3]

(1) 압축공기(compressed air supply), (2) 소용돌이를 만드는 공간(vortex spin chamber) (3) 조절밸브(control valve) (4) 더운 공기(hot air) (5) 찬 공기(cold air)

 

 

압축공기[위 그림 (1)]를 소용돌이 튜브에 주입하면 나선상의 공기흐름이 만들어지면서 더운 공기[위 그림(4)]와 찬공기[위 그림(5)]가 만들어진다. 그 과정을 대략 설명하면 아래와 같다.

 

1. 압축공기를 소용돌이를 유발하는 공간으로 주입하면

2. 소용돌이의 흐름이 만들어지면서

- 소용돌이의 중앙은 기압이 낮고,

- 소용돌이의 주변은 기압이 높아짐

3. 소용돌이 공기 흐름의 중앙에서 주변으로 열의 이동이 일어남

4. 차가운 공기의 흐름과 더운 공기의 흐름이 분리되어 서로 다른 공기흐름의 길로 나누어짐






Due to their low efficiency, vortex tubes have limited application for space conditioning, except for specialized instances. Vortex tube COPs are typically below 0.1, which limit their application only for instances where conventional vapor-compression systems are impractical (Nellis and Klein 2002). For many industrial settings where compressed air is available, vortex tubes supply cold air on demand for spot cooling of machinery or electronics and personal cooling suits for workers in hazardous conditions, shown in Figure A-3. Additionally, vortex tube diameters must remain relatively small to function, so cooling capacity is restricted to fractional ton sizes.


[각주:4][각주:5]


Technical Maturity and Current Developmental Status

Vortex tubes are available for process applications from Vortec, Nex Flow, Exair and others. No products are available for building heating or cooling other than personal cooling vests that require a compressed air source.


Barriers to Market Adoption

Low efficiency and the need for a compressed air source limit the applicability for space-conditioning applications. Most buildings lack the infrastructure of a compressed air system, and a personal air compressor is too energy intensive to be portable for long periods.


Energy Efficiency Advantages

No advantages expected.


Energy Savings Potential

Potential Market and Replacement Applications

As mentioned previously, vortex-tube cooling is only relevant for building conditioning as a personal cooling mechanism where other methods are unavailable or impractical.


Energy Savings

As a primary cooling system, vortex tubes would provide no energy savings with COPs on the order of 0.1 and less (Gao 2005).

Some research has investigated the benefit of vortex tubes to recover a portion of throttling losses in R-744 vapor-compression cycles, similar to ejectors (Li et al. 2000). Findings in this area have been inconclusive thus far (Nellis and Klein 2002).


Cost and Complexity

Containing no moving parts (other than the compressed air source), vortex tubes are inherently simple, lightweight, and compact. The price for the vortex tubes and personal cooling vests range from one to several hundred dollars depending on capacity and air pressure.


Peak-Demand Reduction and Other Non-Energy Benefits

Convenient and simple way to provide personal cooling where compressed air is available.


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2014. 06. 13 작성

2014. 06. 16 추가


  1. Non-vapor compression HVAC report, DOE [본문으로]
  2. Non-vapor compression HVAC report, DOE [본문으로]
  3. http://blog.naver.com/bjgim21/130151256745 [본문으로]
  4. Non-vapor compression HVAC report, DOE [본문으로]
  5. Non-vapor compression HVAC report, DOE [본문으로]

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맥동관 냉동기 Pulse-Tube Refrigeration


개요 

맥동관 냉동기는 작동유체를 특정한 주기로 주입하여, 압축 및 팽창을 통해 냉방효과를 얻는 장치를 일컫는다. 주로, 작동유체는 헬륨을 사용하며 극저온 영역을 위해 사용된다. 초전도분야(초전도발전기, 초전도 센서), 의료분야(MRI, 극저온 수술), 적외선센서 냉각, 인공위성용 열 영상시스템 등에 사용된다.  


맥동관 냉동기는 압축기를 제외하고는 움직이는 부품이 없어 신뢰성이 높다는 장점이 있다. 

 

Pulse-tube refrigerators compress and expand a working fluid in a linear tube to provide cooling, particularly at low temperatures.



