The freezing characteristics of two kinds of phase change materials (PCM) encapsulated in a spherical container were investigated with various cooling air temperatures and velocities. The super cooling and solidification time of PCM were highly affected by cooling air temperature and velocity. The experimental equations are derived to express total solidification time of the PCM in terms of Nusselt number and dimensionless temperature.
온도가 일정한 외벽을 열원으로 하는 수직 원통형 용기내에 채워진 물질(PCM)의 내향용융 과정에서 용기의 경사각의 변화에 따른 상변화 물질 내의 온도 분포, 용융율, 용융 에너지 등을 실험적으로 연구, 분석하였다. 상변화 물질로는 용융점 온도가 $42.5^{\circ}C$인 n-docosane paraffin($C_{22}H_{46}$)을 사용하였다. 수직 원통형 용기내에서 PCM 용융의 열전달 기구는 자연 대류에 의한 용융이 지배적인 반면 경사진 용기 내에서 용융은 자연 대류 및 고상 PCM과 용기 벽면의 직접 접촉에 의한 조합된 열전달 현상으로 나타났으며, 경사진 용기 내에서 파라핀의 용융율 및 용융에너지는 동일 온도 조건에서 수직 원통형 용기에서 보다 높은 값을 나타내었다.
TABS (Thermally Activated Building System) has recently applied by huge commercial buildings, airports, and convention centers in Europe. TABS provides night-time thermal storage by heating or cooling. The embedded water-based heating and cooling system uses the high thermal inertia of concrete in the building construction, in which a heating or cooling pipe is embedded. The aim of this study is to analyze the thermal storage and thermal output of TABS applied with PCM (Phase Change Material). To achieve this, prototypes of TABS and the thermal properties of various PCMs were investigated. By using the simulation program Physibel Voltra 6.0 W, the thermal storage and thermal output were evaluated according to a heating and cooling operation schedule.
Purpose: Both silica gel and activated carbon black particles were adopted for use as PCM absorbed porous media applicable as construction materials. To investigate usable methods for absorbing PCM into the media, they were soaked into PCM and also tested for enhancement of PCM absorption into them. Method: To test PCM absorption into some porous media such as both ${\varphi}1{\sim}2mm$ and $10{\mu}m$ silica gels, and $50{\mu}m$ activated carbon black, $43^{\circ}C$ PCM was used as a laten heat material. The method, soaking into PCM was applied to this study, and the media were moderately rotated by centrifuge to have the extra PCM flow out. DSC analysis was conducted to investigate the melting and solidifying of the PCM absorbed into the porous media. Result: It was found that PCM was absorbed into the porous media by over 85 wt% of all particles. In addition, it was noted that the ultrasonic vibrator was accelerating the PCM absorption into the particles to three times higher speed than simple soaking. Centrifuge was adopted to remove extra PCM sticking on the particle surfaces and extra PCM was moderately removed from the surfaces of the particles. DSC analysis indicated that the latent heat of the absorbed PCM particles was 160 J/g, and the melting temperature was approximately $40^{\circ}C{\sim}50^{\circ}C$.
연구목적: 본 연구에서는 콘크리트 포장의 온도피해를 줄이기 위해 상변화에너지가 큰 PCM을 콘크리트에 혼입하고 이에 따른 성능테스트를 진행하였다. 연구방법:저온 및 고온에 대한 온도피해를 감소시키기 위해 4.5℃와 44℃의 상변화 온도를 가지는 캡슐형 PCM을 10%, 30%, 50% 치환하여 콘크리트에 혼입하였으며 열전대와 변온챔버를 활용하여 열성능 실험과 압축강도 실험을 진행하였다. 연구결과: 열성능 실험 결과 PCM의 혼입은 최대 25%이상의 온도저항성을 향상시키는 것으로 나타났으며 다량 치환시 높은 비열로 모든 온도에서 열저항성을 높이는 것으로 나타났다. 압축강도 실험 결과 30%이상의 치환은 압축강도를 저하시키는 결과를 나타냈으며 PCM의 상변화온도를 기준으로 큰 강도차이를 나타냈다. 결론: PCM의 혼입은 콘크리트의 열성능을 증가시키는 것으로 나타냈으며 PCM의 상변화온도 부근에서 가장 큰 열성능 증가폭을 나타냈다. 또한 가장 높은 치환율인 50% 치환에서 10%~20%의 작은 강도저하가 발생하였으므로 사용성에 큰 문제가 없을 것으로 판단되며 열성능 향상을 위해 추가적인 PCM 투입이 가능할 것으로 판단된다.