[각주:1]



1960년대 중반 Gifford와 Longsworth가 고안하였으며, 주로 냉매는 헬륨을 사용한다. 헬륨은 단분자 이상기체 물성(monotonic ideal gas properties)과 낮은 응축온도를 가지기 때문이다.  



[각주:2]



기본 맥동관 냉동기 (Basic Pulse Tube Refrigertator, PTR)의 작동원리


기본 맥동관 냉동기의 핵심 구성요소는 재생기(regenerator), 맥동관(pulse tube), 저온측 열교환기, 고온측 열교환기, 밸브 그리고 그림 1에서 나타나지 않는 압축기가 있다. 맥동관은 한쪽이 막혀있고 한쪽은 열려있는 관이며, 막혀있는 쪽이 고온측 열교환기가 위치하여 외기나 냉각수 등으로 열을 방출한다. 한편, 열려있는 쪽은 저온측 열교환기가 위치하는데, 이 곳에서 냉각효과를 가지게 된다.  


맥동관의 냉각효과를 얻게되는 작동원리는 그림 1과 같이 설명이 가능하다.

그림 1에서 실선은 작동유체가 압축이 되었을 때이고, 점선은 압력이 강하할 때의 온도분포이다. 

 

압축기에서 압축된 고압의 냉매가 밸브가 열리면, 재생기를 유입된다. 여기서 재생기는 반 사이클(half cycle)동안 열에너지를 저장하는 역할을 하기 때문에, 작동유체는 재생기에 열에너지를 저장하면서 저온측 온도 Tc로 냉각된다. 이 후 저온측 열교환기를 통과하며 맥동관(pulse tube) 내부에 있는 작동유체를 거의 단열적으로 압축하여, 온도가 상승된다. 작동유체들이 고온측 열교환기쪽으로 쏠리면서 더 압축이 되고, 온도는 Tm까지 상승된다. 이 고온의 작동유체는 고온측 열교환기에서 열을 방출해 Th까지 온도가 낮아지고, 다시 저온측 열교환기 방향으로 움직이면서 팽창하여 온도가 Tc보다 낮아진다. 그럼 저온열교환기에서 냉동효과를 얻을 수 있다.  


낮아진 작동유체는 재생기에 저장했던 열에너지를 되찾으면서 작동유체의 온도가 상승한다. 재생기의 관점에서는 열에너지를 빼앗겨 냉각이 되는 것인데, 다음 사이클에서 재생기를 통과하는 고압의 작동유체에서 냉각시키면서 열에너지를 흡수하기 때문에, 재생기 관점에서 한 사이클의 열출입은 0이된다. 


재열기(regenerator)는 주로 다공성 금속 메쉬(mesh)로 만들어진다. 이는 사이클 도중에 가스를 예난방(pre-heat) 혹은 예냉방(pre-cool)하여 열에너지를 저장하여 사이클의 효율을 향상시킨다. 


맥동관 내부의 유동이 난류 유동이 되면 냉동량은 감소하게 된다. 




낮은 온도를 얻기 위해 맥동관 냉동기를 다단계(multiple stage)로 사용할 수 있다. 단단(one stage) 기본 맥동관 냉동기는 124K, 이단(two stage) 기본 맥동관 냉동기는 79K까지 낮출 수 있다.



오리피스 맥동관 냉동기 (Orifice Pulse Tube Refrigertator, OPTR)의 작동원리


[각주:3][각주:4]

Fig. Schematic of a pulse-tube refrigerator. source: Hooijkaas (2000)


1984년 Mikulin 등이 오리피스(orifice)를 추가한 오리피스 맥동관 냉동기(OPTR)를 도입하였고, 기본 맥동관 냉동기보다 더 낮은 온도까지 작동유체의 온도를 낮출 수 있었다. 


작동유체는 오리피스틑 통과하여 버퍼 리저버(buffer reservoir)에서 대기로 열을 방출한다. 피트톤은 튜브를 통해 다시 팽창하면 온도가 낮아지고 열교환기에서 열을 흡수한다. 




Similar to the Stirling cycle, pulse-tube refrigerators cyclically compress and expand a gas, typically helium, within several enclosed chambers to produce a usable temperature gradient. A piston compresses the gas through the tube, raising its pressure, and directs it through an orifice and into a buffer reservoir, where it rejects heat to ambient. The piston then expands the gas back through the tube, lowering its temperature, and accepting heat from a heat exchanger to provide cooling. A secondary fluid then distributes this cooling to the application. A regenerator, made of a porous metal mesh, stores a portion of the thermal energy to pre-heat or pre-cool the gas throughout the cycle for improved efficiency. Systems can use multiple stages of pulse-tubes to achieve lower temperatures. 




Whereas a Stirling cooler utilizes a moving displacer, the pulse tube itself contains no moving parts, offering inherently high reliability and low vibration, which is attractive for cryocooling applications. Pulse-tube refrigerators can achieve very low temperatures (4–100 K) for cryocooling applications such as gas liquefaction, and the cooling of sensors, superconductors, medical specimens, etc. Nevertheless, pulse-tube refrigerators are not considered a viable alternative for space conditioning applications due to their low efficiencies. Limited performance information exists for temperatures relevant for HVAC applications, but Fischer and Labinov (2000) estimated system COPs of 0.39 for cooling and 0.88 for heating. For low-temperature and cryocooling applications, most systems range from 0.5–100W with a cooling COP ranging from 0.01 (Wang 2007) to 0.10 (Unger and Wood 2000).


Technical Maturity and Current Developmental Status

Pulse-tube refrigerators are currently available for cryocooling applications from several vendors including: Sumitomo, Thales Cryogenics, Cryomech, and others.


Barriers to Market Adoption

The low efficiencies of pulse-tube refrigerators are impractical for space conditioning applications.


Energy Savings Potential

Potential Market and Replacement Applications

Pulse-tube refrigerators are not replacements for current space conditioning systems.


Energy Savings

Pulse-tube refrigerators offer no energy savings compared to current vapor-compression systems, and there is little research into its potential for space conditioning applications.


Cost, Size, and Complexity

Pulse-tube refrigerators operate similarly to other cryocoolers, but are simpler and more reliable as they do not have moving parts within the cooler itself.


Peak-Demand Reduction and Other Non-Energy Benefits

Simple design with no moving parts in the core system, ability to maintain low temperatures.



참고

http://large.stanford.edu/courses/2007/ph210/bert2/

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2014. 06. 13 작성

2019. 02. 23 추가 작성

  1. Non-Vapor Compression HAVC Report, DOE [본문으로]
  2. 맥동관 냉동기, 1992, 정은수, 공기조화냉동공학 [본문으로]
  3. Operating characteristics of a single-stage Stirling-type pulse tube cryocooler with high cooling power at liquid nitrogen temperatures, Jiu-ce SunMarc DietrichLi-min Qiu, Guenter Thummes, 2015, Journal of Zhejiang University [본문으로]
  4. Non-Vapor Compression HAVC Report, DOE [본문으로]

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SDR



PE 파이프를 선택할 때 등장하는 SDR이라는 용어가 있는데

SDR은 Standard Dimension Ratio의 약어로

지름에 대비해야 두께에 대한 관계식을 나타내는 것이다. 


SDR = D / s         (1)

여기서,

D = 파이프 외경 (mm)

s = 파이프 두께 (mm)  


예를 들어, 'SDR 11'는 파이프의 외경이 파이프의 두께보다 11배 크다는 뜻이다. 

즉, 같은 관경인데 SDR의 수치가 크다면 파이프가 얇은 것이다. 


PE 파이프에 관한 국내 KS 기준은 KS M 3408 이다. 

수도용 플라스틱 배관계 - 폴리에틸렌 (PE) 제2부 : 관


2013. 11. 17 작성


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Desuperheater 디슈퍼히터


우선, 디슈퍼히팅(Desuperheating)이 무엇인지 알아보자


디슈퍼히팅(Desuperheating)이란, 

고압 또는 과열 증기를 원하는 과열도까지 온도를 낮추어 포화증기로 만드는 과정을 말한다. 감온이라고 번역되기 한다.