The purpose of this study was to investigate the appropriate amounts of phase change materials to give objective and subjective wear sensations. Vapor-permeable water-repellent fabrics with (WR-PCM) and without (WR) octadecane containing microcapsules were obtained by wet-porous coating process. Then, calculating the area of the WR-PCM treated clothes, we estimated the total calories of the clothing by multiplying the heat of fusion and heat of crystallization of PCM to the calculated area. Wear tests were conducted in both warm environment $(30^{\circ}C,\;65\%\;RH)$ and cold environment $(5^{\circ}C,\;65\%\;RH)$ with sports warm up style experimental garments made with WR and WR-PCM fabrics. Rectal, skin, and clothing microclimate temperatures, saliva and subjective evaluation measurements were done during the wear test. There was no difference of rectal and mean skin temperatures between WR and WR-PCM, but the clothing microclimate temperature of WR-PCM under warm environment was slightly lower than that of WR. In cold environment, WR-PCM showed much higher temperature than in WR. Saliva change did not appear between clothes, but did between two environments. Although subjective sensation between WR and WR-PCM was not significantly different, WR-PCM was rated as cooler than WR in warm environment and as warmer than WR in cold environment. The results of this study indicated that octadecane containing microcapsules in water-repellent fabric provide cooling effect.
The unique technology was developed to control the hydration heat of mass concrete by adding the Phase Change Material(PCM) to concrete. The PCM was designed to liquefy at 60 degrees and its size was limited under $10{\sim}30$ micro meters to be put in pores and to have no effect on compressive strength. In the hydration heat test, center temperature of the PCM specimen was reduced by 10 degrees without any difference in the strength. Even in the adiabatic temperature rise test, the final adiabatic temperature rise amount was reduced as much as 25% in comparison with the standard value in Korean Concrete Standard Specification.
A cold storage refrigerator using phase change material(PCM) has been developed and its performance test results are provided here. The inner temperature of the refrigerator is controlled with forced convection driven by a fan using a DC battery. At the first, to freeze all the PCM of the ambient temperature by a built-in refrigerating machine, it took about 8 and 10 hours respectively at the refrigerator and the freezer mode. Then, without external power supply, the inner temperature of the cold storage refrigerator has been maintained at $-18{\pm}1^{\circ}C$ during 14 hours at the freezer mode and maintained at $3{\pm}^{\circ}C$ during 34 hours at the refrigerator mode. Just after the end of its valid usage as a refrigerator or a freezer, it took about 6 hours to refreeze the PCM for its reuse. During the test, the ambient temperature was kept at $30^{\circ}C$.
본 연구의 목적은 실험 및 FEM 해석을 통해 캡슐형 슬러리 PCM이 혼입된 매스콘크리트의 수화열 및 온도균열 평가하는 것이다. 자재, 시멘트 혼입, 콘크리트 혼입 단계에서의 수화열 평가 실험을 진행하였으며, FEM 해석을 위해 압축강도시험을 실시하였다. 실험 결과를 토대로 캡슐형 슬러리 PCM이 혼입된 콘크리트의 발열함수계수를 FEM 역해석에 의해 도출하였으며, 도출된 발열함수계수를 실구조물 규모 매스콘크리트 FEM 해석에 적용하였다. PCM 소재 단계 실험을 통해 $31^{\circ}C$ PCM이 과냉각 현상 없이 흡열, 발열 특성이 정상적으로 나타나는 것을 확인하였다. PCM의 시멘트 혼입 단계에서는 PCM 1g당 34.61J 만큼의 수화열을 흡열하는 것으로 나타났으며, 콘크리트 혼입 단계에서는PCM 혼입율이 증가함에 따라 최고수화온도 도달시간은 지연되고, PCM 6% 혼입 시 수화열 저감성능이 가장 높게 나타났다. 실험결과를 토대로 역해석을 실시한 결과, PCM 혼입율이 증가함에 따라 반응속도계수는 낮게 도출되었으나, 최고온도계수는 6%에서 최소로 나타나고, 초과할 경우 오히려 증가하는 것으로 해석되었다. 역해석을 통해 도출한 발열함수계수를 실구조물 규모 매스콘크리트의 수화열 해석에 적용한 결과, PCM 1% 혼입 당 온도균열 지수가 0.05 증가하는 것으로 나타났다.
본 연구는 상전이물질이 시멘트 모르타르의 수화특성 및 강도특성에 미치는 영향을 평가하기 위하여 실시되었다. 이를 위하여 바륨 및 스트론튬계 상전이물질을 사용하였으며, 상전이물질 혼입률 1~5%에 대한 실험을 수행하였으며, 시멘트 모르타르 작업성 평가, 간이단열온도상승 실험, 압축 및 휨 강도 평가를 실시하였다. 실험결과 상전이물질의 혼입은 시멘트 모르타르의 수화열 감소에 효과적인 것으로 나타났으며, 바륨 기반 PCM을 사용할 경우 흐름성능이 다소 감소하는 것으로 나타났다. 압축 휨 강도의 경우 상전이물질의 혼입률이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었으며, PCM을 사용할 경우 혼입률에 따라 압축강도 발현추이의 변화가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 상전이물질이 혼입률에 따른 압축강도 추정식을 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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