다시말하면, 과열(superheating)을 거꾸로 한다(de-superheating)는 것. 







그럼 디슈퍼히터(Desuperheater)란 무엇인가

Desuperheater는 과열증기 또는 고압/고온의 Steam을 포화증기 또는 저압, 저온의 Steam으로 만들기 위해 증기의 흐름 속에 물을 분사하는 장치를 말한다. 과열저감기, attemperator 라고도 한다.



그럼 왜 쓰는거지?

사용 목적


디슈퍼히터를 사용하여 과열증기의 과열도를 낮추어 포화증기를 만드는 근본적인 목적은

공정 가열용으로 사용되는 증기는 포화증기를 사용하는 것이 보다 경제적이며 효율적이기 때문이다.[각주:1]


포화증기를 사용하지 않고

과열증기를 공정 가열용으로 사용할 경우,


열 전달효율이 떨어져, 포화증기에 비해 약 10~20% 이상의 전열면적이 더 필요

큰 온도 편차에 의한 설비의 수명 문제 발생

온도제어 측면에서 포화증기는 일정한 온도에서 열교환이 이뤄지지만 과열증기는 온도에 따른 열교환(현열)과 상변화에 따른 열전달(잠열)이 이뤄지기 때문에 제어 어려움이 따른다


따라서 공정 가열용으로 포화증기를 공급하고자 하는 것이다. 





원리 



Desuperheater는 고압 또는 과열 증기에 물을 혼합하여 증기의 압력 및 온도를 낮추게 된다. 

Desuperheater에 공급되는 물은 Steam과 쉽게 혼합될 수 있도록 Orifice Nozzle 또는 Atomizing Steam에 의하여 아주 작은 물방울로 만들어져 분사된다. 이 작은 물방울들은 소음과 진동이 없이, 매우 빠르게 혼합되어 포화(Saturate)되도록 한다. 





종류


디슈퍼히터는 온도를 낮추기 위한 방법에 따라 크게 직접 접촉식과 간접 접촉식으로 구분된다. 


1) 직접 접촉식

과열 증기의 온도를 낮추기 위해 사용되는 냉매을 직접 증기의 흐름 속에 분사하는 방식이다.

주로 디슈퍼히팅되는 과열 증기와 같은 물을 냉매로 사용한다. 

이 타입의 디슈퍼히터에는 스프레이타입(Spray), 벤츄리(Venturi)타입, 증기분사 아토마이징(Steam Atomizing) 타입이 있다.



Single Venturi Type                                                       Double Venturi Type


Steam Atomizing Type                                                    Various Orifice Type



[각주:2]






[각주:3]




2) 간접 접촉식

직접 접촉식과 반대로 증기를 냉각시키기 위해 사용되는 냉매가 증기와 직접 접촉하지 않는 방식이다. 

주로 저온의 액체, 가스, 증기 또는 주변의 공기를 냉매로 사용한다.  

Shall&Tube Heat Exchanger과 Trombone Type Cooler가 있다. 

이 방식은 스팀 시스템에서는 거의 사용되지 않는다.



설치


디슈퍼히팅(감온)된 증기의 온도를 감지하여 분사하는 물의 양을 제어하는 온도조절 시스템과 함께 설치된다. 

온도 감지기는 디슈퍼히터의 설치 위치에서 약 7-10m 후방에 설치한다.


[각주:4]


 


2013. 10. 17 작성
2014. 03. 17 추가



  1. Sprirax sarco ( http://www.kemco.or.kr/up_load/blog/Desuperheater.pdf ) [본문으로]
  2. http://www.samhwamix.com/ [본문으로]
  3. http://digmail.blog.me/130070701853 [본문으로]
  4. http://www.kemco.or.kr/up_load/blog/Desuperheater.pdf [본문으로]

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  1. tao 2014.03.17 00:23

    Desuperheater는 꼭 과열증기를 포화증기로 만들 때 사용하는 것은 아닙니다. 보통 상업용 발전을 위한 보일러를 보면, 과열기가 2개가 있습니다. 1차, 2차. 이렇게 말이죠. 1차 과열기에서 만들어진 과열증기에 물을 뿌려서 과열증기 상태이지만 건도가 낮게 만들어 줍니다. 이 스팀이 2차 과열기를 통과하면서 결국 우리가 원하는 스팀의 온도/압력 조건에 맞게 되는 것이지요.

    • 행복지구 2014.03.17 23:40 신고

      보통 과열기가 1차와 2차로 구성된다는 가르침 감사합니다. 과열기에 대해서도 좀 더 공부하도록 하겠습니다 ^^


TAC 온도


ASHARE 기술자문위원회(TAC : Technical advisory committee)에서 제안한 것으로, 

냉난방 설계 외기온도를 결정할 때, 냉난방기간 중 외기설정온도 밖으로 벗어나는 비율(%)을 고려한 온도 말한다.


TAC 위험률이라고도 한다.


공기조화 부하 계산 시 연중 피크 외기온도를 적용하지 않고 

일정 온도-시간 비율을 제외한 외기온도를 적용함으로써, 

공조설비 용량을 과다하게 결정하는 것을 방지하고자 하는 것임.


위험률 2.5%의 의미는 어느 지역의 난방시간이 2,000시간이라면, 

이 기간 중 2.5%에 해당하는 50시간은 난방 설계 외기 조건을 초과할 수 있다는 것을 의미한다.


예를 들어

서울의 온도를 1981년부터 2010년의 건구온도 평균치를 날짜(8760시간)에 따라 살펴보면[각주:1]

다음과 같은데,


외기온도가 28도 이상이면 냉방을 하고 18도 이하이면 난방을 한다고 설정하자.



0.5도 간격으로 빈도수를 구하여 보면 다음과 같다.





다시 여기서 난방기간을 선정한다.

외기온도가 18도 이하일 경우 난방이라고 설정하면 총 난방시간은 5417시간이다.


여기서 확률적으로 5%, 2.5%를 구하면 TAC 5%시간은 271시간, TAC 2.5%시간은 135.4시간이 된다.

최저온도구간에서 누적된 시간이 135.4시간이 되는 지점이 TAC 2.5온도가 되는 것이고 

누적시간이 271시간이 되면 TAC 5온도가 되는 것이다. 


(제가 이해하기로는 이래요ㅎ 고쳐야 할 부분이 있으면 댓글 달아주세요)


이러한 온도-시간의 통계는 10년 이상의 시각 별 평균기온을 참조로 해야 함.


ASHRAE의 TAC에서는 위험률 2.5~10% 범위 내에서 설계 조건을 삼을 것을 추천하고 있다.

일반적으로 TAC 2.5%, TAC 5%가 사용되며, 우리나라는 2.5%를 기준으로 한다.




[예제] 난방기간이 연간 120일 일 때 TAC 초과비율(또는 위험율)이 5%인 설계 외기 기온은 무엇을 뜻하는가?[각주:2] 

[해설] ASHRAE의 TAC에서는 보통 2.5~10%의 범위 내에서 설계조건으로 삼을 것을 추천하고 있다. TAC에서 추천하는 범위 내의 5%로 설정하였으므로 120일×24시간×0.05=144시간 동안의 온도가 설계 외기온보다 낮을 수가 있다는 것을 의미한다. 즉, 설정한 외기온보다 더 추울수 있다는 뜻이 된다.


[정리]

TAC 2.5%의 설계외기온이란?

- 냉방시 : 2.5%에 해당하는 ( )시간은 냉방설계외기온보다 초과(높을)할 수 있다.〔더울 수 있다〕

- 난방시 : 2.5%에 해당하는 ( )시간은 난방설계외기온보다 초과(낮을)할 수 있다.〔추울 수 있다〕




[각주:3]





2013. 10. 03 작성

2014. 04. 28 수정

  1. http://www.kses.re.kr/ [본문으로]
  2. http://www.inup.co.kr/board_ac/board_archi_content_m.asp?idx=28295&page=86&kind_s=&st=&search= [본문으로]
  3. 냉난방 부하계산을 위한 전국 17개 도시의 표준기상데이터 및 TAC 맵 작성, 김환용, 이정재, 2007, 대한건설학회논문집 제 23권 제9호 p.197-204 [본문으로]

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